交流特高压输电线路对雷达台站的无源干扰研究

卢 莹， 张建功， 干喆渊， 赵志斌

(1. 华北电力大学 电气与电子工程学院，北京 102206； 2. 电网环境保护国家重点实验室 (中国电力科学研究院武汉分院)，湖北 武汉 430074)

0 引言

随着科学技术的迅速发展，对周边电磁环境有严格要求的特高频无线电台站(如用于模拟电视及数码电视广播台站、军用航空雷达等)大量涌现，具有大尺寸金属结构的特高压输电线路对这些台站的无源干扰问题成为研究热点[1～3]。

对空情报雷达是用于搜索、监视与识别空中目标并确定其坐标和运动参数的雷达，也称对空搜索雷达[4]。它所提供的情报，主要用于对空警戒、引导歼击机截敌方航空兵器和为防空武器系统指示目标，也用于保证飞行训练和飞行管制，是现代战争中获取空中目标情报的重要电子技术装备。

本文首先对交流特高压输电线路的有源干扰进行分析，重点研究输电线路正常运行时，线路电晕导致的无线电干扰对其附近的对空情报雷达有源影响问题，提出了1 000 kV交流特高压输电线路与对空情报雷达站的有源干扰防护距离建议值。然后对交流特高压线路的无源干扰进行分析，主要研究特高压输电线路的塔、线对对空情报雷达的距离探测性能影响，综合阵地反射面影响、遮蔽影响和二次辐射回波干扰影响，提出了交流特高压输电线路与对空情报雷达站的无源干扰防护距离建议。

1 输电线路与对空雷达站的有源干扰防护

从原理上讲，雷达的工作频率没有限值。适用雷达的工作频率已经从高频频段(3 MHz～30 MHz)扩展到毫米波段(30 GHz～300 GHz)。本文研究的对空情报雷达为我国目前常用的型号，频率为80 MHz～3 000 MHz，可分为80 MHz～300 MHz和300 MHz～3 000 MHz两个频段。GB13618-1992《对空情报雷达站电磁环境防护要求》(以下简称《标准1》)中给出了防护间距定义及防护间距限值[5]。表1给出了不同电压等级的架空电力线路与对空情报雷达站间的防护间距，当不能满足表1要求或者特殊情况，可按照对空情报雷站的电磁环境防护准则来计算。电磁环境防护准则所考虑的高压架空输电线、变电站干扰影响主要来自于两个方面：一是高压架空输电线、变电站等在带电运行时会产生无线电干扰；二是高压架空输电线、塔等设施作为障碍物，如果距离雷达站过近，会破坏雷达阵地反射面的要求，使雷达波瓣变形，进而影响探测性能。另外，高压架空输电线、塔等设施还会对雷达造成一定的遮蔽角或电磁波衰减，从而有可能使雷达遗漏目标或探测距离降低。因此，在考虑它们与对空情报雷达站的兼容时，应从以上几个方面综合进行研究和分析。按《标准》中规定的原则和GJBZ20195-93即《军用地面雷达阵地选择规范》[6](以下简称《标准2》)中对雷达阵地反射面的要求，可分别计算出雷达对特高压架空输电线的防护间距，取较大者为最终防护间距值。

表1 架空输电线路与对空情报雷达站的防护间距

对于高压输电线路在30 MHz以上的无线电干扰水平，主要来自铁塔、绝缘子串、金属器具等部位火花放电等偶然因素，目前没有有效的计算预测办法，只有通过实测进行研究。

测量仪器使用SCHWARZBECK公司9 k～3 000 MHz接收机，配套30 MHz～300 MHz宽带双锥天线和200 MHz～1 000 MHz频段的对数周期天线。在测量中分别测量了天线在垂直极化和水平极化两个方向上的无线电干扰准峰值。

由于30 MHz以上的无线电干扰水平很低，采用了在试验线段带电与不带电情况下进行比较测量的方法，线段不带电情况下测得的数据为背景无线电噪声，通过比较得出此频段交流特高压输电线路的无线电干扰是否显著。图1给出了实测的30 MHz～1 000 MHz频段无线电干扰准峰值频谱分布统计结果。图2给出了天线在垂直极化和水平极化两个方向上的无线电干扰水平比较。

图1 30 MHz～1 000 MHz频段无线电干扰准峰值频谱

图2 天线极化方向对测量结果的影响

雷达一般工作在超短波及以上波段，因此主要受高频噪声脉冲的影响。雷达受噪声干扰致威力降低的机理如下：来自输电线路上的干扰噪声进入雷达接收机后叠加在机内噪声之上，降低信噪比，造成雷达对目标发现概率的降低，此时如要保持相同的发现概率和虚警概率，必须提高最小可检测信号的功率，但这将使雷达的探测距离缩小。

由于30 MHz～1 000 MHz频段无线电干扰水平总体较低，为克服背景噪声对其影响[7～10]，在试验中采用了带电与不带电情况下进行比较测量的方法，线段不带电情况下测得的数据为背景无线电噪声，通过比较得出此频段交流特高压输电线路的无线电干扰是否显著。

图3和图4为两次典型的比较测量结果，两次测量都在晴好天气进行，测量结果没有分辨出带电前后无线电干扰水平有明显一致性差异。因此只能说明特高压线路在该频段的无线电干扰水平较低，完全淹没在背景无线电噪声中[11～13]，而背景无线电噪声主要由空间辐射和气象活动等不稳定因素造成，呈现在一个小范围内的无规律波动。

图3 带电前后的无线电干扰水平比较I(垂直极化)

图4 带电前后的无线电干扰水平比较II(垂直极化)

通过紫外成像仪对试验线段的铁塔、绝缘子串、金属器具等部位进行的观测也没有明显发现存在火花放电的部位(这是针对具体实测对象作出的观测)。

测量结果表明特高压输电线路产生的有源无线电干扰与背景噪声差异很小，因此对工作频率在80 MHz以上的雷达影响很小，防护间距可沿用500 kV输电线路的有源防护间距，即雷达工作频率为80 MHz～300 MHz时的防护距离是1 600 m；雷达达工作频率为300 MHz～3 000 MHz时的防护距离是1 000 m。

2 输电线路与对空雷达站的无源干扰分析

输电线路对雷达的无源干扰主要表现在3个方面：

(1)输电线路线、塔等障碍物对雷达电磁波的二次辐射可对雷达产生固定的干扰回波；

(2)输电线或变电站等地面设施距雷达某一距离时，在这一方位可能破坏了雷达阵地的有效反射面，影响雷达的探测性能的发挥；

(3)输电线或变电站的地面设施的方位对雷达发射的电磁波可能产生遮蔽损耗。

对于米波段雷达，从天线辐射到空间某一点的电场强度是直射波和地面反射波的向量和，其探测性能与雷达阵地有关，地面反射波的路径不应被地物所阻挡。按《标准2》中要求，对于米波雷达，不同仰角上的探测威力可用下式描述：

r=R0·F(α)·

(1)

式中：R0为雷达自由空间标称距离；F(α)为雷达天线的垂直方向系数；D、R、φ分别表示地面扩散系数、地面反射系数和反射波滞后相位；h为雷达天线高度；λ为雷达工作波长。

当地面为理想反射条件时，根号下各项之和在某一仰角时最大接近于4，开方后即在一定的仰角时雷达探测距离可增大近1倍。可见雷达天线周围地形对雷达探测性能有极大影响。这一地域的大小常按雷达第一波瓣中心仰角所要求的菲涅耳区来计算。

这一地域为一椭圆，如图5所示。它的长半轴a、短半轴b、椭圆中心x0与雷达天线高度h、工作波长λ、目标仰角α的关系如下：

(2)

(3)

式中：h为雷达天线的中心高度；λ为雷达工作波长；α为天线垂直面上的仰角。

图5 第一波瓣中心仰角的非涅耳区

则第一波瓣仰角所要求的地面最远反射距离Dmax，最近反射距离Dmin分别为：

(4)

(5)

(6)

(7)

几何反射中心与雷达的距离为：

(8)

将α1的表达式代入(8)式则得：

(9)

由此可知，各反射点距离都与天线高度h的平方成正比，与波长λ成反比。根据《电磁学》知识可知：不同距离段天线所照射的电磁能量密度并不相同，60%以上的能量集中在几何反射中心点附近。因此，在考虑地面障碍物对雷达探测性能的影响时可按雷达的几何反射点d0计算。按较严格要求取雷达工作频率为300 MHz，天线中心高度取 10 m，代入式(6)(7)(9)可得：Dmax= 2 330 m、Dmin=70 m、d0=400 m，米波雷达对特高压输电线路的防护间距为2 330 m。

图6 输电线路对反射波遮挡示意图

3 输电线路对雷达影响的模拟试验

考虑到输电线、塔本身比较高大，进行实物试验难以操作，故这里采用“缩尺比”法进行模拟试验。

在“短波频段内±800 kV 直流输电线路对无线电台站的无源干扰”的基础上，本文设置的参数如下，试验原型为“鼓型”铁塔，模型的缩比比例为30∶1，塔高约100 m(试验中100/30 m)，输电线路采用8分裂双回路形式，导线分裂间距为400/30 mm，导线型号为8×LGJ-500/35的钢芯铝绞线，导线半径为16/30 mm，档距500/30 m。地线为钢芯铝绞线，其接地电阻不大于15 Ω。试验时选择3档距4塔模型进行试验。

发射天线与接收天线采用工作频段为1～18 GHz的双脊喇叭天线，其平均增益为11.3 dB，阻抗 50 Ω，最大功率300 W，峰值功率500 W。发射信号源功率采用E8257D最大输出功率为10 dBm，最高工作频率40 GHz。接收机采用E4408B频谱分析仪，其工作频段为9 kHz～26.5 GHz。信号源及发射天线与频谱仪及接收天线分别位于输电线、塔的两边，信号源与发射天线连接，频谱仪与接收天线连接。试验布置图见图7。

图7 试验布置图

其中，D1为发射天线与塔线模型的距离，单位：m；D2为接收天线与塔线模型的距离，单位：m；h1为发射天线高度，单位：m；H为塔线模型高度，单位：m；h2为接收天线高度，单位：m；α为发射天线与障碍物最高端切线仰角，单位：度；β为收发天线连线与水平线之间的仰角，单位：度。

主要参数设置如下：在考虑发射源功率和接收距离的基础上，确定发射天线与接收天线之间间距即(D1+D2)为100 m，测试频点选择3 GHz、7 GHz和12 GHz。试验步骤如下。

(1)测试电磁波在自由空间中的传播特性

选择开阔场地，按间隔100 m固定发射天线与接收天线，发射天线架高1.5 m；发射信号频率分别设置为3 GHz、7 GHz和12 GHz时，记录接收天线分别架高2.1 m、2.5 m、3 m、6 m时频谱仪显示的功率示数。

(2)测试铁塔对电磁波传播特性的影响

保持频谱仪设置参数、信号源输出功率不变，接收天线、发射天线设置位置不变，将铁塔模型分别架设在距发射天线70 m、50 m、30 m、10 m位置处，接收天线对应架设高度分别为2.1 m、2.5 m、3 m、6 m，读取频谱仪显示的功率示数。

(3)测试铁塔、输电线路同时存在时，对电磁波传播特性的影响

保持频谱仪设置参数、信号源输出功率不变，接收天线、发射天线位置的设置不变，将装配好后的铁塔、输电线模型分别设置在距发射天线70 m、50 m、30 m、10 m位置处，记录频谱仪显示的功率示数。

测试结果表明，在发射频率为12 GHz时，只有铁塔时对接收信号的衰减比有塔有线时大，原因是在进行铁塔衰减试验时，铁塔正面与发射、接收天线相对，进行有塔有线试验时，铁塔最小面与发射、接收天线相对，产生上述结果。从测试结果看，输电线路主要是线路的影响，铁塔对信号的传输影响较小。换言之，高压架空输电线路对信号传播的影响，主要是分裂导线的影响，而塔的影响可以忽略。其主要原因是塔的实际尺寸对发射构成的屏蔽角小于临界无屏蔽张角。

4 结论

综上所述，对于对空情报雷达站，保护间距的计算是根据有源和无源干扰分别进行计算的，计算的结果会有差别，保护间距的最终确定的原则是选择两者中较大的保护间距，这样地面雷达对 1 000 kV级特高压输电线路的防护既可满足有源干扰防护间距，又可满足无源干扰防护间距。实测表明特高压输电线路在雷达工作的80 MHz以上的无线电干扰水平很低，基本淹没于背景无线电干扰噪声中，即使从严考虑也不会超过目前的500 kV输电线路。雷达对特高压输电线路的有源干扰防护间距可按《标准1》中对500 kV输电线路防护间距要求执行，特高压输电线路与无线电台站间防护距离为1 600 m。

对于米波段雷达，从天线辐射到空间某一点的电场强度是直射波和地面反射波的向量和，其探测性能与雷达阵地有关，地面反射波的路径不应被地面障碍物所阻挡，在菲涅耳区内外一定距离时对雷达天线辐射的直射波和地面反射波也可能产生遮蔽影响。目前经济高度发展，土地资源稀缺，输电线路走廊与雷达站的建设寻址已非常困难，因此会出现难以满足表1要求的情况。本文从科研角度分别从有源干扰和无源干扰防护出发所推导的防护间距，考虑到目前土地资源稀缺，输电线路走廊与雷达站的建设寻址已非常困难的情况，认为采用1 000 kV特高压单回输电线路时，其防护间距为2 400 m比较合适。如果雷达阵地架设高度显著的高于输电线路导线平均高度，则米波雷达满足有效反射面的防护距离2 400 m,其余雷达满足有源干扰防护距离1 600 m即可。但关于 1 000 kV交流特高压输电线路与对空雷达台站的保护间距最终确定，还需要与雷达台站管理部门协商决定。在具体实施中如难以保证防护间距，可在保证主要责任区方向满足上述要求情况下，其它区域协商解决。