李締華 梁盼望 徐 鵬
(中國能源建設(shè)集團(tuán)湖南省電力設(shè)計院有限公司,湖南 長沙 410007)
某±800 kV特高壓輸電工程是我國實施“西電東送”戰(zhàn)略的重點工程,也是促進(jìn)國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和節(jié)能減排的重大清潔能源項目。受周邊障礙物限制,該線路工程與一飛機導(dǎo)航臺距離較近。導(dǎo)航臺型式如圖1所示,該導(dǎo)航臺為華東地區(qū)重要的航路導(dǎo)航臺,為南來北往的飛機提供準(zhǔn)確的方位和距離。導(dǎo)航臺主要設(shè)有多普勒全向信標(biāo)臺和測距儀站,為保證導(dǎo)航精度,導(dǎo)航臺對周邊建筑物高度及電磁環(huán)境都有嚴(yán)格要求。而該特高壓輸電工程鐵塔普遍較高,且電流通量大,因此需進(jìn)行專題分析研究。
圖1 導(dǎo)航臺型式
文獻(xiàn)[1]給出了全向信標(biāo)臺和測距儀臺對周邊電磁環(huán)境的具體要求:
(1)以全向信標(biāo)/測距儀臺天線基礎(chǔ)中心為基準(zhǔn)點,以全向信標(biāo)天線反射網(wǎng)平面為基準(zhǔn)面,半徑200 m以內(nèi)不應(yīng)有超出基準(zhǔn)面高度的35 kV及以上的高壓輸電線,半徑500 m以內(nèi)不應(yīng)有超出基準(zhǔn)面高度的110 kV及以上的高壓輸電線。
(2)導(dǎo)航臺全向信標(biāo)設(shè)備信號在覆蓋區(qū)內(nèi)的最低信號場強為90 μV/m,對調(diào)頻廣播干擾的防護(hù)率為17 dB,對工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療設(shè)備干擾的防護(hù)率為14 dB,對其他各種有源干擾的防護(hù)率為20 dB,計算得到允許的高壓線路最大干擾場強為19 dB(μV/m)。
(3)導(dǎo)航臺測距儀設(shè)備信號在覆蓋區(qū)內(nèi)的最低信號場強為689 μV/m,對各種有源干擾的防護(hù)率為8 dB,折算得到允許的高壓線路最大干擾場強為49 dB(μV/m)。
根據(jù)現(xiàn)場實測,該線路工程與導(dǎo)航臺之間的距離為557 m。高壓架空輸電線路運行時,導(dǎo)線表面存在一定的電暈放電現(xiàn)象,桿塔上的絕緣子和金具等部分也可能存在間歇性火花放電現(xiàn)象,從而產(chǎn)生無線電噪聲。文獻(xiàn)[2]對高壓架空輸電線路的無線電噪聲特性進(jìn)行了描述,電暈放電主要能量集中在10 MHz以內(nèi)。經(jīng)統(tǒng)計,30 MHz時的無線電噪聲比0.5 MHz時衰減20~40 dB。文獻(xiàn)[3]給出了我國±800 kV直流輸電線路的控制值:正極性導(dǎo)線地面投影外側(cè)20 m,頻率為0.5 MHz的無線電干擾限值為58 dB(μV/m)。
30 MHz以上無線電噪聲主要來自于絕緣子和金具的火花放電,電暈放電產(chǎn)生的高頻電流沿導(dǎo)線傳導(dǎo),沿線發(fā)射無線電噪聲,火花放電則主要以絕緣子和金具為中心向空間發(fā)射。全向信標(biāo)臺工作在108~117.975 MHz,測距儀臺工作在960~1 215 MHz,雖然頻段與高壓線路的主要噪聲頻率不一致,但從嚴(yán)考慮,高壓輸電線路可能對新導(dǎo)航臺存在有源干擾風(fēng)險,為此,下文對特高壓直流輸電線路在導(dǎo)航臺工作頻率范圍的無線電噪聲進(jìn)行類比測量與評估。
高壓輸電線路帶電運行時,導(dǎo)線表面的電位梯度較高,會引起表面空氣電離擊穿放電,稱為“電暈”,會使導(dǎo)線周圍形成脈沖重復(fù)率很高的“穩(wěn)態(tài)”無線電干擾場。
傅里葉分析和大量實測數(shù)據(jù)驗證表明,架空電力線的電暈干擾頻譜幅度較高,但這種干擾主要能量集中在10 MHz以下,30 MHz以上干擾隨頻率增高幅值下降很快。圖2為特高壓輸電線路運行后常年觀測所統(tǒng)計的無線電干擾頻譜特性,從圖中可以看出,10 MHz以后,干擾幅值相對于0.5 MHz已下降了30~40 dB,不會形成有效干擾。
圖2 特高壓輸電線路無線電干擾頻譜特性
30 MHz以上頻段無線電干擾大部分由火花放電產(chǎn)生,由于高頻集膚效應(yīng)的影響,脈沖干擾電流在導(dǎo)線內(nèi)的傳播衰減增大,同時在這個頻段內(nèi)波長已接近或小于導(dǎo)線間隙和設(shè)備、金具的尺寸,因此30 MHz以上頻段干擾被認(rèn)為是空間不連續(xù)分布的點源輻射的結(jié)果。
在線路上導(dǎo)線的電暈脈沖頻譜分量本身已很小,同時又不能有效地輻射到空間,因此在30 MHz以上頻段輸電線路的干擾較小,主要反映在鐵塔、絕緣子串、金具等部位火花放電上。隨著電力設(shè)備制造和施工工藝水平的提高,金具表面場強已經(jīng)被控制得很低(10 kV/cm2以下),已運行線路很難觀察到火花放電現(xiàn)象。
本次測試采用德國R&S公司的FSH4接收機/頻譜儀,該頻譜儀靈敏度高,分辨率帶寬1 Hz。接收天線采用頻率30~300 MHz的雙錐天線和200~2 000 MHz的對數(shù)周期天線。其中,雙錐天線采用水平極化方式,測量時采用平均值檢波;對數(shù)周期天線采用垂直極化方式,測量時采用峰值檢波。測量系統(tǒng)的靈敏度均大于全向信標(biāo)臺和測距儀臺最大干擾允許場強,滿足文獻(xiàn)[4]中的測量系統(tǒng)要求。
我國在運特高壓直流工程已有十余個,需從中選擇某已建特高壓直流工程進(jìn)行類比監(jiān)測。高壓架空輸電線路的無線電噪聲與線路的運行電壓、對地高度和導(dǎo)線型式相關(guān)。本工程所用導(dǎo)線截面為1 000 mm2,分裂間距500 mm,導(dǎo)線截面越大,分裂間距越大,導(dǎo)線表面的電場強度越小,產(chǎn)生的無線電噪聲越小,按照從嚴(yán)考慮,選擇導(dǎo)線截面900 mm2,分裂間距450 mm的某已建工程作為類比監(jiān)測對象。
以邊導(dǎo)線地面投影為0點設(shè)置測點,如圖3所示,1#~7#測點分布在距0點2 m~2 km的位置,天線中心離地高度2 m,測量現(xiàn)場照片如圖4所示。
圖3 測試路徑示意圖
圖4 已建±800 kV特高壓直流輸電線路電磁環(huán)境測試現(xiàn)場
6#測點與已建線路的距離和導(dǎo)航臺與本工程線路距離相近,依據(jù)文獻(xiàn)[4]中的測量方法,該測點測量結(jié)果如圖5所示。
圖5 6#測點頻譜圖(與邊導(dǎo)線水平距離557 m)
6#測點113.9 MHz、1 173 MHz和1 110 MHz頻率測量結(jié)果和換算結(jié)果的典型值如表1所示。
表1 6#測點測量結(jié)果和換算結(jié)果
根據(jù)前述文獻(xiàn)[1]的要求,線路干擾測量結(jié)果表明,線路對導(dǎo)航臺的干擾值均在限值要求以內(nèi)。
(1)高壓輸電線路的無線電噪聲基本在30 MHz以下,主要能量集中在10 MHz以內(nèi),沿線路傳播,影響面較廣。
(2)30 MHz以上無線電噪聲主要是絕緣子和金具等火花放電所致,不能在導(dǎo)線中有效傳播,集中在桿塔附近區(qū)域,是“點”干擾源。隨著電力設(shè)備加工和施工工藝水平的提高,加上特高壓工程設(shè)計時金具表面場強保留了充足裕量,已運行特高壓線路金具和絕緣沒有發(fā)現(xiàn)火花放電現(xiàn)象。因此,輸電線路30 MHz以上無線電噪聲影響面小,衰減快。
(3)類比測量6#測點的電磁環(huán)境測量結(jié)果表明,被測量直流輸電線路工程滿足文獻(xiàn)[1]中規(guī)定的多普勒全向信標(biāo)臺和測距儀臺的干擾防護(hù)率要求。由此類推,本工程線路無線電噪聲也滿足全向信標(biāo)臺和測距儀臺有源干擾防護(hù)率要求,不會對涉及的航路導(dǎo)航臺造成有源干擾。