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特高压直流线路对邻近无线电子设施电磁干扰防护的关键问题

唐波  
【摘要】:具有长距离、大容量输电特征的特高压输电线路,是构建我国特高压电网的坚实基础和核心环节,而在当前特高压直流工程的规划、设计和建设中,如何规避线路对邻近无线电子设施的电磁干扰,已成为困扰特高压直流线路路径选择的重要问题。本文针对特高压直流线路对邻近无线电子设施的无线电无源干扰和磁场干扰这两个关键问题进行了深入研究,分析了线路对无线电台站无源干扰和线路对地磁台站磁场干扰的机理,提出了对应的数学模型及其求解方法,设计了线路与各类无线电子设施之间电磁干扰防护间距的计算流程,并开发了线路对地磁观测磁场干扰的校正系统。 文章的主要研究内容如下: 结合电磁散射理论,分析了输电线路无源干扰的产生机理,求解了输电线路无源干扰的面和线电场积分方程。根据Hallen方法和天线理论,研究了线模型的等效依据及其计算偏差随频率增大而增大的原因。为更好地体现线路铁塔局部特征并保证感应电流的连续性,提出了建立基于三角面元的特高压直流线路角钢铁塔面模型的方法。采用矩量法,选择RWG基函数和伽略金检验对无源干扰面电场积分方程进行求解。为研究铁塔辅材的影响,以NEC(Numerical Electromagnetic Code)为基础,对其源代码改进,建立了有、无辅材的特高压直流铁塔线、面模型。计算结果表明,若选取O.1dB为干扰允许值,则建议在较高频率,如16.7MHz及以上采用输电线路无源干扰面模型。综合考虑计算的准确性和速度,提出了采用输电线路线-面混合模型求解无源干扰的方法。借用北京康西草原的线路缩比模型实验,及开展的垂直接地体对短波无线电测向干扰实验,将理论计算结果与实验结果进行比较,验证了提出的模型及其求解方法的准确性。 分析了当前输电线路无源干扰防护间距的求解方法,认为无源干扰谐振频率是防护间距求解的关键问题。结合输电线路无源干扰谐振频率发生在“整数倍波长回路谐振频率”和“λ/4谐振频率”的传统观点,计算了垂直极化平面波激励下的输电线路感应电流和无源干扰水平。由于激励源由广播天线改为垂直极化平面波,且研究的频率范围进行了扩展,计算结果表明,在中波频段,无源干扰最大值出现的频率仅符合“1倍波长回路谐振频率”和“3倍波长回路谐振频率”,不严格符合“λ/4谐振频率”;频率达短波频段后,“整数倍波长回路谐振频率”不再适用。本文进一步探讨了导线、地线、铁塔数量和档距对无源干扰谐振频率的影响,验证了《IEEE guide on the prediction, measurement, and analysis of AM broadcast reradiation by power lines》的研究结论,即1.7MHz频率以下,输电线路无源干扰主要由铁塔、地线及大地组成的回路中感应电流产生的二次辐射决定;同时,提出了频率达到短波及其以上频段,无源干扰主要由线路铁塔散射决定的观点。由此,提出了更为妥善的输电线路无源干扰防护间距求解方法。 分析了地磁观测仪器的工作原理,并研究了直流线路干扰地磁观测的特点,发现直流线路主要干扰地磁Z分量的观测。建立了无限大均匀土壤和分层土壤情况下的入地电流磁场和极导线电流磁场的数学模型,计算表明干扰主要和线路极导线承载的电流有关,研究时可以忽略大地土壤和入地电流分布情况。从而,以线路杆塔为节点,以线路档距为线段,提出了基于地心坐标系的直流输电线路三维电流磁场计算模型。 以观测点为原点建立了地磁仪器观测点坐标系,推导了观测点坐标系各坐标轴在地心坐标系中的单位矢量表达式。根据空间矢量点积的定义,得到了空间电流磁场矢量投影到地磁Z分量方向的求解公式。利用推导的公式和三维电流磁场计算模型,最终求得直流输电线路对地磁Z分量观测的干扰水平。由此,开发了“直流输电线路对地磁观测干扰校正系统”,对系统的开发思想和数据库建立方法进行了介绍。开展了地磁台站和野外联合地磁观测干扰实验,结果表明提出的数学模型和计算方法具有较高的准确度。


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