一種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法，屬于高壓輸 變電工程電磁兼容領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 無(wú)源干擾的產(chǎn)生主要來(lái)源于鐵塔與地線等金屬部件在外加電磁波激勵(lì)下產(chǎn)生感 應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，從而使感應(yīng)電流產(chǎn)生新的電磁波即二次輻射，這種干擾會(huì)使無(wú)線電臺(tái)站接收到 的無(wú)線電信號(hào)等信息產(chǎn)生偏差。無(wú)源干擾水平在某一頻點(diǎn)突然增大的現(xiàn)象我們稱(chēng)之為無(wú)源 干擾產(chǎn)生諧振。無(wú)源干擾產(chǎn)生諧振時(shí)對(duì)無(wú)線電臺(tái)站的影響甚大，可直接導(dǎo)致無(wú)線電臺(tái)站無(wú) 法正常工作。若能預(yù)測(cè)無(wú)源干擾諧振頻率，則能避免無(wú)線電臺(tái)站在諧振頻率工作，從而保證 無(wú)線電臺(tái)站運(yùn)行在正常工作狀態(tài)下。IEEE給出了中波部分頻段（535~1705kHz)的無(wú)源干 擾諧振頻率預(yù)測(cè)公式，但對(duì)于短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法尚缺乏研究成果。隨 著越來(lái)越多的無(wú)線電臺(tái)站工作在短波頻段（3~30MHz)，研究短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率 的預(yù)測(cè)方法顯得尤為重要。
[0003] 針對(duì)無(wú)源干擾的研究，我國(guó)當(dāng)前的工作集中在制定特高壓輸電線路與弱電系統(tǒng) (包括各類(lèi)無(wú)線電臺(tái)站）之間無(wú)源干擾防護(hù)間距的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方面。從目前的研究來(lái)看， 特高壓輸電線路與無(wú)線電臺(tái)站之間無(wú)源干擾防護(hù)距離的制定方法已比較成熟，中國(guó)專(zhuān)利 200710168958. 1的《特高壓交流線路與短波無(wú)線電測(cè)向臺(tái)間防護(hù)距離確定方法》、中國(guó)專(zhuān) 利200710168959. 6的《特高壓交流線路與中波導(dǎo)航臺(tái)間防護(hù)距離確定方法》和中國(guó)專(zhuān)利 201110266401. 8的《特高壓直流輸電線路與無(wú)線臺(tái)站之間防護(hù)間距的確定方法》。針對(duì)特 高壓交流線路與臨近具體臺(tái)站之間的防護(hù)距離求解方法進(jìn)行了闡述，但是無(wú)法解決已有的 線路和臺(tái)站之間的電磁干擾問(wèn)題。對(duì)于減小無(wú)源干擾的研究，中國(guó)專(zhuān)利201110275071. 9的 《一種減小特高壓交流線路對(duì)無(wú)線電臺(tái)站的無(wú)源干擾方法》，通過(guò)在架空地線或桿塔上套裝 磁環(huán)來(lái)控制無(wú)源干擾的大小，減小無(wú)源干擾水平。但是這些措施只能在一定程度上減小某 個(gè)頻段的干擾水平，甚至較難在實(shí)際工程中加以實(shí)現(xiàn)。若能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)干擾諧振頻率，則可通 過(guò)臺(tái)站避免在該頻點(diǎn)工作的方法，徹底避開(kāi)干擾極大值產(chǎn)生的可能性，起到根本性的干擾 抑制效果。因此，深入研究輸電線路無(wú)源諧振機(jī)理及諧振頻率的預(yù)測(cè)方法是解決無(wú)源干擾 問(wèn)題的關(guān)鍵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的是提供一種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方 法，該方法基于復(fù)坡印廷定理，從廣域空間下特高壓輸電線路及天線組成的電磁開(kāi)放系統(tǒng) 的電磁場(chǎng)能量角度出發(fā)，通過(guò)尋找電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量平衡時(shí)的頻點(diǎn)來(lái)預(yù)測(cè)特高壓輸電線 路短波頻段的諧振頻率。
[0005] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：
[0006] -種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法，將廣域空間下特高 壓輸電線路陣列鐵塔及激勵(lì)天線組成的系統(tǒng)等效為電磁開(kāi)放系統(tǒng)；基于復(fù)坡印廷定理，計(jì) 算特高壓輸電線路電大尺寸電磁開(kāi)放系統(tǒng)的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量，得到電磁開(kāi)放系統(tǒng)電場(chǎng) 能量和磁場(chǎng)能量的數(shù)學(xué)表征；基于電磁開(kāi)放系統(tǒng)天線饋電端口的電壓和電流，得到電磁開(kāi) 放系統(tǒng)總的電磁場(chǎng)能量和等效阻抗矩陣的數(shù)學(xué)表征；根據(jù)電磁開(kāi)放系統(tǒng)諧振產(chǎn)生的條件， 得到電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量平衡時(shí)的頻點(diǎn)，即預(yù)測(cè)的諧振頻率。
[0007] -種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一：把廣域空間下特高壓輸電線路陣列鐵塔及激勵(lì)天線組成的系統(tǒng)等效為一 個(gè)電磁開(kāi)放系統(tǒng)，此電磁開(kāi)放系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)廣義上的封閉系統(tǒng)，即將無(wú)窮遠(yuǎn)處視為封 閉曲面，從而引入封閉系統(tǒng)的電磁場(chǎng)理論來(lái)研究電磁開(kāi)放系統(tǒng)；
[0009] 步驟二：基于電磁場(chǎng)的復(fù)坡印廷定理，求解特高壓輸電線路電大尺寸電磁開(kāi)放系 統(tǒng)電場(chǎng)儲(chǔ)存的能量和輻射的能量，以及磁場(chǎng)儲(chǔ)存的能量和輻射的能量，從而進(jìn)一步得到電 磁開(kāi)放系統(tǒng)中電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量的數(shù)學(xué)表征；
[0010] 步驟三：通過(guò)激勵(lì)天線饋電端口的電壓和電流電特性，得到電磁開(kāi)放系統(tǒng)總的電 磁場(chǎng)能量和等效阻抗矩陣的數(shù)學(xué)表征；
[0011] 步驟四：類(lèi)比于封閉系統(tǒng)諧振產(chǎn)生的條件，即系統(tǒng)中的電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量平衡， 求解此時(shí)電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相等時(shí)的頻點(diǎn)，此頻點(diǎn)值即為預(yù)測(cè)的諧振頻率。
[0012] 步驟二中，基于復(fù)坡印廷定理，引入特高壓輸電線路電大尺寸電磁開(kāi)放系統(tǒng)的電 場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量平衡，求解諧振頻率。
[0013] 本發(fā)明一種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法，能從特高壓 輸電線路電磁開(kāi)放系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化的本質(zhì)上出發(fā)，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)諧振頻率的發(fā)生，可應(yīng)用于今后 特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明基于復(fù)坡印廷定理包含源區(qū)的廣義封閉系統(tǒng)示意圖。
[0015] 圖2為本發(fā)明輸電線路陣列鐵塔及N組天線組成的電磁開(kāi)放系統(tǒng)的示意圖。
[0016] 圖3為本發(fā)明驗(yàn)證IEEE用于預(yù)測(cè)中波諧振頻率的模型。
[0017] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中所述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖。
[0018] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中無(wú)源干擾實(shí)測(cè)值與GRF預(yù)測(cè)值的對(duì)比示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019] -種特高壓輸電線路短波頻段無(wú)源干擾諧振頻率的預(yù)測(cè)方法，包括以下步驟：
[0020] 1)、特高壓輸電線路電磁開(kāi)放系統(tǒng)中電磁能的求解：
[0021 ] 在封閉系統(tǒng)中基于電磁場(chǎng)理論的復(fù)坡印廷定理的微分表達(dá)示為
[0023] 式中，
％為封閉系統(tǒng)磁場(chǎng)能量密度的表征；
為封閉 系統(tǒng)電場(chǎng)能量密度的表征；如圖1所示，V。為散射源所在的區(qū)域，區(qū)域V。被封閉球面S。包 圍，區(qū)域V包含散射源區(qū)域V。并被封閉球面S包圍對(duì)區(qū)域V進(jìn)行體積分，基于散度定理可得
[0025] 若此時(shí)將球面的半徑r延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)處，即r - ，s - s"，r - 時(shí)代表系統(tǒng) 的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。可以看出復(fù)坡印廷在無(wú)窮遠(yuǎn)處是一個(gè)實(shí)矢量且復(fù)坡印廷在S面上積分的虛部 為：
[0027] 從上式可得近區(qū)表面S的選取直接影響復(fù)坡印廷在S面上積分虛部的取值。同理 可得復(fù)坡印廷在S面上積分的實(shí)部，稱(chēng)之為輻射功率；
[0029] 從上式可得近區(qū)表面S的選取不影響復(fù)坡印廷在S面上積分虛部的取值，即電磁 輻射功率與近區(qū)表面S的選取無(wú)關(guān)。由式（3)和式（4)聯(lián)立可得電磁開(kāi)放系統(tǒng)中基于電磁 場(chǎng)理論的復(fù)坡印廷定理的積分表達(dá)示為：
[0031] 式中，系統(tǒng)中總的磁場(chǎng)能量密度的表征，w 6為系統(tǒng)中總的電場(chǎng)能量密度的表 征。我們把系統(tǒng)中磁場(chǎng)能量密度從磁場(chǎng)的儲(chǔ)存能量密度和磁場(chǎng)的輻射能量密度2方面來(lái)考 慮，并分別用wh'、whMd來(lái)表示磁場(chǎng)的儲(chǔ)存能量密度和磁場(chǎng)的輻射能量密度即
把系統(tǒng)中電場(chǎng)能量密度從電場(chǎng)的儲(chǔ)存能量密度和電場(chǎng)的輻射能量密度2方面來(lái)考慮，并分 另IJ用w/、w/ad來(lái)表示電場(chǎng)的儲(chǔ)存能量密度和電場(chǎng)的輻射能量密度即

[0032] 由于無(wú)窮遠(yuǎn)處的輻射場(chǎng)的電磁場(chǎng)輻射存在的關(guān)系如下 此時(shí) i·
從上式可得在空間的任一位置電場(chǎng)的輻射 能量密度與磁場(chǎng)的輻射能量密度是等值的，同理可得在v"-v。的區(qū)域中即封閉1面與封閉 S。面所包圍的廣義封閉區(qū)域的電磁場(chǎng)能量密度滿足：
[0034] 式中，c為光速的表征，輻射功率
< 由上式（6)和（7) 聯(lián)立可得在V" -V。的區(qū)域中即封閉S "面與封閉S。面所包圍的電磁開(kāi)放系統(tǒng)（封閉區(qū)域） 中儲(chǔ)存的電場(chǎng)能量和磁場(chǎng)能量分別為
[0037] 電磁開(kāi)放系統(tǒng)（封閉區(qū)域）中電磁場(chǎng)能量的儲(chǔ)存能量和輻射能量的表征為研究特 高壓輸電線路諧振的條件奠定了一定的基礎(chǔ)。
[0038] 2)、特高壓輸電線路電磁開(kāi)放系統(tǒng)電磁諧振因子（GRF)的求解：
[0039] 由特高壓輸電線路和N組天線組成的電磁開(kāi)放系統(tǒng)如圖2所示，由于天線向無(wú)窮 遠(yuǎn)空間的輻射和輸電線路上傳導(dǎo)電流的熱損耗均會(huì)引起功率損耗，因此圖2所示為有耗電 磁開(kāi)放系統(tǒng)。每一組天線系統(tǒng)等效為一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò)，由封閉球面S包圍的區(qū)域V中包含 特高壓輸電線路和N組天線。每組天線分別處于區(qū)域1中，特高壓輸電線路處于區(qū)域V'若 將封閉球面S擴(kuò)大到無(wú)窮遠(yuǎn)處，基于無(wú)源區(qū)域的復(fù)坡印亭定理可得，在
的無(wú)源區(qū) 域中
[0041] 將處于入射電磁波激勵(lì)下的特高壓輸電線路，天線及其大地鏡像構(gòu)成的電磁開(kāi)放 系統(tǒng)視為復(fù)雜多端口網(wǎng)絡(luò)。其中Si為第i組天線的表面，S'為特高壓輸電線路的表面，若 特高壓輸電線路和天線均為理想導(dǎo)體，則除了天線的饋電端口參考面外，位于SJP S'面上 其余點(diǎn)的電場(chǎng)的切向分量均為〇,即滿足：