空間中的電力系統(tǒng)輻射及其形成機(jī)理

張 翀

(北京航空航天大學(xué) 自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院, 北京 100191)

電力線諧波輻射(Power Line Harmonic Radiation, PLHR)是一種在空間電離層中觀測到的來自于地面電力系統(tǒng)的電磁波輻射現(xiàn)象,其頻率一般在極低頻(Extremely Low Frequency,ELF,3 Hz～3 kHz)和甚低頻(Very Low Frequency,VLF,3 kHz～30 kHz)范圍內(nèi). 其具體表現(xiàn)形式為在空間電場強(qiáng)度的時(shí)頻功率密度譜圖中若干條明顯高于背景強(qiáng)度的相隔50 Hz/60 Hz或100 Hz/120 Hz的平行譜線, 該頻率間隔與相應(yīng)地面電力系統(tǒng)所采用的工作頻率具有一致的對應(yīng)關(guān)系, 例如在美國近地空間探測到的頻率間隔為60 Hz和120 Hz的譜線, 在我國近地空間探測到的頻率間隔為50 Hz和100 Hz的譜線. 近些年國外學(xué)者對PLHR現(xiàn)象開展了大量的地基觀測、衛(wèi)星觀測和實(shí)驗(yàn)?zāi)M研究[1-2]. PLHR可通過與磁層中的粒子發(fā)生相互作用使得電離層中的電子沉降增強(qiáng), 影響電離層的電離產(chǎn)生率,并觸發(fā)新的輻射, 已成為近地空間公認(rèn)的人為污染源[3-4]. 而利用低軌衛(wèi)星對50 Hz/60 Hz的電力系統(tǒng)基頻輻射的觀測, 以及其與諧波輻射的關(guān)系分析, 為研究電力系統(tǒng)輻射對近地空間環(huán)境的影響提供了新的思路[5].

本文利用DEMETER地震電磁衛(wèi)星的電場探測數(shù)據(jù),研究了電力系統(tǒng)基頻輻射頻率與相應(yīng)地面電力系統(tǒng)的工作頻率的一致性, 在我國近地空間內(nèi)分析了其與PLHR之間的關(guān)系, 最后探討了電力系統(tǒng)輻射的形成機(jī)理, 研究了我國架空輸電線路地線的不同接地方式成為輻射源的可能性.

1 DEMETER衛(wèi)星及探測數(shù)據(jù)處理方法簡介

法國的地震電磁衛(wèi)星DEMETER旨在研究地震發(fā)生前后的電離層擾動情況,在軌運(yùn)行時(shí)間為2004年7月至2010年12月,初始軌道高度為710 km,2005年12月降為660 km,采用準(zhǔn)太陽同步圓形軌道.衛(wèi)星有2種工作模式:巡查模式和暴模式.在暴模式下,其搭載的科學(xué)儀器具有不同的工作方式,產(chǎn)生不同的數(shù)據(jù)產(chǎn)品.本文研究所用的數(shù)據(jù)來自于衛(wèi)星搭載的電場探測儀在暴模式下的數(shù)據(jù)產(chǎn)品.在暴模式中,電場探測儀可以提供采樣頻率為2.5 kHz的電場3分量波形數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)產(chǎn)品編號為1130)和采樣頻率為40 kHz的電場單分量波形數(shù)據(jù)(數(shù)據(jù)產(chǎn)品編號為1131).由于絕大部分PLHR事件的頻率分布在500 Hz～5 kHz之間[1,6],利用1131數(shù)據(jù)產(chǎn)品來分析PLHR現(xiàn)象,而對于電力系統(tǒng)基頻輻射(50 Hz/60 Hz),利用1130數(shù)據(jù)產(chǎn)品的電場3分量波形數(shù)據(jù)分析其傳播方向.

對電場波形數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻分析, 得到電場強(qiáng)度時(shí)頻功率密度譜圖. 對于500 Hz以上的高次諧波輻射現(xiàn)象, 分析的數(shù)據(jù)為1131號數(shù)據(jù)產(chǎn)品, 采用4.88 Hz的頻率分辨率與0.819 2 s的時(shí)間分辨率. 具體的實(shí)現(xiàn)方法為:每次STFT的點(diǎn)數(shù)8 192個(gè)采樣點(diǎn), 得到的頻率分辨率為df=fs/8 192=4.882 8 Hz,fs=40 kHz為采樣頻率, 為了抑制干擾, 2次STFT之間有50%重疊,每做7次STFT進(jìn)行一次平均, 作為這一時(shí)間段上的計(jì)算結(jié)果, 時(shí)間分辨率為dt=(8 192/fs)×4=0.819 2 s. 對于基頻及較低次諧波輻射, 采用的頻率分辨率為1 Hz, 時(shí)間分辨率為0.5 s,分析的數(shù)據(jù)為1130號數(shù)據(jù)產(chǎn)品.由于1130數(shù)據(jù)提供了電場3分量波形數(shù)據(jù),可以對其波矢方向進(jìn)行分析.

2 電力系統(tǒng)輻射的特征

2.1 基頻輻射與對應(yīng)地面電力系統(tǒng)頻率之間的關(guān)系

由于我國完全采用50 Hz作為電力系統(tǒng)頻率,為了說明衛(wèi)星探測到的基頻譜線頻率與地面電力系統(tǒng)所采用頻率的一致關(guān)系,需要分析衛(wèi)星在其他采用不同電力系統(tǒng)頻率的國家上空的探測數(shù)據(jù)情況.

圖1是同一軌道上基頻譜線頻率變換的事例.該軌道為2004年12月16日衛(wèi)星先后跨越菲律賓和中國上空的上行軌道,軌道及2段基頻輻射發(fā)生位置如圖1a所示,軌道號為024301.圖1b和圖1c是該軌道上2段暴模式的1131數(shù)據(jù)所做的時(shí)頻圖.由該圖可看到在菲律賓上空探測到的60 Hz譜線及在中國上空探測到的50 Hz譜線.

圖1 衛(wèi)星同一軌道相繼經(jīng)過菲律賓和中國上空時(shí)分別探測到的不同頻率的基頻譜線

2.2 基頻輻射與諧波輻射之間的關(guān)系

利用衛(wèi)星6.5 a的全部電場探測數(shù)據(jù),在500 Hz～5 kHz范圍內(nèi)在我國近地空間總共發(fā)現(xiàn)了133例諧波輻射事件[6].這些事件中僅有4例事件的低頻頻率段沒有出現(xiàn)基頻譜線,而其他129例諧波輻射事件的低頻頻率段均有明顯的50 Hz譜線,這些基頻譜線具有較長的持續(xù)時(shí)間,覆蓋較大的區(qū)域.其在發(fā)生時(shí)間上覆蓋諧波譜線,且強(qiáng)度遠(yuǎn)高于諧波譜線強(qiáng)度.

一個(gè)典型的例子如圖2所示.圖2c顯示了3段50 Hz基頻譜線,分別對應(yīng)于圖2a中的3段加粗線段.圖2b顯示了2段PLHR事件,第1段分布于2 kHz～3.5 kHz之間,第2段分布于4 kHz～4.5 kHz之間,在圖2a中分別用叉號和實(shí)心圓圈標(biāo)出.由圖中可看出第1段和第2段PLHR分別對應(yīng)于第2段和第3段的基頻譜線,50 Hz基頻譜線持續(xù)時(shí)間長,并且覆蓋諧波輻射出現(xiàn)的時(shí)間.圖2d～圖2f分別是該軌道的1130電場探測數(shù)據(jù)變換到當(dāng)?shù)氐卮抛鴺?biāo)系下的電場x、y和z分量的時(shí)頻功率密度譜圖.1130的數(shù)據(jù)由于衛(wèi)星自身的原因會引入7.33、19.53、39.06 Hz及其諧波頻率的固定頻率干擾[7],表現(xiàn)在時(shí)頻圖上即為對應(yīng)于這些頻率的譜線.可以從圖中看出,50 Hz譜線存在x和y分量,而不存在z分量,即不存在沿地球磁力線方向的分量,此即電離層中的哨聲模傳播.

圖2 衛(wèi)星軌道341640的2段PLHR事件和3段基頻輻射事件Fig.2 The 2 PLHRs and 3 fundamental frequency radiations of satellite orbit 341640

另外,圖2c中在第2段50 Hz譜線中后段及第3段50 Hz譜線前中段之上出現(xiàn)了較微弱的60 Hz譜線,通過下面方法分析了2譜線的持續(xù)時(shí)間和持續(xù)時(shí)間內(nèi)的平均功率密度.圖2c的時(shí)頻圖分辨率為1 Hz和0.5 s,假設(shè)初始時(shí)刻kHz譜線的功率密度為Pk,單位為lg(μV2·m-2·Hz-1),以50 Hz為例,若滿足P50>P49、P50>P51且P50-0.5(P49+P51)>0.35,則將該點(diǎn)作為一個(gè)有效點(diǎn),若連續(xù)出現(xiàn)6個(gè)及以上的有效點(diǎn),則這些有效點(diǎn)的時(shí)間及功率密度均被記錄,若中途連續(xù)出現(xiàn)3個(gè)非有效點(diǎn),則計(jì)數(shù)停止,直到下一個(gè)有效點(diǎn)重新開始計(jì)數(shù),最后將有效點(diǎn)時(shí)間作為譜線的持續(xù)時(shí)間,再計(jì)算出所有有效點(diǎn)的平均功率密度.通過該方法,計(jì)算得50 Hz譜線的持續(xù)時(shí)間為188 s,平均功率密度為-0.639lg(μV2·m-2·Hz-1);60 Hz譜線的持續(xù)時(shí)間為74 s,平均功率密度為-0.96lg(μV2·m-2·Hz-1);50 Hz譜線的持續(xù)時(shí)間及功率密度均遠(yuǎn)大于60 Hz譜線.出現(xiàn)60 Hz時(shí)的衛(wèi)星位置對應(yīng)于遼東半島-渤海-膠東半島-江蘇中南部地區(qū).該60 Hz譜線很有可能是來自于韓國或日本西部采用的60 Hz頻率的電力系統(tǒng).基頻輻射屬于ELF頻段,其自地面源產(chǎn)生之后傳播方式更容易被限制在地球表面和電離層下邊界形成的空腔中,即大地-電離層波導(dǎo),可以在該波導(dǎo)中傳播數(shù)十至上百公里后,在電離層下邊界波的入射角小于進(jìn)入哨聲導(dǎo)管所需的臨界角時(shí),會進(jìn)入電離層形成哨聲模傳播,進(jìn)而被衛(wèi)星探測到.

通過對所有6.5年衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)的分析,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過我國近地空間的軌道中有接近一半的軌道存在著50 Hz基頻譜線,故基頻輻射較為普遍的存在于近地空間中,而諧波輻射出現(xiàn)率卻很低,且?guī)缀跛兄C波輻射出現(xiàn)時(shí)均有基頻輻射存在(129/133)且發(fā)生時(shí)間被基頻輻射所覆蓋.故諧波輻射很可能是由基頻輻射在電離層中在一定條件下所觸發(fā),而并非直接來源于地面電力系統(tǒng)中的諧波.

2.3 空間電力系統(tǒng)輻射形成機(jī)理的研究

對于ELF及VLF頻段的電磁波的輻射,要求其輻射源需要有長度數(shù)十公里至上百公里的等效天線,而以大地為回路的長距離架空輸電線路正好滿足這個(gè)條件.輸電線在三相平衡正常運(yùn)行時(shí),不存在零序電流,大地回路中沒有電流.但當(dāng)三相運(yùn)行不平衡時(shí),大地回路中會有流過零序電流,該零序電流分布在大地表面至趨膚深度處.一般來講,沒有架空地線且輸電線兩端變壓器中性點(diǎn)直接接地的架空輸電線路是最有效的輻射源[8].零序電流可以在架空地線上產(chǎn)生感應(yīng)電流,進(jìn)而產(chǎn)生退磁作用,削弱其輻射.而這種退磁作用的強(qiáng)弱需要根據(jù)架空地線的不同接地方式進(jìn)行討論.

我國66 kV電壓等級的線路除了年雷暴日較多的地區(qū)建議全線架設(shè)架空地線以外, 66 kV以下的均不要求全線架設(shè). 我國電力系統(tǒng)要求110 kV及以上電壓等級的架空輸電線路要求全線架設(shè)雙地線, 分別是鋁包鋼絞線(普通地線)和光纖復(fù)合架空地線(OPGW), 兩者主要起防雷的作用,同時(shí)OPGW也可作為通訊線纜. 普通地線與OPGW均有兩種接地方式, 第一種是逐基接地,第二種是分段絕緣、單點(diǎn)接地. 目前,我國實(shí)際工程中采用的接地方式基本為OPGW采用逐基接地,而普通地線采用分段絕緣單點(diǎn)接地的方式[9].

分段絕緣單點(diǎn)接地方式中的一段的等效電路如圖3所示,這種接地方式架空地線會在接地點(diǎn)附近設(shè)置帶導(dǎo)弧間隙的絕緣子,用以保障線路正常運(yùn)行時(shí)的分段絕緣狀態(tài),同時(shí)在遭受雷擊時(shí)可以將絕緣子擊穿雷電流通過接地電阻引入大地.故這種接地方式在正常運(yùn)行時(shí)不形成回路,故架空地線沒有感應(yīng)電流,不會對零序電流起到退磁作用.

圖3分段絕緣單點(diǎn)接地方式的等效電路

Fig.3 Equivalent circuit of sectional insulation with single point grounding mode

而OPGW逐基接地的方式架空地線會與大地形成回路,對零序電流有退磁作用,使得這種類型的架空輸電線路成為較弱的輻射源.為了定量地研究退磁作用的大小,利用ATP-EMTP軟件進(jìn)行了仿真,該軟件可以通過設(shè)置架空輸電線路模型的參數(shù)以計(jì)算零序電流在架空地線中的感應(yīng)電流大小.仿真計(jì)算的電路及結(jié)果如圖4所示.圖4a為仿真電路示意圖,其中R1為桿塔接地電阻,R2為輸電線終端變壓器的接地電阻,LCC是輸電線模型,包括三相輸電線、普通地線及OPGW,普通地線采用分段絕緣單點(diǎn)接地,OPGW采用逐基接地.每個(gè)LCC長3 km,示意圖中僅畫了3個(gè),實(shí)際仿真中用40個(gè)LCC模型代表120 km輸電線路.LCC中需要設(shè)置的參數(shù)有:大地電阻率;三相導(dǎo)線、普通地線及OPGW的尺寸、電阻率及在桿塔處的相對位置;三相導(dǎo)線、普通地線及OPGW在桿塔處的高度及最大弧垂;三相導(dǎo)線分裂數(shù)及分裂導(dǎo)線之間的距離.

采用我國典型的500 kV輸電線路的設(shè)計(jì)參數(shù)得到圖4b和圖4c的仿真結(jié)果.圖4b是每節(jié)LCC中的OPGW感應(yīng)電流對零序電流的幅值比,圖4c是兩者的相位差.由圖中可以看出線路中段相比于兩端去磁作用更明顯,從數(shù)值上看這種去磁作用的效果是有限的.但是,實(shí)際情況比仿真分析更復(fù)雜,可能由于雷擊及未及時(shí)更換被擊穿的絕緣子,導(dǎo)致分段的普通地線與大地構(gòu)成回路產(chǎn)生感應(yīng)電流.故實(shí)際情況下的架空地線的去磁作用要大于仿真計(jì)算.

綜上,66 kV及以下電壓等級的線路由于很少全線架設(shè)架空地線,以大地為回路的零序電流會成為較有效的輻射源,而架設(shè)了雙地線的110 kV及以上高壓輸電線路具有高電壓大電流的特點(diǎn),也可能形成有效輻射源,需要根據(jù)地線的接地方式及實(shí)際運(yùn)行情況來評估地線感應(yīng)電流對零序電流去磁作用的大小.

圖4 架空地線去磁作用仿真電路及結(jié)果

3 結(jié) 論

(1) 電力系統(tǒng)基頻輻射的頻率與相應(yīng)地面電力系統(tǒng)的頻率具有一致的對應(yīng)關(guān)系.

(2) 基本所有我國近地空間探測到的PLHR事件在其低頻頻率段均有對應(yīng)的基頻輻射存在,且這種基頻輻射的持續(xù)時(shí)間及空間范圍覆蓋諧波輻射.

(3) 衛(wèi)星在電離層中探測到的基頻輻射是以沿著地球磁力線的哨聲模方式傳播.

(4) 架空輸電線路的地線架設(shè)與否及接地方式對其能否成為有效輻射源有重要的影響,沒有架設(shè)地線或地線采用分段絕緣單點(diǎn)接地方式的架空輸電線路是較強(qiáng)的輻射源.

電力系統(tǒng)產(chǎn)生的PLHR及基頻輻射現(xiàn)象近年來被越來越多的學(xué)者所關(guān)注,其對近地空間環(huán)境造成的影響也成為研究熱點(diǎn).本文對電力系統(tǒng)輻射現(xiàn)象的觀測可以為其他途徑的觀測提供參考,為電磁波輻射傳播模型的建立和研究提供數(shù)據(jù)支持;對輻射形成機(jī)理的探討可以為電力設(shè)計(jì)相關(guān)工作提供參考.

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