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1、第五章第五章 高频辐射骚扰高频辐射骚扰 n第一节第一节 单元偶极子产生的电磁场辐射单元偶极子产生的电磁场辐射 n第二节第二节 高压变电所中的高频辐射骚扰源高压变电所中的高频辐射骚扰源 n第三节第三节 直流换流站产生的辐射骚扰直流换流站产生的辐射骚扰 n第四节第四节 变电所开关操作产生的辐射骚扰变电所开关操作产生的辐射骚扰 n第五节第五节 核电磁脉冲的辐射骚扰核电磁脉冲的辐射骚扰 n第六节第六节 雷击变电站避雷针雷击变电站避雷针(线）时产生线）时产生 的辐射骚扰的辐射骚扰 n在电力系统中，辐射骚扰虽不普遍，但也不在电力系统中，辐射骚扰虽不普遍，但也不容忽视。容忽视。n如：高压变电所中的局部放电、
2、雷击变电站如：高压变电所中的局部放电、雷击变电站避雷针避雷针(线线)、开关操作以及直流换流站中换、开关操作以及直流换流站中换流阀导通和关断时都会产生高频电磁场辐射。流阀导通和关断时都会产生高频电磁场辐射。n一般来讲，辐射骚扰波及的范围广，传播的一般来讲，辐射骚扰波及的范围广，传播的距离远。距离远。n虽然辐射骚扰能量较小，但是往往对敏感度虽然辐射骚扰能量较小，但是往往对敏感度高的二次设备产生不可忽视的骚扰，高的二次设备产生不可忽视的骚扰，n辐射都和传导、耦合相伴而生，加强骚扰作辐射都和传导、耦合相伴而生，加强骚扰作用。用。第一节第一节 单元偶极子产生的电磁场辐射单元偶极子产生的电磁场辐射 n为了
3、阐明电磁辐射的基本规律，首为了阐明电磁辐射的基本规律，首先研究单元偶极子产生的电磁场。先研究单元偶极子产生的电磁场。n所谓所谓单元偶极子单元偶极子是指一段载交流导是指一段载交流导线。尺寸远小于它产生的电磁波的线。尺寸远小于它产生的电磁波的波长。波长。图图5-1 5-1 单元偶极子的电场和磁场相量图单元偶极子的电场和磁场相量图n如果把单元偶极子的中心作为直角坐标如果把单元偶极子的中心作为直角坐标系的原点，且系的原点，且 沿沿Z轴方向放置，如图轴方向放置，如图5-1所示。当偶极子上流过所示。当偶极子上流过I 时，在距离为时，在距离为r处的电磁场强度相量按以下公式计算处的电磁场强度相量按以下公式计算
4、:n单元偶极子向外辐射的总功率为单元偶极子向外辐射的总功率为:n电磁波在传播过程中会受到大地的影响。电磁波在传播过程中会受到大地的影响。在地面的电场强度可按下公式计算在地面的电场强度可按下公式计算:式中式中 大地导电率。大地导电率。结论结论:1.2.3.辐射总功率辐射总功率 与与 成反比，与成反比，与 成正比，所以只有高频才能辐射出成正比，所以只有高频才能辐射出足够大的能量，这就是为什么骚扰足够大的能量，这就是为什么骚扰源中只有高频分量才会考虑辐射骚源中只有高频分量才会考虑辐射骚扰的原因。扰的原因。4.地面场强地面场强 在很大程度上决定于大在很大程度上决定于大地的导电率地的导电率 。随。随 增
5、加，增加，减减小。所以，电缆靠近地面受骚扰小。小。所以，电缆靠近地面受骚扰小。第二节第二节 高压变电所中的高频辐射骚扰源高压变电所中的高频辐射骚扰源 n高压变电所中的局部放电会产生电磁辐高压变电所中的局部放电会产生电磁辐射，形成辐射骚扰源；射，形成辐射骚扰源；n变电所中的高频载波、对讲机等也会产变电所中的高频载波、对讲机等也会产生不容忽视的辐射骚扰。生不容忽视的辐射骚扰。n雷电现象以及大功率的发射机，如电台、雷电现象以及大功率的发射机，如电台、通信等也会影响到变电所中的敏感设备。通信等也会影响到变电所中的敏感设备。一、电晕一、电晕 n电晕放电时不断形成流注，引起强电晕放电时不断形成流注，引起强
6、烈的电流脉冲，这些电流脉冲将产烈的电流脉冲，这些电流脉冲将产生电磁波传播到空间生电磁波传播到空间.n在工频交流电压下，由于每半周内在工频交流电压下，由于每半周内都存在电晕的起始和熄灭阶段，故都存在电晕的起始和熄灭阶段，故能辐射出大量电磁波，形成电磁骚能辐射出大量电磁波，形成电磁骚扰。扰。n电晕骚扰的强度决定于很多参数，其中有些电晕骚扰的强度决定于很多参数，其中有些参数与导线的几何特征有关。还有一些参数参数与导线的几何特征有关。还有一些参数主要决定于周围环境，例如导线的表面状态主要决定于周围环境，例如导线的表面状态和气候条件、海拔高度等。和气候条件、海拔高度等。1.导线参数的影响导线参数的影响
7、导线表面电场强度的提高导致骚扰强度导线表面电场强度的提高导致骚扰强度的增加。的增加。采用分裂导线是降低电晕骚扰的重要措采用分裂导线是降低电晕骚扰的重要措施之一。分裂导线产生的电晕骚扰强度和分施之一。分裂导线产生的电晕骚扰强度和分裂导线的根数有关。裂导线的根数有关。n导线参数的影响可以用以下经验公式表示导线参数的影响可以用以下经验公式表示:式式中中:NP 当当电电场场强强度度为为E、导导线线半半径径为为r 时的骚扰强度时的骚扰强度 dB/(V/m)；NP0 参考线路参考线路(E0，rO)的骚扰强度；的骚扰强度；a、b 系系数数，一一般般取取2.5a4.5，b=40；f(n)与分裂导线根数有关的函
8、数。与分裂导线根数有关的函数。2.导线表面状态的影响导线表面状态的影响n当导线表面粗糙或有其它杂质或微粒附着时，当导线表面粗糙或有其它杂质或微粒附着时，都会形成流注的发源地而使起始电晕电压降低，都会形成流注的发源地而使起始电晕电压降低，电晕骚扰增强。电晕骚扰增强。n导线表面油污是使电晕增强的重要因素。导线表面油污是使电晕增强的重要因素。n新架设的导线往往由于表面损伤而使新投入运新架设的导线往往由于表面损伤而使新投入运行的变电所骚扰数值往往比较高。行的变电所骚扰数值往往比较高。n运行一段时间以后，导线老化。导线的老化可运行一段时间以后，导线老化。导线的老化可明显地降低骚扰强度明显地降低骚扰强度.
9、n运行经验表明，新导线运行数月以后，骚扰强运行经验表明，新导线运行数月以后，骚扰强度大约下降度大约下降6 6dBdB。经过经过4 45 5年后就可完成老化年后就可完成老化过程，骚扰强度可下降过程，骚扰强度可下降1010l2dBl2dB。3气象条件的影响气象条件的影响 n电晕骚扰与环境的气象条件关系很大。大气的电晕骚扰与环境的气象条件关系很大。大气的温度、压力、湿度、雨量、风等都会影响电晕温度、压力、湿度、雨量、风等都会影响电晕放电的强度。放电的强度。n观察结果表明，随着昼夜季节的变化，电晕骚观察结果表明，随着昼夜季节的变化，电晕骚扰的强度呈周期性变化。扰的强度呈周期性变化。n在干燥的气候条件下
10、，夜间的骚扰强度比白天在干燥的气候条件下，夜间的骚扰强度比白天低约低约58dB。大约在下午两点钟至四点钟之间大约在下午两点钟至四点钟之间达到最大值。达到最大值。n在一年之中，冬季骚扰最小；春夏两季由于植在一年之中，冬季骚扰最小；春夏两季由于植物种子、大气中尘埃增加，昆虫活跃，使骚扰物种子、大气中尘埃增加，昆虫活跃，使骚扰增大；秋季雨水冲洗导线表面，骚扰强度下降。增大；秋季雨水冲洗导线表面，骚扰强度下降。n在气象条件中，雨水的影响最大。雨水可以冲在气象条件中，雨水的影响最大。雨水可以冲掉导线表面的附着物，使电晕减弱，也可以形掉导线表面的附着物，使电晕减弱，也可以形成水滴增加电晕骚扰源。图成水滴增
11、加电晕骚扰源。图5-25-2为骚扰强度与为骚扰强度与雨量的关系曲线。雨量的关系曲线。4 4海拔高度的影响海拔高度的影响 海拔高度增加，电晕骚扰强度增加。海拔高度增加，电晕骚扰强度增加。n除了导线以外，变电所中绝缘子以及高压电气除了导线以外，变电所中绝缘子以及高压电气设备上处于高电位的金具也会产生电晕或电火设备上处于高电位的金具也会产生电晕或电火花，引起辐射骚扰。花，引起辐射骚扰。n另外，高压设备中因接触不良而产生的电火花另外，高压设备中因接触不良而产生的电火花也能形成骚扰源也能形成骚扰源。图图5-2 5-2 骚扰强度与雨量的关系曲线骚扰强度与雨量的关系曲线二、绝缘子沿面放电引起的辐射骚扰二、绝
12、缘子沿面放电引起的辐射骚扰 n在干燥的状态下沿绝缘子串的电压分布是不在干燥的状态下沿绝缘子串的电压分布是不均匀的，而且随着电压等级的提高，这种不均匀的，而且随着电压等级的提高，这种不均匀性愈加严重。均匀性愈加严重。n在承受电压比较高的绝缘子上，可能产生局在承受电压比较高的绝缘子上，可能产生局部的沿面放电。部的沿面放电。n局部放电不仅腐蚀了绝缘子，也产生了辐射局部放电不仅腐蚀了绝缘子，也产生了辐射骚扰。骚扰。n污秽绝缘子表面的污秽层易形成不稳定的局污秽绝缘子表面的污秽层易形成不稳定的局部火花或电弧。这种局部放电产生的辐射骚部火花或电弧。这种局部放电产生的辐射骚扰中常常含有频率很高的分量。扰中常常
13、含有频率很高的分量。n对于清洁而干燥的绝缘子，可以通过加装均对于清洁而干燥的绝缘子，可以通过加装均压环改善电压分布的办法来降低骚扰水平；压环改善电压分布的办法来降低骚扰水平；n对于污秽绝缘子则只能采用限制表面泄漏电对于污秽绝缘子则只能采用限制表面泄漏电流的方法加以控制。流的方法加以控制。n其常用的方法有：其常用的方法有：(1)加大泄漏路径，使爬距大于按绝缘要求设加大泄漏路径，使爬距大于按绝缘要求设计的长度；计的长度；(2)使用有机合成材料绝缘子。这种绝缘子的使用有机合成材料绝缘子。这种绝缘子的伞裙用硅橡胶制成，具有良好的憎水性能，伞裙用硅橡胶制成，具有良好的憎水性能，可以有效地限制表面泄漏电流
14、；可以有效地限制表面泄漏电流；(3)绝缘子表面涂硅油，增加其憎水性。绝缘子表面涂硅油，增加其憎水性。第三节第三节 直流换流站产生的辐射骚扰直流换流站产生的辐射骚扰 n直流换流站中的换流阀起着交流和直流相互直流换流站中的换流阀起着交流和直流相互转换的作用。转换的作用。n在可控硅整流器导通瞬间，由于电流和电压在可控硅整流器导通瞬间，由于电流和电压的突变的突变,在回路中产生高频振荡，以电磁波的在回路中产生高频振荡，以电磁波的形式向外辐射能量；形式向外辐射能量；n这种现象不仅骚扰无线电接收设备，而且骚这种现象不仅骚扰无线电接收设备，而且骚扰换流站内的敏感设备，如载波通信系统、扰换流站内的敏感设备，如载
15、波通信系统、计算机系统等计算机系统等,是直流高压系统中的重要骚扰是直流高压系统中的重要骚扰源。源。n现场实测表明，换流站产生的辐射骚扰具有很现场实测表明，换流站产生的辐射骚扰具有很宽的频率范围。其值可从几十千赫直到上百兆宽的频率范围。其值可从几十千赫直到上百兆赫。赫。n为了减少对外界的骚扰，通常换流站的阀厅都为了减少对外界的骚扰，通常换流站的阀厅都设有十分良好的电磁屏蔽。设有十分良好的电磁屏蔽。n但是，高频电流可以经过穿墙套管传到户外母但是，高频电流可以经过穿墙套管传到户外母线，然后进入电气设备以及输电线路，并通过线，然后进入电气设备以及输电线路，并通过它们向周围空间辐射电磁波。它们向周围空间
16、辐射电磁波。n电磁波沿输电线路传播时衰减较小，可以传播电磁波沿输电线路传播时衰减较小，可以传播相当远的距离。相当远的距离。n根据现场实测，在距离换流站根据现场实测，在距离换流站2020多公里的直流多公里的直流输电线路下面输电线路下面100100kHzkHz的骚扰场强约为的骚扰场强约为8080dBdB。第四节第四节 变电所开关操作产生的辐射骚扰变电所开关操作产生的辐射骚扰 n变电所中隔离开关切合空载母线会变电所中隔离开关切合空载母线会产生高频振荡产生高频振荡.n这种高频振荡除了通过传导、耦合这种高频振荡除了通过传导、耦合方式直接骚扰二次系统以外，当频方式直接骚扰二次系统以外，当频率足够高时还会发
17、射电磁波，形成率足够高时还会发射电磁波，形成辐射骚扰。辐射骚扰。n在在345kV及及500kV变电所大量的实测结果变电所大量的实测结果表明，辐射骚扰的频率在表明，辐射骚扰的频率在0.5100MHz的范围内。的范围内。n在频率为在频率为20MHz附近的辐射电磁场强度附近的辐射电磁场强度最大。最大。n辐射电场强度的幅值为辐射电场强度的幅值为15kV/m；磁场磁场强度的幅值为强度的幅值为15A/m。n脉冲持续时间由几纳秒至脉冲持续时间由几纳秒至1毫秒；上升前毫秒；上升前沿为几纳秒至沿为几纳秒至1微秒。微秒。第五节第五节 核电磁脉冲的辐射骚扰核电磁脉冲的辐射骚扰 n核爆炸产生的巨大破坏力是人所共核爆炸
18、产生的巨大破坏力是人所共知的。知的。n当地面或低空核爆炸时，强大的冲当地面或低空核爆炸时，强大的冲击波击波(气流气流)和热效应的破坏作用居和热效应的破坏作用居主导地位；主导地位；n在电离层以外在电离层以外(数百公里数百公里)高空核爆高空核爆炸所产生的电磁脉冲对电力系统则炸所产生的电磁脉冲对电力系统则是很大的威胁。是很大的威胁。n核电磁脉冲核电磁脉冲(又称又称NEMP，即即Nuclear Electromagnetic Pulse)的产生是一个复的产生是一个复杂的物理过程；目前有各种不同的解释。杂的物理过程；目前有各种不同的解释。n有一种说法认为有一种说法认为:当核爆炸发生在距地面当核爆炸发生在
19、距地面数百公里以外的高空时，射线穿过稀薄数百公里以外的高空时，射线穿过稀薄的大气层，和空气中的分子相碰撞，由的大气层，和空气中的分子相碰撞，由于康普顿效应的结果产生自由电子。自于康普顿效应的结果产生自由电子。自由电子在地磁场的作用下作螺旋加速运由电子在地磁场的作用下作螺旋加速运动，从而产生辐射电磁场。动，从而产生辐射电磁场。n其电场强度以极快的速度上升，上升前其电场强度以极快的速度上升，上升前沿达到沿达到20ns。衰减时间约衰减时间约1s左右。左右。nNEMP在地面上的电场强度约为地面核在地面上的电场强度约为地面核爆炸区内场强的爆炸区内场强的l/l001/10。其波形可其波形可以用双指数函数表
20、示为以用双指数函数表示为:式中式中 E05.2104 V/m;T16.710-7 S；T23.810-9 S。n图图5-8为为NEMP电场强度的典型波形。电场强度的典型波形。图图5-8 5-8 NEMP电场强度的典型波形电场强度的典型波形nNEMP的波及范围很广的波及范围很广,在地面上的影响范围在地面上的影响范围决定于爆炸点的高度，最大可达几百万平方决定于爆炸点的高度，最大可达几百万平方公里。公里。nNEMP以波的形式向地面辐射。所有裸露在以波的形式向地面辐射。所有裸露在地面上的金属导体都将受到感应。架空线路地面上的金属导体都将受到感应。架空线路和变电所受到直接影响。和变电所受到直接影响。n由
21、于地面场强高达每米几十千伏，所以，在由于地面场强高达每米几十千伏，所以，在架空线路及其它接收天线上可以产生很高的架空线路及其它接收天线上可以产生很高的感应电势。感应电势。n它不仅能够击穿变电所中一次设备的绝缘，它不仅能够击穿变电所中一次设备的绝缘，而且对二次系统的敏感元件形成极强的电磁而且对二次系统的敏感元件形成极强的电磁骚扰，甚至将其打坏。骚扰，甚至将其打坏。第六节第六节 雷击变电站避雷针雷击变电站避雷针(线）线）时产生的辐射骚扰时产生的辐射骚扰 n在我国一般地区，年平均雷暴日为在我国一般地区，年平均雷暴日为40个。个。雷电流为一非周期性冲击波，其幅值与雷电流为一非周期性冲击波，其幅值与气象
22、、自然条件有关。在我国实测到的气象、自然条件有关。在我国实测到的雷电流幅值最大可达雷电流幅值最大可达200kA以上，大多以上，大多低于低于100kA。n雷电流的波头和波尾时间皆为随机变量。雷电流的波头和波尾时间皆为随机变量。根据实测结果，波头大约在根据实测结果，波头大约在14s左右，左右，波长约在波长约在40s左右。左右。n雷击变电站避雷针（线）时，除产生传导雷击变电站避雷针（线）时，除产生传导骚扰外，还产生严重的辐射骚扰。骚扰外，还产生严重的辐射骚扰。n闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变闪电放电时，其电流是随时间而非均匀变化的。一次闪电往往由几个短脉冲放电组化的。一次闪电往往由几个短脉冲放
23、电组成。脉冲电流陡度很大成。脉冲电流陡度很大,向外辐射电磁波向外辐射电磁波.n闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的闪电的电磁脉冲辐射通过空间以电磁波的形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的现形式耦合到对瞬态电磁脉冲极其敏感的现代电子设备，在一定范围内造成微电子设代电子设备，在一定范围内造成微电子设备的损坏、甚至引起火灾。备的损坏、甚至引起火灾。n闪电产生的瞬态脉冲电磁场会在空间一闪电产生的瞬态脉冲电磁场会在空间一定范围内产生电磁作用。它是在三维空定范围内产生电磁作用。它是在三维空间范围内对一切电子设备发生作用间范围内对一切电子设备发生作用.n在闪电通过的避雷针附近，这种空间的在闪电通过的避雷针附近，这种空间的瞬变脉冲电磁场的作用更加强烈些。瞬变脉冲电磁场的作用更加强烈些。n当闪电发出的脉冲磁场超过当闪电发出的脉冲磁场超过2.410-4T时，时，集成电路将发生永久性损坏，对于超大集成电路将发生永久性损坏，对于超大规模集成电路就更不用说了。规模集成电路就更不用说了。