输电线火花放电辐射特性随高度变化规律的实验研究

钱学峰

（湖北省电力勘测设计院有限公司湖北武汉430040）

摘要：介绍了输电线上火花放电辐射特性随高度变化规律的实验结果。结果表明，火花放电在地面上产生的辐射场会在地面反射，发射波与直射波叠加，形成干涉场，使得地面合成场强随高度在一定范围内呈现周期性起伏变化。当高度超过某一数值时，地面对电磁波的影响减弱，其场强将随高度衰减。不同频率和放电点高度对应的这一高度也不同。

关键词：火花放电；辐射特性；高度

1引言

文献［1］的研究结果表明，环形回路中针-板间隙电晕和火花放电的电流辐射可通过短偶极子天线来等效，环形回路电流辐射可用环形天线来等效。输电线上的电晕和火花放电，由于没有明显的环路电流，其辐射特性有所不同。文献［2］指出输电线和金具上电晕放电在横向和纵向的极化特性大体上符合短振子的辐射模型。然而，仅仅研究其横向和纵向的辐射特性是不够的。一般环境电磁辐射测量高度一般取离地面1.5～2m的高度，随着现代社会的发展，高楼大厦随处可见，输电线上的电晕和火花放电的辐射所能达到的高度通常高于上述测量高度，因此，研究火花放电的辐射特性随高度变化的规律对较为全面准确的预测和评估输电线的电磁环境很有必要。

2实验场地与实验装置

实验场地为高压实验大厅外的半开阔地。图1是实验装置的示意图。高压直流电源置于高压大厅内，高压直流电源通过保护水阻经裸铜线与穿墙套管的一端相连，裸铜线外套上一段等长的直径为5.1cm的蛇皮套管。一段直径为4.8cm，长为12m的不锈钢管两端经穿墙套管和绝缘子串固定，平行地面悬挂于高压大厅外的半开阔地上，离地高度为8.8m，用于模拟输电线。在不锈钢管的中间部分设置一个针-针垂直间隙，间隙长度约为4cm，上部针尖长度为12cm，与不锈钢管相连接，下部针尖用绝缘管支撑在钢横梁上，不接地。所有的电气连接部分和不锈钢管的端部均用金属圆球光滑过渡，以保证连接点不产生电晕和火花放电。

1保护水阻2蛇皮套管3穿墙套管4不锈钢管

5绝缘子串6钢横梁7针-针间隙8接收天线

图1实验装置示意图

测量系统为一套宽带天线（ETS）和一台频谱仪（惠普E7040A），天线的测量范围为20MHz～2.6GHz，频谱仪的带宽范围为9kHz～13.2GHz，满足实验要求。天线接收的信号经同轴电缆传输至频谱仪。

直流电源的额定电压为140kV，当负直流电压升高至-48kV，可以观察到不锈钢管上的针-针间隙被击穿。

3实验结果与分析

实验测量了输电线上火花放电辐射电磁波在30MHz～300MHz范围内的频谱。天线测量点与火花间隙的横向距离为20m，天线的中心高度由0.9m递增至3.6m。输电线火花放电间隙与天线的相对位置如图2所示。

图2输电线上火花间隙与接收天线的相对位置

输电线上针-针间隙处于oz轴线上，天线极轴与oz’轴重合并保持其方向不变，沿oz’轴方向逐渐改变天线的高度h2，选择30MHz（波长为10m），40MHZ（7.5m），50MHz（6m），90MHz（3.3m），100MHz（3m），140MHz（2.1m），180MHz（1.7m）进行测量（为避免和减少电磁环境噪声对测量结果的影响，测量时间为晚上23：00到次日凌晨6：00，此时测量值比环境噪声大两个数量级），实验结果如表1所示。

由实验结果可见，场强幅值随高度增加而波动，其原因可分析如下。

地面是具有一定电导率和介电常数的媒质，入射到地面上的电磁波会发生反射。因此，场点的场强是直射波和反射波的合成场强。图3为火花放电辐射电磁波的入射波和反射波的示意图。d为火花放电电磁波的辐射源到场点A的横向距离，h1为辐射源到地面的高度，h2为场点A到地面的高度，接收天线的中心位于A点。为直射波入射角，这一角度也就是辐射源到场点A的辐射角的补角；为反射波的入射角，这一角度也就是振子辐射源的镜像到场点A的辐射角。

图3直射波与反射波的示意图

要确定反射波的幅值，先要确定反射系数。反射系数与来波的频率、极化方向、波长、入射角、大地的电导率和相对介电常数有关。由文献［2］、［3］对金具电晕放电极化方式的研究可知，电晕放电路径垂直于地面时，辐射电磁波为垂直极化波。火花放电的电流辐射与之类似，地面对其的反射系数为：

（1）

式中为地面相对介电常数，为大地电导率，取本次实验场地地面参数值，即，S/m。根据文献［2］可知，天线在A点接收的合成场强的幅值为：

（2）

式中为直射波和反射波行程差引起的相角差，为反射引起相位滞后的角度。

令，由于对于同一频率来说都是常数，所以将与成正比。

将h1=8.7m，d=20m，h2分别等于0.9，1.1，1.3，1.5，1.8，2.0，2.2，2.4，2.6，2.8，3.0，3.2，3.4，3.6m代入（2）式，可得在不同频率下的数值，如表2所示。

ef=180MHz实验结果ff=180MHz理论计算值

图4f=180MHz、140MHz、50MHz的实验结果与理论值比较

利用（2）式，还可以推算出不同频率的电磁波在更大高度范围内的场强变化规律。如图5所示，给出了火花放电点高度为8.5m时，30MHz，100MHz，180MHz三个频率的电磁波在放电点横向距离为20m时干涉场的计算结果。

a高度变化范围1～100mb高度变化范围1～20m

图5放电点高度为8.5m时，辐射场强系数随高度变化规律

对于1000kV的特高压输电线路，架空线弧垂距地面高度为25～27m，比我们实验中的模拟输电线高度大很多。图6给出了输电线高度为25m，输电线上的电晕和火花放电辐射的电磁波在横向距离为20m时，30MHz、100MHz两个频率电磁波的干涉场在1～30m高度范围内的计算结果。由图6可知，在距离输电线横向距离为20m时，在25m高度处干涉场的合成场强可比2m高度处场强大6～7倍。

af=30MHzbf=30MHz

图6放电点高度为25m时，辐射场强系数随高度变化规律

电磁波的频率越高，其波长就越短。由图5可知，在我们实验条件能达到的高度范围内，较高频率电磁波的干涉场周期性变化的次数较多，在较小的高度变化范围内，其辐射场的幅值可以有较大的变化幅度。这也解释了实验数据在较高频率段与理论计算值比较吻合。就某一频率而言，由于反射波的幅值随高度的增大而反比衰减，当场点达到一定高度以后，反射波可忽略不计，因此其场强不再随高度呈周期性变化，而是呈现单调衰减的变化趋势。对不同频率和放电点的高度，这一高度是不同的。例如在我们的实验中，模拟输电线的高度为8.8m，30MHz对应的高度约为14m，100MHz对应的高度约为35m，180MHz对应的高度约为50m。由图5和图6的对比可知，在放电点的高度增加时，场点场强开始单调衰减的高度也将增大。

4结论

（1）输电线火花放电辐射随高度变化的特性：由于大地是具有一定导电率和介电常数的媒质，辐射场会在地面反射，发射波与直射波叠加，形成干涉场，使得地面合成场强随高度在一定范围内呈现周期性起伏变化。

（2）当场点高度超过某一数值时，地面对电磁波的影响减弱，其场强将随高度衰减。不同频率对应的高度不同。

（3）放电点的高度不同，场点场强开始单调衰减的高度也不同。放电点高度越大，场点场强开始单调衰减的高度也越大。

参考文献：

［1］ShenYuanmao，ChenShixiu，WuYuanli，etal.EMDfromnegativecoronadischarge[A].Proc.of3rdInternationalSymposiumonEMC[C]：China，2002.370～373.

［2］LinXiaoyu，ChenShixiu，XieQijia，XiaChangzheng，SunYoulin.ExperimentStudyonRadiationCharacteristicsofCoronaDischargeonHardware.IEEETrans.Volume3，8-12Aug.2005.840～843.

［3］林晓宇，陈仕修，谢齐家，夏长征，孙幼林.金具电晕辐射特性的实验研究.高压电器.2004年12月.第40卷第6期.