直流輸電線路對(duì)通信干擾影響分析

直流輸電線路對(duì)通信干擾影響分析

高壓直接供電是一種新型的電氣表達(dá)電氣源。與高壓交流供電相比，具有送電距離寬、線路成本低、線路損失小、調(diào)節(jié)速度快、運(yùn)營(yíng)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。然而，與交流輸電器相比，它也會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干干擾和磁體損壞。磁體干擾主要來(lái)自污水站和直接輸電線。換流站在交直流轉(zhuǎn)換過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生豐富的諧波和高頻振蕩,頻率范圍從音頻直到幾百兆赫,諧波通過(guò)直流線路、交流線路、換流站向外傳播和輻射,可能會(huì)對(duì)鄰近的音頻電路、載波電路、xDSL數(shù)字用戶線路、中長(zhǎng)波的廣播信號(hào)和通信局(站)產(chǎn)生干擾。近十幾年來(lái),我國(guó)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生了巨大變化。高壓直流輸電的電磁干擾對(duì)象,由長(zhǎng)途架空明線、長(zhǎng)途通信電纜轉(zhuǎn)移到了市話用戶線。市話用戶線路長(zhǎng)度較短,一般為2～3km,最長(zhǎng)為8km,強(qiáng)電線路與市話線路可能的接近長(zhǎng)度比長(zhǎng)途線路短很多,因此強(qiáng)電產(chǎn)生的電磁干擾比以前要輕。但在我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)干擾計(jì)算方法和干擾限值的規(guī)定,大多針對(duì)以前的通信線路和設(shè)備,沒(méi)能很好適應(yīng)通信技術(shù)的發(fā)展變化,因此,有必要對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行重新分析。1傳導(dǎo)性影響的分類按耦合過(guò)程的不同區(qū)分從深入推進(jìn)通信系統(tǒng)設(shè)高壓直流輸電對(duì)通信的影響,按電氣特性可分為輻射性影響和傳導(dǎo)性影響,按影響后果可分為危險(xiǎn)影響和干擾影響。輻射性影響是指通信系統(tǒng)直接受到空間電磁波的耦合而帶來(lái)的影響,傳導(dǎo)性影響是指通信系統(tǒng)受電磁輻射后,在線路、設(shè)備間連線、設(shè)備機(jī)殼上形成干擾電流,通過(guò)接口引入信號(hào)電路中而形成的影響。在不同頻段上,輻射性影響和傳導(dǎo)性影響量級(jí)上有所差別。一般以30MHz為界,頻率小于30MHz以傳導(dǎo)性影響為主,頻率大于30MHz以輻射性影響為主。傳導(dǎo)性影響按耦合途徑可分為三類:a)磁感應(yīng)影響,直流線路上的交流電流在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生隨時(shí)間而變化的交變磁場(chǎng),所產(chǎn)生的磁通與通信線路相交鏈,而在通信線路上產(chǎn)生磁感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),稱為磁感應(yīng)影響;b)電感應(yīng)影響,直流線路上的電壓通過(guò)電容耦合,在通信線路上產(chǎn)生電感應(yīng)電壓,稱為電感應(yīng)影響;c)地電位升影響,直流輸電系統(tǒng)中流經(jīng)大地的電流,在地上各點(diǎn)產(chǎn)生電位差,致使鄰近通信局(站)地線和地下電纜上產(chǎn)生電位升高,稱為地電位升影響。在通信系統(tǒng)中感生的電壓和電流,足以危害維護(hù)人員、用戶的生命安全,甚至損壞通信線路和通信設(shè)備,引起機(jī)房火災(zāi),這種影響稱為危險(xiǎn)影響。在通信系統(tǒng)中感生的電壓和電流導(dǎo)致通信質(zhì)量下降,設(shè)備暫時(shí)不能正常工作,影響人體身心健康,但不會(huì)造成通信線路、設(shè)備損壞和人員傷亡的影響,稱為干擾影響,如電話回路中雜音過(guò)量、載波通信電路質(zhì)量下降和數(shù)字電路誤碼率超標(biāo)等。本文將對(duì)干擾影響的限值、途徑、對(duì)象及場(chǎng)景做出詳細(xì)的分析,而對(duì)危險(xiǎn)影響將做另文討論。2干擾影響分析2.1數(shù)字通信系統(tǒng)強(qiáng)電對(duì)通信系統(tǒng)的干擾可能會(huì)發(fā)生在以下幾個(gè)方面:在信令系統(tǒng)中引入干擾,使通信鏈路不能建立;在音頻通信、載波通信等模擬系統(tǒng)中產(chǎn)生附加噪聲,使信噪比和話音質(zhì)量下降;在數(shù)字通信系統(tǒng)中引入干擾,使系統(tǒng)誤碼率增加;在接收機(jī)中引入強(qiáng)信號(hào),使放大器處于飽和狀態(tài),導(dǎo)致接收系統(tǒng)阻塞,無(wú)法接收正常信號(hào)。2.1.1數(shù)字績(jī)效網(wǎng)絡(luò)的依據(jù)在以前的模擬交換系統(tǒng)中,信令系統(tǒng)利用大地、電纜屏蔽層或?qū)Φ夭黄胶怆娎|線對(duì)作信令回路,容易遭受強(qiáng)電產(chǎn)生的干擾。國(guó)際電信聯(lián)盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)發(fā)現(xiàn)在某些環(huán)境下,5V或更低的工頻縱向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)就足以干擾信令系統(tǒng)正常工作。如果信令電路接在線路和地之間,強(qiáng)電在架空明線上產(chǎn)生的靜電感應(yīng)電壓,也會(huì)影響信令的正常工作。由于交換機(jī)類型很多,它們形成的電路不同,對(duì)干擾的敏感度相差很大,因此ITU一直沒(méi)有對(duì)此提出明確的建議。近十幾年來(lái),數(shù)字程控交換機(jī)逐步取代了原有的模擬交換機(jī),信令系統(tǒng)不再利用大地作回路了,其抗干擾能力有了很大提高。強(qiáng)電對(duì)信令系統(tǒng)的干擾限值與數(shù)字傳輸?shù)幕鞠嗤?.1.2干擾限值的確定對(duì)于音頻電路的干擾限值,主要是與通話質(zhì)量的評(píng)估有關(guān)。在設(shè)定干擾一定的情況下,由用戶進(jìn)行話音感知,判斷語(yǔ)音質(zhì)量是非常好、好、一般、差或不滿意,根據(jù)大量用戶的感知統(tǒng)計(jì),確定干擾限值。對(duì)于載波通信電路,在制定干擾限值時(shí),需要考慮載波信號(hào)在設(shè)備處是否能正確解調(diào)。在現(xiàn)行的通信標(biāo)準(zhǔn)中,給出了載波通信電路的總噪聲限值,它包括背景噪聲、串音噪聲和外來(lái)干擾等,但沒(méi)有針對(duì)強(qiáng)電提出干擾限值要求。2.1.3數(shù)字傳輸系統(tǒng)性能評(píng)估在數(shù)字傳輸系統(tǒng)中,每隔一段距離會(huì)有一個(gè)再生中繼器,中繼器提取數(shù)字信號(hào),再重新發(fā)送新的數(shù)字信號(hào),干擾不會(huì)累積,因此數(shù)字傳輸系統(tǒng)抗干擾能力很強(qiáng)。數(shù)字業(yè)務(wù)種類和傳輸設(shè)備類型較多,不同的系統(tǒng)會(huì)有不同的敏感度,因此制定統(tǒng)一的干擾限值是不現(xiàn)實(shí)的。數(shù)字傳輸系統(tǒng)的性能用傳輸脈沖誤碼率來(lái)評(píng)估。在我國(guó)現(xiàn)行通信標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)各種系統(tǒng)的誤碼率都有嚴(yán)格規(guī)定,但卻沒(méi)有給出來(lái)自強(qiáng)電系統(tǒng)的干擾限值。2.1.4同頻干擾的穩(wěn)定性對(duì)于移動(dòng)通信基站、微波站和衛(wèi)星地球站,其內(nèi)部的通信設(shè)備工作在幾百兆赫或幾吉赫頻段上,不會(huì)受到來(lái)自強(qiáng)電系統(tǒng)的同頻干擾。但如果通信局(站)與直流輸電線路或換流站距離過(guò)近,過(guò)強(qiáng)的高頻電磁輻射可能會(huì)通過(guò)天線進(jìn)入接收機(jī),導(dǎo)致接收機(jī)阻塞,系統(tǒng)不能正常工作。在現(xiàn)行通信標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)一些通信設(shè)備的阻塞特性有明確的規(guī)定。2.2低頻段干擾機(jī)理在高壓直流輸電系統(tǒng)中,換流站和直流線路是干擾鄰近通信系統(tǒng)的兩大干擾源。干擾頻率為從音頻直到1GHz,其中的低頻成分與通信系統(tǒng)中的話音頻段(300～3400Hz)重疊,稱之為音頻干擾。干擾中的中頻成分與通信系統(tǒng)中的載波通信電路(30～3000kHz)頻段重疊,稱之為載波通信干擾。中頻成分也可能會(huì)對(duì)鄰近的長(zhǎng)、中波(120～1600kHz)調(diào)幅廣播接收電臺(tái)產(chǎn)生電磁干擾。這兩種干擾屬于長(zhǎng)波和中波頻段,在該頻段電波傳播衰減較慢,能傳播到很遠(yuǎn)的距離,它主要通過(guò)電感應(yīng)、磁感應(yīng)和大地傳導(dǎo)耦合而造成同頻干擾。干擾中的高頻成分可能會(huì)對(duì)近距離的移動(dòng)通信基站、衛(wèi)星地球站、微波站和交換局產(chǎn)生干擾,稱為高頻輻射干擾。這種干擾主要通過(guò)空間輻射傳播,空間衰減較快,多表現(xiàn)為帶外阻塞干擾。在低頻段干擾場(chǎng)強(qiáng)較高,隨著頻率升高干擾強(qiáng)度逐漸減弱。由于換流閥設(shè)有良好屏蔽,輻射到換流站外的1MHz以上電磁波幅度很小。因此,在這三種干擾影響中音頻干擾表現(xiàn)得最為嚴(yán)重,載波通信干擾次之,高頻干擾最弱。2.3干擾影響場(chǎng)景分析2.3.1信號(hào)傳輸私網(wǎng)傳輸高壓直流輸電的音頻干擾對(duì)象、干擾途徑和耦合機(jī)理,與交流輸電基本一致。其干擾源是換流站和直流線路,主要干擾途徑是磁感應(yīng)、電感應(yīng)和地電位升,干擾對(duì)象主要是鄰近通信線路上的音頻電話回路和通信局(站)的地線。在通信標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)來(lái)自強(qiáng)電的音頻干擾提出了限值要求。在電力標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)高壓直流輸電側(cè)800Hz等效干擾電流和干擾電壓,目前沒(méi)有明確規(guī)定,但通常按以下要求設(shè)計(jì):在單極運(yùn)行方式下,不平衡等效干擾電流不超過(guò)450mA;在雙極運(yùn)行方式下,不平衡等效干擾電流不超過(guò)150mA。但多數(shù)高壓直流工程實(shí)際值超出上述要求,因此在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中,可參考DL/T5063—1996《送電線路對(duì)電信線路干擾影響設(shè)計(jì)規(guī)程》中“主要供整流負(fù)荷”的要求計(jì)算。2.3.1.信號(hào)干擾對(duì)象磁感應(yīng)干擾影響主要考慮兩個(gè)方面:平衡等效干擾電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)干擾;不平衡等效干擾電流所產(chǎn)生的磁感應(yīng)干擾。磁感應(yīng)干擾對(duì)象為通信線路上的音頻電話回路,如架空明線、地埋或架空長(zhǎng)途通信電纜、地埋或架空長(zhǎng)途通信光纜和市話電纜上的音頻電話回路。目前,長(zhǎng)途通信干線和局間中繼線路均已采用了光纜,架空明線和長(zhǎng)途通信電纜已被淘汰。在新建的長(zhǎng)途干線光纜上,多采用本地供電,業(yè)務(wù)聯(lián)絡(luò)電話采用光通信。因此,現(xiàn)階段磁感應(yīng)干擾影響需考慮的問(wèn)題如表1所示。2.3.1.有金屬外護(hù)層的電纜電感應(yīng)干擾影響主要考慮兩個(gè)方面:平衡等效干擾電壓所產(chǎn)生的電感應(yīng)干擾;不平衡等效干擾電壓所產(chǎn)生的電感應(yīng)干擾。電感應(yīng)干擾對(duì)象為通信線路上的音頻電話回路,如鄰近的架空明線、非金屬外皮的架空通信電纜。對(duì)于通信光纜、有金屬外皮且接地的架空通信電纜和地埋通信電纜,因有較好屏蔽均不考慮電感應(yīng)干擾影響。目前,架空明線和長(zhǎng)途通信電纜已被淘汰,只有市話線路有可能采用沒(méi)有金屬外護(hù)層的通信電纜。因此,現(xiàn)階段電感應(yīng)干擾影響需考慮的問(wèn)題如表2所示。2.3.1.模擬網(wǎng)絡(luò)地電位升的限制地電位升干擾影響主要考慮:直流輸電在正常運(yùn)行情況下,換流站處入地不平衡電流通過(guò)阻性耦合,在通信局(站)地線上產(chǎn)生的地電位升干擾影響,對(duì)于通信電纜一般不考慮地電位升干擾影響。在我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中,沒(méi)有對(duì)通信局(站)地電位升干擾限值作出規(guī)定。但通信部門(mén)對(duì)程控交換機(jī)進(jìn)行了地電位升干擾測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明:50Hz地電位升在0～30V時(shí),用戶端的雜音電動(dòng)勢(shì)小于1mV,接通率和非話業(yè)務(wù)基本不受影響;800Hz地電位升到3V時(shí),用戶端的雜音電動(dòng)勢(shì)達(dá)到1mV;地電位升到10V時(shí),接通率和非話業(yè)務(wù)基本不受影響。由于只對(duì)一種程控交換進(jìn)行了測(cè)量,得出的結(jié)論不具有普遍性,僅供參考。以前,電信標(biāo)準(zhǔn)化部門(mén)(ITU-TK)建議對(duì)模擬交換機(jī)地電位升有5V(50Hz)的規(guī)定,這是因?yàn)樗捎谩皩?dǎo)線-大地”方式傳輸信令,對(duì)兩端交換機(jī)地線間的電位差要求較嚴(yán),否則會(huì)造成信令傳送錯(cuò)誤?，F(xiàn)在的數(shù)字交換機(jī)、基站、微波站和衛(wèi)星地球站,都不以“導(dǎo)線-大地”方式傳輸信令,因此5V的限值不再適用了。直流輸電在正常運(yùn)行狀態(tài)下,只在換流站地線上會(huì)產(chǎn)生入地電流,在電力桿塔處無(wú)入地電流。對(duì)于雙極兩線一地制,不平衡入地電流一般不超過(guò)額定電流的1%～3%(如1500A的系統(tǒng)在15～45A之間),另外換流站的接地電阻很小,其產(chǎn)生的地電位升可不考慮。對(duì)于單極一線一地制,額定電流會(huì)全部入地,入地不平衡電流較大,其產(chǎn)生的地電位升干擾應(yīng)引起重視。2.3.2允許記錄波通信并干擾數(shù)字用戶的線路2.3.2.線路干擾的限制載波通信干擾的干擾源是換流站和直流高壓線路,主要干擾途徑是磁感應(yīng)和電感應(yīng),干擾對(duì)象主要是鄰近的載波通信線路。載波通信采用調(diào)制技術(shù),將話音信號(hào)調(diào)制到30～3000kHz頻段某個(gè)通路上,線路上的干擾會(huì)對(duì)信號(hào)解調(diào)產(chǎn)生影響。實(shí)踐證明,載波通信的干擾允許值可達(dá)數(shù)毫伏乃至30mV,遠(yuǎn)比音頻干擾允許值1mV大。在已有通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中,對(duì)載波通信的噪聲提出了限值要求,但沒(méi)有針對(duì)來(lái)自電力系統(tǒng)的干擾限值。對(duì)高壓直流輸電系統(tǒng)在載波頻段的發(fā)射要求,目前標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定并不全面,可參見(jiàn)DL/T436—2005《高壓直流架空送電線路技術(shù)導(dǎo)則》和GB15707—1995《高壓交流架空送電線無(wú)線電干擾限值》。高壓直流輸電對(duì)載波通信的干擾計(jì)算,目前還沒(méi)有成熟的方法。有觀點(diǎn)認(rèn)為其與音頻段干擾計(jì)算基本相同,只是頻率取值不同、信號(hào)在線路上衰減不同而已。2.3.2.多信道增強(qiáng)電力系統(tǒng)的數(shù)字視頻調(diào)制技術(shù)xDSL數(shù)字用戶線是基于現(xiàn)有的雙絞銅線,在其上開(kāi)通寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)。xDSL有多種技術(shù),目前采用比較多的有:ADSL,ADSL2+,IDSL,HDSL、SDSL和VDSL等,這些技術(shù)大多采用正交幅度調(diào)制(QAM)或離散多信道調(diào)制(DMT),將數(shù)字信號(hào)調(diào)制到許多子載波上,進(jìn)行并行傳輸,提高接入速率。ADSL子載波數(shù)和頻帶范圍見(jiàn)圖1。xDSL可根據(jù)干擾和衰減情況,分配數(shù)據(jù)的調(diào)制大小,在使用過(guò)程中調(diào)制和頻率是變化的,可以躲避來(lái)自電力系統(tǒng)在局部產(chǎn)生的強(qiáng)干擾。因此,其對(duì)強(qiáng)電的干擾有較強(qiáng)的抵抗力。在現(xiàn)行通信標(biāo)準(zhǔn)中,沒(méi)有規(guī)定強(qiáng)電系統(tǒng)對(duì)xDSL的干擾限值。2.3.2.載波通信的干擾在通信工程設(shè)計(jì)中通常認(rèn)為:在同一條通信線路上,如果既開(kāi)通有音頻電路,也開(kāi)通有載波通信或xDSL電路,那么,若能滿足音頻干擾限值的要求,通常都會(huì)滿足載波通信和xDSL的干擾要求。目前,長(zhǎng)途架空明線和通信電纜載波系統(tǒng)已被淘汰,因此不需要考慮高壓直流輸電對(duì)載波通信產(chǎn)生的干擾。對(duì)于xDSL數(shù)字用戶線,通常在其上都開(kāi)通有音頻電路,因此只需考慮對(duì)音頻電話回路的干擾影響。2.3.3高頻輻射測(cè)試方法高頻輻射干擾頻率高,與上兩種干擾相比影響程度更低。主要干擾源是換流站和直流線路,干擾途徑是通過(guò)空間輻射耦合到干擾對(duì)象的天線端口,而造成的阻塞干擾,干擾對(duì)象主要是近距離的通信局(站)。其對(duì)通信線路產(chǎn)生的干擾影響很小,可不予考慮。高頻輻射干擾總體要求和電磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法見(jiàn)HJ/T24—1998《500kV超高壓送變電工程電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》。對(duì)直流輸電線路的要求見(jiàn)DL/T436—2005《高壓直流架空送電線路技術(shù)導(dǎo)則》和GB15707—1995《高壓交流架空送電線無(wú)線電干擾限值》。對(duì)于換流站,目前還沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其高頻輻射進(jìn)行規(guī)定。通常電力部門(mén)在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí),是按以下要求對(duì)換流站高頻輻射進(jìn)行控制的:換流站產(chǎn)生的電磁輻射在以下位置和輪廓線處不得超過(guò)100μV/m。在閥廳外面不另設(shè)屏蔽的條件下,在0.5～20MHz以內(nèi)的所有頻率應(yīng)滿足這一指標(biāo)。在距兩端換流站內(nèi),或臨近的向換流變壓器供電的交流開(kāi)關(guān)場(chǎng)內(nèi)任何帶電元件的450m周邊上進(jìn)行選點(diǎn)測(cè)量;同時(shí)還應(yīng)從其450m周邊與距交、直流線路最近一極導(dǎo)線150m開(kāi)始,至離換流站5km處距同一極導(dǎo)線40m的直線段上進(jìn)行選點(diǎn)測(cè)量。干擾測(cè)量選點(diǎn)如圖2所示。目前,電信部門(mén)沒(méi)有反映有較嚴(yán)重的通信局(站)被高頻輻射干擾的現(xiàn)象。通常,在間距200m以外不需要考慮高頻輻射干擾,在間距200m以內(nèi)需要進(jìn)行環(huán)境電磁場(chǎng)評(píng)估,判斷在通信局(站)處產(chǎn)生的電磁場(chǎng)是否超標(biāo)。3光纖干擾對(duì)信號(hào)線路的影響綜上所述,考慮到目前通信系統(tǒng)狀況,在進(jìn)行高壓直流輸電對(duì)通信干擾影