直流输电线路对通信干扰影响分析

直流输电线路对通信干扰影响分析

高压直接供电是一种新型的电气表达电气源。与高压交流供电相比，具有送电距离宽、线路成本低、线路损失小、调节速度快、运营稳定等优点。然而，与交流输电器相比，它也会对通信系统产生电磁干干扰和磁体损坏。磁体干扰主要来自污水站和直接输电线。换流站在交直流转换过程中会产生丰富的谐波和高频振荡,频率范围从音频直到几百兆赫,谐波通过直流线路、交流线路、换流站向外传播和辐射,可能会对邻近的音频电路、载波电路、xDSL数字用户线路、中长波的广播信号和通信局(站)产生干扰。近十几年来,我国通信网络发生了巨大变化。高压直流输电的电磁干扰对象,由长途架空明线、长途通信电缆转移到了市话用户线。市话用户线路长度较短,一般为2～3km,最长为8km,强电线路与市话线路可能的接近长度比长途线路短很多,因此强电产生的电磁干扰比以前要轻。但在我国现行的国家和行业标准中,对干扰计算方法和干扰限值的规定,大多针对以前的通信线路和设备,没能很好适应通信技术的发展变化,因此,有必要对此问题进行重新分析。1传导性影响的分类按耦合过程的不同区分从深入推进通信系统设高压直流输电对通信的影响,按电气特性可分为辐射性影响和传导性影响,按影响后果可分为危险影响和干扰影响。辐射性影响是指通信系统直接受到空间电磁波的耦合而带来的影响,传导性影响是指通信系统受电磁辐射后,在线路、设备间连线、设备机壳上形成干扰电流,通过接口引入信号电路中而形成的影响。在不同频段上,辐射性影响和传导性影响量级上有所差别。一般以30MHz为界,频率小于30MHz以传导性影响为主,频率大于30MHz以辐射性影响为主。传导性影响按耦合途径可分为三类:a)磁感应影响,直流线路上的交流电流在导线周围产生随时间而变化的交变磁场,所产生的磁通与通信线路相交链,而在通信线路上产生磁感应电动势,称为磁感应影响;b)电感应影响,直流线路上的电压通过电容耦合,在通信线路上产生电感应电压,称为电感应影响;c)地电位升影响,直流输电系统中流经大地的电流,在地上各点产生电位差,致使邻近通信局(站)地线和地下电缆上产生电位升高,称为地电位升影响。在通信系统中感生的电压和电流,足以危害维护人员、用户的生命安全,甚至损坏通信线路和通信设备,引起机房火灾,这种影响称为危险影响。在通信系统中感生的电压和电流导致通信质量下降,设备暂时不能正常工作,影响人体身心健康,但不会造成通信线路、设备损坏和人员伤亡的影响,称为干扰影响,如电话回路中杂音过量、载波通信电路质量下降和数字电路误码率超标等。本文将对干扰影响的限值、途径、对象及场景做出详细的分析,而对危险影响将做另文讨论。2干扰影响分析2.1数字通信系统强电对通信系统的干扰可能会发生在以下几个方面:在信令系统中引入干扰,使通信链路不能建立;在音频通信、载波通信等模拟系统中产生附加噪声,使信噪比和话音质量下降;在数字通信系统中引入干扰,使系统误码率增加;在接收机中引入强信号,使放大器处于饱和状态,导致接收系统阻塞,无法接收正常信号。2.1.1数字绩效网络的依据在以前的模拟交换系统中,信令系统利用大地、电缆屏蔽层或对地不平衡电缆线对作信令回路,容易遭受强电产生的干扰。国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion,ITU)发现在某些环境下,5V或更低的工频纵向感应电动势就足以干扰信令系统正常工作。如果信令电路接在线路和地之间,强电在架空明线上产生的静电感应电压,也会影响信令的正常工作。由于交换机类型很多,它们形成的电路不同,对干扰的敏感度相差很大,因此ITU一直没有对此提出明确的建议。近十几年来,数字程控交换机逐步取代了原有的模拟交换机,信令系统不再利用大地作回路了,其抗干扰能力有了很大提高。强电对信令系统的干扰限值与数字传输的基本相同。2.1.2干扰限值的确定对于音频电路的干扰限值,主要是与通话质量的评估有关。在设定干扰一定的情况下,由用户进行话音感知,判断语音质量是非常好、好、一般、差或不满意,根据大量用户的感知统计,确定干扰限值。对于载波通信电路,在制定干扰限值时,需要考虑载波信号在设备处是否能正确解调。在现行的通信标准中,给出了载波通信电路的总噪声限值,它包括背景噪声、串音噪声和外来干扰等,但没有针对强电提出干扰限值要求。2.1.3数字传输系统性能评估在数字传输系统中,每隔一段距离会有一个再生中继器,中继器提取数字信号,再重新发送新的数字信号,干扰不会累积,因此数字传输系统抗干扰能力很强。数字业务种类和传输设备类型较多,不同的系统会有不同的敏感度,因此制定统一的干扰限值是不现实的。数字传输系统的性能用传输脉冲误码率来评估。在我国现行通信标准中,对各种系统的误码率都有严格规定,但却没有给出来自强电系统的干扰限值。2.1.4同频干扰的稳定性对于移动通信基站、微波站和卫星地球站,其内部的通信设备工作在几百兆赫或几吉赫频段上,不会受到来自强电系统的同频干扰。但如果通信局(站)与直流输电线路或换流站距离过近,过强的高频电磁辐射可能会通过天线进入接收机,导致接收机阻塞,系统不能正常工作。在现行通信标准中,对一些通信设备的阻塞特性有明确的规定。2.2低频段干扰机理在高压直流输电系统中,换流站和直流线路是干扰邻近通信系统的两大干扰源。干扰频率为从音频直到1GHz,其中的低频成分与通信系统中的话音频段(300～3400Hz)重叠,称之为音频干扰。干扰中的中频成分与通信系统中的载波通信电路(30～3000kHz)频段重叠,称之为载波通信干扰。中频成分也可能会对邻近的长、中波(120～1600kHz)调幅广播接收电台产生电磁干扰。这两种干扰属于长波和中波频段,在该频段电波传播衰减较慢,能传播到很远的距离,它主要通过电感应、磁感应和大地传导耦合而造成同频干扰。干扰中的高频成分可能会对近距离的移动通信基站、卫星地球站、微波站和交换局产生干扰,称为高频辐射干扰。这种干扰主要通过空间辐射传播,空间衰减较快,多表现为带外阻塞干扰。在低频段干扰场强较高,随着频率升高干扰强度逐渐减弱。由于换流阀设有良好屏蔽,辐射到换流站外的1MHz以上电磁波幅度很小。因此,在这三种干扰影响中音频干扰表现得最为严重,载波通信干扰次之,高频干扰最弱。2.3干扰影响场景分析2.3.1信号传输私网传输高压直流输电的音频干扰对象、干扰途径和耦合机理,与交流输电基本一致。其干扰源是换流站和直流线路,主要干扰途径是磁感应、电感应和地电位升,干扰对象主要是邻近通信线路上的音频电话回路和通信局(站)的地线。在通信标准中,对来自强电的音频干扰提出了限值要求。在电力标准中,对高压直流输电侧800Hz等效干扰电流和干扰电压,目前没有明确规定,但通常按以下要求设计:在单极运行方式下,不平衡等效干扰电流不超过450mA;在双极运行方式下,不平衡等效干扰电流不超过150mA。但多数高压直流工程实际值超出上述要求,因此在实际工程设计中,可参考DL/T5063—1996《送电线路对电信线路干扰影响设计规程》中“主要供整流负荷”的要求计算。2.3.1.信号干扰对象磁感应干扰影响主要考虑两个方面:平衡等效干扰电流所产生的磁感应干扰;不平衡等效干扰电流所产生的磁感应干扰。磁感应干扰对象为通信线路上的音频电话回路,如架空明线、地埋或架空长途通信电缆、地埋或架空长途通信光缆和市话电缆上的音频电话回路。目前,长途通信干线和局间中继线路均已采用了光缆,架空明线和长途通信电缆已被淘汰。在新建的长途干线光缆上,多采用本地供电,业务联络电话采用光通信。因此,现阶段磁感应干扰影响需考虑的问题如表1所示。2.3.1.有金属外护层的电缆电感应干扰影响主要考虑两个方面:平衡等效干扰电压所产生的电感应干扰;不平衡等效干扰电压所产生的电感应干扰。电感应干扰对象为通信线路上的音频电话回路,如邻近的架空明线、非金属外皮的架空通信电缆。对于通信光缆、有金属外皮且接地的架空通信电缆和地埋通信电缆,因有较好屏蔽均不考虑电感应干扰影响。目前,架空明线和长途通信电缆已被淘汰,只有市话线路有可能采用没有金属外护层的通信电缆。因此,现阶段电感应干扰影响需考虑的问题如表2所示。2.3.1.模拟网络地电位升的限制地电位升干扰影响主要考虑:直流输电在正常运行情况下,换流站处入地不平衡电流通过阻性耦合,在通信局(站)地线上产生的地电位升干扰影响,对于通信电缆一般不考虑地电位升干扰影响。在我国现行标准中,没有对通信局(站)地电位升干扰限值作出规定。但通信部门对程控交换机进行了地电位升干扰测试,测试结果表明:50Hz地电位升在0～30V时,用户端的杂音电动势小于1mV,接通率和非话业务基本不受影响;800Hz地电位升到3V时,用户端的杂音电动势达到1mV;地电位升到10V时,接通率和非话业务基本不受影响。由于只对一种程控交换进行了测量,得出的结论不具有普遍性,仅供参考。以前,电信标准化部门(ITU-TK)建议对模拟交换机地电位升有5V(50Hz)的规定,这是因为它采用“导线-大地”方式传输信令,对两端交换机地线间的电位差要求较严,否则会造成信令传送错误。现在的数字交换机、基站、微波站和卫星地球站,都不以“导线-大地”方式传输信令,因此5V的限值不再适用了。直流输电在正常运行状态下,只在换流站地线上会产生入地电流,在电力杆塔处无入地电流。对于双极两线一地制,不平衡入地电流一般不超过额定电流的1%～3%(如1500A的系统在15～45A之间),另外换流站的接地电阻很小,其产生的地电位升可不考虑。对于单极一线一地制,额定电流会全部入地,入地不平衡电流较大,其产生的地电位升干扰应引起重视。2.3.2允许记录波通信并干扰数字用户的线路2.3.2.线路干扰的限制载波通信干扰的干扰源是换流站和直流高压线路,主要干扰途径是磁感应和电感应,干扰对象主要是邻近的载波通信线路。载波通信采用调制技术,将话音信号调制到30～3000kHz频段某个通路上,线路上的干扰会对信号解调产生影响。实践证明,载波通信的干扰允许值可达数毫伏乃至30mV,远比音频干扰允许值1mV大。在已有通信行业标准中,对载波通信的噪声提出了限值要求,但没有针对来自电力系统的干扰限值。对高压直流输电系统在载波频段的发射要求,目前标准规定并不全面,可参见DL/T436—2005《高压直流架空送电线路技术导则》和GB15707—1995《高压交流架空送电线无线电干扰限值》。高压直流输电对载波通信的干扰计算,目前还没有成熟的方法。有观点认为其与音频段干扰计算基本相同,只是频率取值不同、信号在线路上衰减不同而已。2.3.2.多信道增强电力系统的数字视频调制技术xDSL数字用户线是基于现有的双绞铜线,在其上开通宽带上网业务。xDSL有多种技术,目前采用比较多的有:ADSL,ADSL2+,IDSL,HDSL、SDSL和VDSL等,这些技术大多采用正交幅度调制(QAM)或离散多信道调制(DMT),将数字信号调制到许多子载波上,进行并行传输,提高接入速率。ADSL子载波数和频带范围见图1。xDSL可根据干扰和衰减情况,分配数据的调制大小,在使用过程中调制和频率是变化的,可以躲避来自电力系统在局部产生的强干扰。因此,其对强电的干扰有较强的抵抗力。在现行通信标准中,没有规定强电系统对xDSL的干扰限值。2.3.2.载波通信的干扰在通信工程设计中通常认为:在同一条通信线路上,如果既开通有音频电路,也开通有载波通信或xDSL电路,那么,若能满足音频干扰限值的要求,通常都会满足载波通信和xDSL的干扰要求。目前,长途架空明线和通信电缆载波系统已被淘汰,因此不需要考虑高压直流输电对载波通信产生的干扰。对于xDSL数字用户线,通常在其上都开通有音频电路,因此只需考虑对音频电话回路的干扰影响。2.3.3高频辐射测试方法高频辐射干扰频率高,与上两种干扰相比影响程度更低。主要干扰源是换流站和直流线路,干扰途径是通过空间辐射耦合到干扰对象的天线端口,而造成的阻塞干扰,干扰对象主要是近距离的通信局(站)。其对通信线路产生的干扰影响很小,可不予考虑。高频辐射干扰总体要求和电磁场强度计算方法见HJ/T24—1998《500kV超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术规范》。对直流输电线路的要求见DL/T436—2005《高压直流架空送电线路技术导则》和GB15707—1995《高压交流架空送电线无线电干扰限值》。对于换流站,目前还没有标准对其高频辐射进行规定。通常电力部门在进行工程设计时,是按以下要求对换流站高频辐射进行控制的:换流站产生的电磁辐射在以下位置和轮廓线处不得超过100μV/m。在阀厅外面不另设屏蔽的条件下,在0.5～20MHz以内的所有频率应满足这一指标。在距两端换流站内,或临近的向换流变压器供电的交流开关场内任何带电元件的450m周边上进行选点测量;同时还应从其450m周边与距交、直流线路最近一极导线150m开始,至离换流站5km处距同一极导线40m的直线段上进行选点测量。干扰测量选点如图2所示。目前,电信部门没有反映有较严重的通信局(站)被高频辐射干扰的现象。通常,在间距200m以外不需要考虑高频辐射干扰,在间距200m以内需要进行环境电磁场评估,判断在通信局(站)处产生的电磁场是否超标。3光纤干扰对信号线路的影响综上所述,考虑到目前通信系统状况,在进行高压直流输电对通信干扰影