1.本发明涉及高频超高压输电线路铁塔的电磁兼容技术领域，具体涉及一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射影响分析。
技术背景
2.输电线路铁塔的电磁散射现象是制约我国电网全面建设和无线电台站布设位置的重要影响因素。由于我国电网建设的飞速发展，超高压输电线路铁塔的架设高度和密度都随之有显著提升，输电线路铁塔产生的电磁散射对信号通信质量的影响得到越来越多研究人员的密切关注。这种输电线路铁塔的电磁散射现象一旦出现在气象预测、信息通讯、交通引导甚至军事设施周边时，将会对无线电台站的正常工作产生影响，存在潜在的安全隐患。而现有的电磁数值求解技术有模型尺寸和工作频段的局限性，未能将铁塔的本体结构和散射场的特性结合分析，防护方式较为被动。因此在完善超高压输电线路铁塔的电磁散射计算模型时，需要设计一种能够准确分析输电线路铁塔电磁能量变化规律，并且能够结合本体结构特征解释输电铁塔对电磁散射场的关键影响因素的实验方案，进而为制定超高压输电线路铁塔的电磁散射主动防护方案以及加快我国“新基建”电网建设提供理论基础和技术参考。
技术实现要素：3.为了解决：超高压输电线路铁塔的电磁散射计算中，该铁塔结构下输电铁塔的固有谐振特性和能量转换规律，以及在特定激励源影响下，铁塔空间结构、形状尺寸等本体特征对电磁散射场的影响机制，本发明提出一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法。
4.本发明所采用的技术方案为：提出一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法，其步骤如下：步骤1)对未施加特定激励源的输电铁塔进行特征值与模式显著性的计算分析，明确输电铁塔的能量转换规律与谐振特性；步骤2)对输电铁塔施加特定激励源，计算模式权重系数，绘制其值随频率的变化曲线图，分析铁塔空间结构、形状尺寸等本体特征对电磁散射场的影响机制。步骤3)利用矩量法计算同激励条件下的输电铁塔表面感应电流和谐振频率，与特征模分析方法的结果进行对比实验，验证本方法的合理性和有效性，从而分析此测试频段内超高压输电铁塔的电磁散射影响。
附图说明
5.图1三种不同塔型的输电线路铁塔建模效果与塔头内部细节图
6.图2未施加激励的猫头塔5-10mhz特征值计算结果
7.图3未施加激励的猫头塔5-10mhz模式显著性计算结果
8.图4对猫头塔施加垂直极化平面电磁波后的数学模型
9.图5在垂直极化平面波影响下5-10mhz猫头塔模式权重系数计算结果
10.图6猫头塔的矩量法表面感应电流和谐振频率计算结果
11.图7摘要附图：方法流程图
具体实施方式
12.以下结合附图，通过详细说明一个具体的实例，对本发明所提出的“一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法”做进一步阐述。
13.步骤1)选择500kv超高压输电线路铁塔中常见的三种塔型进行实验仿真，并建立相关模型，如附图1所示。下面，以500kv猫头塔在短波5-10mhz频段的实验进行实例说明。首先，在模型未施加特定激励源的情况下，设定频率步长0.1mhz，通过特征模方法计算猫头塔固有结构所对应的特征值和模式显著性随频率的变化数值，如附图2与图3所示。为了更加清晰的观察8.2-9.2mhz的特征值变化，在附图2中将此频段内的数值进行了放大处理。
14.由附图2和3可知，猫头塔在未施加特定激励源情况下，在5-10mhz的工作频段内，共有三个特征模式产生谐振，谐振频点分别为5.5、8.3和9.0mhz，此时猫头塔储存的电能等于磁能。当对应特征模式特征值大于零时，磁能大于电能；特征值小于零时，电能大于磁能。电能和磁能按照此方法计算的谐振频点进行规律转换。进一步分析图3可知，在此塔型结构和工作频段下，模式1、3和6为显著特征模式，将会对猫头塔的电磁散射产生主要影响，而其他模式则影响效果甚微。
15.步骤2)考虑输电铁塔对无线电信号干扰影响最大的情况，对猫头塔施加1v/m的垂直极化平面电磁波，建立此激励条件下的电磁数学模型如附图4所示。用特征模理论计算此时铁塔的模式权重系数并绘制其值随频率变化的曲线图，如附图5所示，猫头塔各特征模式在8.2mhz处的模式权重系数如表1所示，分析此时输电铁塔的电磁散射特性。
16.表1猫头塔各特征模式在8.2mhz处的模式权重系数
17.特征模式模式权重系数λ11.14e-05λ24.04e-07λ31.23e-04λ43.20e-03λ51.38e-06λ68.55e-01
18.由图5和表1可以看出，在1v/m的垂直极化平面波影响下，猫头塔只有特征模式6最终产生了谐振，谐振频点出现在测试频段的8.2mhz处。这表明在此激励源的影响下，基于猫头塔的本体结构特性，特征模式6在铁塔整体的电磁散射中占比最大，如能削弱特征模式6在8.2mhz处的特征电流，就能降低猫头塔整体的表面感应电流从而减少猫头塔对周边无线电台站的电磁散射影响。
19.步骤3)在同种激励源条件影响下，采用传统的矩量法计算猫头塔的表面感应电流和谐振频率，验证本方法的合理性和有效性，并进行误差分析，如附图6所示。
20.通过附图6可以看出，在本实例中，矩量法计算的谐振频点在8.3mhz，最大相对误差为1.21％，由此可看出特征模式6在总的感应电流中贡献占比高达98％左右，通过改变输
电铁塔本体结构特征，优化特征模式电流分量，即可降低输电铁塔对周边无线电台站的电磁散射影响，验证了本发明方法的有效性和可靠性。
21.尽管上面已经示出和描述了本发明的实例，可以理解的是，上述实例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
技术特征：1.一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法，其特征在于，包括以下步骤：1)确定所研究的高频超高压输变电工程中模型的各类参数，对未施加特定激励源的输电铁塔进行特征值与模式显著性的计算分析，并绘制随频率变化规律的曲线图；2)由于输电铁塔可以看成一个垂直金属接地体，因此考虑输电铁塔对无线电信号干扰影响最大的情况，对模型施加垂直极化平面电磁波，用特征模理论计算此时铁塔的模式权重系数并绘制其值随频率变化的曲线图，分析此时铁塔的电磁散射影响；3)在同种激励源条件下，利用矩量法计算得到三种不同塔型输电铁塔的表面感应电流随频率的变化曲线图与谐振频点，然后与特征模理论的计算结果进行对比并进行误差分析，从而探究输电铁塔的本体结构对电磁散射场的影响。2.根据权利要求1所述一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法，其特征在于：超高压输电线路铁塔的本体结构特征通过其各自的实际工程需要或所建立的模型来确定，通过判断此塔型输电铁塔的特征值大小分析其谐振特性和能量转换规律，例如：当特征值等于零时，输电铁塔储存的磁能等于电能，此时的输电铁塔电磁散射模式处于谐振状态；当特征值大于零时，磁能大于电能；特征值小于零时，电能大于磁能，因此，通过对特征值的研究可以从电磁能量转换的角度进一步分析输电铁塔电磁散射谐振现象。3.根据权利要求1所述一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法，其特征在于：判断输电铁塔的模式显著性随频率的变化规律，例如：当特征模式显著性的数值大于0.707时，该特征模式为显著模式，对测试频段中的电磁散射起到主要贡献作用，相反，电磁散射的贡献较低，从而明确哪一个特征模式在整个电磁散射过程中对输电铁塔固有属性起到的辐射作用大小程度。4.根据权利要求1所述一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法，其特征在于：通过实验计算在施加特定激励后的输电铁塔模式权重系数如果此值明显高于其他特征模式的值，从而推断受激励影响后该塔型下的此特征模式对电磁散射影响相关程度最高，模式权重系数的变化直接决定了此特征模式在输电铁塔电磁散射中占比大小。
技术总结本发明公开了一种基于特征模理论的短波频段超高压输电铁塔的电磁散射分析方法。将电磁数值计算方法与特征模理论相结合，对输电铁塔进行特征值与模式显著性的计算分析，明确输电铁塔的能量转换规律与谐振特性。其次，对输电铁塔施加垂直极化平面电磁波，进一步分析输电铁塔的结构特征和电磁散射场的相互作用。最后，利用矩量法计算同激励条件下的表面感应电流和谐振频率，与本方法的结果进行对比，进行误差分析，验证本方法的合理性和有效性。该方法适用于超高压输电线路铁塔工程下的电磁散射特性分析，各参数可根据实际工程中的数学模型具体情况进行修改，以便能够高效、精准、便捷地分析输电线路铁塔对周边无线电台站的电磁散射影响。散射影响。散射影响。
技术研发人员：焦超群 宗世奇 张秀敏 喻鹏程
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
