通镌电．潦 ２０１４年７月２５日第３１卷第４期 术 Ｊｕｌｙ ２５，２０１４，Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．４ Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 文章编号：１００９—３６６４（２０１４）０４—００４９—０３ 灞 警 甚低频发信天线电晕电压计算方法研究 周经国 （海司信息化部，北京１０００８１） 摘要：文中研究了甚低频发信天线电晕产生的机理，分析了电晕电压发生时伴随的物理现象和化学反应，理论推导 了甚低频发射天线电晕电压的计算方法，实例给出了天线导线取值与电晕电压的计算结果，指出电晕电压与天线导线的 直径、导线表面的粗糙程度、导线所处位置的大气密度、通过导线的电流频率、淋雨状态及导线的冰渍情况有关。 关键词：甚低频；电晕电压；天线导线；天线直径 中图分类号：ＴＮ８２３．１３ 文献标识码：Ａ Ａ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｖｅｒｙ Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ Ａｎｔｅｎｎａｓ Ｃｏｒｏｎａ Ｖｏｌｔａｇｅ ＺＨＯＵ Ｊｉｎｇ—ｇｕｏ （Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｎａｖｙ Ｃｏｍｍａｎｄ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＶＬＦ）ｔｒａｎｓｍｉｔｔｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａｓ ｃｏｒｏｎａ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｐｈｅｎｏｍｅｎａ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｒｅａｃｔｉｏｎ ａｃｃｏｍｐａｎｙｉｎｇ ｗｉｔｈ ｃｏｒｏｎａ ｏｃｃｕｒ．Ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ＶＩ Ｆ ｔｒａｎｓｍｉｔ— ｔｉｎｇ ａｎｔｅｎｎａｓ ｃｏｒｏｎａ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｄｅｒｉｖｅｄ，ａｎｄ ａ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｗａｓ ｂｒｏｕｇｈｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｔｏ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅ ｔｈｅ ｒｅｌａ— ｔｉｏｎｓｈｉｐ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａ ｌｅａｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｏｎａ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｄ ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｐｌａｙｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｖａｒｉｏｕｓ ｃｏｎｔｒｉｂｕｔｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ａｎｔｅｎｎａ ｄｉａｍｅｔｅｒ，ｓｕｒｆａｃｅ ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ，ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｄｅｎｓｉｔｙ，ｃｕｒｒｅｎｔ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｃｒｏｓｓ ｔｈｅ ａｎｔｅｎ— ｎａ １ｃａｄ，ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇｅｔ ｄｒｅｎｃｈ，ｔｈｅ ｉｃｅ－ｃｏｖｅｒ ｄｅｇｒｅｅ ｏｆ ａｎｔｅｎｎａ ｌｃａｄ，ｅｔｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｒｙ ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ（ＶＬＦ）；ｃｏｒｏｎａ ｖｏｌｔａｇｅ；ａｎｔｅｎｎａ ｌｅａｄ；ａｎｔｅｎｎａ ｄｉａｍｅｔｅｒ 电晕是一种不完全放电现象，集中发生在大曲率 电极附近。当甚低频发射天线电压升高到一定程度 时，大曲率导体附近的电场强度足够高，致使空气分子 电离，而在离开电极稍远的地方，电场强度减弱很快， 故电离不会发展到电极问的整个空间，而只能在电极 附近产生不完全的放电，围绕电极形成光环，这种现象 称为电晕 。 电离，电子从阴极直接奔向阳极，从而使绝缘的空气变 为导电的空气，空气击穿，称之为火花放电或电压击 穿。只有当电极间的距离较大时，由于电极间的电场 不均匀，靠电极附近电场比较大，而离开电极较远的地 方电场比较小，电离只发生在电极附近。在靠近电极 的强电场中，由于发生雪崩效应，电子一离开电极，电 流便迅速形成，当这些电子继续运行到不足以电离的 低电场处时，将伴随有氧离子形成，其活动能力比电子 的活动能力低得多，从而形成了一个负的空间电荷，它 １ 电晕产生的机理 甚低频发射天线电晕产生的机理是，当天线周围 阴极电场强度达到某一临界值时，离开阴极的电子被 将减缓电子的速率致使电流降为零，而且此过程将重 复出现ｌ２］。这些电流脉冲的上升时间约为４ ｍｓ，持续 时间为十分之几微秒量级，其脉冲基频常处于甚低频 与低频范围ｌ＿３Ｊ。 电晕的形成并不简单地只取决于电场强度。比较 粗的导线或电极，其电场强度从表面随距离的降低比 细导线要缓慢得多。实验表明，当导线直径小于７× １０ ｍ或约比１０Ｉ３ ｒｎ稍粗时，形成电晕的起始电压 阳极比阴极高；而当直径在７×１０－５ ＩＴＩ和１０Ｉ３ ｉｎ之间 时，则阴极的起始电压较高。 强电场加速，动能增加，在经过若干次碰撞之后，气体 所获得的平均电离能可以产生二次电子，如果新产生 的电子在强电场作用下，漂移速度迅速加快，当它与气 体分子再次碰撞时，又会电离出新的二次电子，从而产 生倍增效应。因此，电晕是因电子碰撞使气体分子电 离而产生的一种雪崩现象，那么，阳极电晕就是由于电 子被拉向或直接奔向阳极而形成的雪崩现象。 在比较均匀的电场中，电晕是不会形成的，只有当 电场有显著变化时，电晕才可能形成。当两电极表面 问的距离相对其曲率半径而言很近时，电位的增加只 ２甚低频天线电晕电压伴随反应 甚低频发射天线顶负载导线以及绝缘子高电位端 对地的不完全放电所产生的电晕，是天线设计过程中 要特别注意的问题 ］。天线电晕的起始电压取决于 绝缘子的形状、尺寸及介电强度和天线的导线直径、导 会使电极之间的电场强度都很大，致使电极之间全路 收稿日期：２０１４—０３—１８ 作者简介：周经国（１９７７一），男，湖北洪湖人，硕士研究生，讲师， 主要研究方向：通信技术。 线间的距离、导线的离地高度及海拔（电晕起始电压与 ・４９・ 通镌电．潦 ２０１４年７月２５日第３１卷第４期 术 Ｊｕｌｙ ２５。２０１４，Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．４ Ｔｅｌｅｅｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 气压有关）。 在天线导线间距远远大于导线直径，且导线远离 Ｅ一 ＣＵｚ；ｖｃｒ ８ ｏｔ＝＝＝Ｔ ＥＥ０ａ （２） 地面的情况下，电晕的产生主要有两种原因： （１）天线导线的直径不够大，当导线表面电压大 于某一临界值时，导线表面空气发生碰撞电离，产生不 式中，ｃ 为导体单位长度电容； 为导体的直径。 导体的电位与其表面电场的关系式为 Ｕ一 乙１ Ｅ （３） 完全放电。另外，导线的粗糙表面使得电场分布不均 匀，也是产生电晕的原因。 （２）天线顶容线和绝缘子之间的电晕，主要原因 是电场过于集中。 由此可见，当电场Ｅ达到发生电晕的临界电场 Ｅ 时，电位Ｕ也就达到了电晕的临界电压 ，即 Ｕｍ一 Ｅｍ （４） 为了使电场分布均匀，往往在绝缘子串的端部加 装电晕环。绝缘子绝缘强度不够引起绝缘子的高电位 端对接地端的放电，也是常见的电晕现象。这个问题 的解决方法是根据顶端电压的高低选取足够尺寸的电 晕环及足够大绝缘强度的绝缘子。 电晕发生时伴随的物理现象及化学反应描述如 下： （１）当发生电晕时，在靠近电极表面曲率较大的 部位，阴极有淡紫色光圈，阳极出现淡红色的簇球状 物，随着电压的升高，这些光圈逐渐增大。 （２）在引起电晕的电极附近，除了看到淡紫色的 光圈外，还听见咝咝声，随着电压的升高，这种声音越 来越大。 （３）电晕的出现还伴随着化学反应，在电晕处附 近的空气中产生臭氧和氧化氮。臭氧可使金属导线绝 缘子的金属氧化，而氧化氮遇水则会形成硝酸。硝酸 具有很强的腐蚀性，常常使金属和绝缘物质遭到破坏。 （４）电晕的出现还伴随着能量消耗。电晕使天线 上的电流分布发生改变，把电能转化为光能、声能和化 学能而产生能量消耗，会大大降低天线的效率，严重的 情况使得天线不能继续工作。 （５）电晕放电产生的高频振荡对无线电通信有干 扰作用，尤其是基频常处于低频及甚低频范围内，是影 响通信质量的一种不利因素。 综上所述，电晕现象对甚低频通信危害极大，工程 技术人员在设计和维护甚低频发射天线时，应严格防 止电晕现象的发生ｌ６］。 ３电晕电压计算方法 假定一根金属导体上的电荷是均匀分布的，其表 面处的场强表达式为 Ｅ—Ｏ＇ｓ／ｅｏ （１） 式中， ｓ为表面电荷密度 ≈ １ Ｆ／ｍ，为自由 空间的介电常数。而 ＝ ，这里ｒ为导体半径， 兀，‘ 为导体长度，Ｑ为导体上所带的总电荷。又因为Ｑ＝ ＣＵ，此处Ｃ为导体总电容，Ｕ为导体上的平均电位。 所以式（１）又可以变为 ・ ｎ・ 将不同导体的单位长度电容的公式代人式（４），可 得出如下各种情况的临界电压表示式。 （１）对于同轴电缆（同心圆柱体） ｌｎ鱼 以ｌｏｇ Ｕｍ一半Ｅｍ一 Ｅｍ （５） 式中，ａ和ｂ分别为电缆内导体和外导体的直径。 （２）对于离地高为ｈ的单根水平导线 ａｌｎ— Ａ ａｌｏｇ ． Ａ Ｕｍ一乎Ｅｍ一百丽争Ｅｍ （６） 式中，ｄ为导线的直径。 （３）对于远离地面的平行双导线 ２Ｄ Ｕ 一 一 Ｅｍ—ｎｉ～ ｎ ｍ ㈩（７） 式中，Ｄ为两导线的间距。 （４）对于垂直接地高为ｈ的单根导线 Ｕｍ—ｄ（１ｎ 一１）Ｅｍ （８） 在环境温度ｔ＝２５℃，气压Ｐ＝７６０毫米水银柱 时，空气的基本“击穿场强”的峰值为Ｅｍ＝２．４４×１０ Ｖ／ｍ，有效值为Ｅ ，＝１．８×１０ Ｖ／ｍ。显然，若已知导 体的截面尺寸，就可以计算上面几种导体系统的临界 电压。但是，实验表明，Ｅｍ与空气的相对密度６、导线 的表面系数ｍ和导线电晕的频率因数Ｆ 有很大关 系，由实验数据得出电晕电压的有效值分别为： （１）对于同轴圆柱体（空气介质同轴电缆）有 Ｕｃ一２．５８ａｌｇ（ｂ）［１＋０．０４８（８口）一｛］×１０ 。 （９） （２）对离地高 的单根水平导线有 Ｕ 一２．４４４ ｌｇ（ ）［１＋０．０４３（８ ）专］×ｌＯ ｍＦ （１Ｏ） （３）对远离地面且间隔为Ｄ的平行双导线有 Ｕ 一４．８８８ｄｌｇ（ ）［１＋０．０４３（８ｄ）一吉］×１０ 。 （１１） （４）对于高为ｈ（ｈ》 ）的垂直单根导线 通往电．涿技术 ２０１４年７月２５日第３１卷第４ 周经国：甚低频发信天线 电晕电压计算方法研究 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｊｕｌｙ ２５，２０１４，Ｖｏ１．３１ Ｎｏ．４ Ｕｃ一１．０６８ｄｌｎ（ 一１）［１＋０．０４３（ ｄ）一专］ ａ 表１ 某长波台单根天线导线电晕电压 导线外径Ｄ／ｃｍ 电晕电压应用值／ｋＶ ６８．２６ ６９．５３ ７０．７９ ×１Ｏ Ｆ （１２） Ｏ．８Ｏ ０．８２ 式中，矗，为导线下端的离地高度。 实验表明导线的电晕电压与导线的直径、导线表 面的粗糙程度、导线所处位置的大气密度、通过导线的 ０．８４ ０．８６ （）．８７ 电流频率，淋雨状态及导线的冰渍情况有关。以上公 式中，对于光滑的导线棒，导线表面系数ｍ等于１；对 于多股绞线，ｍ近似等于０．８；对于潮湿，或有裹冰、雪 ７２．Ｏ５ ７２．６８ 淞及擦伤的导线，ｍ降低到低于或近似等于０．７。在 ６０ ｋＨｚ频率时，电晕频率因数Ｆ ＝１；在２０ ｋＨｚ时， Ｆ 约等于０．９。 为相对于温度为２５℃、大气压为７６ ｃｍ水银柱的空气相对密度， 的值由下式给出 一３．９２Ｐ ／（２７３＋ ） （１３） 式中，Ｐ 为大气压（厘米水银柱高）；ｔ为温度（℃）。 根据西安交通大学高压研究所的研究成果，离地 高为ｈ的水平单导线电晕电压可以用下式计算。 Ｕｍ一２４．４Ｄｍｌｍ２ｍ３ ４ ５［１＋ ］ｌｇ 、／／）ｍ１ （１４） 式中，Ｄ为天线导线的直径，单位为ｃｍ；ｍ 为导线所 处位置的空气相对密度系数；ｍ。为导体表面系数，与 导体表面光滑程度有关，对于光滑的棒，ｍ 等于１，对 于多股绞线，ｍ 近似等于０．８，对于潮湿，或有裹冰、 雪淞及擦伤的导线， 降低到近似等于０．７；ｍ。为频 率系数，与天线工作频率有关；ｍ 为淋雨下降系数，与 淋雨水量大小有关； 为冰渍下降系数，最大可以下 降５０ ；ｈ为天线导线上电压最高点的海拔高度，单位 为ｃｍ。 ４计算结果及结论 取一甚低频发射天线为例，电晕电压各系数取值 如下：ｍ１＝０．８５；ｍ２＝０．９２；ｍ３＝０．９２５；ｍ４＝０．８０；ｍ５ ＝１．Ｏ０；ｈ＝３９ ５００ ｃｍ。 在实际工程应用中，从可靠性方面考虑，取电晕电 压的７５ 作为应用值，按照式（１４）计算出的数据如表 １。 当导线电压从电晕起始电压开始增加，电晕或导 线外围等离子区的直径便增大，这会增加导体的有效 尺寸，使导线对外界的电容量增加。实验开始，有效直 径迅速达到导线直径的大约两倍，而后，导线的有效直 径和实体导线电压与电晕起始电压的差值成线性关 系，有效直径能够达到４倍或５倍的实体导线直径。 重要的是天线从激励到产生电晕，上述效应将增加天 线的电容量。由于甚低频天线是一个高Ｑ天线，天线 电容量只 ０．８８ ７３．３１ ０．９０ ７４．５６ ０．９２ ７５．８Ｏ ０．９４ ７７．０４ ０．９６ ７８．２８ ０．９８ ７９．５１ １．（）０ ８０．７３ 要有一个比较小的增量就将导致天线系统失谐，故天 线电容量的变化对甚低频天线来说是一个很重要的因 素。当天线需要在电晕情况下正常工作时，则必须减 少谐振电感值。 本文的创新点主要有：（１）研究了甚低频发射天线 电晕产生的机理；（２）理论推导了甚低频发射天线电晕 电压的计算方法；（３）指出电晕电压与天线导线的直 径、导线表面的粗糙程度、导线所处位置的大气密度、 通过导线的电流频率，淋雨状态及导线的冰渍情况有 关。 参考文献： Ｅ１］柳超，蒋华，黄金辉．甚低频通信［Ｍ］．北京：海潮出 版社，２００８． ［２２吴维元，李荣辉，陈久元．导电媒质中的超长波天线研究 ［Ｊ］．微计算机信息，２０１０，（４）：２９２—２９３． Ｅ３］梁高权．甚低频和超长波的辐射与传播［Ｍ］．武汉：海军 工程大学，２００２． ［４］潘威炎．长波超长波极长波传播［Ｍ］．成都：电子科技大 学出版社，２００４． ［５］袁翊．超低频和极低频电磁波的传播和噪声［Ｍ］．北 京：国防工业出版社，２０１１． ［６］Ｊｉａｎｊｕｎ Ｌｕ，Ｄａｎｌｉｎｇ Ｌｉｕ．Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｏｗ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｒａｄｉｏ Ｗａｖｅ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ Ａｔｍｏｓ— ｐｈｅｒｉｅ Ｎｏｉｓｅ［Ｃ］．２０１ １ ＡＡＳＲＩ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ａｎｄ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，２０１ １，（４）：６０—６３．