大量卫星探测结果表明近地空间存在与地面电网谐波频率一致的辐射现象，但相应的谐波辐射源仍不确定。北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的张敬雯、吴静、谢天宇，在2023年第11期《电工技术学报》上撰文，通过分析与晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程走向接近的DEMETER卫星轨道上的电场强度探测数据，发现空间存在2～5 kHz频带内的谐波辐射事件，且事件的数量在该特高压输电工程投入运行后急剧增加。

地面实测结果表明，特高压输电工程首端确实存在数千赫兹的谐波辐射。利用偶极子等效地面谐波辐射源，基于全波模型，分析了其产生的电磁波在半球空间电离层中的传播特点，并与卫星探测结果进行了对比，表明近地空间谐波辐射现象与地面变电站的谐波辐射具有一定关联。此外研究了甚低频（VLF）电网谐波辐射在南北地磁共轭空间传播的机理，并利用卫星探测实例进行了初步验证。

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基于多颗位于不同高度处的卫星探测结果表明，近地空间存在位于500 Hz～8 kHz频带、频率不随时间变化，且间隔为50 Hz/100 Hz或60 Hz/120 Hz的电力线谐波辐射（Power Line Harmonic Radiation, PLHR）现象。空间科学领域普遍认为这种辐射来自于地面电网，其可以右旋哨声模沿地磁场线传至近地空间。由于这些辐射的电场/磁场强度明显高于自然背景噪声，故它们对电离层、磁层及辐射带电磁环境的影响在空间科学领域受到了广泛关注与讨论。

2004年6月，法国空间研究中心发射了准太阳同步轨道卫星DEMETER，距地高度约为660 km，用于研究与地震、火山、人类活动等相关的地球电离层扰动。近十多年来，各国学者利用DEMETER卫星对近地空间包括PLHR在内的各种极低频（ELF）和甚低频（VLF）电磁辐射现象开展了大量研究。

统计结果表明，2009年与2010年两年发现的电力线谐波辐射事件总量占卫星在轨运行期间探测到的所有事件总量的77%；60%以上的事件的频率分布于2～2.5 kHz和4～4.5 kHz两个频带。DEMETER卫星为研究全球电磁环境提供了宝贵探测数据，尽管目前利用该卫星探测到的一些特殊极低频/甚低频辐射现象仍很难在理论上给出严格且科学的论证，但它们对人类了解电离层和磁层的电磁环境、认识电离层-磁层耦合机理等具有重要作用。值得一提的是，DEMETER卫星为我国张衡一号电磁监测试验卫星的研制也提供了重要参考。

对于在近地空间探测到的电力线谐波辐射现象，空间科学领域普遍认为它们与地面电网密切相关。但是与近地空间谐波辐射对应的地面电网辐射源仍需进一步深入研究。

图1 PLHR事件所在卫星轨道在地球表面的投影

我国已有多条特高压输电工程投入运行。由于特高压远距离输电线路相比于传统输电线路，多使用分裂导线，单位长度的电阻和电感较小而电容较大，在考虑分布参数时，其等效阻抗会不规则增大，高频谐波在远距离传输过程中可能会出现谐波谐振劣化问题，即随着传输距离的变化，等效阻抗不再规律变化，而是存在明显的谐振带；更高的电压等级、更多电力电子设备与新型供电设备的投入会导致输电网中存在更大的谐波电流。因此，特高压工程产生的谐波辐射尤为值得关注。

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院的研究人员，对与晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程走向接近的DEMETER卫星轨道的探测数据进行分析，研究了所观测到的电力线谐波辐射事件的时间分布特点，结合地面实测结果、卫星探测结果及空间哨声波传播机理，研究了电力线谐波辐射事件与地面变电站谐波辐射的关联，发现了特殊的谐波辐射现象。

图2 PLHR在空间中传播机理示意图

他们表示，随着晋东南—南阳—荆门特高压交流输电工程的投运，其首端上空谐波辐射事件的数量急增，频率位于2～5 kHz范围，以奇次谐波为主，电场辐射强度约为几百nV/m。此外，长治特高压变电站周围存在2.5～3 kHz、4～4.5 kHz附近的谐波辐射，但距其数km外的输电线周围并不存在这些谐波辐射。

研究者指出，与北半球长治特高压变电站上空共轭的南半球空间不存在工频电场，但存在谐波辐射现象，谐波频率与长治变电站上空探测到的事件相近，且电场强度相当，说明电网谐波辐射可以在南北地磁共轭空间传播。

图3 南半球共轭地区典型PLHR事件电场强度频谱特征

而基于地面实测、卫星探测，以及全波模型分析的结果表明，近地空间谐波辐射现象与地面特高压变电站的谐波辐射具有一定关联；基于哨声波在近地空间的传播机理，结合卫星探测实例可知，低频电网谐波辐射在一定条件下可以在南北地磁共轭空间传播。

他们指出，考虑到地面输变电站工程低频谐波辐射形成机理的复杂性，以及空间等离子体环境与高能粒子的复杂性，科学地阐释电网谐波辐射在近地空间传播的特点及引起的电磁效应仍具有相当大的挑战。然而，随着我国特高压输变电工程的发展，近地空间电网辐射现象值得密切关注。

本工作成果发表在2023年第11期《电工技术学报》，论文标题为“近地空间与电网相关的谐波辐射现象研究”。本课题得到国家自然科学基金和北京市自然科学基金资助项目的支持。