基站天线与输电线路共建时周围电磁环境分析

邵明驰李秋生黎丽华徐昊

(1.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京210019；2.中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京210019)

0 引言

随着第五代通信技术时代的来临，通信基站覆盖也由高大远疏向低小近密方向发展[1]。目前对于宏基站，通信行业主要采用45 m角钢塔或钢管塔，其立塔成本合计为30～33万元。由于成本较高，且面临不确定因素多、施工难、周期长等诸多问题，因此寻求可共建共享的杆塔已成为通信行业的迫切需求。在“互联网+”时代下，“共享”是当下经济发展的热点，通信基站天线与日益丰富的高压架空送电线路杆塔(简称“电力塔”)的共享是有利于合作双方的模式[2]，有助于实现资源整合、缩短建设周期、节省建设成本和节约土地资源[3]。因此，两者共塔有利于双方发挥各自领域的资源优势，实现优势互补、合作共赢，更好地服务经济社会发展[4]。2018年7月3日，中国铁塔股份有限公司南京分公司与国网江苏省电力有限公司南京供电分公司合作，首次建设了110 kV旺兰1、2线3号电力单管塔共享基站，迈出了共享建设试验研究的关键一步。

但是，根据以往的研究，当110 kV及以上的高压电力系统与基站临近时，可能会对基站产生两方面的影响，即(1)高压电力设备产生的高频电磁干扰进入通信链路，造成通信效果降低[5]；(2)可能存在极端情况下基站杆塔倒塌影响输电线路的风险。因此，目前110 kV以上电压等级输电线路设计时，从安全、电磁干扰等方面考虑，一般会避开基站。魏德军[6]指出高压架空输电线路与移动通信基站间距＞50 m时，输电线路对移动通信基站的正常工作不会产生影响。国内一般建议两者选址时相距＞50 m。此外，高压电力系统和基站均会产生电磁影响。电磁影响使生物系统产生的与生命现象有关的响应为电磁的生物学效应。从热作用方式上分为热效应和非热效应，不同频率的电磁影响其生物学效应不同[7]。在1 Hz～100 kHz频率范围的电磁源(如输电线路)产生的生物效应主要为非热效应；而在100 kHz～300 GHz频率范围的电磁源(如通信基站)产生的生物效应主要为热效应。但输电线路、通信基站各自产生的电磁影响均随着与自身距离的增大而迅速衰减[8]，50 m以外大都已接近环境背景值，因此两者相距＞50 m时基本不考虑叠加分析其各自产生的电磁影响。

基于上述原因，国家现行的GB 8702—2014《电磁环境控制限值》[9]中对不同频段的电场、磁场、电磁场的控制限值是需要分开考虑和制定的。当通信基站天线与电力塔共塔建设时便面临了新的环境问题，即需要综合考虑两者对周围电磁环境的共同影响，而目前尚无相关研究报道。文章通过监测与分析已建的基站天线和110 kV交流输电线路电力塔共建站(简称共建站)周围的电磁环境指标，包括综合场强、工频电场、工频磁场，研究共建站对周围电磁环境的共同影响情况，根据实际测量结果分析工程实践可行性，以期为已进入试验阶段的共建站的安全应用与环境保护提供实践性指导。

1 共建站研究方法

1.1 共建站的选择

研究期间，江苏省内已建成的共建站有11座，均为110 kV交流输电线路电力塔上的共建站。由于电磁环境指标监测值会受到共建站的工程技术参数(基站工作频率、天线挂高、输电线路电压等级、导线对地高度等)和周围环境因素的影响，因此为减小各类影响因素的干扰，尽量选择监测范围内地形较平坦且无高大建筑物和密集树木及无其他电磁干扰源(如广播电视塔、雷达、变电站、电气化铁路等)等容易产生电磁环境畸变物体[10]的共建站进行监测。在综合考虑这些影响因素后，最终筛选了2个适宜监测且工程技术参数具有代表性的典型共建站作为研究分析目标，即位于南京市浦口区的110 kV锦湖支线7号塔共建站和110 kV旺兰＃1线3号塔共建站。

1.2 监测方法及布点

(1)监测方法

监测参考HJ 972—2018《移动通信基站电磁辐射环境监测方法》[11]和HJ681—2013《交流输变电工程电磁环境监测方法(试行)》[12]规定的方法进行布点，并结合现场实际情况进行调整。

(2)监测布点

共建站周围电磁环境监测:以共建站杆塔为中心，以输电线路为对称轴，在边长为100 m×100 m正方形区域内划分网格，每个网格大小为10 m×10 m。每个网格的监测点位一般布设于网格中心，受地形影响部分网格点的监测位置可稍作调整。监测布点示意如图1所示。

110 kV锦湖支线7号塔共建站和110 kV旺兰＃1线3号塔共建站周围环境状况及具体布点情况如图2所示。

图1 电磁环境监测布点示意图

图2 两个共建站周围环境状况及电磁环境监测布点示意图

1.3 监测时间及环境条件

110 kV锦湖支线7号塔共建站监测时间为2019年7月19日09∶30—17∶00，晴转多云，气温31～33℃，相对湿度为55%～61%。周围环境以城市道路、厂区空地、行道树、草坪为主。

110 kV旺兰＃1线3号塔共建站监测时间为2019年8月7日09∶30—17∶00，晴，气温31～35℃，相对湿度为42%～45%。周围环境以城市道路、荒地、行道树、苗木和草丛为主。

1.4 监测设备及监测的共建站概况

监测使用的设备名称、型号、编号等信息见表1。

监测的锦湖支线7号塔共建站和旺兰＃1线3号塔共建站的基本情况见表2。

表1 监测设备信息表

表2 监测的两个共建站基本情况表

2 共建站监测结果与分析

2.1 监测结果统计与分布情况分析

将共建站正常运行时的综合场强监测值标记为P，工频电场监测值标记为E，工频磁感应场监测值标记为B，其对应的公众曝露控制限值分别标记为Pi、Ei、Bi。以监 测 值 占 控 制 限 值 的 比 例(P/Pi、E/Ei、B/Bi)作为共建站建设后电磁环境变化的分析指标，用来表示综合场强、工频电场、工频磁感应场的环境影响程度。110 kV锦湖支线7号塔共建站和110 kV旺兰＃1线3号塔共建站周围各项监测值统计结果见表3。

由表3可知，两个共建站工频磁感应场的B/Bi值非常小，监测值占其相应控制限值的比例最大分别仅为0.09%和0.39%。因此，为简化分析，研究仅分析P/Pi、E/Ei的较大值对共建站周围电磁环境的共同影响。将监测数据由大至小排序，选取在100个网格点中排序前20%的数据为较大值，即每个共建站分别选取20个较大的监测值来分析。两个共建站的P/Pi、E/Ei的较大值分布情况如图3和4所示。

表3 监测结果统计表

图3 两个共建站P/Pi较大值分布示意图

图4 两个共建站E/Ei较大值分布示意图

由图3可知，锦湖支线7号塔共建站的P/Pi较大值(3.75%～5.62%)、旺兰＃1线3号塔共建站的P/Pi较大值(4.33%～5.58%)基本分布于各个基站天线的主瓣范围内。其中，锦湖支线7号塔共建站的P/Pi最大值5.62%出现在距基站天线45 m附近，旺兰＃1线3号塔共建站的P/Pi最大值5.58%出现在距基站天线15 m附近，符合通信基站天线周围电磁强度分布的一般规律。

由图4可知，旺兰＃1线3号塔共建站的E/Ei较大值(1.09%～3.89%)大致对称分布于输电线路两侧25 m范围内，并主要集中在边导线下方附近。而锦湖支线7号塔共建站由于受东北侧地形影响不能布点监测，因此无法得出其E/Ei较大值(1.28%～5.84%)的整体分布规律，但仅从西侧的局部分布情况也能看出E/Ei较大值主要集中在边导线下方附近。整体上，在垂直于输电线路的监测断面上，E/Ei较大值随着与输电线路距离的增加而减小，表明输电线路产生的工频电场影响随着与输电线路距离的增加而逐渐衰减。

2.2 赋权及计算结果分析

根据GB 8702—2014[9]中的规定，公众曝露在多个频率的电场、磁场、电磁场中时，应综合考虑多个频率的曝露影响，不同频率段应满足不同的关系式[9]。

频率在1 Hz～100 kHz与0.1 MHz～300 GHz之间，关系式分别由式(1)和(2)[9]表示为

式中Ei为频率i的电场强度，V/m；EL，i为频率i的电场强度限值，V/m；Ej为频率j的电场强度，V/m；EL，j为频率j的电场强度限值，V/m。

研究的输电线路与通信基站共建站工作频率分别处于50 Hz和1.8 GHz频段，不能直接使用关系式进行分析评价。目前国内外也尚无相应的关系式或评价方法可以直接将上述两个频段的影响值进行加和或叠加。因此，文章首次尝试给工频电磁影响、射频电磁影响进行加权后，分别采用关系式(1)和(2)计算，对比分析两种计算结果，综合评价共建站产生的工频电磁场、射频电磁场对环境的共同影响，并判断两者在共同影响中的地位。

电磁辐射是否对人体有害主要取决于电磁辐射频率高低和功率大小两个因素。只有当这两个因素超过一定的允许值而造成辐射污染时，才有可能会对人体带来负面影响[13]。电磁辐射可按其波长、频率排列成若干频率段，形成电磁波谱。频率越高，其辐射的量子能量越大，其生物学作用就越强[14]。通信基站工作频率较高，其产生的电磁辐射作用于人体后，而另一部分被反射，一部分被吸收。被吸收的电磁波能量达到一定强度时会使人体发热，超过一定限度人体就会出现高温生理反应，从而有害于人的健康，即为电磁波的热效应[15]；110 kV交流输电线路工作频率是典型的极低频，其电磁场产生生物学效应的关键是在人体内产生的感应电场[13]，而此类感应电场小于某一数值时人体组织不易显示出热效应，只会造成一些非热效应。

此外，在参考现有大量通信基站、110 kV交流输电线路正常运行功率情况下，以及两个共建站监测结果可知，基站的综合场强值占GB 8702—2014[9]中规定的控制限值比例整体上要高于输电线路的，说明在各自正常工作功率下，基站对周围电磁环境的影响程度稍高于输电线路的影响程度。

因此，采用《现代咨询方法与务实》[16]中的层次分析法确定共建站产生的工频电磁场、射频电磁场在对环境共同影响中的权重及地位。其具体步骤为

(1)建立层次结构模型，以在共同环境影响中的地位作为目标层A，工作频率与生物效应B1、工作功率B2、监测值占控制限值比例B3等3个方面作为准则层B，射频电磁影响、工频电磁影响作为指标层Q。

(2)构造比较判别矩阵，由专家根据其知识、经验和判断，使用两两比较的方法确定各层不同因素相对于上一层各因素的重要性权数，权数取正整数1～9(成为标度)及其倒数。最终构建的准则层对目标层比较判别矩阵A—B由式(3)表示为

构建的指标层对准则层比较判别矩阵B1—Q、B2—Q、B3—Q分别由式(4)～(6)表示为

(3)层次单排序及其一致性检验，运用和法将上述各比较判断矩阵归一化后即可得到相应层次因素对于上一层次某一因素的相对重要性排序权重。依次计算各比较判断矩阵得到最大特征值λmax，一致性指标、比例分别为CI和CR。

一致性指标CI由式(7)表示为

式中n为矩阵的阶数。

当n≥3时，一致性比例CR由式(8)表示为

式中RI为平均随机一致性指标，根据CI查表所得。当n=1、2时，RI=0、1、2阶的判断矩阵具有完全一致性。

当CR＜0.1时，各比较判断矩阵的一致性通过检验，否则修正判断矩阵直到通过一致性检验为止。

(4)层次总排序及其一致性检验，计算指标层Q相对于目标层A的排序向量，并进行一致性检验。

经过上述4个步骤，最终确定的具体权重值见表4。

表4 射频电磁影响、工频电磁影响权重确定表

由表4可知，在共建站产生的射频电磁场、工频电磁场对环境的共同影响中，两者的权重分别为0.7和0.3，且满足一致性检验，表明射频电磁影响占相对主导地位。

将两个共建站的P/Pi、E/Ei的较大值按式(1)和(2)进行加权计算，结果如图5所示。

由图5(a)和(b)可知，按式(1)进行加权计算时，锦湖支线7号塔共建站的计算结果为0.029～0.052，旺兰＃1线3号塔共建站的计算结果为0.032～0.050，均＜1，满足式(1)的要求；由图5(c)和(d)可知，按式(2)进行加权计算时，锦湖支线7号塔共建站的计算结果为1.0×10-5～2.7×10-5，旺兰＃1线3号塔共建站的计算结果为1.3×10-5～2.6×10-5，均远＜1，满足式(2)的要求。此外，综合分析图5中的计算结果可知，当采用同一关系式进行加权计算时，两个共建站的计算结果相差不大，且均＜1。但是采用式(1)所得计算结果远大于采用式(2)所得的计算结果，而且较大值在共建站周围的分布情况主要与图3中基站的P/Pi较大值分布情况相似。

因此，由表4及图5的计算结果可知，在共建站产生的射频电磁场、工频电磁场对环境的共同影响中，射频电磁影响占相对主导地位。虽然输电线路与通信基站工作频率分别为50 Hz和1.8 GHz，其产生的电磁场对人体作用机理不同，但是目前国内外也尚无相应的公式或评价方法可以直接将这两个频段的影响值进行加和或叠加。文章首次尝试给工频电磁影响、射频电磁影响进行加权后分别利用已有的不同频段关系式进行加和计算，计算结果表明输电线路与通信基站共建站产生的工频电磁场、射频电磁场对周围环境的共同影响仍然满足GB 8702—2014[9]中规定的公众曝露在多个频率的电场、磁场、 电磁场中时不同频率段应满足的式(1)或(2)。

图5 两个共建站P/Pi、E/Ei的较大值按不同关系式加权计算结果分布示意图

3 结论

根据上述研究结果得出的主要结论如下:

(1)通过监测已建浦口区110 kV锦湖支线7号塔和110 kV旺兰＃1线3号塔两个共建站周围的电磁环境指标，其P/Pi较大值基本分布于基站天线的主瓣范围内，符合通信基站天线周围电磁强度分布的一般规律；E/Ei较大值主要集中在输电线路边导线下方附近。整体上，在垂直于输电线路的监测断面上，E/Ei较大值随着与输电线路距离的增加而减小，表明输电线路产生的工频电场影响随着与输电线路距离的增加而逐渐衰减。

(2)首次尝试采用层次分析法对共建站产生的射频电磁场影响、工频电磁场影响赋予不同的权重，计算结果表明共建站对周围环境电磁影响中，射频电磁影响占相对主导地位。

(3)首次尝试采用GB 8702—2014《电磁环境控制限值》中规定的不同频率段应满足的关系式分别进行加权计算。结果表明:共建站产生的射频电磁场、工频电磁场对环境的共同影响满足不同频率段的关系式要求。因此，从电磁环境影响角度分析，基站天线与110 kV交流输电线路杆塔共塔建设是可行的。