基站天線與輸電線路共建時周圍電磁環境分析

邵明馳李秋生黎麗華徐昊

(1.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京210019；2.中通服咨詢設計研究院有限公司，江蘇 南京210019)

0 引言

隨著第五代通信技術時代的來臨，通信基站覆蓋也由高大遠疏向低小近密方向發展[1]。目前對于宏基站，通信行業主要采用45 m角鋼塔或鋼管塔，其立塔成本合計為30～33萬元。由于成本較高，且面臨不確定因素多、施工難、周期長等諸多問題，因此尋求可共建共享的桿塔已成為通信行業的迫切需求。在“互聯網+”時代下，“共享”是當下經濟發展的熱點，通信基站天線與日益豐富的高壓架空送電線路桿塔(簡稱“電力塔”)的共享是有利于合作雙方的模式[2]，有助于實現資源整合、縮短建設周期、節省建設成本和節約土地資源[3]。因此，兩者共塔有利于雙方發揮各自領域的資源優勢，實現優勢互補、合作共贏，更好地服務經濟社會發展[4]。2018年7月3日，中國鐵塔股份有限公司南京分公司與國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司合作，首次建設了110 kV旺蘭1、2線3號電力單管塔共享基站，邁出了共享建設試驗研究的關鍵一步。

但是，根據以往的研究，當110 kV及以上的高壓電力系統與基站臨近時，可能會對基站產生兩方面的影響，即(1)高壓電力設備產生的高頻電磁干擾進入通信鏈路，造成通信效果降低[5]；(2)可能存在極端情況下基站桿塔倒塌影響輸電線路的風險。因此，目前110 kV以上電壓等級輸電線路設計時，從安全、電磁干擾等方面考慮，一般會避開基站。魏德軍[6]指出高壓架空輸電線路與移動通信基站間距＞50 m時，輸電線路對移動通信基站的正常工作不會產生影響。國內一般建議兩者選址時相距＞50 m。此外，高壓電力系統和基站均會產生電磁影響。電磁影響使生物系統產生的與生命現象有關的響應為電磁的生物學效應。從熱作用方式上分為熱效應和非熱效應，不同頻率的電磁影響其生物學效應不同[7]。在1 Hz～100 kHz頻率范圍的電磁源(如輸電線路)產生的生物效應主要為非熱效應；而在100 kHz～300 GHz頻率范圍的電磁源(如通信基站)產生的生物效應主要為熱效應。但輸電線路、通信基站各自產生的電磁影響均隨著與自身距離的增大而迅速衰減[8]，50 m以外大都已接近環境背景值，因此兩者相距＞50 m時基本不考慮疊加分析其各自產生的電磁影響。

基于上述原因，國家現行的GB 8702—2014《電磁環境控制限值》[9]中對不同頻段的電場、磁場、電磁場的控制限值是需要分開考慮和制定的。當通信基站天線與電力塔共塔建設時便面臨了新的環境問題，即需要綜合考慮兩者對周圍電磁環境的共同影響，而目前尚無相關研究報道。文章通過監測與分析已建的基站天線和110 kV交流輸電線路電力塔共建站(簡稱共建站)周圍的電磁環境指標，包括綜合場強、工頻電場、工頻磁場，研究共建站對周圍電磁環境的共同影響情況，根據實際測量結果分析工程實踐可行性，以期為已進入試驗階段的共建站的安全應用與環境保護提供實踐性指導。

1 共建站研究方法

1.1 共建站的選擇

研究期間，江蘇省內已建成的共建站有11座，均為110 kV交流輸電線路電力塔上的共建站。由于電磁環境指標監測值會受到共建站的工程技術參數(基站工作頻率、天線掛高、輸電線路電壓等級、導線對地高度等)和周圍環境因素的影響，因此為減小各類影響因素的干擾，盡量選擇監測范圍內地形較平坦且無高大建筑物和密集樹木及無其他電磁干擾源(如廣播電視塔、雷達、變電站、電氣化鐵路等)等容易產生電磁環境畸變物體[10]的共建站進行監測。在綜合考慮這些影響因素后，最終篩選了2個適宜監測且工程技術參數具有代表性的典型共建站作為研究分析目標，即位于南京市浦口區的110 kV錦湖支線7號塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號塔共建站。

1.2 監測方法及布點

(1)監測方法

監測參考HJ 972—2018《移動通信基站電磁輻射環境監測方法》[11]和HJ681—2013《交流輸變電工程電磁環境監測方法(試行)》[12]規定的方法進行布點，并結合現場實際情況進行調整。

(2)監測布點

共建站周圍電磁環境監測:以共建站桿塔為中心，以輸電線路為對稱軸，在邊長為100 m×100 m正方形區域內劃分網格，每個網格大小為10 m×10 m。每個網格的監測點位一般布設于網格中心，受地形影響部分網格點的監測位置可稍作調整。監測布點示意如圖1所示。

110 kV錦湖支線7號塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號塔共建站周圍環境狀況及具體布點情況如圖2所示。

圖1 電磁環境監測布點示意圖

圖2 兩個共建站周圍環境狀況及電磁環境監測布點示意圖

1.3 監測時間及環境條件

110 kV錦湖支線7號塔共建站監測時間為2019年7月19日09∶30—17∶00，晴轉多云，氣溫31～33℃，相對濕度為55%～61%。周圍環境以城市道路、廠區空地、行道樹、草坪為主。

110 kV旺蘭＃1線3號塔共建站監測時間為2019年8月7日09∶30—17∶00，晴，氣溫31～35℃，相對濕度為42%～45%。周圍環境以城市道路、荒地、行道樹、苗木和草叢為主。

1.4 監測設備及監測的共建站概況

監測使用的設備名稱、型號、編號等信息見表1。

監測的錦湖支線7號塔共建站和旺蘭＃1線3號塔共建站的基本情況見表2。

表1 監測設備信息表

表2 監測的兩個共建站基本情況表

2 共建站監測結果與分析

2.1 監測結果統計與分布情況分析

將共建站正常運行時的綜合場強監測值標記為P，工頻電場監測值標記為E，工頻磁感應場監測值標記為B，其對應的公眾曝露控制限值分別標記為Pi、Ei、Bi。以監 測 值 占 控 制 限 值 的 比 例(P/Pi、E/Ei、B/Bi)作為共建站建設后電磁環境變化的分析指標，用來表示綜合場強、工頻電場、工頻磁感應場的環境影響程度。110 kV錦湖支線7號塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號塔共建站周圍各項監測值統計結果見表3。

由表3可知，兩個共建站工頻磁感應場的B/Bi值非常小，監測值占其相應控制限值的比例最大分別僅為0.09%和0.39%。因此，為簡化分析，研究僅分析P/Pi、E/Ei的較大值對共建站周圍電磁環境的共同影響。將監測數據由大至小排序，選取在100個網格點中排序前20%的數據為較大值，即每個共建站分別選取20個較大的監測值來分析。兩個共建站的P/Pi、E/Ei的較大值分布情況如圖3和4所示。

表3 監測結果統計表

圖3 兩個共建站P/Pi較大值分布示意圖

圖4 兩個共建站E/Ei較大值分布示意圖

由圖3可知，錦湖支線7號塔共建站的P/Pi較大值(3.75%～5.62%)、旺蘭＃1線3號塔共建站的P/Pi較大值(4.33%～5.58%)基本分布于各個基站天線的主瓣范圍內。其中，錦湖支線7號塔共建站的P/Pi最大值5.62%出現在距基站天線45 m附近，旺蘭＃1線3號塔共建站的P/Pi最大值5.58%出現在距基站天線15 m附近，符合通信基站天線周圍電磁強度分布的一般規律。

由圖4可知，旺蘭＃1線3號塔共建站的E/Ei較大值(1.09%～3.89%)大致對稱分布于輸電線路兩側25 m范圍內，并主要集中在邊導線下方附近。而錦湖支線7號塔共建站由于受東北側地形影響不能布點監測，因此無法得出其E/Ei較大值(1.28%～5.84%)的整體分布規律，但僅從西側的局部分布情況也能看出E/Ei較大值主要集中在邊導線下方附近。整體上，在垂直于輸電線路的監測斷面上，E/Ei較大值隨著與輸電線路距離的增加而減小，表明輸電線路產生的工頻電場影響隨著與輸電線路距離的增加而逐漸衰減。

2.2 賦權及計算結果分析

根據GB 8702—2014[9]中的規定，公眾曝露在多個頻率的電場、磁場、電磁場中時，應綜合考慮多個頻率的曝露影響，不同頻率段應滿足不同的關系式[9]。

頻率在1 Hz～100 kHz與0.1 MHz～300 GHz之間，關系式分別由式(1)和(2)[9]表示為

式中Ei為頻率i的電場強度，V/m；EL，i為頻率i的電場強度限值，V/m；Ej為頻率j的電場強度，V/m；EL，j為頻率j的電場強度限值，V/m。

研究的輸電線路與通信基站共建站工作頻率分別處于50 Hz和1.8 GHz頻段，不能直接使用關系式進行分析評價。目前國內外也尚無相應的關系式或評價方法可以直接將上述兩個頻段的影響值進行加和或疊加。因此，文章首次嘗試給工頻電磁影響、射頻電磁影響進行加權后，分別采用關系式(1)和(2)計算，對比分析兩種計算結果，綜合評價共建站產生的工頻電磁場、射頻電磁場對環境的共同影響，并判斷兩者在共同影響中的地位。

電磁輻射是否對人體有害主要取決于電磁輻射頻率高低和功率大小兩個因素。只有當這兩個因素超過一定的允許值而造成輻射污染時，才有可能會對人體帶來負面影響[13]。電磁輻射可按其波長、頻率排列成若干頻率段，形成電磁波譜。頻率越高，其輻射的量子能量越大，其生物學作用就越強[14]。通信基站工作頻率較高，其產生的電磁輻射作用于人體后，而另一部分被反射，一部分被吸收。被吸收的電磁波能量達到一定強度時會使人體發熱，超過一定限度人體就會出現高溫生理反應，從而有害于人的健康，即為電磁波的熱效應[15]；110 kV交流輸電線路工作頻率是典型的極低頻，其電磁場產生生物學效應的關鍵是在人體內產生的感應電場[13]，而此類感應電場小于某一數值時人體組織不易顯示出熱效應，只會造成一些非熱效應。

此外，在參考現有大量通信基站、110 kV交流輸電線路正常運行功率情況下，以及兩個共建站監測結果可知，基站的綜合場強值占GB 8702—2014[9]中規定的控制限值比例整體上要高于輸電線路的，說明在各自正常工作功率下，基站對周圍電磁環境的影響程度稍高于輸電線路的影響程度。

因此，采用《現代咨詢方法與務實》[16]中的層次分析法確定共建站產生的工頻電磁場、射頻電磁場在對環境共同影響中的權重及地位。其具體步驟為

(1)建立層次結構模型，以在共同環境影響中的地位作為目標層A，工作頻率與生物效應B1、工作功率B2、監測值占控制限值比例B3等3個方面作為準則層B，射頻電磁影響、工頻電磁影響作為指標層Q。

(2)構造比較判別矩陣，由專家根據其知識、經驗和判斷，使用兩兩比較的方法確定各層不同因素相對于上一層各因素的重要性權數，權數取正整數1～9(成為標度)及其倒數。最終構建的準則層對目標層比較判別矩陣A—B由式(3)表示為

構建的指標層對準則層比較判別矩陣B1—Q、B2—Q、B3—Q分別由式(4)～(6)表示為

(3)層次單排序及其一致性檢驗，運用和法將上述各比較判斷矩陣歸一化后即可得到相應層次因素對于上一層次某一因素的相對重要性排序權重。依次計算各比較判斷矩陣得到最大特征值λmax，一致性指標、比例分別為CI和CR。

一致性指標CI由式(7)表示為

式中n為矩陣的階數。

當n≥3時，一致性比例CR由式(8)表示為

式中RI為平均隨機一致性指標，根據CI查表所得。當n=1、2時，RI=0、1、2階的判斷矩陣具有完全一致性。

當CR＜0.1時，各比較判斷矩陣的一致性通過檢驗，否則修正判斷矩陣直到通過一致性檢驗為止。

(4)層次總排序及其一致性檢驗，計算指標層Q相對于目標層A的排序向量，并進行一致性檢驗。

經過上述4個步驟，最終確定的具體權重值見表4。

表4 射頻電磁影響、工頻電磁影響權重確定表

由表4可知，在共建站產生的射頻電磁場、工頻電磁場對環境的共同影響中，兩者的權重分別為0.7和0.3，且滿足一致性檢驗，表明射頻電磁影響占相對主導地位。

將兩個共建站的P/Pi、E/Ei的較大值按式(1)和(2)進行加權計算，結果如圖5所示。

由圖5(a)和(b)可知，按式(1)進行加權計算時，錦湖支線7號塔共建站的計算結果為0.029～0.052，旺蘭＃1線3號塔共建站的計算結果為0.032～0.050，均＜1，滿足式(1)的要求；由圖5(c)和(d)可知，按式(2)進行加權計算時，錦湖支線7號塔共建站的計算結果為1.0×10-5～2.7×10-5，旺蘭＃1線3號塔共建站的計算結果為1.3×10-5～2.6×10-5，均遠＜1，滿足式(2)的要求。此外，綜合分析圖5中的計算結果可知，當采用同一關系式進行加權計算時，兩個共建站的計算結果相差不大，且均＜1。但是采用式(1)所得計算結果遠大于采用式(2)所得的計算結果，而且較大值在共建站周圍的分布情況主要與圖3中基站的P/Pi較大值分布情況相似。

因此，由表4及圖5的計算結果可知，在共建站產生的射頻電磁場、工頻電磁場對環境的共同影響中，射頻電磁影響占相對主導地位。雖然輸電線路與通信基站工作頻率分別為50 Hz和1.8 GHz，其產生的電磁場對人體作用機理不同，但是目前國內外也尚無相應的公式或評價方法可以直接將這兩個頻段的影響值進行加和或疊加。文章首次嘗試給工頻電磁影響、射頻電磁影響進行加權后分別利用已有的不同頻段關系式進行加和計算，計算結果表明輸電線路與通信基站共建站產生的工頻電磁場、射頻電磁場對周圍環境的共同影響仍然滿足GB 8702—2014[9]中規定的公眾曝露在多個頻率的電場、磁場、 電磁場中時不同頻率段應滿足的式(1)或(2)。

圖5 兩個共建站P/Pi、E/Ei的較大值按不同關系式加權計算結果分布示意圖

3 結論

根據上述研究結果得出的主要結論如下:

(1)通過監測已建浦口區110 kV錦湖支線7號塔和110 kV旺蘭＃1線3號塔兩個共建站周圍的電磁環境指標，其P/Pi較大值基本分布于基站天線的主瓣范圍內，符合通信基站天線周圍電磁強度分布的一般規律；E/Ei較大值主要集中在輸電線路邊導線下方附近。整體上，在垂直于輸電線路的監測斷面上，E/Ei較大值隨著與輸電線路距離的增加而減小，表明輸電線路產生的工頻電場影響隨著與輸電線路距離的增加而逐漸衰減。

(2)首次嘗試采用層次分析法對共建站產生的射頻電磁場影響、工頻電磁場影響賦予不同的權重，計算結果表明共建站對周圍環境電磁影響中，射頻電磁影響占相對主導地位。

(3)首次嘗試采用GB 8702—2014《電磁環境控制限值》中規定的不同頻率段應滿足的關系式分別進行加權計算。結果表明:共建站產生的射頻電磁場、工頻電磁場對環境的共同影響滿足不同頻率段的關系式要求。因此，從電磁環境影響角度分析，基站天線與110 kV交流輸電線路桿塔共塔建設是可行的。