500 kV輸電線路鐵塔電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)天線設(shè)備影響研究

王 楠，柏曉路，張 龍，來(lái) 瑞，夏永濤

（1.中國(guó)電建集團(tuán)貴州電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071）

0 引言

堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境，加快建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)，推進(jìn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展。探索電力行業(yè)和通信行業(yè)之間的資源整合共享，將成為落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的具體體現(xiàn)和重要途徑[1]。

繼2018年4月底，國(guó)家電網(wǎng)公司、南方電網(wǎng)公司分別和中國(guó)鐵塔公司簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議后，部分公司在電力塔桿上將通信基站、光纜、移動(dòng)天線等通信設(shè)施加裝在輸電線路桿塔上，形成“共享鐵塔”，使得電力廊道資源獲得綜合利用，一塔多用可以極大節(jié)約土地資源，避免重復(fù)建設(shè)和投資，充分體現(xiàn)了節(jié)能理念。

超高壓輸電線路的高電場(chǎng)對(duì)共享鐵塔技術(shù)方案影響較大，而國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究較少，因此有必要開(kāi)展共享鐵塔電磁效應(yīng)對(duì)天線設(shè)備影響研究[2-6]。

1 基站電場(chǎng)輻射標(biāo)準(zhǔn)

GB 8702——2014《電磁環(huán)境控制限值》規(guī)定了公眾暴露控制限值，限定了不同頻率范圍內(nèi)的電場(chǎng)強(qiáng)度限值。

根據(jù)《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則—電磁輻射環(huán)境影響評(píng)價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》，公眾受到的輻射是多種來(lái)源的輻射，因此要求各個(gè)工程的輻射程度不能超過(guò)總限值的幾分之一[7]。對(duì)于無(wú)線通信工作頻率，國(guó)家環(huán)保局審批的工程輻射限值可以取到限值的即8.5 V/m，其他項(xiàng)目可取，即5.4 V/m。

表1 公眾暴露控制限值

國(guó)際上大多機(jī)構(gòu)采用ICNIRP《電磁場(chǎng)安全限值導(dǎo)則》作為限值標(biāo)準(zhǔn)，也有部分國(guó)家制定了本國(guó)的輻射標(biāo)準(zhǔn)，如表2所示。

表2 ICNIRP電磁場(chǎng)安全限值

根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)—功率密度換算公式[7]：

計(jì)算可知，ICNIRP在1.8 GHz頻段的輻射限值是58.25 V/m，相比而言，我國(guó)的輻射標(biāo)準(zhǔn)要比國(guó)際上嚴(yán)格得多。

2 輸電線路電場(chǎng)效應(yīng)對(duì)天線設(shè)備影響

對(duì)于電場(chǎng)強(qiáng)度，地面可視為良導(dǎo)體。設(shè)輸電線可視為平行于地面的無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線，根據(jù)輸電線路對(duì)地的電位，來(lái)計(jì)算單位長(zhǎng)度導(dǎo)線上的等效電荷，由于導(dǎo)線半徑r遠(yuǎn)小于架空線的高度h，因此等效電荷的位置可認(rèn)為在導(dǎo)線幾何中心。采用等效電荷法對(duì)輸電線路場(chǎng)強(qiáng)進(jìn)行計(jì)算分析。

2.1 計(jì)算方法

輸電線路電場(chǎng)計(jì)算一般采用等效電荷法，該方法適用于不同布置方式的單、雙回輸電線路。對(duì)輸電線路導(dǎo)線和處于地電位的地線，都予以考慮，在計(jì)算中將分裂導(dǎo)線等效為等值單導(dǎo)線考慮。

根據(jù)鏡像法，計(jì)算輸電線路的等效電荷。為了計(jì)算多導(dǎo)線的等效電荷，列出矩陣方程如下：

式中：U為導(dǎo)線對(duì)地電壓的單位列陣；Q為導(dǎo)線上等效電荷的單位列陣：λ為導(dǎo)線的電位系數(shù)組成的m階方陣。

Eρvi，EρHi—分別為垂直和水平地面的分量；

Qi，-Qi—分別為i導(dǎo)線及鏡像上單位長(zhǎng)度的電荷；

x，y—ρ點(diǎn)的平面目標(biāo)；

xi—i導(dǎo)線的x坐標(biāo)值，m；

Hi—i導(dǎo)線的對(duì)地高度，m。

對(duì)于n相導(dǎo)線在空間ρ點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)，采用疊加原理則得：

求解出Qi值后即可計(jì)算ρ點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)Eρ。

2.2 計(jì)算參數(shù)

分別對(duì)單、雙回路500 kV輸電線路上不同位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，鐵塔尺寸選取標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)5D1X2和5D2X2的2型直線塔和1型耐張塔。

2.3 天線安裝在塔頭段或塔身時(shí)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算

天線設(shè)備安裝在500 kV單回路鐵塔的塔頭段或塔身時(shí)，鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖1、圖2所示。

圖1 5D1X2-ZM2鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

圖2 5D1X2-J1鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

由上圖可知，場(chǎng)強(qiáng)與輸電線路電壓有很大關(guān)系，電壓越高場(chǎng)強(qiáng)越大；同時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著垂直距離的增大而減小、且減小速率逐漸減小；場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的水平距離有關(guān)，兩者之間水平距離越大則場(chǎng)強(qiáng)越小。

天線設(shè)備安裝在500 kV雙回路鐵塔的塔頭段或塔身時(shí)，鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖3、圖4所示。

圖3 5D2X2-Z2鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

圖4 5D2X2-J1鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

由上圖可知，場(chǎng)強(qiáng)與輸電線路電壓有很大關(guān)系，電壓越高場(chǎng)強(qiáng)越大；同時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著垂直距離的增大而減小、且減小速率逐漸減小；場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的水平距離有關(guān)，隨著兩者間水平距離的增大，場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，最大值大約出現(xiàn)在邊導(dǎo)線正下方。

2.4 天線設(shè)備安裝在塔頂時(shí)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算情況

天線設(shè)備安裝在500 kV單回路鐵塔的塔頂時(shí)，鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖5、圖6所示。

圖5 5D1X2-ZM2鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

圖6 5D1X2-J1鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

由圖5、圖6圖可知，場(chǎng)強(qiáng)與輸電線路電壓有很大關(guān)系，電壓越高場(chǎng)強(qiáng)越大；同時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著垂直距離的增大而減小、且減小速率逐漸減小；場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的水平距離有關(guān)，兩者之間水平距離越大則場(chǎng)強(qiáng)越小。

天線設(shè)備安裝在500 kV雙回路鐵塔的塔頂時(shí)，鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)見(jiàn)圖7、圖8所示。

圖7 5D2X2-Z2鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

圖8 5D2X2-J1鐵塔上天線設(shè)備處場(chǎng)強(qiáng)

由上圖可知，場(chǎng)強(qiáng)與輸電線路電壓有很大關(guān)系，電壓越高場(chǎng)強(qiáng)越大；同時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著垂直距離的增大而減小、且減小速率逐漸減小；場(chǎng)強(qiáng)還與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的水平距離有關(guān)，隨著兩者間水平距離的增大，場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，最大值大約出現(xiàn)在邊導(dǎo)線正下方。

3 結(jié)論

超高壓輸電線路的電場(chǎng)頻段遠(yuǎn)離了GSM通信的工作頻段，不會(huì)對(duì)GSM基站造成影響。

天線設(shè)備安裝在500 kV單、雙回路鐵塔的塔頭段、塔身或塔頂時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線間垂直距離有關(guān)，場(chǎng)強(qiáng)隨著垂直距離增大而減小、且減小速率逐漸減小；場(chǎng)強(qiáng)與天線設(shè)備和輸電線路導(dǎo)線之間的水平距離有關(guān)，設(shè)備安裝在單回路上時(shí)，水平距離越大則場(chǎng)強(qiáng)越小，設(shè)備安裝在雙回路上時(shí)，隨水平距離的增大，場(chǎng)強(qiáng)呈現(xiàn)先增后減的變化趨勢(shì)，最大值大約出現(xiàn)在邊導(dǎo)線正下方。

天線設(shè)備安裝在500 kV單、雙回路鐵塔的塔頭段、塔身或塔頂時(shí)，場(chǎng)強(qiáng)與鐵塔呼高之間的關(guān)系不大。

通信設(shè)備及天線安裝在輸電線路塔頭段或塔身時(shí)，設(shè)備及天線與500 kV輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離建議不小于13 m；通信設(shè)備及天線安裝在輸電線路塔頂時(shí)，設(shè)備及天線與500 kV輸電線路導(dǎo)線之間的垂直距離建議不小于6 m。