城市高壓交流輸電線路對電磁環境的影響研究

第一作者簡介：陳斌（1990-），男，碩士，工程師。研究方向為電網工程建設管理與創新。

*通信作者：張祺（1994-），男，博士。研究方向為環境影響評價。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.16.026

摘" 要：電磁環境承載無線電通信、廣播和觀測等業務，支撐移動互聯網、物聯網、衛星電視和射電望遠鏡等新型基礎設施，保護電磁環境成為交流輸變電系統設計運行的關鍵。該研究選取城市常見的架空220 kV交流輸電線路為研究對象，測量某線路附近地面及居民樓內電場和磁場強度，分析電磁干擾的來源、產生機理、頻域特征和空間衰減過程，比照城市常見無線電業務的頻段和調制方式，得到典型工況下輸電線路對無線電信號信噪比的影響規律，提出輸電系統影響下，電磁環境保護和通信增益措施。

關鍵詞：電磁環境；輸變電；環境影響評價；無線電業務；交流輸電線路；電磁輻射

中圖分類號：TM75" " " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）16-0112-04

Abstract： Electromagnetic environment carries radio communication， broadcasting and observation services， and supports new infrastructure such as mobile Internet， Internet of things， satellite television， radio telescope and so on. The protection of electromagnetic environment has become the key to the design and operation of AC power transmission and transformation system. In this study， 220 kV AC transmission lines commonly used in cities are selected as the research object to measure the intensity of electric and magnetic fields on the ground and in residential buildings near a certain line. The source， mechanism， frequency domain characteristics and spatial attenuation process of electromagnetic interference are analyzed. According to the signal strength and frequency band of the business， the influence law of the transmission line on the signal-to-noise ratio of the radio signal under typical working conditions is obtained， and the electromagnetic environment protection and communication gain measures under the influence of the transmission system are proposed.

Keywords： electromagnetic environment; power transmission and transformation; environmental impact assessment; radio service; AC transmission line; electromagnetic radiation

居民用電量連年攀升，2022年城鄉居民生活用電量13 366億千瓦時，同比增長13.8%，城市高壓輸電線路容量隨之擴大，電壓等級升高，回路數量增加，電磁環境影響加劇；同時，線路周圍用地更加緊張，建成許多居民區和學校。這2方面因素加劇了輸電線路電磁環境影響與群眾利用電磁環境進行無線通信的矛盾，輸電線路對無線電信號的影響規律和減緩措施成為亟待解決的技術問題。

現有研究較好地解決了輸電線路電磁干擾的產生機理，明確了干擾來源，且針對不同工程類型建立了電磁環境評價和管理體系并廣泛應用。輸電線路電暈和火花放電輻射等有源干擾[1-5]、塔架等金屬結構產生的屏蔽效應和多徑效應等無源干擾[6-7]是影響無線信號的主要原因，工頻電磁輻射與無線電頻率相差很大，一般不會產生干擾，但其產生的感應電流卻可能損壞天線[8]。為了有效管理電磁環境，針對電磁環境敏感目標，提出了保護距離標準[9-14]，并將國土空間劃分出環境電磁功能區[15]，確保電磁環境得到有效利用；針對工程建設，建立了電磁環境影響評價制度[16-17]，確保工程的電磁環境影響達到所在電磁環境功能區的保護要求，保護敏感目標不受電磁污染；針對具體設施，建立了電磁輻射技術標準體系[18]。這些標準規范體系，在高壓（1～330 kV）[19-21]、超高壓（330～1 000 kV）[22-24]、特高壓（1 000 kV以上）[25-26]等不同電壓等級、回路數量[27]、塔型[28]的交流輸電系統于好天氣、風沙、覆冰等不同環境下[29-33]的電磁輻射情況均有具體工程的應用研究。

在城市高壓配電網優化重構[34-35]的需求引領下，110/220 kV高壓輸電線路深入城市中心，節約了送電通道空間，降低了供電線損，但同時也加劇了電磁環境影響與保護的矛盾。110/220 kV高壓輸電線路構成的城市高壓配電網，建設環境比超高壓、特高壓等長距離輸電線路更敏感，電磁輻射影響卻比35 kV等較低電壓的輸電線路大，110/220 kV高壓輸電線路采用地下敷設[36]或地面絕緣氣體敷設[37]等形式的成本也較高，因而仍然大量采用電磁環境影響大的架空線纜形式，成為電磁環境保護的焦點。

本研究選取既有220 kV架空輸電線路新建住宅樓和學校為案例，測量電場強度和磁場強度，研究輸電線路下方地面附近和居民樓內部的電磁場強度分布規律及其對無線通信的潛在影響，提出輸電線路運行維保建議和無線電通信增益措施。

1" 研究方法

使用便攜式電磁輻射儀，實地測量某架空220 kV交流輸電線路附近地面及居民樓內電場和磁場強度，根據類似項目電磁頻譜，換算出本工程的電磁強度頻譜，比照調幅廣播（AM）、調頻廣播（FM）、數字視頻廣播（DVB）、業余無線電（HAM）、無線網絡（Wi-Fi）和5G移動通信的頻譜范圍，得到交流輸電線路影響下無線電信號信噪比的分布規律。

電磁輻射儀使用DELIXI DLY-1701型，可同時測量電場強度和磁場強度，儀器由制造商送檢，北京市計量檢測科學研究院校準，儀器參數見表1。每次測量在監測點停留，待讀數穩定后30 s記錄，儀器高度距離地面1.5 m。

表1" 電磁輻射儀主要技術參數

研究區位于南方某市，人口密度較大，城市化水平高，電磁空間利用率高，頻譜資源緊缺，架空交流輸電線路對電磁環境的影響不容忽視。架空線路與地物的分布如圖1所示。地面監測點位于架空線路正下方塔架兩側1 m和塔架之間的中點，道路邊緣、居民區靠近線路的邊界約100 m布置一個測點。具備觀測條件的區域，測量電場強度和磁場強度約等于檢出限的點位置，以此確定電磁輻射影響區范圍。選取監測點時避開明顯的電氣設備等其他干擾源。

居民樓陽臺測量前切斷居民入戶電源，避免干擾，每隔20 cm布置測點，電磁強度變化大的位置加密測點。

圖1" 研究區架空高壓交流線路與地物平面圖

2" 結果和討論

測量時間為2023年5月27日日間，天氣多云，南風3～4級，地面溫度33.9 ℃，濕度79%，氣壓101 kPa。地面各測點的電場和磁場強度見表2，水平投影距離指的是測點到塔尖中心線距離的水平投影長度。

表2" 某220 kV架空線地面電場和磁場強度

可見，電場和磁場強度的離散程度較大，這是由于高壓輸電線路的電場強度主要由工頻輻射貢獻，而工頻輻射容易被地面、金屬構筑物等導體吸收，因部分測點受到塔桿、路邊護欄等的影響，強度明顯下降。剔除離群點后，電場隨距離增加而降低的趨勢很明顯。實測的最大電場強度為468 V/m，遠低于公眾暴露控制限值8 000 V/m；最大磁場強度為3.09 μT，遠低于50 Hz的公眾暴露控制限值16 μT。

電場強度、磁場強度隨水平距離的變化情況如圖2所示。

圖2" 電場強度和磁場強度隨水平距離的變化規律

電磁場強度易受地面物體吸收，因而實測的最大值相比平均值更有統計意義，針對實測的電場強度和磁場強度繪制外包線，由圖2可知，外包線均符合反比例函數，220 kV架空交流輸電線路地面電場強度的外包線為

E（x）=■，

式中：E為電場強度，V/m；x為至導線中心線垂直投影的距離，m。曲線與y軸的交點即為可能產生的最大電場，在本文的研究案例中，為833 V/m。

220 kV架空交流輸電線路地面磁場強度的外包線為

B（x）=■

式中：B為磁場強度，μT；x為至導線中心線垂直投影的距離，m。曲線與y軸的交點即為可能產生的最大磁場，在本文的研究案例中，為4.5 μT。

居民樓的高層住戶距離高壓輸電線路更近，特別是垂直高度接近，這種情況超出了輸電線路選址、設計時的預期，建設期的環境影響評價和建成后的日常電磁監測也未考慮這種工況。輸電線路對居民樓內部的電磁環境影響成為受到廣泛關注的技術問題。本案例中，居民樓南側正對輸電線路，選取距離輸電線路較近的居民樓陽臺進行測量，測點距離輸電線路最下層的垂直距離約10 m，檐口到輸電線路的水平距離約20 m。墻壁對電場的遮蔽效應非常明顯，窗口外側電場強度急劇升高，而窗口內側即便是沒有墻壁遮擋的區域電場強度也非常低，而到了陽臺內側，靠近陽臺門的位置，電場強度低于檢出限。

架空線路電磁輻射對無線電業務的影響，需要結合無線電使用的頻譜范圍和調制解調方式進行分析，常見無線電業務的概況見表3。

調頻和調幅分別利用電磁波的頻率變化和振幅變化傳遞信號，目前絕大多數（音頻）廣播業務都使用模擬信號，數字信號（音頻）廣播處于試點階段，而視頻廣播傳遞的數據量大，所需帶寬高，因而在發展期普及了數字信號，衛星信號使用四相相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying， QPSK）調制、地面站信號使用正交頻分復用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM），智能家居等物聯網設備常用的ZigBee協議也采用類似調制方式。Wi-Fi和移動通信使用的正交幅度調制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是將信號加載到2個正交的載波上（通常是正弦和余弦），通過對這2個載波幅度調整并疊加，最終得到相位和幅度都調制過的信號。而業余無線電業務只是限定頻段，這些頻段上使用的調制方式由用戶自行確定。

表3" 無線電業務使用的頻譜范圍、調制方式

電磁輻射對這些業務的影響方式也不同，對于模擬信號，主要干擾效果是失真，對于數字信號，主要干擾效果是誤碼，傳輸過程中的誤碼可由上層協議修正或重傳，誤碼達到閾值則通信中斷。

根據電磁場測量結果，建筑外墻很好地屏蔽了室外輸電線路的電磁輻射，因而發射端和接收端均位于室內的無線通信如Wi-Fi無線網絡、ZigBee智能家居、藍牙無線網絡幾乎不會受到輸電線路影響，進而輸電線路電磁輻射也會不在室內的有線線路上產生感應電動勢，對同軸電纜、雙絞線、音頻模擬信號線沒有干擾。但發射端和接收端分別處于室內和室外的通信情況受到多種因素影響，輸電線路電磁輻射對模擬信號的質量影響較大，對調幅廣播的影響最為直接，可在電力設施保護區（本案例為線路外側15 m）外背對輸電線路設置室外天線；業余無線電業務如對講機（手臺），因發射功率較小且普遍使用模擬信號，也易受到輸電線路干擾，可在電力設施保護區外設置中繼臺增強通信質量，也可換用數字手臺，在功率滿足法規的情況下，抗干擾能力和通信范圍相比模擬手臺有較大提升；市區調頻廣播電臺的發射功率較大，輸電線路影響的可感知性不高。輸電線路電磁輻射對數字信號的影響較小，但疊加通信線路無源干擾和建筑物外墻遮蔽等因素后，5G移動通信使用的高頻高碼率無線信號在室內使用效果可能下降，應考慮布置5G室內天線、微站增強室內通信質量。

3" 結論

220 kV架空輸電線路電場強度易受導體遮蔽和吸收，地面空曠處電場和附近居民樓外墻外側較高。線路正下方高達400 V/m，水平距離20 m處高達169 V/m，磁場強度受金屬遮蔽物的影響較小，線路正下方高達3 μT，均符合國家標準中的限值。

220 kV架空輸電線路電磁輻射對附近居民樓的室內的無線通信幾乎沒有影響，對室內室外之間的無線通信影響情況不一。對調頻廣播、數字視頻廣播、5G移動通信的影響較小，但對調幅廣播和業余無線電影響較大，特別是發射端和接收端位于線路兩側時，無源干擾和有源干擾疊加，影響最大；建筑物外的電場強度和磁場強度較大，天線避免布置在屋頂、外墻，可布設在室內。

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