小型電視塔電磁環(huán)境影響特征分析

貝新宇，吳少旭，張曉東

（核工業(yè)北京地質(zhì)研究院，北京 100029）

電視發(fā)射塔關(guān)系到人民群眾日常精神文化生活，是每個(gè)城市不可缺少的建設(shè)項(xiàng)目[1]。為提高信號質(zhì)量及信號覆蓋度，電視發(fā)射塔大多建在人口相對稠密的城市中心區(qū)域，隨著人民群眾環(huán)保意識逐步增強(qiáng)，電視發(fā)射塔產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響日益成為公眾關(guān)注焦點(diǎn)。

我國比較著名的電視塔有北京中央廣播電視塔、 上海東方明珠塔和天津天塔。 根據(jù)對上述電視發(fā)射塔的電磁環(huán)境驗(yàn)收監(jiān)測數(shù)據(jù)，雖然建在人口稠密區(qū)且發(fā)射功率較大，但由于塔高較高，周圍地面和高層建筑物均在電視發(fā)射塔電磁波的弱副瓣區(qū)域，沒有超過標(biāo)準(zhǔn)限值[2-3]。

相對于著名大型電視發(fā)射塔，小型電視發(fā)射塔分布更為廣泛，高度相對較低，潛在影響人群更多。 本研究聚焦某縣級電視發(fā)射塔，在系統(tǒng)分析工作原理基礎(chǔ)上預(yù)測可能產(chǎn)生的電磁環(huán)境影響。 通過理論分析及現(xiàn)場實(shí)測，明確電場強(qiáng)度分布特征，提出針對性防護(hù)措施及建議，為同類工作開展提供重要經(jīng)驗(yàn)反饋。

1 電視塔工作原理及電磁環(huán)境影響因素

1.1 基本情況

電視塔的核心部分為電視發(fā)射機(jī)。 電視發(fā)射機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要由激勵(lì)器、 功率分配器、 功率放大模塊、 功率合成器、 控制系統(tǒng)、 濾波器、 冷卻系統(tǒng)和天線系統(tǒng)8 個(gè)部分組成。

進(jìn)行研究的電視塔位于小區(qū)公園內(nèi)，發(fā)射機(jī)天線架設(shè)在已廢棄的涼水塔上共同組成電視塔，主要參數(shù)見表1。 天線相對地面高度33 m，四周無大型電磁輻射設(shè)備。 電視塔東側(cè)為住宅區(qū)，共10 棟2 層住宅樓，樓高10 m，每棟住宅樓有30 戶，電視塔與最近建筑物水平距離為50 m；南、 西、 北側(cè)為小區(qū)公園。

表1 電視塔主要設(shè)備參數(shù)Table 1 Main equipment parameters of TV tower

1.2 工作原理

信號源送來的視音頻信號送到電視激勵(lì)器形成合成射頻信號。 發(fā)射機(jī)采用雙激勵(lì)器配置，通過附加器進(jìn)行雙激勵(lì)器的自動切換，并將激勵(lì)器輸出信號分配成兩路，分別送到兩個(gè)功放柜。 功率分配器將激勵(lì)器來的高頻信號分成多路送到功放單元中。 高頻信號經(jīng)功放單元放大后，采用功率合成技術(shù)輸出射頻功率。 然后功放柜的高頻信號合成為一路。最后經(jīng)濾波器、 定向耦合器輸出至天線系統(tǒng)。工作原理如圖1 所示。

圖1 電視發(fā)射機(jī)工作原理示意圖Fig. 1 Schematic diagram of working principle of TV transmitter

1.3 電磁環(huán)境影響因素

由前文電視塔工作原理可知，電視發(fā)射機(jī)主要由室外和室內(nèi)兩部分組成。

室內(nèi)部分包括激勵(lì)器、 功率分配器、 功率放大模塊、 功率合成器、 控制系統(tǒng)、 濾波器及冷卻系統(tǒng)等設(shè)備。 在設(shè)計(jì)制造這些設(shè)備時(shí)已采取了較好屏蔽措施，一般不會對周圍電磁環(huán)境產(chǎn)生較大影響。 室外部分包括饋線、收發(fā)天線。 發(fā)射機(jī)運(yùn)行時(shí)，發(fā)射天線向周圍發(fā)射電磁波，使周圍環(huán)境電磁場強(qiáng)度增高。因此電視塔運(yùn)行時(shí)主要電磁影響因素為電視發(fā)射機(jī)工作引起周圍場強(qiáng)增高，電磁環(huán)境影響評價(jià)因子為射頻電場強(qiáng)度、 功率密度。

2 電磁場強(qiáng)分布及環(huán)境影響特征

2.1 評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù) 《電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)方法和標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 10.3—1996）[4]，單個(gè)項(xiàng)目的影響必須限制在 《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）[5]中規(guī)定限值（表 2）的若干分之一。 進(jìn)行環(huán)境影響評價(jià)時(shí)，取場強(qiáng)限值的1/或功率密度限值的1/5 作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。 即電場強(qiáng)度限值為 5.4 V·m-1，功率密度限值為 0.08 W·m-2。

2.2 理論計(jì)算

電磁發(fā)射體周邊的電磁場根據(jù)分布規(guī)律分為遠(yuǎn)場和近場，一般以發(fā)射體為中心，半徑3 倍波長范圍內(nèi)稱為近場 （也稱感應(yīng)場），半徑3 倍波長范圍稱為遠(yuǎn)場 （也稱輻射場）。雖然近場電磁場強(qiáng)度大于遠(yuǎn)場，但一般電視塔的近場范圍相對較小，以研究對象為例，近場范圍約5 m。 因此研究分析電視塔電磁場環(huán)境影響一般以范圍較大、 環(huán)境敏感目標(biāo)較多的遠(yuǎn)場為主。

根據(jù) 《電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 10.3—1996）中推薦的計(jì)算模式，計(jì)算參數(shù)見表1，計(jì)算結(jié)果見表3。

遠(yuǎn)場軸向功率密度為：

式中：P—發(fā)射機(jī)平均功率，W；G—天線增益減去饋線等損耗 （倍數(shù)）；r—天線與預(yù)測點(diǎn)之間的距離，m。

遠(yuǎn)場軸向電場強(qiáng)度為：

式中：η0—自由空間波阻抗，為 376.7 Ω。

由表3 可見，與發(fā)射天線軸向距離20 m處即可滿足電磁環(huán)境影響評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值要求，而最近的環(huán)境保護(hù)目標(biāo)與電視塔距離為50 m。由于理論計(jì)算未考慮電磁波的反射、 繞射、透射，且本電視塔周邊建構(gòu)筑物分布復(fù)雜，環(huán)境敏感目標(biāo)眾多，需開展實(shí)地測量以進(jìn)一步分析電磁環(huán)境影響特征。

2.3 現(xiàn)場測量

按照 《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射監(jiān)測儀器和方法》（HJ 10.2—1996）[6]、 《輻射環(huán)境保護(hù)管理導(dǎo)則-電磁輻射環(huán)境影響評價(jià)方法與標(biāo)準(zhǔn)》（HJ/T 10.3—1996） 的測點(diǎn)布設(shè)原則，以發(fā)射機(jī)天線為中心，按間隔 45°的 8 個(gè)方向?yàn)闇y量線，每條測量線上選取距場源分別為 30、 50、 100、 150 和 200 m 等不同距離水平布點(diǎn)測量，布點(diǎn)40 個(gè)；附近區(qū)域環(huán)境保護(hù)目標(biāo)布點(diǎn)17 個(gè)，總計(jì)布點(diǎn) 57 個(gè)，監(jiān)測布點(diǎn)示意圖見圖2。

測量時(shí)電視發(fā)射機(jī)處于正常運(yùn)行狀態(tài)，采用德國Narda 公司生產(chǎn)的電磁輻射分析儀。每點(diǎn)每15 s 讀一個(gè)最大平均值，共讀取5 個(gè)數(shù)據(jù)取其平均值作為該點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)；監(jiān)測位置離地面高度1.7 m 處。 監(jiān)測結(jié)果見表4，表4 中41#～57#為環(huán)境敏感目標(biāo)。

表2 公眾暴露控制限值Table 2 The control limits of public exposure

表3 發(fā)射天線周圍電場強(qiáng)度及功率密度理論計(jì)算結(jié)果Table 3 Theoretical calculation results of electric field intensity and power density around TV transmitter

圖2 電視塔周圍電磁環(huán)境監(jiān)測布點(diǎn)示意圖Fig. 2 Schematic layout of electromagnetic environment monitoring points around the TV tower

由表4 現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果可以知，電視發(fā)射機(jī)在正常運(yùn)行狀況時(shí)，200 m 范圍內(nèi)電場強(qiáng)度范圍 0.23～0.95 V·m-1，功率密度范圍 0.000 1～0.002 2 W·m-2。 電視塔周邊環(huán)境保護(hù)目標(biāo)電場強(qiáng)度滿足5.4 V·m-1，功率密度滿足0.08 W·m-2的限值要求。 將表4 實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與表3 理論計(jì)算結(jié)果比對分析可知，由于電視塔周邊建構(gòu)筑物分布復(fù)雜，對電磁波產(chǎn)生一系列反射、 繞射、 透射，因此相同距離處實(shí)測值普遍低于理論計(jì)算值。

表4 電視塔周圍電磁環(huán)境監(jiān)測結(jié)果Table 4 Monitoring results of electromagnetic environment around TV tower

表 4（續(xù)）

3 電磁環(huán)境保護(hù)措施

由前文理論計(jì)算及現(xiàn)場測量分析可知，該電視塔正常運(yùn)行情況下，周邊電場強(qiáng)度低于 5.4 V·m-1、 功率密度低于 0.08 W·m-2，滿足國家電磁環(huán)境保護(hù)要求。 日常運(yùn)行中，需采取一系列措施防止因發(fā)生故障或事故導(dǎo)致電磁場強(qiáng)度異常增高。

3.1 定期監(jiān)測

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范結(jié)合電視塔周邊環(huán)境情況，制定可操作性強(qiáng)的監(jiān)測計(jì)劃。 每年至少開展一次電磁環(huán)境測量，重點(diǎn)分析環(huán)境保護(hù)目標(biāo)電場強(qiáng)度、 功率密度達(dá)標(biāo)情況及年際間變化情況，發(fā)現(xiàn)異常立即查找原因。

3.2 劃定限制區(qū)域

做好部門間協(xié)調(diào)溝通工作，后續(xù)城鎮(zhèn)發(fā)展過程中，在電視塔周邊20 m 范圍內(nèi)避免出現(xiàn)電磁環(huán)境敏感目標(biāo)。

3.3 避免發(fā)射機(jī)故障

引起發(fā)射機(jī)故障的原因可歸為4 類：因傳輸問題引起的故障，因發(fā)射機(jī)軟件問題引起的故障，因發(fā)射機(jī)硬件引起的故障以及因各種干擾引起的故障。

發(fā)射機(jī)發(fā)生故障不僅干擾電視接收信號，而且對電磁環(huán)境也可能會產(chǎn)生負(fù)面影響，因此對發(fā)射機(jī)的各類故障應(yīng)該認(rèn)真分析，及時(shí)檢修，找到故障的真正原因，以最快的速度排除故障，提高電視信號質(zhì)量，同時(shí)改善周邊電磁環(huán)境。

3.4 其他保護(hù)措施

3.4.1 機(jī)房防闖入

增強(qiáng)安全保護(hù)措施，使用門禁控制器，通過發(fā)送和接收短信實(shí)現(xiàn)卡片資料、 系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，刷卡信息、 門的狀態(tài)、 報(bào)警信息等能實(shí)時(shí)上傳達(dá)到遠(yuǎn)程控制的目的；如發(fā)生此類事故，應(yīng)及時(shí)搶修。

3.4.2 饋線防老化

定期檢查發(fā)射機(jī)天饋線系統(tǒng)，防止饋線因老化、 人為或其它原因造成破損而發(fā)生電磁輻射泄露。

3.4.3 極端天氣電線防脫落

遇到強(qiáng)降雨、 強(qiáng)風(fēng)等極端天氣，容易造成天線脫落，甚至發(fā)生倒塔事故。 增強(qiáng)發(fā)射機(jī)安全系數(shù)，加強(qiáng)極端天氣預(yù)警，定期檢查發(fā)射機(jī)安全運(yùn)營情況，防患于未然。 如出現(xiàn)上述情況，立即切斷電源，及時(shí)搶修。

4 結(jié)論

根據(jù)理論計(jì)算結(jié)果，電視塔周邊電場強(qiáng)度和功率密度隨距離增加逐漸降低，與電視塔軸向距離20 m 外電場強(qiáng)度和功率密度低于評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)限值。 結(jié)合實(shí)地測量結(jié)果，正常運(yùn)行情況下電視塔周圍環(huán)境保護(hù)目標(biāo)電磁環(huán)境滿足國家環(huán)境保護(hù)要求。

新建類似項(xiàng)目前需進(jìn)行科學(xué)計(jì)算及評價(jià)，給出電磁環(huán)境達(dá)標(biāo)距離，在達(dá)標(biāo)距離內(nèi)合理規(guī)劃建筑類型，避免出現(xiàn)環(huán)境敏感目標(biāo)。 電視塔運(yùn)行過程加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)目標(biāo)電磁環(huán)境監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)查找原因；做好發(fā)射機(jī)及相關(guān)設(shè)備日常維護(hù)工作，加強(qiáng)防老化措施及安全防護(hù)。