基站天線與輸電線路共建時(shí)周?chē)姶怒h(huán)境分析

邵明馳李秋生黎麗華徐昊

(1.國(guó)網(wǎng)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(xún)?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 南京210019)

0 引言

隨著第五代通信技術(shù)時(shí)代的來(lái)臨，通信基站覆蓋也由高大遠(yuǎn)疏向低小近密方向發(fā)展[1]。目前對(duì)于宏基站，通信行業(yè)主要采用45 m角鋼塔或鋼管塔，其立塔成本合計(jì)為30～33萬(wàn)元。由于成本較高，且面臨不確定因素多、施工難、周期長(zhǎng)等諸多問(wèn)題，因此尋求可共建共享的桿塔已成為通信行業(yè)的迫切需求。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時(shí)代下，“共享”是當(dāng)下經(jīng)濟(jì)發(fā)展的熱點(diǎn)，通信基站天線與日益豐富的高壓架空送電線路桿塔(簡(jiǎn)稱(chēng)“電力塔”)的共享是有利于合作雙方的模式[2]，有助于實(shí)現(xiàn)資源整合、縮短建設(shè)周期、節(jié)省建設(shè)成本和節(jié)約土地資源[3]。因此，兩者共塔有利于雙方發(fā)揮各自領(lǐng)域的資源優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)、合作共贏，更好地服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展[4]。2018年7月3日，中國(guó)鐵塔股份有限公司南京分公司與國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司合作，首次建設(shè)了110 kV旺蘭1、2線3號(hào)電力單管塔共享基站，邁出了共享建設(shè)試驗(yàn)研究的關(guān)鍵一步。

但是，根據(jù)以往的研究，當(dāng)110 kV及以上的高壓電力系統(tǒng)與基站臨近時(shí)，可能會(huì)對(duì)基站產(chǎn)生兩方面的影響，即(1)高壓電力設(shè)備產(chǎn)生的高頻電磁干擾進(jìn)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(fēng)險(xiǎn)。因此，目前110 kV以上電壓等級(jí)輸電線路設(shè)計(jì)時(shí)，從安全、電磁干擾等方面考慮，一般會(huì)避開(kāi)基站。魏德軍[6]指出高壓架空輸電線路與移動(dòng)通信基站間距＞50 m時(shí)，輸電線路對(duì)移動(dòng)通信基站的正常工作不會(huì)產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)一般建議兩者選址時(shí)相距＞50 m。此外，高壓電力系統(tǒng)和基站均會(huì)產(chǎn)生電磁影響。電磁影響使生物系統(tǒng)產(chǎn)生的與生命現(xiàn)象有關(guān)的響應(yīng)為電磁的生物學(xué)效應(yīng)。從熱作用方式上分為熱效應(yīng)和非熱效應(yīng)，不同頻率的電磁影響其生物學(xué)效應(yīng)不同[7]。在1 Hz～100 kHz頻率范圍的電磁源(如輸電線路)產(chǎn)生的生物效應(yīng)主要為非熱效應(yīng)；而在100 kHz～300 GHz頻率范圍的電磁源(如通信基站)產(chǎn)生的生物效應(yīng)主要為熱效應(yīng)。但輸電線路、通信基站各自產(chǎn)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(huán)境背景值，因此兩者相距＞50 m時(shí)基本不考慮疊加分析其各自產(chǎn)生的電磁影響。

基于上述原因，國(guó)家現(xiàn)行的GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》[9]中對(duì)不同頻段的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)的控制限值是需要分開(kāi)考慮和制定的。當(dāng)通信基站天線與電力塔共塔建設(shè)時(shí)便面臨了新的環(huán)境問(wèn)題，即需要綜合考慮兩者對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的共同影響，而目前尚無(wú)相關(guān)研究報(bào)道。文章通過(guò)監(jiān)測(cè)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(jiǎn)稱(chēng)共建站)周?chē)碾姶怒h(huán)境指標(biāo)，包括綜合場(chǎng)強(qiáng)、工頻電場(chǎng)、工頻磁場(chǎng)，研究共建站對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的共同影響情況，根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果分析工程實(shí)踐可行性，以期為已進(jìn)入試驗(yàn)階段的共建站的安全應(yīng)用與環(huán)境保護(hù)提供實(shí)踐性指導(dǎo)。

1 共建站研究方法

1.1 共建站的選擇

研究期間，江蘇省內(nèi)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(huán)境指標(biāo)監(jiān)測(cè)值會(huì)受到共建站的工程技術(shù)參數(shù)(基站工作頻率、天線掛高、輸電線路電壓等級(jí)、導(dǎo)線對(duì)地高度等)和周?chē)h(huán)境因素的影響，因此為減小各類(lèi)影響因素的干擾，盡量選擇監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)地形較平坦且無(wú)高大建筑物和密集樹(shù)木及無(wú)其他電磁干擾源(如廣播電視塔、雷達(dá)、變電站、電氣化鐵路等)等容易產(chǎn)生電磁環(huán)境畸變物體[10]的共建站進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在綜合考慮這些影響因素后，最終篩選了2個(gè)適宜監(jiān)測(cè)且工程技術(shù)參數(shù)具有代表性的典型共建站作為研究分析目標(biāo)，即位于南京市浦口區(qū)的110 kV錦湖支線7號(hào)塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站。

1.2 監(jiān)測(cè)方法及布點(diǎn)

(1)監(jiān)測(cè)方法

監(jiān)測(cè)參考HJ 972—2018《移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)方法》[11]和HJ681—2013《交流輸變電工程電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)方法(試行)》[12]規(guī)定的方法進(jìn)行布點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

(2)監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

共建站周?chē)姶怒h(huán)境監(jiān)測(cè):以共建站桿塔為中心，以輸電線路為對(duì)稱(chēng)軸，在邊長(zhǎng)為100 m×100 m正方形區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格大小為10 m×10 m。每個(gè)網(wǎng)格的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位一般布設(shè)于網(wǎng)格中心，受地形影響部分網(wǎng)格點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位置可稍作調(diào)整。監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意如圖1所示。

110 kV錦湖支線7號(hào)塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站周?chē)h(huán)境狀況及具體布點(diǎn)情況如圖2所示。

圖1 電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

圖2 兩個(gè)共建站周?chē)h(huán)境狀況及電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)布點(diǎn)示意圖

1.3 監(jiān)測(cè)時(shí)間及環(huán)境條件

110 kV錦湖支線7號(hào)塔共建站監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年7月19日09∶30—17∶00，晴轉(zhuǎn)多云，氣溫31～33℃，相對(duì)濕度為55%～61%。周?chē)h(huán)境以城市道路、廠區(qū)空地、行道樹(shù)、草坪為主。

110 kV旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站監(jiān)測(cè)時(shí)間為2019年8月7日09∶30—17∶00，晴，氣溫31～35℃，相對(duì)濕度為42%～45%。周?chē)h(huán)境以城市道路、荒地、行道樹(shù)、苗木和草叢為主。

1.4 監(jiān)測(cè)設(shè)備及監(jiān)測(cè)的共建站概況

監(jiān)測(cè)使用的設(shè)備名稱(chēng)、型號(hào)、編號(hào)等信息見(jiàn)表1。

監(jiān)測(cè)的錦湖支線7號(hào)塔共建站和旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的基本情況見(jiàn)表2。

表1 監(jiān)測(cè)設(shè)備信息表

表2 監(jiān)測(cè)的兩個(gè)共建站基本情況表

2 共建站監(jiān)測(cè)結(jié)果與分析

2.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分布情況分析

將共建站正常運(yùn)行時(shí)的綜合場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè)值標(biāo)記為P，工頻電場(chǎng)監(jiān)測(cè)值標(biāo)記為E，工頻磁感應(yīng)場(chǎng)監(jiān)測(cè)值標(biāo)記為B，其對(duì)應(yīng)的公眾曝露控制限值分別標(biāo)記為Pi、Ei、Bi。以監(jiān) 測(cè) 值 占 控 制 限 值 的 比 例(P/Pi、E/Ei、B/Bi)作為共建站建設(shè)后電磁環(huán)境變化的分析指標(biāo)，用來(lái)表示綜合場(chǎng)強(qiáng)、工頻電場(chǎng)、工頻磁感應(yīng)場(chǎng)的環(huán)境影響程度。110 kV錦湖支線7號(hào)塔共建站和110 kV旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站周?chē)黜?xiàng)監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表3。

由表3可知，兩個(gè)共建站工頻磁感應(yīng)場(chǎng)的B/Bi值非常小，監(jiān)測(cè)值占其相應(yīng)控制限值的比例最大分別僅為0.09%和0.39%。因此，為簡(jiǎn)化分析，研究?jī)H分析P/Pi、E/Ei的較大值對(duì)共建站周?chē)姶怒h(huán)境的共同影響。將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)由大至小排序，選取在100個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)中排序前20%的數(shù)據(jù)為較大值，即每個(gè)共建站分別選取20個(gè)較大的監(jiān)測(cè)值來(lái)分析。兩個(gè)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(jiān)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

圖3 兩個(gè)共建站P/Pi較大值分布示意圖

圖4 兩個(gè)共建站E/Ei較大值分布示意圖

由圖3可知，錦湖支線7號(hào)塔共建站的P/Pi較大值(3.75%～5.62%)、旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的P/Pi較大值(4.33%～5.58%)基本分布于各個(gè)基站天線的主瓣范圍內(nèi)。其中，錦湖支線7號(hào)塔共建站的P/Pi最大值5.62%出現(xiàn)在距基站天線45 m附近，旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的P/Pi最大值5.58%出現(xiàn)在距基站天線15 m附近，符合通信基站天線周?chē)姶艔?qiáng)度分布的一般規(guī)律。

由圖4可知，旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的E/Ei較大值(1.09%～3.89%)大致對(duì)稱(chēng)分布于輸電線路兩側(cè)25 m范圍內(nèi)，并主要集中在邊導(dǎo)線下方附近。而錦湖支線7號(hào)塔共建站由于受東北側(cè)地形影響不能布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，因此無(wú)法得出其E/Ei較大值(1.28%～5.84%)的整體分布規(guī)律，但僅從西側(cè)的局部分布情況也能看出E/Ei較大值主要集中在邊導(dǎo)線下方附近。整體上，在垂直于輸電線路的監(jiān)測(cè)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(chǎn)生的工頻電場(chǎng)影響隨著與輸電線路距離的增加而逐漸衰減。

2.2 賦權(quán)及計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)GB 8702—2014[9]中的規(guī)定，公眾曝露在多個(gè)頻率的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)中時(shí)，應(yīng)綜合考慮多個(gè)頻率的曝露影響，不同頻率段應(yīng)滿足不同的關(guān)系式[9]。

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

式中Ei為頻率i的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；EL，i為頻率i的電場(chǎng)強(qiáng)度限值，V/m；Ej為頻率j的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；EL，j為頻率j的電場(chǎng)強(qiáng)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(guān)系式進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。目前國(guó)內(nèi)外也尚無(wú)相應(yīng)的關(guān)系式或評(píng)價(jià)方法可以直接將上述兩個(gè)頻段的影響值進(jìn)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(jìn)行加權(quán)后，分別采用關(guān)系式(1)和(2)計(jì)算，對(duì)比分析兩種計(jì)算結(jié)果，綜合評(píng)價(jià)共建站產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)、射頻電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)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(duì)人體有害主要取決于電磁輻射頻率高低和功率大小兩個(gè)因素。只有當(dāng)這兩個(gè)因素超過(guò)一定的允許值而造成輻射污染時(shí)，才有可能會(huì)對(duì)人體帶來(lái)負(fù)面影響[13]。電磁輻射可按其波長(zhǎng)、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(xué)作用就越強(qiáng)[14]。通信基站工作頻率較高，其產(chǎn)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(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)會(huì)使人體發(fā)熱，超過(guò)一定限度人體就會(huì)出現(xiàn)高溫生理反應(yīng)，從而有害于人的健康，即為電磁波的熱效應(yīng)[15]；110 kV交流輸電線路工作頻率是典型的極低頻，其電磁場(chǎng)產(chǎn)生生物學(xué)效應(yīng)的關(guān)鍵是在人體內(nèi)產(chǎn)生的感應(yīng)電場(chǎng)[13]，而此類(lèi)感應(yīng)電場(chǎng)小于某一數(shù)值時(shí)人體組織不易顯示出熱效應(yīng)，只會(huì)造成一些非熱效應(yīng)。

此外，在參考現(xiàn)有大量通信基站、110 kV交流輸電線路正常運(yùn)行功率情況下，以及兩個(gè)共建站監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，基站的綜合場(chǎng)強(qiáng)值占GB 8702—2014[9]中規(guī)定的控制限值比例整體上要高于輸電線路的，說(shuō)明在各自正常工作功率下，基站對(duì)周?chē)姶怒h(huán)境的影響程度稍高于輸電線路的影響程度。

因此，采用《現(xiàn)代咨詢(xún)方法與務(wù)實(shí)》[16]中的層次分析法確定共建站產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)、射頻電磁場(chǎng)在對(duì)環(huán)境共同影響中的權(quán)重及地位。其具體步驟為

(1)建立層次結(jié)構(gòu)模型，以在共同環(huán)境影響中的地位作為目標(biāo)層A，工作頻率與生物效應(yīng)B1、工作功率B2、監(jiān)測(cè)值占控制限值比例B3等3個(gè)方面作為準(zhǔn)則層B，射頻電磁影響、工頻電磁影響作為指標(biāo)層Q。

(2)構(gòu)造比較判別矩陣，由專(zhuān)家根據(jù)其知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和判斷，使用兩兩比較的方法確定各層不同因素相對(duì)于上一層各因素的重要性權(quán)數(shù)，權(quán)數(shù)取正整數(shù)1～9(成為標(biāo)度)及其倒數(shù)。最終構(gòu)建的準(zhǔn)則層對(duì)目標(biāo)層比較判別矩陣A—B由式(3)表示為

構(gòu)建的指標(biāo)層對(duì)準(zhǔn)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(yàn)，運(yùn)用和法將上述各比較判斷矩陣歸一化后即可得到相應(yīng)層次因素對(duì)于上一層次某一因素的相對(duì)重要性排序權(quán)重。依次計(jì)算各比較判斷矩陣得到最大特征值λmax，一致性指標(biāo)、比例分別為CI和CR。

一致性指標(biāo)CI由式(7)表示為

式中n為矩陣的階數(shù)。

當(dāng)n≥3時(shí)，一致性比例CR由式(8)表示為

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

當(dāng)CR＜0.1時(shí)，各比較判斷矩陣的一致性通過(guò)檢驗(yàn)，否則修正判斷矩陣直到通過(guò)一致性檢驗(yàn)為止。

(4)層次總排序及其一致性檢驗(yàn)，計(jì)算指標(biāo)層Q相對(duì)于目標(biāo)層A的排序向量，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

經(jīng)過(guò)上述4個(gè)步驟，最終確定的具體權(quán)重值見(jiàn)表4。

表4 射頻電磁影響、工頻電磁影響權(quán)重確定表

由表4可知，在共建站產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)、工頻電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的共同影響中，兩者的權(quán)重分別為0.7和0.3，且滿足一致性檢驗(yàn)，表明射頻電磁影響占相對(duì)主導(dǎo)地位。

將兩個(gè)共建站的P/Pi、E/Ei的較大值按式(1)和(2)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，結(jié)果如圖5所示。

由圖5(a)和(b)可知，按式(1)進(jìn)行加權(quán)計(jì)算時(shí)，錦湖支線7號(hào)塔共建站的計(jì)算結(jié)果為0.029～0.052，旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的計(jì)算結(jié)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(jìn)行加權(quán)計(jì)算時(shí)，錦湖支線7號(hào)塔共建站的計(jì)算結(jié)果為1.0×10-5～2.7×10-5，旺蘭＃1線3號(hào)塔共建站的計(jì)算結(jié)果為1.3×10-5～2.6×10-5，均遠(yuǎn)＜1，滿足式(2)的要求。此外，綜合分析圖5中的計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)采用同一關(guān)系式進(jìn)行加權(quán)計(jì)算時(shí)，兩個(gè)共建站的計(jì)算結(jié)果相差不大，且均＜1。但是采用式(1)所得計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)大于采用式(2)所得的計(jì)算結(jié)果，而且較大值在共建站周?chē)姆植记闆r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(jì)算結(jié)果可知，在共建站產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)、工頻電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的共同影響中，射頻電磁影響占相對(duì)主導(dǎo)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(chǎn)生的電磁場(chǎng)對(duì)人體作用機(jī)理不同，但是目前國(guó)內(nèi)外也尚無(wú)相應(yīng)的公式或評(píng)價(jià)方法可以直接將這兩個(gè)頻段的影響值進(jìn)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(jìn)行加權(quán)后分別利用已有的不同頻段關(guān)系式進(jìn)行加和計(jì)算，計(jì)算結(jié)果表明輸電線路與通信基站共建站產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)、射頻電磁場(chǎng)對(duì)周?chē)h(huán)境的共同影響仍然滿足GB 8702—2014[9]中規(guī)定的公眾曝露在多個(gè)頻率的電場(chǎng)、磁場(chǎng)、 電磁場(chǎng)中時(shí)不同頻率段應(yīng)滿足的式(1)或(2)。

圖5 兩個(gè)共建站P/Pi、E/Ei的較大值按不同關(guān)系式加權(quán)計(jì)算結(jié)果分布示意圖

3 結(jié)論

根據(jù)上述研究結(jié)果得出的主要結(jié)論如下:

(1)通過(guò)監(jiān)測(cè)已建浦口區(qū)110 kV錦湖支線7號(hào)塔和110 kV旺蘭＃1線3號(hào)塔兩個(gè)共建站周?chē)碾姶怒h(huán)境指標(biāo)，其P/Pi較大值基本分布于基站天線的主瓣范圍內(nèi)，符合通信基站天線周?chē)姶艔?qiáng)度分布的一般規(guī)律；E/Ei較大值主要集中在輸電線路邊導(dǎo)線下方附近。整體上，在垂直于輸電線路的監(jiān)測(cè)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(chǎn)生的工頻電場(chǎng)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(duì)共建站產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)影響、工頻電磁場(chǎng)影響賦予不同的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果表明共建站對(duì)周?chē)h(huán)境電磁影響中，射頻電磁影響占相對(duì)主導(dǎo)地位。

(3)首次嘗試采用GB 8702—2014《電磁環(huán)境控制限值》中規(guī)定的不同頻率段應(yīng)滿足的關(guān)系式分別進(jìn)行加權(quán)計(jì)算。結(jié)果表明:共建站產(chǎn)生的射頻電磁場(chǎng)、工頻電磁場(chǎng)對(duì)環(huán)境的共同影響滿足不同頻率段的關(guān)系式要求。因此，從電磁環(huán)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(shè)是可行的。