典型電力通信共享鐵塔電磁場(chǎng)分布特征研究

張 瑩，許 超，瞿子涵，向梓菡，殷 媛

（1.國(guó)網(wǎng)湖北省電力有限公司電力科學(xué)研究院，湖北 武漢 430000；2.湖北方源東力電力科學(xué)研究有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

電力通信共享鐵塔（下文簡(jiǎn)稱(chēng)“共享鐵塔”）是指將光纜、通信基站以及移動(dòng)天線等通信設(shè)備架設(shè)在輸變電線路鐵塔上，通信設(shè)備與輸電線路同步運(yùn)行的共享運(yùn)行模式[1]。國(guó)內(nèi)自2017年起開(kāi)始試點(diǎn)啟動(dòng)共享鐵塔建設(shè)，現(xiàn)已在云南、江蘇、海南以及湖北等15個(gè)省市都成功實(shí)現(xiàn)了驗(yàn)收投運(yùn)。目前，行業(yè)對(duì)共享鐵塔的電磁場(chǎng)分布特點(diǎn)、環(huán)境影響等方面的研究還不完備，這將對(duì)規(guī)范共享鐵塔選址選型設(shè)計(jì)、深化推廣共享鐵塔項(xiàng)目產(chǎn)生一定的阻礙。

1 共享鐵塔項(xiàng)目典型特征

1.1 國(guó)內(nèi)現(xiàn)有共享鐵塔典型設(shè)計(jì)

根據(jù)調(diào)研結(jié)果，共享鐵塔電力線路的電壓等級(jí)主要為220 kV和110 kV，并有少量的35 kV。目前，共享鐵塔基站類(lèi)型主要為4G、5G基站，2017—2019年建成的共享鐵塔基站類(lèi)型以4G為主，2020年之后建成的共享鐵塔基站類(lèi)型以5G為主。

項(xiàng)目實(shí)施前需核算電力桿塔載荷、應(yīng)力、風(fēng)壓匹配通信設(shè)備的數(shù)量及重量，同時(shí)確定架設(shè)安全距離。共享鐵塔上通信基站天線的安裝方式均為搭載在塔身部，位于下導(dǎo)線掛點(diǎn)以上，一般布置在順線路側(cè)的位置[1]。以220 kV線路桿塔架設(shè)通信基站為例，搭載通信裝置的安全距離通常設(shè)置為天線抱桿上沿與電力桿塔最下層導(dǎo)線絕緣子串懸掛點(diǎn)間垂直距離不小于 10 m[2]。

1.2 共享鐵塔運(yùn)行與維護(hù)

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行的共享鐵塔，塔上通信基站、鐵塔及輸電線路分別由出資單位獨(dú)立運(yùn)維，通信基站由所屬運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)，鐵塔及輸電線路由電力公司負(fù)責(zé)運(yùn)行維護(hù)。對(duì)于共享鐵塔運(yùn)行期間的電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較少，暫未發(fā)現(xiàn)共享鐵塔電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的公開(kāi)資料。

2 典型共享鐵塔電磁場(chǎng)分布特征研究

2.1 電磁波傳播特性

電磁波在空間中的傳播通過(guò)信道進(jìn)行，而移動(dòng)通信信道是一種時(shí)變信道，具有不確定性[2]。實(shí)際的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中，由于電磁波通過(guò)不同物體時(shí)產(chǎn)生的繞射和多徑反射，信號(hào)會(huì)在接收端發(fā)生多徑衰落。同時(shí)，當(dāng)發(fā)射天線和接收天線之間距離增大時(shí)還會(huì)引起信號(hào)的自由空間損耗。在移動(dòng)基站共址輸電鐵塔這種新的場(chǎng)景下，電磁波傳播比傳統(tǒng)移動(dòng)基站更加復(fù)雜。

2.2 共享鐵塔地面電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)

為了解共享鐵塔周邊電磁環(huán)境現(xiàn)狀及電磁場(chǎng)分布特征，選取湖北省內(nèi)4座共享鐵塔進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。天線懸掛位置均位于塔身中部，監(jiān)測(cè)設(shè)備主要參數(shù)如表1所示。

表1 監(jiān)測(cè)儀器參數(shù)一覽表

表2 監(jiān)測(cè)時(shí)間及天氣條件一覽表

本次現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)布點(diǎn)原則是以共享鐵塔為坐標(biāo)原點(diǎn)，在邊長(zhǎng)為100 m×100 m的正方形區(qū)域內(nèi)劃分網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格大小為10 m×10 m。在每個(gè)網(wǎng)格中心設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，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[3,4]。共享鐵塔監(jiān)測(cè)網(wǎng)格示意如圖1所示，實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置如圖2所示。

圖1 共享鐵塔監(jiān)測(cè)網(wǎng)格示意圖

監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在基站天線主瓣方向上，監(jiān)測(cè)結(jié)果先隨著距離增加而增大，大約在主瓣方向20～30 m處達(dá)到最大，然后隨著距離增加而逐漸降低；在基站天線旁瓣方向上，監(jiān)測(cè)結(jié)果先隨著距離增加而增大，在旁瓣方向15～20 m處達(dá)到最大，然后隨著距離增加而逐漸降低。在基站天線主瓣方向背后，監(jiān)測(cè)結(jié)果基本均隨著距離增大而減小。4座共享鐵塔地面電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)最大值為1.67 μW/cm2，共享鐵塔周邊地面電磁環(huán)境均能滿(mǎn)足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）的要求[5,6]。

各共享鐵塔監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置情況如圖2所示。

圖2 共享鐵塔實(shí)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置圖

各共享鐵塔監(jiān)測(cè)時(shí)間及天氣條件如表2所示。

2.3 共享鐵塔天線平臺(tái)電磁分布特征

由于已建成的共享鐵塔天線均位于塔身中部，對(duì)天線平臺(tái)所在區(qū)域進(jìn)行電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)較為困難，根據(jù)對(duì)共享鐵塔地面電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測(cè)結(jié)果判斷，共享鐵塔的電磁環(huán)境與通信基站天線周?chē)姶艔?qiáng)度分布規(guī)律較為一致。因此選取一處樓頂平臺(tái)基站進(jìn)行監(jiān)測(cè)，類(lèi)比分析共享鐵塔基站天線所在平臺(tái)的電磁場(chǎng)分布特征[7,8]。

為全面了解共享鐵塔的電磁場(chǎng)分布特征，在基站北側(cè)、東北側(cè)以及東側(cè)分別設(shè)置一處監(jiān)測(cè)斷面，每隔1 m設(shè)置一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，順序測(cè)至5 m處。監(jiān)測(cè)點(diǎn)位如圖3所示。

圖3 某樓頂平臺(tái)基站平面布置及監(jiān)測(cè)點(diǎn)位

監(jiān)測(cè)時(shí)間為10月26日的10：00-11：00，天氣晴，溫度為19～21 ℃，為濕度38%～45%。天線主射方向角度變化的趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 天線主射方向角度趨勢(shì)

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，基站天線側(cè)方與后方的功率密度為（7.65～87.48）μW/cm2，遠(yuǎn)大于共享鐵塔地面電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果，東側(cè)監(jiān)測(cè)斷面3受天線旁瓣影響的監(jiān)測(cè)結(jié)果超過(guò)了《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)限值要求0.4 W/m2[9,10]。

3 共享鐵塔電磁場(chǎng)特性研究應(yīng)用

根據(jù)對(duì)所選取共享鐵塔地面電磁環(huán)境的監(jiān)測(cè)結(jié)果可以看出，共享鐵塔電磁場(chǎng)的分布特性基本符合無(wú)線信號(hào)傳輸過(guò)程中電磁波的傳播特點(diǎn)。在選取塔身中部掛設(shè)形式時(shí)，地面超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)不高，但天線平臺(tái)仍存在一定的電磁環(huán)境超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)[11]。

4 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，共享鐵塔項(xiàng)目選址應(yīng)綜合考慮以下因素：一是共享鐵塔通信基站天線主瓣方向應(yīng)盡量避開(kāi)周邊電磁環(huán)境敏感目標(biāo)，避免對(duì)公眾產(chǎn)生影響；二是共享鐵塔選址時(shí)應(yīng)排除已存在環(huán)保投訴的鐵塔；三是共享鐵塔周邊的電磁環(huán)境敏感目標(biāo)與天線的直線距離應(yīng)滿(mǎn)足各基站相應(yīng)的安全控制距離要求；四是共享鐵塔在位于居民小區(qū)內(nèi)或周邊選址時(shí)，需要與居民樓保持一定的距離，一般大于30 m。