城市高壓交流輸電線路對電磁環(huán)境的影響研究

陳斌 雷東 張祺 劉斐 徐凌悅

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

*通信作者：張祺（1994-），男，博士。研究方向為環(huán)境影響評價。

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

摘? 要：電磁環(huán)境承載無線電通信、廣播和觀測等業(yè)務(wù)，支撐移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星電視和射電望遠鏡等新型基礎(chǔ)設(shè)施，保護電磁環(huán)境成為交流輸變電系統(tǒng)設(shè)計運行的關(guān)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(nèi)電場和磁場強度，分析電磁干擾的來源、產(chǎn)生機理、頻域特征和空間衰減過程，比照城市常見無線電業(yè)務(wù)的頻段和調(diào)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(guī)律，提出輸電系統(tǒng)影響下，電磁環(huán)境保護和通信增益措施。

關(guān)鍵詞：電磁環(huán)境；輸變電；環(huán)境影響評價；無線電業(yè)務(wù)；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(xiāng)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(shù)量增加，電磁環(huán)境影響加??；同時，線路周圍用地更加緊張，建成許多居民區(qū)和學校。這2方面因素加劇了輸電線路電磁環(huán)境影響與群眾利用電磁環(huán)境進行無線通信的矛盾，輸電線路對無線電信號的影響規(guī)律和減緩措施成為亟待解決的技術(shù)問題。

現(xiàn)有研究較好地解決了輸電線路電磁干擾的產(chǎn)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(huán)境評價和管理體系并廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)產(chǎn)生的屏蔽效應(yīng)和多徑效應(yīng)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(chǎn)生干擾，但其產(chǎn)生的感應(yīng)電流卻可能損壞天線[8]。為了有效管理電磁環(huán)境，針對電磁環(huán)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(huán)境電磁功能區(qū)[15]，確保電磁環(huán)境得到有效利用；針對工程建設(shè)，建立了電磁環(huán)境影響評價制度[16-17]，確保工程的電磁環(huán)境影響達到所在電磁環(huán)境功能區(qū)的保護要求，保護敏感目標不受電磁污染；針對具體設(shè)施，建立了電磁輻射技術(shù)標準體系[18]。這些標準規(guī)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(shù)量[27]、塔型[28]的交流輸電系統(tǒng)于好天氣、風沙、覆冰等不同環(huán)境下[29-33]的電磁輻射情況均有具體工程的應(yīng)用研究。

在城市高壓配電網(wǎng)優(yōu)化重構(gòu)[34-35]的需求引領(lǐng)下，110/220 kV高壓輸電線路深入城市中心，節(jié)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(huán)境影響與保護的矛盾。110/220 kV高壓輸電線路構(gòu)成的城市高壓配電網(wǎng)，建設(shè)環(huán)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(shè)[36]或地面絕緣氣體敷設(shè)[37]等形式的成本也較高，因而仍然大量采用電磁環(huán)境影響大的架空線纜形式，成為電磁環(huán)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(nèi)部的電磁場強度分布規(guī)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(nèi)電場和磁場強度，根據(jù)類似項目電磁頻譜，換算出本工程的電磁強度頻譜，比照調(diào)幅廣播（AM）、調(diào)頻廣播（FM）、數(shù)字視頻廣播（DVB）、業(yè)余無線電（HAM）、無線網(wǎng)絡(luò)（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(guī)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(shù)見表1。每次測量在監(jiān)測點停留，待讀數(shù)穩(wěn)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(shù)參數(shù)

研究區(qū)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(huán)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(jiān)測點位于架空線路正下方塔架兩側(cè)1 m和塔架之間的中點，道路邊緣、居民區(qū)靠近線路的邊界約100 m布置一個測點。具備觀測條件的區(qū)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(qū)范圍。選取監(jiān)測點時避開明顯的電氣設(shè)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(qū)架空高壓交流線路與地物平面圖

2? 結(jié)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(gòu)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(guī)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(tǒng)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(shù)，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(chǎn)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(chǎn)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(shè)計時的預期，建設(shè)期的環(huán)境影響評價和建成后的日常電磁監(jiān)測也未考慮這種工況。輸電線路對居民樓內(nèi)部的電磁環(huán)境影響成為受到廣泛關(guān)注的技術(shù)問題。本案例中，居民樓南側(cè)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(yīng)非常明顯，窗口外側(cè)電場強度急劇升高，而窗口內(nèi)側(cè)即便是沒有墻壁遮擋的區(qū)域電場強度也非常低，而到了陽臺內(nèi)側(cè)，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(yè)務(wù)的影響，需要結(jié)合無線電使用的頻譜范圍和調(diào)制解調(diào)方式進行分析，常見無線電業(yè)務(wù)的概況見表3。

調(diào)頻和調(diào)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(shù)（音頻）廣播業(yè)務(wù)都使用模擬信號，數(shù)字信號（音頻）廣播處于試點階段，而視頻廣播傳遞的數(shù)據(jù)量大，所需帶寬高，因而在發(fā)展期普及了數(shù)字信號，衛(wèi)星信號使用四相相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying， QPSK）調(diào)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(lián)網(wǎng)設(shè)備常用的ZigBee協(xié)議也采用類似調(diào)制方式。Wi-Fi和移動通信使用的正交幅度調(diào)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(diào)整并疊加，最終得到相位和幅度都調(diào)制過的信號。而業(yè)余無線電業(yè)務(wù)只是限定頻段，這些頻段上使用的調(diào)制方式由用戶自行確定。

表3? 無線電業(yè)務(wù)使用的頻譜范圍、調(diào)制方式

電磁輻射對這些業(yè)務(wù)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(shù)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(xié)議修正或重傳，誤碼達到閾值則通信中斷。

根據(jù)電磁場測量結(jié)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(fā)射端和接收端均位于室內(nèi)的無線通信如Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)、ZigBee智能家居、藍牙無線網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的有線線路上產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，對同軸電纜、雙絞線、音頻模擬信號線沒有干擾。但發(fā)射端和接收端分別處于室內(nèi)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(zhì)量影響較大，對調(diào)幅廣播的影響最為直接，可在電力設(shè)施保護區(qū)（本案例為線路外側(cè)15 m）外背對輸電線路設(shè)置室外天線；業(yè)余無線電業(yè)務(wù)如對講機（手臺），因發(fā)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(shè)施保護區(qū)外設(shè)置中繼臺增強通信質(zhì)量，也可換用數(shù)字手臺，在功率滿足法規(guī)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(qū)調(diào)頻廣播電臺的發(fā)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(shù)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(nèi)使用效果可能下降，應(yīng)考慮布置5G室內(nèi)天線、微站增強室內(nèi)通信質(zhì)量。

3? 結(jié)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(cè)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(nèi)的無線通信幾乎沒有影響，對室內(nèi)室外之間的無線通信影響情況不一。對調(diào)頻廣播、數(shù)字視頻廣播、5G移動通信的影響較小，但對調(diào)幅廣播和業(yè)余無線電影響較大，特別是發(fā)射端和接收端位于線路兩側(cè)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(shè)在室內(nèi)。

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