張 準，彭 勇，劉 凱，雷興列，張瑞卿

（1.中國電力科學研究院有限公司，武漢 430074；2.北京交通大學，北京 100044）

隨著我國5G網(wǎng)絡建設規(guī)模的不斷擴大，鐵塔公司原有站址數(shù)量遠遠不夠，而電網(wǎng)公司輸電鐵塔遍布各地，移動基站共址高壓輸電鐵塔（即共享鐵塔）的模式應運而生［1-4］.然而，在輸電鐵塔上安裝基站天線，給輸電鐵塔周圍的運檢工作帶來了新問題：一是天線產(chǎn)生的射頻輻射問題；二是天線改變了間隙電極結構形式導致帶電作業(yè)安全間距需重新確定.

目前，還未見相關文獻研究共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距，國內外對共享鐵塔上天線產(chǎn)生的射頻輻射問題研究還比較少.共享鐵塔與信號塔的結構不同，因此兩者射頻電磁場分布存在較大差異.IEEE標準［5］從管理執(zhí)行角度明確了共享鐵塔運維人員射頻輻射防護措施，如應穿著射頻輻射防護服，但未劃分需執(zhí)行上述措施的區(qū)域，而實際上共享鐵塔周圍并不是所有區(qū)域的射頻輻射都超標.目前相關文獻［6-7］大多研究的是輸電導線電場對通信傳輸?shù)碾姶鸥蓴_.沈丹青等［8］對共享鐵塔上天線輻射場及多天線耦合特性進行了仿真計算，但并未給出共享鐵塔上的射頻電磁場分布結果.唐波等［9-10］研究了共享鐵塔上天線對在線監(jiān)測設備的電磁干擾和防護，提出了共享鐵塔無源干擾水平改進求解方法，獲得了天線散射場求解模型，但缺乏真實共享鐵塔場強測量數(shù)據(jù)的驗證.由于不同頻率的電磁輻射對人體的影響機制有所不同，國標［11］對不同頻率范圍的電磁輻射限值進行了差異化規(guī)定，因此測量工頻和射頻的合成場實用價值較低.而目前針對輸電線路工頻電磁場分布特性的研究已比較成熟［12-16］，線路運維人員所應采取的工頻電磁輻射防護措施也已明確，所以僅需研究共享鐵塔的射頻電磁場分布.

鑒此，以110 kV共享鐵塔為例，針對試點的110 kV共享鐵塔，從水平和垂直兩個方向進行射頻電磁場分布測量，分析共享鐵塔的射頻電磁場分布特性，提出強弱場區(qū)劃分方法并對工作區(qū)域進行劃分，同時，針對110 kV模擬共享鐵塔，進行帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電試驗，獲取各典型工況的帶電作業(yè)安全間距，以期為110 kV共享鐵塔的安全運檢工作提供技術支撐.

1 共享鐵塔射頻電磁場分布測量及場區(qū)劃分

根據(jù)行業(yè)標準［17］，移動通信基站周圍電磁場的環(huán)境監(jiān)測以電場強度或功率密度為指標.因此，選取電場強度作為共享鐵塔射頻電磁場分布的測量指標.

1.1 測量對象

選取湖北宜昌的某110 kV共享鐵塔為測量對象，如圖1所示.該塔為鼓形雙回路塔，鄰近四周區(qū)域是草地，東北方向約1 km外是房屋建筑.在該塔塔身四根主材中的三根上各掛載了一個中國移動的板狀基站天線，天線的主要參數(shù)如表1所示.

圖1 湖北宜昌110 kV共享鐵塔Fig.1 The 110 kV shared tower in Yichang，Hubei

表1 天線主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of the antenna

1.2 測量方案

為避免輸電線路自身產(chǎn)生的工頻電磁場的干擾，測量設備的頻率測量下限應遠高于工頻.測量設備采用NBM-EF-0391電場測量探頭及NBM-520寬帶電磁輻射分析儀.NBM-EF-0391采用三維全向探頭，其頻率測量范圍是100 kHz～3 GHz，場強最大測量值是320 V/m.NBM-520寬帶電磁輻射分析儀的頻率范圍覆蓋100 kHz～60 GHz.

實地測量需根據(jù)運檢人員的活動范圍確定測量點的位置，從而確保測量數(shù)據(jù)具有代表性和準確性.運檢人員一般在輸電鐵塔周圍的地面區(qū)域活動，或通過鐵塔主材上的腳釘?shù)撬⒃卩徑€路上作業(yè).由于天線主瓣輻射區(qū)域的射頻電場強度隨著與天線距離的增加而不斷減小，所以緊鄰天線主瓣區(qū)域的射頻電場強度比鄰近線路上的大，另外考慮到在帶電導線上開展場強測量工作較困難，因此選擇垂直方向的鐵塔內外側作為測量區(qū)域，同時對鐵塔周圍的地面水平區(qū)域也進行測量.

實際測量時，將四根主材分別編號為1、2、3、4，其中4號主材上未掛載天線.在地面水平方向上，以3號主材底部為原點，以3號主材上所掛天線的主瓣軸向為X軸，以X軸垂直方向為Y軸建立平面坐標系.采用網(wǎng)格法選取測量點，每個網(wǎng)格邊長2 m，以網(wǎng)格中心為測量點，從原點開始測量，最后在測得最大場強值處分別沿X、Y軸的正、負方向隔1 m補加測量點，共補加四個測量點.在垂直方向上，從每根主材底部開始，隨高度增加每隔1 m選取一個測量點，一直測量到塔頭處，鐵塔內外側測量點分別距離主材1 m.實地測量照片如圖2所示.

圖2 實地測量照片F(xiàn)ig.2 Field measurement photo

1.3 測量結果

按上述方案開展實地測量，并將所獲測量數(shù)據(jù)繪圖，如圖3所示.

由圖3 a可知，在共享鐵塔周圍地面水平區(qū)域，電場強度的整體變化趨勢是隨距離增加而先增后減.從鐵塔底部逐漸進入天線主瓣影響區(qū)域的過程中，電場強度在增加，當其達到最大值后，隨距離的增加而波動衰減.整體上地面水平區(qū)域的電磁輻射水平較弱，最大值不超過1.5 V/m.

由圖3 b和c可知，鐵塔主材內側和外側的電場強度都是隨高度的增加而先增后減，并且在與天線等高處的場強值最大，在天線上方和下方的2 m垂直區(qū)域內，場強值變化顯著.鐵塔主材內側場強值整體較小，最大不超過6 V/m.相比于鐵塔主材內側，鐵塔主材外側的電場強度較大，其在天線正面因正對天線輻射區(qū)域而場強極值達154.6 V/m.由于4號主材未掛載天線，整體來看，其內外兩側的場強值明顯小于其他三根主材內外兩側的場強值.

圖3 電場強度測量結果Fig.3 Measurement results of electric field intensity

1.4 場區(qū)劃分及防護措施

為控制電磁環(huán)境中的公眾曝露，國標［11］規(guī)定：電磁場頻率在30～3000 MHz范圍內時，電場強度應不超過12 V/m，頻率在3000～15 000 MHz范圍內時，電場強度應不超過0.22f0.5V/m（f為頻率，MHz）.目前國內各運營商的網(wǎng)絡頻率最高不超過5000 MHz，按上述標準計算，電場強度最大應不超過15.6 V/m.從嚴考慮，以12 V/m為限值來制定場區(qū)劃分規(guī)則，具體如下：當區(qū)域內射頻電場強度不超過12 V/m時，該區(qū)域被劃分為弱場區(qū)；否則，該區(qū)域被劃分為強場區(qū).

按上述場區(qū)劃分規(guī)則，對共享鐵塔周圍運檢人員的工作區(qū)域進行劃分：弱場區(qū)包括共享鐵塔周圍地面水平區(qū)域、鐵塔主材內側垂直區(qū)域、鐵塔主材外側天線上方和下方2 m以外的垂直區(qū)域；強場區(qū)包括鐵塔主材外側天線上方和下方2 m以內的垂直區(qū)域，以及鐵塔外部天線正面區(qū)域.

弱場區(qū)電磁輻射較弱，運檢人員不需要特殊防護.對于強場區(qū)，由于電磁輻射超標，運檢人員需穿著全身屏蔽的整體式微波輻射防護服.根據(jù)國標［18］，微波輻射防護服的屏蔽效能計算公式為：

式中：SE為屏蔽效能，dB；E0為未穿著微波輻射防護服時的電場強度，V/m；E1為穿著微波輻射防護服時的電場強度，V/m.

考慮一定裕度，設E0為200 V/m，E1為10 V/m，則按照式（1）可得屏蔽效能SE為26 dB.國標［18］規(guī)定，微波輻射防護服的防護等級分為A級、B級和C級，相應的屏蔽效能分別為50、30、10 dB.因此，在強場區(qū)工作的運檢人員宜穿著防護等級為A級或B級的整體式微波輻射防護服.

在傳統(tǒng)110 kV輸電鐵塔上工作的運檢人員需穿著專用的屏蔽服或防護服來保護自身免受工頻電場的傷害，其中，等電位作業(yè)人員需穿著I型帶電作業(yè)屏蔽服，塔上地電位作業(yè)人員需穿著交流高壓靜電防護服.然而，這兩種服裝均為分體式，其上衣、褲子、襪子、手套等各組件之間不是緊密連成一體的，且不具有屏蔽面罩，因此不能對射頻輻射產(chǎn)生有效的屏蔽作用.鑒此，對于共享鐵塔上作業(yè)人員的電磁輻射防護問題，可采取以下兩種解決措施：一種措施是對現(xiàn)有I型帶電作業(yè)屏蔽服和交流高壓靜電防護服進行改進，在保留其原有功能的基礎上，使其對微波輻射具有30 dB及以上的屏蔽效能；另一種措施是在穿著防護等級為A級或B級的微波輻射防護服的基礎上，再穿著I型帶電作業(yè)屏蔽服（等電位作業(yè)人員）或交流高壓靜電防護服（地電位作業(yè)人員）.

2 共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距試驗研究

帶電作業(yè)是輸電運檢工作的重要技術途徑之一.輸電鐵塔上安裝天線后，一些典型作業(yè)工況的間隙電極結構形式發(fā)生改變，導致帶電作業(yè)安全間距需重新確定.為解決此問題，開展了共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距試驗研究.

2.1 試驗內容分析

塔上天線可安裝在塔身處導線以下位置和塔頭處導線以下位置，110 kV線路帶電作業(yè)人員一般通過軟、硬梯進入等電位，因此需研究的典型作業(yè)工況包括：①等電位作業(yè)時；②人員從桿塔構架進出等電位；③人員從地面進出等電位.

針對這三種典型作業(yè)工況分析可知，在塔上安裝天線后，作業(yè)人員等電位時及進出等電位過程中的間隙電極結構形式發(fā)生了變化，有四種安全間距需研究確定，分別是：等電位人員對側面桿塔構架最小安全距離、等電位人員對其下方橫擔最小安全距離、人員進出等電位與側面桿塔構架應滿足的最小組合間隙、人員進出等電位與其下方橫擔應滿足的最小組合間隙.因此，需針對上述四種間隙進行操作沖擊放電試驗.

2.2 試驗條件

按照如圖4所示的110 kV線路直線塔典形塔形，采用高強度角鋼按1∶1比例加工模擬塔頭及塔身.試驗用天線如圖5所示，尺寸為1.2 m×0.28 m×0.12 m，其背部裝有金屬夾具，可與鐵塔構架連接.試驗用模擬人由鋁合金制成.

圖4 110 kV線路典型塔形（單位：mm）Fig.4 The typical tower type of 110 kV line

圖5 試驗用天線Fig.5 The antenna for test

2.3 計算方法

IEC標準［19］推薦的空氣間隙緩波前過電壓絕緣特性的經(jīng)驗公式為：

式中：U50為間隙操作沖擊50%放電電壓；d為空氣間隙距離；K為間隙系數(shù).

根據(jù)間隙的操作沖擊放電試驗數(shù)據(jù)，利用式（2）計算求取K，進而得出該間隙的操作沖擊放電電壓公式.

對于110 kV系統(tǒng)的帶電作業(yè)絕緣配合一般采用慣用法，即：

式中：A為帶電作業(yè)絕緣配合安全裕度，常取1.2；Uw為絕緣耐受電壓；U0?max為系統(tǒng)最大過電壓.

系統(tǒng)最大過電壓為：

式中：Kr為電壓升高系數(shù)；K0為系統(tǒng)過電壓倍數(shù)；Un為系統(tǒng)額定電壓（有效值），kV.

通常采用比試驗所得的U50低3σ的電壓值作為帶電作業(yè)間隙的耐受電壓，因此，耐受電壓為：

式中：σ為間隙的操作沖擊50%放電電壓的標準偏差，取0.06.

根據(jù)行標［20］，110 kV線路（非直接接地系統(tǒng)）過電壓倍數(shù)取值為3.5，110 kV線路電壓升高系數(shù)為1.15，因此根據(jù)式（3）和（4）計算出間隙的絕緣耐受電壓為433.8 kV.再根據(jù)式（5）計算出U50為529.0 kV.最后結合試驗所得的間隙操作沖擊放電電壓公式，可計算出帶電作業(yè)安全間距.

2.4 試驗布置及試驗結果

針對前述四種間隙進行試驗布置，分別如圖6 a、b、c和d所示.其中，圖6 a為等電位人員對側面桿塔構架最小安全距離試驗布置圖，圖6 b為等電位人員對其下方橫擔最小安全距離試驗布置圖，圖6 c為人員進出等電位與側面桿塔構架應滿足的最小組合間隙試驗布置圖，圖6 d為人員進出等電位與其下方橫擔應滿足的最小組合間隙試驗布置圖.

圖6 試驗布置示意圖Fig.6 Schematic diagrams of test layout

試驗1和試驗2中，將模擬人與導線相連保持等電位，調節(jié)模擬人與天線的間隙距離d，進行操作沖擊放電試驗，試驗結果見表2.試驗3和試驗4中，將模擬人固定在距導線0.4 m處（即d1為0.4 m），改變模擬人與天線的距離d2，進行操作沖擊放電試驗，試驗結果見表3.表2和表3中所有試驗數(shù)據(jù)均已按GB 16927.1—2011修正為標準氣象條件下的數(shù)據(jù).根據(jù)表2和表3數(shù)據(jù)，繪制相應操作沖擊放電特性曲線，如圖7所示.

圖7 四個試驗的操作沖擊放電特性曲線Fig.7 The switching impulse discharge characteristic curves of the four tests

表2 試驗1和試驗2結果Tab.2 Results of test 1 and test 2

表3 試驗3和試驗4結果Tab.3 Results of test 3 and test 4

2.5 安全間距確定

根據(jù)上述試驗結果，按式（2）計算得到四個間隙的間隙系數(shù)，從嚴考慮，取各間隙的間隙系數(shù)最小值，然后按前述計算方法計算安全間距.考慮人體占位間隙0.5 m后，最終算得海拔0 m處的110 kV線路共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距如表4所示.

表4 110 kV線路共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距（海拔0 m）Tab.4 Live working safe distance for 110 kV shared tower（altitude 0 m）

3 結論

1）整體上，110 kV共享鐵塔周圍地面水平區(qū)域的射頻電場強度隨距離的增加而先增后減，電磁輻射水平較弱，最大不超過1.5 V/m；鐵塔主材內側和外側的射頻電場強度都隨高度的增加而先增后減，鐵塔主材內側場強值較小，最大不超過6 V/m，鐵塔主材外側場強值較大，極值可達154.6 V/m.

2）場區(qū)劃分規(guī)則：當區(qū)域內射頻電場強度不超過12 V/m時，該區(qū)域為弱場區(qū)；否則該區(qū)域為強場區(qū).在強場區(qū)工作的運檢人員在采取傳統(tǒng)工頻電場防護措施的同時，還需采取微波輻射防護措施，如穿著防護等級為A級或B級的整體式微波輻射防護服.

3）海拔0 m處110 kV線路共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距：等電位人員對側面桿塔構架和對下方橫擔的最小安全距離分別為1.3 m和1.4 m，人員進出等電位時與側面桿塔構架和下方橫擔應滿足的最小組合間隙均為1.5 m.