張 準(zhǔn)，彭 勇，劉 凱，雷興列，張瑞卿

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

隨著我國(guó)5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，鐵塔公司原有站址數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，而電網(wǎng)公司輸電鐵塔遍布各地，移動(dòng)基站共址高壓輸電鐵塔（即共享鐵塔）的模式應(yīng)運(yùn)而生［1-4］.然而，在輸電鐵塔上安裝基站天線，給輸電鐵塔周?chē)倪\(yùn)檢工作帶來(lái)了新問(wèn)題：一是天線產(chǎn)生的射頻輻射問(wèn)題；二是天線改變了間隙電極結(jié)構(gòu)形式導(dǎo)致帶電作業(yè)安全間距需重新確定.

目前，還未見(jiàn)相關(guān)文獻(xiàn)研究共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距，國(guó)內(nèi)外對(duì)共享鐵塔上天線產(chǎn)生的射頻輻射問(wèn)題研究還比較少.共享鐵塔與信號(hào)塔的結(jié)構(gòu)不同，因此兩者射頻電磁場(chǎng)分布存在較大差異.IEEE標(biāo)準(zhǔn)［5］從管理執(zhí)行角度明確了共享鐵塔運(yùn)維人員射頻輻射防護(hù)措施，如應(yīng)穿著射頻輻射防護(hù)服，但未劃分需執(zhí)行上述措施的區(qū)域，而實(shí)際上共享鐵塔周?chē)⒉皇撬袇^(qū)域的射頻輻射都超標(biāo).目前相關(guān)文獻(xiàn)［6-7］大多研究的是輸電導(dǎo)線電場(chǎng)對(duì)通信傳輸?shù)碾姶鸥蓴_.沈丹青等［8］對(duì)共享鐵塔上天線輻射場(chǎng)及多天線耦合特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，但并未給出共享鐵塔上的射頻電磁場(chǎng)分布結(jié)果.唐波等［9-10］研究了共享鐵塔上天線對(duì)在線監(jiān)測(cè)設(shè)備的電磁干擾和防護(hù)，提出了共享鐵塔無(wú)源干擾水平改進(jìn)求解方法，獲得了天線散射場(chǎng)求解模型，但缺乏真實(shí)共享鐵塔場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證.由于不同頻率的電磁輻射對(duì)人體的影響機(jī)制有所不同，國(guó)標(biāo)［11］對(duì)不同頻率范圍的電磁輻射限值進(jìn)行了差異化規(guī)定，因此測(cè)量工頻和射頻的合成場(chǎng)實(shí)用價(jià)值較低.而目前針對(duì)輸電線路工頻電磁場(chǎng)分布特性的研究已比較成熟［12-16］，線路運(yùn)維人員所應(yīng)采取的工頻電磁輻射防護(hù)措施也已明確，所以?xún)H需研究共享鐵塔的射頻電磁場(chǎng)分布.

鑒此，以110 kV共享鐵塔為例，針對(duì)試點(diǎn)的110 kV共享鐵塔，從水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行射頻電磁場(chǎng)分布測(cè)量，分析共享鐵塔的射頻電磁場(chǎng)分布特性，提出強(qiáng)弱場(chǎng)區(qū)劃分方法并對(duì)工作區(qū)域進(jìn)行劃分，同時(shí)，針對(duì)110 kV模擬共享鐵塔，進(jìn)行帶電作業(yè)間隙操作沖擊放電試驗(yàn)，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(yùn)檢工作提供技術(shù)支撐.

1 共享鐵塔射頻電磁場(chǎng)分布測(cè)量及場(chǎng)區(qū)劃分

根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［17］，移動(dòng)通信基站周?chē)姶艌?chǎng)的環(huán)境監(jiān)測(cè)以電場(chǎng)強(qiáng)度或功率密度為指標(biāo).因此，選取電場(chǎng)強(qiáng)度作為共享鐵塔射頻電磁場(chǎng)分布的測(cè)量指標(biāo).

1.1 測(cè)量對(duì)象

選取湖北宜昌的某110 kV共享鐵塔為測(cè)量對(duì)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(gè)中國(guó)移動(dòng)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(cè)量方案

為避免輸電線路自身產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)的干擾，測(cè)量設(shè)備的頻率測(cè)量下限應(yīng)遠(yuǎn)高于工頻.測(cè)量設(shè)備采用NBM-EF-0391電場(chǎng)測(cè)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(cè)量范圍是100 kHz～3 GHz，場(chǎng)強(qiáng)最大測(cè)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(shí)地測(cè)量需根據(jù)運(yùn)檢人員的活動(dòng)范圍確定測(cè)量點(diǎn)的位置，從而確保測(cè)量數(shù)據(jù)具有代表性和準(zhǔn)確性.運(yùn)檢人員一般在輸電鐵塔周?chē)牡孛鎱^(qū)域活動(dòng)，或通過(guò)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(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度比鄰近線路上的大，另外考慮到在帶電導(dǎo)線上開(kāi)展場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量工作較困難，因此選擇垂直方向的鐵塔內(nèi)外側(cè)作為測(cè)量區(qū)域，同時(shí)對(duì)鐵塔周?chē)牡孛嫠絽^(qū)域也進(jìn)行測(cè)量.

實(shí)際測(cè)量時(shí)，將四根主材分別編號(hào)為1、2、3、4，其中4號(hào)主材上未掛載天線.在地面水平方向上，以3號(hào)主材底部為原點(diǎn)，以3號(hào)主材上所掛天線的主瓣軸向?yàn)閄軸，以X軸垂直方向?yàn)閅軸建立平面坐標(biāo)系.采用網(wǎng)格法選取測(cè)量點(diǎn)，每個(gè)網(wǎng)格邊長(zhǎng)2 m，以網(wǎng)格中心為測(cè)量點(diǎn)，從原點(diǎn)開(kāi)始測(cè)量，最后在測(cè)得最大場(chǎng)強(qiáng)值處分別沿X、Y軸的正、負(fù)方向隔1 m補(bǔ)加測(cè)量點(diǎn)，共補(bǔ)加四個(gè)測(cè)量點(diǎn).在垂直方向上，從每根主材底部開(kāi)始，隨高度增加每隔1 m選取一個(gè)測(cè)量點(diǎn)，一直測(cè)量到塔頭處，鐵塔內(nèi)外側(cè)測(cè)量點(diǎn)分別距離主材1 m.實(shí)地測(cè)量照片如圖2所示.

圖2 實(shí)地測(cè)量照片F(xiàn)ig.2 Field measurement photo

1.3 測(cè)量結(jié)果

按上述方案開(kāi)展實(shí)地測(cè)量，并將所獲測(cè)量數(shù)據(jù)繪圖，如圖3所示.

由圖3 a可知，在共享鐵塔周?chē)孛嫠絽^(qū)域，電場(chǎng)強(qiáng)度的整體變化趨勢(shì)是隨距離增加而先增后減.從鐵塔底部逐漸進(jìn)入天線主瓣影響區(qū)域的過(guò)程中，電場(chǎng)強(qiáng)度在增加，當(dāng)其達(dá)到最大值后，隨距離的增加而波動(dòng)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(guò)1.5 V/m.

由圖3 b和c可知，鐵塔主材內(nèi)側(cè)和外側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)值最大，在天線上方和下方的2 m垂直區(qū)域內(nèi)，場(chǎng)強(qiáng)值變化顯著.鐵塔主材內(nèi)側(cè)場(chǎng)強(qiáng)值整體較小，最大不超過(guò)6 V/m.相比于鐵塔主材內(nèi)側(cè)，鐵塔主材外側(cè)的電場(chǎng)強(qiáng)度較大，其在天線正面因正對(duì)天線輻射區(qū)域而場(chǎng)強(qiáng)極值達(dá)154.6 V/m.由于4號(hào)主材未掛載天線，整體來(lái)看，其內(nèi)外兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值明顯小于其他三根主材內(nèi)外兩側(cè)的場(chǎng)強(qiáng)值.

圖3 電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果Fig.3 Measurement results of electric field intensity

1.4 場(chǎng)區(qū)劃分及防護(hù)措施

為控制電磁環(huán)境中的公眾曝露，國(guó)標(biāo)［11］規(guī)定：電磁場(chǎng)頻率在30～3000 MHz范圍內(nèi)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)不超過(guò)12 V/m，頻率在3000～15 000 MHz范圍內(nèi)時(shí)，電場(chǎng)強(qiáng)度應(yīng)不超過(guò)0.22f0.5V/m（f為頻率，MHz）.目前國(guó)內(nèi)各運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)頻率最高不超過(guò)5000 MHz，按上述標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，電場(chǎng)強(qiáng)度最大應(yīng)不超過(guò)15.6 V/m.從嚴(yán)考慮，以12 V/m為限值來(lái)制定場(chǎng)區(qū)劃分規(guī)則，具體如下：當(dāng)區(qū)域內(nèi)射頻電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)12 V/m時(shí)，該區(qū)域被劃分為弱場(chǎng)區(qū)；否則，該區(qū)域被劃分為強(qiáng)場(chǎng)區(qū).

按上述場(chǎng)區(qū)劃分規(guī)則，對(duì)共享鐵塔周?chē)\(yùn)檢人員的工作區(qū)域進(jìn)行劃分：弱場(chǎng)區(qū)包括共享鐵塔周?chē)孛嫠絽^(qū)域、鐵塔主材內(nèi)側(cè)垂直區(qū)域、鐵塔主材外側(cè)天線上方和下方2 m以外的垂直區(qū)域；強(qiáng)場(chǎng)區(qū)包括鐵塔主材外側(cè)天線上方和下方2 m以?xún)?nèi)的垂直區(qū)域，以及鐵塔外部天線正面區(qū)域.

弱場(chǎng)區(qū)電磁輻射較弱，運(yùn)檢人員不需要特殊防護(hù).對(duì)于強(qiáng)場(chǎng)區(qū)，由于電磁輻射超標(biāo)，運(yùn)檢人員需穿著全身屏蔽的整體式微波輻射防護(hù)服.根據(jù)國(guó)標(biāo)［18］，微波輻射防護(hù)服的屏蔽效能計(jì)算公式為：

式中：SE為屏蔽效能，dB；E0為未穿著微波輻射防護(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m；E1為穿著微波輻射防護(hù)服時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度，V/m.

考慮一定裕度，設(shè)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(guó)標(biāo)［18］規(guī)定，微波輻射防護(hù)服的防護(hù)等級(jí)分為A級(jí)、B級(jí)和C級(jí)，相應(yīng)的屏蔽效能分別為50、30、10 dB.因此，在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)工作的運(yùn)檢人員宜穿著防護(hù)等級(jí)為A級(jí)或B級(jí)的整體式微波輻射防護(hù)服.

在傳統(tǒng)110 kV輸電鐵塔上工作的運(yùn)檢人員需穿著專(zhuān)用的屏蔽服或防護(hù)服來(lái)保護(hù)自身免受工頻電場(chǎng)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(hù)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(duì)射頻輻射產(chǎn)生有效的屏蔽作用.鑒此，對(duì)于共享鐵塔上作業(yè)人員的電磁輻射防護(hù)問(wèn)題，可采取以下兩種解決措施：一種措施是對(duì)現(xiàn)有I型帶電作業(yè)屏蔽服和交流高壓靜電防護(hù)服進(jìn)行改進(jìn)，在保留其原有功能的基礎(chǔ)上，使其對(duì)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(hù)等級(jí)為A級(jí)或B級(jí)的微波輻射防護(hù)服的基礎(chǔ)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(hù)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(yàn)研究

帶電作業(yè)是輸電運(yùn)檢工作的重要技術(shù)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(jié)構(gòu)形式發(fā)生改變，導(dǎo)致帶電作業(yè)安全間距需重新確定.為解決此問(wèn)題，開(kāi)展了共享鐵塔帶電作業(yè)安全間距試驗(yàn)研究.

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容分析

塔上天線可安裝在塔身處導(dǎo)線以下位置和塔頭處導(dǎo)線以下位置，110 kV線路帶電作業(yè)人員一般通過(guò)軟、硬梯進(jìn)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(shí)；②人員從桿塔構(gòu)架進(jìn)出等電位；③人員從地面進(jìn)出等電位.

針對(duì)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(shí)及進(jìn)出等電位過(guò)程中的間隙電極結(jié)構(gòu)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(duì)側(cè)面桿塔構(gòu)架最小安全距離、等電位人員對(duì)其下方橫擔(dān)最小安全距離、人員進(jìn)出等電位與側(cè)面桿塔構(gòu)架應(yīng)滿足的最小組合間隙、人員進(jìn)出等電位與其下方橫擔(dān)應(yīng)滿足的最小組合間隙.因此，需針對(duì)上述四種間隙進(jìn)行操作沖擊放電試驗(yàn).

2.2 試驗(yàn)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(qiáng)度角鋼按1∶1比例加工模擬塔頭及塔身.試驗(yàn)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(gòu)架連接.試驗(yàn)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(yàn)用天線Fig.5 The antenna for test

2.3 計(jì)算方法

IEC標(biāo)準(zhǔn)［19］推薦的空氣間隙緩波前過(guò)電壓絕緣特性的經(jīng)驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)，利用式（2）計(jì)算求取K，進(jìn)而得出該間隙的操作沖擊放電電壓公式.

對(duì)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(guò)電壓.

系統(tǒng)最大過(guò)電壓為：

式中：Kr為電壓升高系數(shù)；K0為系統(tǒng)過(guò)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(yàn)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(biāo)準(zhǔn)偏差，取0.06.

根據(jù)行標(biāo)［20］，110 kV線路（非直接接地系統(tǒng)）過(guò)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(jì)算出間隙的絕緣耐受電壓為433.8 kV.再根據(jù)式（5）計(jì)算出U50為529.0 kV.最后結(jié)合試驗(yàn)所得的間隙操作沖擊放電電壓公式，可計(jì)算出帶電作業(yè)安全間距.

2.4 試驗(yàn)布置及試驗(yàn)結(jié)果

針對(duì)前述四種間隙進(jìn)行試驗(yàn)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(duì)側(cè)面桿塔構(gòu)架最小安全距離試驗(yàn)布置圖，圖6 b為等電位人員對(duì)其下方橫擔(dān)最小安全距離試驗(yàn)布置圖，圖6 c為人員進(jìn)出等電位與側(cè)面桿塔構(gòu)架應(yīng)滿足的最小組合間隙試驗(yàn)布置圖，圖6 d為人員進(jìn)出等電位與其下方橫擔(dān)應(yīng)滿足的最小組合間隙試驗(yàn)布置圖.

圖6 試驗(yàn)布置示意圖Fig.6 Schematic diagrams of test layout

試驗(yàn)1和試驗(yàn)2中，將模擬人與導(dǎo)線相連保持等電位，調(diào)節(jié)模擬人與天線的間隙距離d，進(jìn)行操作沖擊放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.試驗(yàn)3和試驗(yàn)4中，將模擬人固定在距導(dǎo)線0.4 m處（即d1為0.4 m），改變模擬人與天線的距離d2，進(jìn)行操作沖擊放電試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3.表2和表3中所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均已按GB 16927.1—2011修正為標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)操作沖擊放電特性曲線，如圖7所示.

圖7 四個(gè)試驗(yàn)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(yàn)1和試驗(yàn)2結(jié)果Tab.2 Results of test 1 and test 2

表3 試驗(yàn)3和試驗(yàn)4結(jié)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(yàn)結(jié)果，按式（2）計(jì)算得到四個(gè)間隙的間隙系數(shù)，從嚴(yán)考慮，取各間隙的間隙系數(shù)最小值，然后按前述計(jì)算方法計(jì)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(jié)論

1）整體上，110 kV共享鐵塔周?chē)孛嫠絽^(qū)域的射頻電場(chǎng)強(qiáng)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(guò)1.5 V/m；鐵塔主材內(nèi)側(cè)和外側(cè)的射頻電場(chǎng)強(qiáng)度都隨高度的增加而先增后減，鐵塔主材內(nèi)側(cè)場(chǎng)強(qiáng)值較小，最大不超過(guò)6 V/m，鐵塔主材外側(cè)場(chǎng)強(qiáng)值較大，極值可達(dá)154.6 V/m.

2）場(chǎng)區(qū)劃分規(guī)則：當(dāng)區(qū)域內(nèi)射頻電場(chǎng)強(qiáng)度不超過(guò)12 V/m時(shí)，該區(qū)域?yàn)槿鯃?chǎng)區(qū)；否則該區(qū)域?yàn)閺?qiáng)場(chǎng)區(qū).在強(qiáng)場(chǎng)區(qū)工作的運(yùn)檢人員在采取傳統(tǒng)工頻電場(chǎng)防護(hù)措施的同時(shí)，還需采取微波輻射防護(hù)措施，如穿著防護(hù)等級(jí)為A級(jí)或B級(jí)的整體式微波輻射防護(hù)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(duì)側(cè)面桿塔構(gòu)架和對(duì)下方橫擔(dān)的最小安全距離分別為1.3 m和1.4 m，人員進(jìn)出等電位時(shí)與側(cè)面桿塔構(gòu)架和下方橫擔(dān)應(yīng)滿足的最小組合間隙均為1.5 m.