典型電力通信共享鐵塔電磁場分布特征研究

張 瑩，許 超，瞿子涵，向梓菡，殷 媛

（1.國網湖北省電力有限公司電力科學研究院，湖北 武漢 430000；2.湖北方源東力電力科學研究有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引 言

電力通信共享鐵塔（下文簡稱“共享鐵塔”）是指將光纜、通信基站以及移動天線等通信設備架設在輸變電線路鐵塔上，通信設備與輸電線路同步運行的共享運行模式[1]。國內自2017年起開始試點啟動共享鐵塔建設，現(xiàn)已在云南、江蘇、海南以及湖北等15個省市都成功實現(xiàn)了驗收投運。目前，行業(yè)對共享鐵塔的電磁場分布特點、環(huán)境影響等方面的研究還不完備，這將對規(guī)范共享鐵塔選址選型設計、深化推廣共享鐵塔項目產生一定的阻礙。

1 共享鐵塔項目典型特征

1.1 國內現(xiàn)有共享鐵塔典型設計

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

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

1.2 共享鐵塔運行與維護

目前，國內運行的共享鐵塔，塔上通信基站、鐵塔及輸電線路分別由出資單位獨立運維，通信基站由所屬運營商負責運行維護，鐵塔及輸電線路由電力公司負責運行維護。對于共享鐵塔運行期間的電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)較少，暫未發(fā)現(xiàn)共享鐵塔電磁環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的公開資料。

2 典型共享鐵塔電磁場分布特征研究

2.1 電磁波傳播特性

電磁波在空間中的傳播通過信道進行，而移動通信信道是一種時變信道，具有不確定性[2]。實際的無線通信網絡中，由于電磁波通過不同物體時產生的繞射和多徑反射，信號會在接收端發(fā)生多徑衰落。同時，當發(fā)射天線和接收天線之間距離增大時還會引起信號的自由空間損耗。在移動基站共址輸電鐵塔這種新的場景下，電磁波傳播比傳統(tǒng)移動基站更加復雜。

2.2 共享鐵塔地面電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測

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

表1 監(jiān)測儀器參數(shù)一覽表

表2 監(jiān)測時間及天氣條件一覽表

本次現(xiàn)狀監(jiān)測布點原則是以共享鐵塔為坐標原點，在邊長為100 m×100 m的正方形區(qū)域內劃分網格，每個網格大小為10 m×10 m。在每個網格中心設置監(jiān)測點位，受地形影響部分網格點的監(jiān)測位置可稍作調整[3,4]。共享鐵塔監(jiān)測網格示意如圖1所示，實測監(jiān)測點位布置如圖2所示。

圖1 共享鐵塔監(jiān)測網格示意圖

監(jiān)測結果顯示，在基站天線主瓣方向上，監(jiān)測結果先隨著距離增加而增大，大約在主瓣方向20～30 m處達到最大，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)測結果先隨著距離增加而增大，在旁瓣方向15～20 m處達到最大，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)測結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)測最大值為1.67 μW/cm2，共享鐵塔周邊地面電磁環(huán)境均能滿足《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）的要求[5,6]。

各共享鐵塔監(jiān)測點位布置情況如圖2所示。

圖2 共享鐵塔實測監(jiān)測點位布置圖

各共享鐵塔監(jiān)測時間及天氣條件如表2所示。

2.3 共享鐵塔天線平臺電磁分布特征

由于已建成的共享鐵塔天線均位于塔身中部，對天線平臺所在區(qū)域進行電磁環(huán)境監(jiān)測較為困難，根據(jù)對共享鐵塔地面電磁環(huán)境現(xiàn)狀監(jiān)測結果判斷，共享鐵塔的電磁環(huán)境與通信基站天線周圍電磁強度分布規(guī)律較為一致。因此選取一處樓頂平臺基站進行監(jiān)測，類比分析共享鐵塔基站天線所在平臺的電磁場分布特征[7,8]。

為全面了解共享鐵塔的電磁場分布特征，在基站北側、東北側以及東側分別設置一處監(jiān)測斷面，每隔1 m設置一處監(jiān)測點位，順序測至5 m處。監(jiān)測點位如圖3所示。

圖3 某樓頂平臺基站平面布置及監(jiān)測點位

監(jiān)測時間為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如圖4所示。

圖4 天線主射方向角度趨勢

根據(jù)檢測結果，基站天線側方與后方的功率密度為（7.65～87.48）μW/cm2，遠大于共享鐵塔地面電磁環(huán)境的監(jiān)測結果，東側監(jiān)測斷面3受天線旁瓣影響的監(jiān)測結果超過了《電磁環(huán)境控制限值》（GB 8702—2014）規(guī)定的標準限值要求0.4 W/m2[9,10]。

3 共享鐵塔電磁場特性研究應用

根據(jù)對所選取共享鐵塔地面電磁環(huán)境的監(jiān)測結果可以看出，共享鐵塔電磁場的分布特性基本符合無線信號傳輸過程中電磁波的傳播特點。在選取塔身中部掛設形式時，地面超標風險不高，但天線平臺仍存在一定的電磁環(huán)境超標風險[11]。

4 結 語

結合監(jiān)測結果分析，共享鐵塔項目選址應綜合考慮以下因素：一是共享鐵塔通信基站天線主瓣方向應盡量避開周邊電磁環(huán)境敏感目標，避免對公眾產生影響；二是共享鐵塔選址時應排除已存在環(huán)保投訴的鐵塔；三是共享鐵塔周邊的電磁環(huán)境敏感目標與天線的直線距離應滿足各基站相應的安全控制距離要求；四是共享鐵塔在位于居民小區(qū)內或周邊選址時，需要與居民樓保持一定的距離，一般大于30 m。