110 kV共享铁塔安全运检技术参数研究

张 准，彭 勇，刘 凯，雷兴列，张瑞卿

（1.中国电力科学研究院有限公司，武汉 430074；2.北京交通大学，北京 100044）

随着我国5G网络建设规模的不断扩大，铁塔公司原有站址数量远远不够，而电网公司输电铁塔遍布各地，移动基站共址高压输电铁塔（即共享铁塔）的模式应运而生［1-4］.然而，在输电铁塔上安装基站天线，给输电铁塔周围的运检工作带来了新问题：一是天线产生的射频辐射问题；二是天线改变了间隙电极结构形式导致带电作业安全间距需重新确定.

目前，还未见相关文献研究共享铁塔带电作业安全间距，国内外对共享铁塔上天线产生的射频辐射问题研究还比较少.共享铁塔与信号塔的结构不同，因此两者射频电磁场分布存在较大差异.IEEE标准［5］从管理执行角度明确了共享铁塔运维人员射频辐射防护措施，如应穿着射频辐射防护服，但未划分需执行上述措施的区域，而实际上共享铁塔周围并不是所有区域的射频辐射都超标.目前相关文献［6-7］大多研究的是输电导线电场对通信传输的电磁干扰.沈丹青等［8］对共享铁塔上天线辐射场及多天线耦合特性进行了仿真计算，但并未给出共享铁塔上的射频电磁场分布结果.唐波等［9-10］研究了共享铁塔上天线对在线监测设备的电磁干扰和防护，提出了共享铁塔无源干扰水平改进求解方法，获得了天线散射场求解模型，但缺乏真实共享铁塔场强测量数据的验证.由于不同频率的电磁辐射对人体的影响机制有所不同，国标［11］对不同频率范围的电磁辐射限值进行了差异化规定，因此测量工频和射频的合成场实用价值较低.而目前针对输电线路工频电磁场分布特性的研究已比较成熟［12-16］，线路运维人员所应采取的工频电磁辐射防护措施也已明确，所以仅需研究共享铁塔的射频电磁场分布.

鉴此，以110 kV共享铁塔为例，针对试点的110 kV共享铁塔，从水平和垂直两个方向进行射频电磁场分布测量，分析共享铁塔的射频电磁场分布特性，提出强弱场区划分方法并对工作区域进行划分，同时，针对110 kV模拟共享铁塔，进行带电作业间隙操作冲击放电试验，获取各典型工况的带电作业安全间距，以期为110 kV共享铁塔的安全运检工作提供技术支撑.

1 共享铁塔射频电磁场分布测量及场区划分

根据行业标准［17］，移动通信基站周围电磁场的环境监测以电场强度或功率密度为指标.因此，选取电场强度作为共享铁塔射频电磁场分布的测量指标.

1.1 测量对象

选取湖北宜昌的某110 kV共享铁塔为测量对象，如图1所示.该塔为鼓形双回路塔，邻近四周区域是草地，东北方向约1 km外是房屋建筑.在该塔塔身四根主材中的三根上各挂载了一个中国移动的板状基站天线，天线的主要参数如表1所示.

图1 湖北宜昌110 kV共享铁塔Fig.1 The 110 kV shared tower in Yichang，Hubei

表1 天线主要参数Tab.1 Main parameters of the antenna

1.2 测量方案

为避免输电线路自身产生的工频电磁场的干扰，测量设备的频率测量下限应远高于工频.测量设备采用NBM-EF-0391电场测量探头及NBM-520宽带电磁辐射分析仪.NBM-EF-0391采用三维全向探头，其频率测量范围是100 kHz～3 GHz，场强最大测量值是320 V/m.NBM-520宽带电磁辐射分析仪的频率范围覆盖100 kHz～60 GHz.

实地测量需根据运检人员的活动范围确定测量点的位置，从而确保测量数据具有代表性和准确性.运检人员一般在输电铁塔周围的地面区域活动，或通过铁塔主材上的脚钉登塔并在邻近线路上作业.由于天线主瓣辐射区域的射频电场强度随着与天线距离的增加而不断减小，所以紧邻天线主瓣区域的射频电场强度比邻近线路上的大，另外考虑到在带电导线上开展场强测量工作较困难，因此选择垂直方向的铁塔内外侧作为测量区域，同时对铁塔周围的地面水平区域也进行测量.

实际测量时，将四根主材分别编号为1、2、3、4，其中4号主材上未挂载天线.在地面水平方向上，以3号主材底部为原点，以3号主材上所挂天线的主瓣轴向为X轴，以X轴垂直方向为Y轴建立平面坐标系.采用网格法选取测量点，每个网格边长2 m，以网格中心为测量点，从原点开始测量，最后在测得最大场强值处分别沿X、Y轴的正、负方向隔1 m补加测量点，共补加四个测量点.在垂直方向上，从每根主材底部开始，随高度增加每隔1 m选取一个测量点，一直测量到塔头处，铁塔内外侧测量点分别距离主材1 m.实地测量照片如图2所示.

图2 实地测量照片Fig.2 Field measurement photo

1.3 测量结果

按上述方案开展实地测量，并将所获测量数据绘图，如图3所示.

由图3 a可知，在共享铁塔周围地面水平区域，电场强度的整体变化趋势是随距离增加而先增后减.从铁塔底部逐渐进入天线主瓣影响区域的过程中，电场强度在增加，当其达到最大值后，随距离的增加而波动衰减.整体上地面水平区域的电磁辐射水平较弱，最大值不超过1.5 V/m.

由图3 b和c可知，铁塔主材内侧和外侧的电场强度都是随高度的增加而先增后减，并且在与天线等高处的场强值最大，在天线上方和下方的2 m垂直区域内，场强值变化显著.铁塔主材内侧场强值整体较小，最大不超过6 V/m.相比于铁塔主材内侧，铁塔主材外侧的电场强度较大，其在天线正面因正对天线辐射区域而场强极值达154.6 V/m.由于4号主材未挂载天线，整体来看，其内外两侧的场强值明显小于其他三根主材内外两侧的场强值.

图3 电场强度测量结果Fig.3 Measurement results of electric field intensity

1.4 场区划分及防护措施

为控制电磁环境中的公众曝露，国标［11］规定：电磁场频率在30～3000 MHz范围内时，电场强度应不超过12 V/m，频率在3000～15 000 MHz范围内时，电场强度应不超过0.22f0.5V/m（f为频率，MHz）.目前国内各运营商的网络频率最高不超过5000 MHz，按上述标准计算，电场强度最大应不超过15.6 V/m.从严考虑，以12 V/m为限值来制定场区划分规则，具体如下：当区域内射频电场强度不超过12 V/m时，该区域被划分为弱场区；否则，该区域被划分为强场区.

按上述场区划分规则，对共享铁塔周围运检人员的工作区域进行划分：弱场区包括共享铁塔周围地面水平区域、铁塔主材内侧垂直区域、铁塔主材外侧天线上方和下方2 m以外的垂直区域；强场区包括铁塔主材外侧天线上方和下方2 m以内的垂直区域，以及铁塔外部天线正面区域.

弱场区电磁辐射较弱，运检人员不需要特殊防护.对于强场区，由于电磁辐射超标，运检人员需穿着全身屏蔽的整体式微波辐射防护服.根据国标［18］，微波辐射防护服的屏蔽效能计算公式为：

式中：SE为屏蔽效能，dB；E0为未穿着微波辐射防护服时的电场强度，V/m；E1为穿着微波辐射防护服时的电场强度，V/m.

考虑一定裕度，设E0为200 V/m，E1为10 V/m，则按照式（1）可得屏蔽效能SE为26 dB.国标［18］规定，微波辐射防护服的防护等级分为A级、B级和C级，相应的屏蔽效能分别为50、30、10 dB.因此，在强场区工作的运检人员宜穿着防护等级为A级或B级的整体式微波辐射防护服.

在传统110 kV输电铁塔上工作的运检人员需穿着专用的屏蔽服或防护服来保护自身免受工频电场的伤害，其中，等电位作业人员需穿着I型带电作业屏蔽服，塔上地电位作业人员需穿着交流高压静电防护服.然而，这两种服装均为分体式，其上衣、裤子、袜子、手套等各组件之间不是紧密连成一体的，且不具有屏蔽面罩，因此不能对射频辐射产生有效的屏蔽作用.鉴此，对于共享铁塔上作业人员的电磁辐射防护问题，可采取以下两种解决措施：一种措施是对现有I型带电作业屏蔽服和交流高压静电防护服进行改进，在保留其原有功能的基础上，使其对微波辐射具有30 dB及以上的屏蔽效能；另一种措施是在穿着防护等级为A级或B级的微波辐射防护服的基础上，再穿着I型带电作业屏蔽服（等电位作业人员）或交流高压静电防护服（地电位作业人员）.

2 共享铁塔带电作业安全间距试验研究

带电作业是输电运检工作的重要技术途径之一.输电铁塔上安装天线后，一些典型作业工况的间隙电极结构形式发生改变，导致带电作业安全间距需重新确定.为解决此问题，开展了共享铁塔带电作业安全间距试验研究.

2.1 试验内容分析

塔上天线可安装在塔身处导线以下位置和塔头处导线以下位置，110 kV线路带电作业人员一般通过软、硬梯进入等电位，因此需研究的典型作业工况包括：①等电位作业时；②人员从杆塔构架进出等电位；③人员从地面进出等电位.

针对这三种典型作业工况分析可知，在塔上安装天线后，作业人员等电位时及进出等电位过程中的间隙电极结构形式发生了变化，有四种安全间距需研究确定，分别是：等电位人员对侧面杆塔构架最小安全距离、等电位人员对其下方横担最小安全距离、人员进出等电位与侧面杆塔构架应满足的最小组合间隙、人员进出等电位与其下方横担应满足的最小组合间隙.因此，需针对上述四种间隙进行操作冲击放电试验.

2.2 试验条件

按照如图4所示的110 kV线路直线塔典形塔形，采用高强度角钢按1∶1比例加工模拟塔头及塔身.试验用天线如图5所示，尺寸为1.2 m×0.28 m×0.12 m，其背部装有金属夹具，可与铁塔构架连接.试验用模拟人由铝合金制成.

图4 110 kV线路典型塔形（单位：mm）Fig.4 The typical tower type of 110 kV line

图5 试验用天线Fig.5 The antenna for test

2.3 计算方法

IEC标准［19］推荐的空气间隙缓波前过电压绝缘特性的经验公式为：

式中：U50为间隙操作冲击50%放电电压；d为空气间隙距离；K为间隙系数.

根据间隙的操作冲击放电试验数据，利用式（2）计算求取K，进而得出该间隙的操作冲击放电电压公式.

对于110 kV系统的带电作业绝缘配合一般采用惯用法，即：

式中：A为带电作业绝缘配合安全裕度，常取1.2；Uw为绝缘耐受电压；U0⋅max为系统最大过电压.

系统最大过电压为：

式中：Kr为电压升高系数；K0为系统过电压倍数；Un为系统额定电压（有效值），kV.

通常采用比试验所得的U50低3σ的电压值作为带电作业间隙的耐受电压，因此，耐受电压为：

式中：σ为间隙的操作冲击50%放电电压的标准偏差，取0.06.

根据行标［20］，110 kV线路（非直接接地系统）过电压倍数取值为3.5，110 kV线路电压升高系数为1.15，因此根据式（3）和（4）计算出间隙的绝缘耐受电压为433.8 kV.再根据式（5）计算出U50为529.0 kV.最后结合试验所得的间隙操作冲击放电电压公式，可计算出带电作业安全间距.

2.4 试验布置及试验结果

针对前述四种间隙进行试验布置，分别如图6 a、b、c和d所示.其中，图6 a为等电位人员对侧面杆塔构架最小安全距离试验布置图，图6 b为等电位人员对其下方横担最小安全距离试验布置图，图6 c为人员进出等电位与侧面杆塔构架应满足的最小组合间隙试验布置图，图6 d为人员进出等电位与其下方横担应满足的最小组合间隙试验布置图.

图6 试验布置示意图Fig.6 Schematic diagrams of test layout

试验1和试验2中，将模拟人与导线相连保持等电位，调节模拟人与天线的间隙距离d，进行操作冲击放电试验，试验结果见表2.试验3和试验4中，将模拟人固定在距导线0.4 m处（即d1为0.4 m），改变模拟人与天线的距离d2，进行操作冲击放电试验，试验结果见表3.表2和表3中所有试验数据均已按GB 16927.1—2011修正为标准气象条件下的数据.根据表2和表3数据，绘制相应操作冲击放电特性曲线，如图7所示.

图7 四个试验的操作冲击放电特性曲线Fig.7 The switching impulse discharge characteristic curves of the four tests

表2 试验1和试验2结果Tab.2 Results of test 1 and test 2

表3 试验3和试验4结果Tab.3 Results of test 3 and test 4

2.5 安全间距确定

根据上述试验结果，按式（2）计算得到四个间隙的间隙系数，从严考虑，取各间隙的间隙系数最小值，然后按前述计算方法计算安全间距.考虑人体占位间隙0.5 m后，最终算得海拔0 m处的110 kV线路共享铁塔带电作业安全间距如表4所示.

表4 110 kV线路共享铁塔带电作业安全间距（海拔0 m）Tab.4 Live working safe distance for 110 kV shared tower（altitude 0 m）

3 结论

1）整体上，110 kV共享铁塔周围地面水平区域的射频电场强度随距离的增加而先增后减，电磁辐射水平较弱，最大不超过1.5 V/m；铁塔主材内侧和外侧的射频电场强度都随高度的增加而先增后减，铁塔主材内侧场强值较小，最大不超过6 V/m，铁塔主材外侧场强值较大，极值可达154.6 V/m.

2）场区划分规则：当区域内射频电场强度不超过12 V/m时，该区域为弱场区；否则该区域为强场区.在强场区工作的运检人员在采取传统工频电场防护措施的同时，还需采取微波辐射防护措施，如穿着防护等级为A级或B级的整体式微波辐射防护服.

3）海拔0 m处110 kV线路共享铁塔带电作业安全间距：等电位人员对侧面杆塔构架和对下方横担的最小安全距离分别为1.3 m和1.4 m，人员进出等电位时与侧面杆塔构架和下方横担应满足的最小组合间隙均为1.5 m.