城市高压交流输电线路对电磁环境的影响研究

陈斌 雷东 张祺 刘斐 徐凌悦

第一作者简介：陈斌（1990-），男，硕士，工程师。研究方向为电网工程建设管理与创新。

*通信作者：张祺（1994-），男，博士。研究方向为环境影响评价。

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

摘  要：电磁环境承载无线电通信、广播和观测等业务，支撑移动互联网、物联网、卫星电视和射电望远镜等新型基础设施，保护电磁环境成为交流输变电系统设计运行的关键。该研究选取城市常见的架空220 kV交流输电线路为研究对象，测量某线路附近地面及居民楼内电场和磁场强度，分析电磁干扰的来源、产生机理、频域特征和空间衰减过程，比照城市常见无线电业务的频段和調制方式，得到典型工况下输电线路对无线电信号信噪比的影响规律，提出输电系统影响下，电磁环境保护和通信增益措施。

关键词：电磁环境；输变电；环境影响评价；无线电业务；交流输电线路；电磁辐射

中图分类号：TM75        文献标志码：A          文章编号：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

居民用电量连年攀升，2022年城乡居民生活用电量13 366亿千瓦时，同比增长13.8%，城市高压输电线路容量随之扩大，电压等级升高，回路数量增加，电磁环境影响加剧；同时，线路周围用地更加紧张，建成许多居民区和学校。这2方面因素加剧了输电线路电磁环境影响与群众利用电磁环境进行无线通信的矛盾，输电线路对无线电信号的影响规律和减缓措施成为亟待解决的技术问题。

现有研究较好地解决了输电线路电磁干扰的产生机理，明确了干扰来源，且针对不同工程类型建立了电磁环境评价和管理体系并广泛应用。输电线路电晕和火花放电辐射等有源干扰[1-5]、塔架等金属结构产生的屏蔽效应和多径效应等无源干扰[6-7]是影响无线信号的主要原因，工频电磁辐射与无线电频率相差很大，一般不会产生干扰，但其产生的感应电流却可能损坏天线[8]。为了有效管理电磁环境，针对电磁环境敏感目标，提出了保护距离标准[9-14]，并将国土空间划分出环境电磁功能区[15]，确保电磁环境得到有效利用；针对工程建设，建立了电磁环境影响评价制度[16-17]，确保工程的电磁环境影响达到所在电磁环境功能区的保护要求，保护敏感目标不受电磁污染；针对具体设施，建立了电磁辐射技术标准体系[18]。这些标准规范体系，在高压（1～330 kV）[19-21]、超高压（330～1 000 kV）[22-24]、特高压（1 000 kV以上）[25-26]等不同电压等级、回路数量[27]、塔型[28]的交流输电系统于好天气、风沙、覆冰等不同环境下[29-33]的电磁辐射情况均有具体工程的应用研究。

在城市高压配电网优化重构[34-35]的需求引领下，110/220 kV高压输电线路深入城市中心，节约了送电通道空间，降低了供电线损，但同时也加剧了电磁环境影响与保护的矛盾。110/220 kV高压输电线路构成的城市高压配电网，建设环境比超高压、特高压等长距离输电线路更敏感，电磁辐射影响却比35 kV等较低电压的输电线路大，110/220 kV高压输电线路采用地下敷设[36]或地面绝缘气体敷设[37]等形式的成本也较高，因而仍然大量采用电磁环境影响大的架空线缆形式，成为电磁环境保护的焦点。

本研究选取既有220 kV架空输电线路新建住宅楼和学校为案例，测量电场强度和磁场强度，研究输电线路下方地面附近和居民楼内部的电磁场强度分布規律及其对无线通信的潜在影响，提出输电线路运行维保建议和无线电通信增益措施。

1  研究方法

使用便携式电磁辐射仪，实地测量某架空220 kV交流输电线路附近地面及居民楼内电场和磁场强度，根据类似项目电磁频谱，换算出本工程的电磁强度频谱，比照调幅广播（AM）、调频广播（FM）、数字视频广播（DVB）、业余无线电（HAM）、无线网络（Wi-Fi）和5G移动通信的频谱范围，得到交流输电线路影响下无线电信号信噪比的分布规律。

电磁辐射仪使用DELIXI DLY-1701型，可同时测量电场强度和磁场强度，仪器由制造商送检，北京市计量检测科学研究院校准，仪器参数见表1。每次测量在监测点停留，待读数稳定后30 s记录，仪器高度距离地面1.5 m。

表1  电磁辐射仪主要技术参数

研究区位于南方某市，人口密度较大，城市化水平高，电磁空间利用率高，频谱资源紧缺，架空交流输电线路对电磁环境的影响不容忽视。架空线路与地物的分布如图1所示。地面监测点位于架空线路正下方塔架两侧1 m和塔架之间的中点，道路边缘、居民区靠近线路的边界约100 m布置一个测点。具备观测条件的区域，测量电场强度和磁场强度约等于检出限的点位置，以此确定电磁辐射影响区范围。选取监测点时避开明显的电气设备等其他干扰源。

居民楼阳台测量前切断居民入户电源，避免干扰，每隔20 cm布置测点，电磁强度变化大的位置加密测点。

图1  研究区架空高压交流线路与地物平面图

2  结果和讨论

测量时间为2023年5月27日日间，天气多云，南风3～4级，地面温度33.9 ℃，湿度79%，气压101 kPa。地面各测点的电场和磁场强度见表2，水平投影距离指的是测点到塔尖中心线距离的水平投影长度。

表2  某220 kV架空线地面电场和磁场强度

可见，电场和磁场强度的离散程度较大，这是由于高压输电线路的电场强度主要由工频辐射贡献，而工频辐射容易被地面、金属构筑物等导体吸收，因部分测点受到塔杆、路边护栏等的影响，强度明显下降。剔除离群点后，电场随距离增加而降低的趋势很明显。实测的最大电场强度为468 V/m，远低于公众暴露控制限值8 000 V/m；最大磁场强度为3.09 μT，远低于50 Hz的公众暴露控制限值16 μT。

电场强度、磁场强度随水平距离的变化情况如图2所示。

图2  电场强度和磁场强度随水平距离的变化规律

电磁场强度易受地面物体吸收，因而实测的最大值相比平均值更有统计意义，针对实测的电场强度和磁场强度绘制外包线，由图2可知，外包线均符合反比例函数，220 kV架空交流输电线路地面电场强度的外包线为

E（x）=■，

式中：E为电场强度，V/m；x为至导线中心线垂直投影的距离，m。曲线与y轴的交点即为可能产生的最大电场，在本文的研究案例中，为833 V/m。

220 kV架空交流输电线路地面磁场强度的外包线为

B（x）=■

式中：B为磁场强度，μT；x为至导线中心线垂直投影的距离，m。曲线与y轴的交点即为可能产生的最大磁场，在本文的研究案例中，为4.5 μT。

居民楼的高层住户距离高压输电线路更近，特别是垂直高度接近，这种情况超出了输电线路选址、设计时的预期，建设期的环境影响评价和建成后的日常电磁监测也未考虑这种工况。输电线路对居民楼内部的电磁环境影响成为受到广泛关注的技术问题。本案例中，居民楼南侧正对输电线路，选取距离输电线路较近的居民楼阳台进行测量，测点距离输电线路最下层的垂直距离约10 m，檐口到输电线路的水平距离约20 m。墙壁对电场的遮蔽效应非常明显，窗口外侧电场强度急剧升高，而窗口内侧即便是没有墙壁遮挡的区域电场强度也非常低，而到了阳台内侧，靠近阳台门的位置，电场强度低于检出限。

架空线路电磁辐射对无线电业务的影响，需要结合无线电使用的频谱范围和调制解调方式进行分析，常见无线电业务的概况见表3。

调频和调幅分别利用电磁波的频率变化和振幅变化传递信号，目前绝大多数（音频）广播业务都使用模拟信号，数字信号（音频）广播处于试点阶段，而视频广播传递的数据量大，所需带宽高，因而在发展期普及了数字信号，卫星信号使用四相相移键控（Quadrature Phase Shift Keying， QPSK）调制、地面站信号使用正交频分复用（Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，OFDM），智能家居等物联网设备常用的ZigBee协议也采用类似调制方式。Wi-Fi和移动通信使用的正交幅度调制（Quadrature Amplitude Modulation，QAM）是将信号加载到2个正交的载波上（通常是正弦和余弦），通过对这2个载波幅度调整并叠加，最终得到相位和幅度都调制过的信号。而业余无线电业务只是限定频段，这些频段上使用的调制方式由用户自行确定。

表3  无线电业务使用的频谱范围、调制方式

电磁辐射对这些业务的影响方式也不同，对于模拟信号，主要干扰效果是失真，对于数字信号，主要干扰效果是误码，传输过程中的误码可由上层协议修正或重传，误码达到阈值则通信中断。

根据电磁场测量结果，建筑外墙很好地屏蔽了室外输电线路的电磁辐射，因而发射端和接收端均位于室内的无线通信如Wi-Fi无线网络、ZigBee智能家居、蓝牙无线网络几乎不会受到输电线路影响，进而输电线路电磁辐射也会不在室内的有线线路上产生感应电动势，对同轴电缆、双绞线、音频模拟信号线没有干扰。但发射端和接收端分别处于室内和室外的通信情况受到多种因素影响，输电线路电磁辐射对模拟信号的质量影响较大，对调幅广播的影响最为直接，可在电力设施保护区（本案例为线路外侧15 m）外背对输电线路设置室外天线；业余无线电业务如对讲机（手台），因发射功率较小且普遍使用模拟信号，也易受到输电线路干扰，可在电力设施保护区外设置中继台增强通信质量，也可换用数字手台，在功率满足法规的情况下，抗干扰能力和通信范围相比模拟手台有较大提升；市区调频广播电台的发射功率较大，输电线路影响的可感知性不高。输电线路电磁辐射对数字信号的影响较小，但叠加通信线路无源干扰和建筑物外墙遮蔽等因素后，5G移动通信使用的高频高码率无线信号在室内使用效果可能下降，应考虑布置5G室内天线、微站增强室内通信质量。

3  结论

220 kV架空输电线路电场强度易受导体遮蔽和吸收，地面空旷处电场和附近居民楼外墙外侧较高。线路正下方高达400 V/m，水平距离20 m处高达169 V/m，磁场强度受金属遮蔽物的影响较小，线路正下方高达3 μT，均符合国家标准中的限值。

220 kV架空输电线路电磁辐射对附近居民楼的室内的无线通信几乎没有影响，对室内室外之间的无线通信影响情况不一。对调频广播、数字视频广播、5G移动通信的影响较小，但对调幅广播和业余无线电影响较大，特别是发射端和接收端位于线路两侧时，无源干扰和有源干扰叠加，影响最大；建筑物外的电场强度和磁场强度较大，天线避免布置在屋顶、外墙，可布设在室内。

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