高 压 输 电 线 路 与 GSM 基 站 电 磁 兼 容 性 分 析 王 毅 山 东 电 力 工 程 咨 询 院 电 网 工 程 部 摘 要 : 如 何 解 决 高 压 输 电 线 路 避 让 GSM 基 站 的 问 题, 在 工 程 设 计 中 逐 渐 突 出, 本 文 对 500kV 高 压 输 电 线 路 与 GSM 固 定 基 站 之 间 的 电 磁 兼 容 性 进 行 了 分 析, 提 出 了 一 些 建 议 供 实 际 参 考 关 键 词 :GSM 基 站 高 压 输 电 线 路 电 磁 兼 容 性 1 引 言 高 压 输 电 线 路 对 周 围 电 磁 环 境 的 影 响, 一 直 为 工 程 技 术 人 员 所 关 注, 其 无 线 电 干 扰 主 要 来 自 架 空 高 压 输 电 线 路, 经 过 多 年 的 研 究 和 实 际 测 试, 人 们 已 经 掌 握 30MHz 以 下 的 干 扰 特 性, 而 对 于 更 高 频 率 的 无 线 电 干 扰 现 象 尚 没 有 成 熟 的 理 论 能 够 进 行 较 好 地 模 拟 在 高 压 输 电 线 路 工 程 中, 为 了 反 复 优 化 路 径, 需 要 避 让 大 量 的 GSM 基 站, 但 现 行 的 国 家 标 准 规 程 规 范 均 缺 乏 对 解 决 该 问 题 的 指 导, 给 设 计 工 作 带 来 一 定 难 度 本 文 就 相 关 问 题 进 行 了 系 统 的 调 研, 并 将 500kV 架 空 输 电 线 路 与 GSM 固 定 基 站 间 的 电 磁 兼 容 性 分 析 作 为 本 文 的 重 点, 有 关 结 论 可 供 实 际 参 考 [1,2] 2 GSM 通 信 技 术 的 现 状 及 发 展 GSM 是 Global System for Mobile Communication 的 缩 写, 即 为 全 球 无 线 移 动 通 信 系 统 自 1964 年 IMTS 移 动 系 统 投 入 商 业 运 行,1978 年 贝 尔 实 验 室 AMPS 系 统 的 研 制 成 功, 预 示 着 蜂 窝 式 移 动 通 信 系 统 时 代 的 到 来, 我 国 的 移 动 通 信 已 经 在 短 短 的 十 几 年 中 经 历 了 模 拟 系 统 和 数 字 系 统 的 发 展 阶 段 目 前 我 国 移 动 通 信 的 主 要 运 行 商 是 中 国 移 动 公 司 和 中 国 联 通 公 司,GSM 的 工 作 频 率 由 国 家 统 一 规 定, 即 :800MHz 900MHz 1800MHz 三 个 频 率, 由 于 无 线 电 资 源 非 常 有 限, 而 移 动 业 务 必 须 利 用 无 线 电 波 传 输, 且 移 动 通 信 必 须 在 复 杂 的 电 磁 环 境 中 运 行,GSM 的 电 磁 敏 感 性 非 常 高, 即 对 于 外 界 的 电 磁 环 境 要 求 非 常 苛 刻, 同 时, 因 移 动 通 信 业 务 的 聚 增, 对 于 GSM 通 信 的 稳 定 性 高 接 通 率 高 可 靠 性 等 提 出 了 更 加 高 的 标 准 940 图 1 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 的 示 意 图
图 1 给 出 了 蜂 窝 移 动 通 信 系 统 的 示 意 图, 图 中 MTSO 为 移 动 交 换 局, 图 中 黑 框 表 示 了 基 站 1~ 基 站 7 的 服 务 范 围, 一 般 情 况 下, 基 站 之 间 的 数 据 传 输 采 用 光 缆 传 输 网 络 与 微 波 传 输 系 统 当 某 移 动 用 户 自 基 站 1 进 入 基 站 4 后, 交 换 中 心 (MTSO) 可 以 自 动 跟 踪 用 户 的 位 置 通 话 信 号 的 强 弱, 并 根 据 基 站 4 频 道 占 用 情 况, 自 动 切 换 到 基 站 4 的 电 路 中, 所 有 服 务 与 收 费 结 算 则 进 行 相 应 的 调 整, 即 保 障 了 用 户 的 正 常 通 话, 又 保 障 了 移 动 通 信 设 备 的 经 济 运 行 这 主 要 依 据 越 区 切 换 和 跟 踪 交 换 技 术 固 定 基 站 BS(Base Station) 移 动 台 MS(Moving Station) 空 间 移 动 网 及 公 众 网 构 成 了 GSM 通 信 的 基 本 单 元, 其 中 固 定 基 站 位 置 的 确 定 取 决 于 通 信 业 务 量 的 多 少 电 磁 环 境 的 测 试 评 估 等 因 素, 据 了 解, 固 定 基 站 BS 设 有 收 发 信 机 天 线 共 用 器 天 线 等 设 备,BS 塔 高 一 般 在 50 米 左 右, 要 求 在 复 杂 的 电 磁 环 境 中 运 行 为 了 提 高 用 户 接 通 率, 实 现 GSM 的 无 缝 覆 盖, 通 信 部 门 需 要 建 设 很 多 固 定 基 站 根 据 服 务 区 域 的 不 同,GSM 通 信 的 服 务 小 区 半 径 分 为 2~20kM 5~30kM 5( 市 )~10( 郊 )km 1.8~ 40kM 等 几 种 对 于 GSM900 系 统, 基 站 移 动 台 : 工 作 频 率 935-960MHz, 基 站 最 大 有 效 发 射 功 率 300W, 业 务 信 道 平 均 值 37.5W 移 动 台 基 站 : 工 作 频 率 890-915MHz, 移 动 台 标 称 发 射 功 率 为 20-2.5W 8-1.0W 小 区 半 径 0.5~35kM 根 据 调 研, 山 东 省 近 年 来 GSM 通 信 的 发 展 异 常 迅 速, 随 着 山 东 移 动 公 司 8 期 工 程 山 东 联 通 公 司 6 期 工 程 的 实 施, 山 东 省 内 GSM 基 站 已 接 近 2000 座 [1,2] 3 与 GSM 通 信 相 关 的 噪 声 与 干 扰 移 动 信 道 中 噪 声 的 来 源 主 要 有 内 部 噪 声 ; 自 然 噪 声 ; 人 为 噪 声 其 中, 内 部 噪 声 是 系 统 设 备 本 身 产 生 的 各 种 噪 声, 例 如 : 由 系 统 中 大 量 电 阻 半 导 体 器 件 产 生 的 热 噪 声 散 弹 噪 声, 电 源 噪 声 等 等 自 然 噪 声 主 要 指 宇 宙 噪 声 和 大 气 噪 声 ( 如 雷 电 ) 人 为 噪 声 主 要 指 : 各 种 电 器 设 备 中 电 流 或 电 压 发 生 急 剧 变 化 而 形 成 的 电 磁 辐 射, 诸 如 电 动 机 电 焊 机 高 频 电 气 开 关 等 产 生 的 火 花 放 电 形 成 的 电 磁 辐 射, 这 种 电 磁 波 噪 声 可 以 通 过 电 力 线 传 播, 并 由 电 力 线 和 接 收 天 线 间 的 电 容 耦 合 进 入 接 受 机 形 成 干 扰 根 据 美 国 标 准 局 公 布 的 几 种 典 型 环 境 系 数 平 均 值, 城 市 商 业 区 的 噪 声 系 数 比 城 市 居 民 区 高 6dB, 比 郊 区 高 12dB 人 为 噪 声 (100MHz 以 上 ) 在 农 村 地 区 可 忽 略 不 计, 高 压 输 电 线 路 的 路 径 大 多 选 择 在 偏 远 的 农 村 地 区, 其 对 GSM 基 站 的 影 响 应 很 小 另 外, 在 美 国 等 发 达 国 家, 已 经 有 部 分 公 司 在 高 压 输 电 线 路 铁 塔 上 建 设 GSM 基 站, 并 有 多 年 运 行 经 验, 说 明 在 非 常 接 近 的 空 间 内, 高 压 输 电 线 路 在 正 常 运 行 时 的 无 线 电 干 扰 不 会 影 响 GSM 通 信 在 GSM 基 站 选 址 测 试 中, 高 压 输 电 线 路 的 电 磁 干 扰 的 频 率 较 低, 一 般 只 会 在 背 景 干 扰 中 有 所 体 现, 即 在 800MHz 900MHz 1800MHz 三 个 频 率 上 高 压 线 路 无 线 电 干 扰 的 强 度 与 背 景 干 扰 相 当, 由 于 测 试 技 术 要 求 较 高, 难 以 获 得 准 确 的 测 试 数 据 实 际 中, 即 使 高 压 输 电 线 路 与 GSM 基 站 非 常 接 近, 因 线 路 与 接 收 天 线 基 本 垂 直, 相 互 之 间 的 电 容 几 乎 可 以 忽 略, 高 压 输 电 线 路 绝 缘 子 串 所 产 生 的 火 花 等 电 磁 波 噪 声 对 GSM 基 站 的 影 响 将 非 常 小 事 实 上, 无 线 电 台 之 间 的 干 扰, 如 临 道 干 扰 共 道 干 扰 互 调 干 扰 是 GSM 通 信 中 主 要 干 扰 源 4 高 压 输 电 线 路 无 线 电 干 扰 特 点 根 据 人 们 长 期 的 分 析 研 究 和 实 际 测 试, 高 压 输 电 线 路 无 线 电 干 扰 分 为 有 源 干 扰 与 无 源 干 扰 两 大 类, 无 源 干 扰 主 要 是 高 压 线 路 的 导 线 及 杆 塔 等 大 型 金 属 结 构 对 有 用 信 号 的 反 射 和 遮 挡 造 成 的, 许 多 人 都 有 在 高 压 输 电 线 路 下 用 手 机 通 话 的 经 验, 且 通 话 质 量 良 好, 说 明 无 源 干 扰 对 于 GSM 通 信 的 影 响 很 小 有 源 干 扰 主 要 来 自 导 线 的 电 晕 放 电 及 附 件 的 电 晕 放 电, 绝 缘 子 高 电 位 梯 度 部 分 的 放 电 和 火 花, 其 干 扰 频 谱 范 围 为 0.1MHz~100MHz [7] 经 研 究, 干 扰 频 率 主 要 集 中 在 1~30MHz 范 围 之 内 [3,4], 且 理 941
论 分 析 与 实 测 结 果 吻 合 较 好, 但 对 于 30MHz 以 上 的 无 线 电 干 扰 现 象 尚 没 有 成 熟 的 理 论 能 够 进 行 较 好 地 模 拟 实 际 测 试 表 明, 当 距 离 高 压 线 路 较 远 时,30MHz 以 上 干 扰 噪 声 已 经 衰 减 得 很 多, 有 时 被 淹 没 在 背 景 干 扰 之 中 因 而, 高 压 输 电 线 路 的 有 源 干 扰 的 主 要 频 段 远 离 GSM 的 工 作 频 率, 当 两 者 间 距 足 够 远 时, 干 扰 强 度 是 微 弱 的 另 外, 根 据 高 压 线 路 有 源 干 扰 的 横 向 传 播 特 性 [6], 当 高 压 线 路 边 导 线 投 影 距 离 天 线 ( 观 测 点 )100m 时, 无 线 电 噪 声 (100~300 MHz) 的 横 向 衰 减 将 超 过 13dB CISPR 在 第 18 号 给 出 了 观 0 测 点 小 于 100m 的 一 个 计 算 公 式 如 式 (1) 所 示 : 20 Δ E = 20K lg (db) (1) L 式 中 : Δ E 相 对 于 高 压 线 路 边 导 线 投 影 距 离 为 20m 时 无 线 电 噪 声 场 强 电 平 的 增 量 ; L 天 线 ( 观 测 点 ) 到 边 导 线 投 影 的 距 离 m; K 取 决 于 频 率 的 系 数, 其 实 测 统 计 值 表 1 所 示 表 1 计 算 横 向 传 播 特 性 的 K 的 约 略 值 频 率 (MHz) K 0.15~0.40 1.80 0.4~1.7 1.65 30~100 1.2 100~300 1.0 [4] 根 据 规 定, 频 率 为 0.5MHz 时, 高 压 输 电 线 路 无 线 电 干 扰 限 值 如 表 2 所 示 表 2 无 线 电 干 扰 限 值 ( 距 边 导 线 投 影 20m 处,0.5MHz) 110 46 220~330 53 500 55 对 于 1MHz 频 率, 无 线 电 干 扰 限 值 可 参 考 公 式 (2) 进 行 修 整 [5], 即 : 1.5 ΔE = 20 lg( ) 5 (db) (2) 1. 75 0.5 + f 这 样 修 正 后, 输 电 线 路 边 导 线 投 影 20m 处 (1MHz) 的 无 线 电 干 扰 限 值, 由 表 2 中 相 应 的 干 扰 限 值 应 分 别 核 减 5dB(μV/m), 结 果 见 表 3 对 于 输 电 线 路 输 电 线 路 边 导 线 投 影 20m 处 (30MHz) 的 无 线 电 干 扰 限 值, 由 表 2 中 相 应 的 干 扰 限 值 应 分 别 核 减 约 53.19dB(μV/m), 结 果 见 表 4 表 3 无 线 电 干 扰 限 值 ( 距 边 导 线 投 影 20m 处, 1MHz) 110 41 220~330 48 500 50 表 4 无 线 电 干 扰 限 值 ( 距 边 导 线 投 影 20m 处,30MHz) 110-7.19 220~330-0.19 500 1.81 942
当 考 虑 横 向 衰 减, 参 照 公 式 (1), 当 参 考 点 距 离 输 电 线 路 边 导 线 约 100m 时, 对 于 1MHz, 无 线 电 干 扰 值 将 相 应 衰 减 约 19.87dB (μv/m), 对 于 30MHz, 无 线 电 干 扰 值 将 相 应 衰 减 约 14.45dB (μv/m), 表 5 6 分 别 估 算 了 当 高 压 输 电 线 路 边 导 线 与 GSM 基 站 相 距 100m 时, 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 (1MHz 30MHz) 强 度 显 然 无 线 电 干 扰 值 的 横 向 衰 减 幅 度 很 大 表 5 无 线 电 干 扰 限 值 ( 距 边 导 线 100m 处,1MHz) 110 21.13 220~330 28.13 500 30.13 表 6 无 线 电 干 扰 限 值 ( 距 边 导 线 100m 处,30MHz) 110-21.64 220~330-14.64 500-12.64 我 国 近 几 年 对 于 750kV 电 压 等 级 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 也 开 展 了 研 究 工 作 [10], 建 议 特 高 压 输 电 线 路 在 距 离 边 相 导 线 20 米 处 的 0.5MHz 的 无 线 电 干 扰 限 值 为 55~60dB 之 间, 由 以 上 分 析 可 以 推 测, 特 高 压 输 电 线 路 与 500kV 高 压 输 电 线 路 产 生 干 扰 相 当 5 相 关 测 试 情 况 介 绍 实 际 测 试 表 明, 高 压 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 主 要 集 中 在 50Hz 及 其 高 次 谐 波 中, 集 中 在 1~30MHz 表 7 500kV 高 压 输 电 线 路 41 号 塔 (20m 处 ) 测 试 结 果 频 率 (MHz) 距 离 (m) 场 强 最 大 值 平 均 合 成 值 纯 干 扰 值 标 准 偏 差 dbμv/m dbμv/m dbμv/m db 29.00 20 25.37 14.38 14.73 9.38 41.00 20 47.06 28.68 28.61 15.09 50.00 20 46.17 30.57 30.54 12.40 74.60 20 51.80 32.21 32.19 16.51 89.00 20 45.28 31.67 31.66 11.35 100.00 20 49.54 30.45 30.43 15.64 120.00 20 48.03 28.12 28.07 16.12 144.70 20 49.13 28.64 28.60 14.50 160.40 20 45.82 27.32 27.24 13.10 180.00 20 44.87 21.82 21.58 8.99 220.00 20 39.31 23.44 22.61 9.82 249.90 20 24.78 16.88 12.91 5.51 299.90 20 35.21 26.19 25.61 5.84 400.50 20 29.08 22.45 20.15 3.61 449.65 20 27.71 21.95 18.87 2.10 500.00 20 32.29 23.24 20.16 3.39 549.50 20 28.53 20.74 16.80 2.99 600.00 20 28.99 21.83 16.79 1.87 650.00 20 27.09 22.29 17.95 1.84 850.00 20 26.98 26.66 21.44 0.09 平 均 值 37.65 25.00 23.35 943
的 波 段 中 对 于 800MHz 900MHz 1800MHz 的 无 线 电 干 扰 值 可 以 认 为 处 在 db(μv/m) 的 数 量 级 或 更 小 华 信 企 业 集 团 移 动 通 信 工 程 研 究 对 500kV 高 压 输 电 线 路 无 线 电 干 扰 进 行 的 部 分 测 试 结 果 [8], 见 表 7 和 8 根 据 以 上 测 量,30~1300MHz 频 段 范 围 中, 干 扰 场 强 的 峰 值 点 在 74MHz 左 右, 并 随 频 率 增 高 干 扰 场 强 峰 值 降 低 ; 大 于 700MHz 频 率 范 围, 实 测 值 靠 近 或 等 于 该 频 率 的 背 景 场 强 值, 只 有 850MHz 有 高 于 背 景 电 平 1dB 这 表 明, 对 于 工 作 在 800MHz 900MHz 和 1800MHz 波 段 的 GSM 通 信,500kV 高 压 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 被 淹 没 在 背 景 干 扰 之 中 或 可 以 忽 略 有 人 曾 对 132kV 高 压 输 电 线 路 产 生 的 微 波 干 扰 进 行 了 测 试 [11], 并 采 用 灵 敏 度 为 -115dBm 的 接 收 机, 离 干 扰 源 15 米 的 距 离, 经 1000 多 小 时 的 测 量, 没 有 发 现 干 扰 表 8 500kV 高 压 输 电 线 路 41 号 塔 (40m 处 ) 测 试 结 果 频 率 (MHz) 距 离 (m) 场 强 最 大 值 平 均 合 成 值 纯 干 扰 值 标 准 偏 差 dbμv/m dbμv/m dbμv/m db 29.00 40 12.90 4.56 3.45 4.42 41.00 40 18.04 12.33 8.04 2.09 50.00 40 15.35 12.56 10.80 1.18 74.60 40 38.43 21.77 21.63 7.40 89.00 40 21.70 17.98 17.68 1.66 100.00 40 23.07 18.78 18.48 1.31 120.00 40 25.53 14.69 13.58 3.15 144.70 40 31.68 16.33 15.57 3.95 160.40 40 31.79 16.84 15.81 2.13 180.00 40 19.80 11.70 8.23 0.93 299.90 40 23.55 21.36 19.32 0.59 400.50 40 30.96 19.55 12.49 1.15 449.65 40 50.19 20.98 16.62 3.67 500.00 40 29.59 21.12 13.49 1.56 600.00 40 24.99 21.36 15.07 1.64 850.00 40 26.86 26.50 20.89 0.07 平 均 值 26.53 17.40 14.45 6 高 压 输 电 线 路 与 GSM 基 站 的 电 磁 兼 容 性 分 析 从 电 磁 兼 容 的 角 度 出 发, 两 个 不 同 系 统 若 存 在 电 磁 干 扰, 首 先 是 工 作 频 率 发 生 交 叉 或 重 叠, 其 次 是 干 扰 源 的 干 扰 强 度 对 敏 感 设 备 造 成 了 危 害, 显 然, 高 压 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 的 频 段 远 离 了 GSM 通 信 的 工 作 频 段, 不 会 对 GSM 基 站 造 成 影 响 实 际 中, 应 将 高 压 输 电 线 路 或 GSM 基 站 在 倾 覆 时 避 免 危 及 对 方 的 安 全 作 为 重 点, 避 免 事 故 发 生 作 为 高 压 输 电 线 路 设 计, 避 让 GSM 基 站 时 主 要 应 考 虑 施 工 安 全 和 运 行 安 全, 根 据 输 电 线 路 在 避 让 甲 类 灾 害 危 险 性 的 生 产 厂 房 等 的 安 全 距 离 建 议 [9], 安 全 距 离 可 采 用 : 将 GSM 基 站 塔 高 的 1.5 倍 或 高 压 线 杆 塔 高 度 的 1.5 倍 作 为 两 者 的 安 全 距 离 由 于 GSM 基 站 的 塔 高 一 般 为 50 米, 安 全 距 离 可 以 为 75 米, 若 考 虑 余 度, 可 以 将 安 全 距 离 定 为 100 米 对 于 因 地 形 因 素 杆 塔 高 度 ( 如 跨 河 塔 ) 特 殊 情 况, 安 全 距 离 应 根 据 实 际 情 况 进 行 核 算 对 于 通 信 部 门, 在 选 择 GSM 基 站 站 址 时, 应 注 意 避 免 过 分 靠 近 现 有 运 行 的 高 压 输 电 线 路, 避 免 在 施 工 和 运 行 中 塔 材 或 工 具 接 近 ( 或 接 触 ) 高 压 输 电 线 路 而 发 生 触 电 事 故 另 外, 无 论 是 电 业 部 门 还 是 通 信 部 门, 在 设 计 阶 段, 都 应 了 解 对 方 的 规 划, 避 免 冲 突 通 过 以 上 分 析, 高 压 输 电 线 路 对 GSM 基 站 不 会 产 生 无 线 电 骚 扰, 通 过 采 用 100 米 的 避 让 距 离, 在 一 般 情 况 下, 可 以 达 到 两 者 之 间 的 电 磁 兼 容 性, 满 足 工 程 要 求 944
参 考 文 献 [1] 张 宁, 王 丽 琼 主 编. 通 信 工 程 建 设 与 技 术 标 准 规 范 第 三 卷. 2001.1. 延 边 人 民 出 版 社. [2] 北 京 邮 电 大 学 出 版 社. 通 信 工 程 新 技 术 适 用 手 册 - 移 动 通 信 技 术 分 册 ( 上 下 )2002. 6. [3] 国 家 标 准 GB 7349-87. 高 压 架 空 输 电 线 变 电 站 无 线 电 干 扰 测 量 方 法. 国 家 标 准 局 发 布. [4] 国 家 标 准 GB 15707-1995. 高 压 交 流 架 空 送 电 线 无 线 电 干 扰 限 值. 中 国 标 准 出 版 社. [5] 中 华 人 民 共 和 国 经 济 贸 易 委 员 会.DL/T691-1999. 高 压 架 空 线 路 无 线 电 干 扰 计 算 方 法. [6] 张 林 昌. 无 线 电 干 扰. 电 力 线 路 电 磁 环 境 ( 研 讨 班 讲 义 ) 1999.11. 北 京. [7] 陈 健 渝. 超 高 压 输 电 线 的 电 磁 辐 射 影 响 综 述. 电 力 环 境 保 护 1998.12. [8] 杨 永 和. 毛 阳.500kV 高 压 输 电 线 路 电 磁 辐 射 特 性 测 试 方 法. 电 磁 干 扰 专 委 会 第 七 届 学 术 会 论 文 集. 1997.11. 厦 门. [9] 能 源 部 东 北 电 力 设 计 院. 电 力 工 程 高 压 输 电 线 路 设 计 手 册 第 二 版. [10] 万 保 权. 邬 雄 等. 西 北 750kV 输 电 线 路 的 无 线 电 干 扰 研 究. 高 电 压 技 术.2003.3. [11] 刘 吉 克. 地 球 站 电 磁 兼 容 的 考 虑. 邮 电 设 计 技 术 1991.9. 作 者 简 介 王 毅 : 男,1960 年 4 月 生 1983 年 毕 业 与 山 东 大 学 电 子 系 无 线 电 电 子 学 专 业, 长 期 从 事 高 压 输 电 线 路 工 程 设 计, 研 究 方 向 高 压 输 变 电 工 程 电 磁 兼 容 技 术, 有 多 篇 论 文 发 表 Phone: 0531-5182208 13153009898 Email: wy968@pa18.com 945