关于共享电力杆塔加装基站装置的设计设想

关于共享电力杆塔加装基站装置的设计设想

普俊

广西送变电勘察设计有限公司广西南宁530031

摘要：近年来，随着信息时代的发展，5G技术成为国家信息化发展战略的重要目标。5G技术虽然优点不少，如网络快，频带宽。但由于使用的频率越来越高，已属于厘米波段，无线信号质量在传输路径过程中受建筑、树木等物体阻挡已影响极大，其传输距离已大大缩短，故需建设大量新型移动基站才能保证移动通信质量。同时近年来电网的完善发展，输电线路形成了纵横交错、广泛分布、层次分明的电网通道，这种布局同时也为通信运营商提供了便利的杆塔资源。通过资源共享，在电力杆塔上加装通讯装置，一方面减少了通信公司建设基站所需的土地、人力、电力资源及设备材料损耗和成本支出，另一方面可提高电网公司经济效益，是合作双方互利互惠的有效方式。云南电网公司已在这方面进行试点。杆塔通信基站附挂的成功，“杆塔共享”有望成为今后一种新的、重要的经营合作模式。

关键词：共享；电力杆塔；基站装置

一、移动基站装置的基本参数及要求

（一）宏基站、微基站

移动通信基站根据用户量大少，分别有宏基站、微基站、直放站之分。宏基站是一个站覆盖几十公里，有专用机房，塔上仅需安装天线；微基站为在楼宇中或密集区安装的小型基站，覆盖小，用户量低，天线和设备集成在一起，不需专用机房。

（二）基站应用场景及天线高度要求

根据服务区域类型及建筑物高度不同，天线装设高度在24～45m间。

二、基站天线与输电线路间的电磁影响

（一）基站天线对输电线路的电磁影响

1.移动通信频率及功率

移动通信所用的频率较高，4G通信使用的频率已达1800-2600MHz，5G通信第一期为3300MHz-3600MHz、第二期将为4800MHz-5000MHz，但发射的功率都很少，普通微基站的发射功率仅15W。

2.输电线路导线频率及功率

①通过的是50Hz低频大电流（一般线路的电流密度按经济电流考虑，即1.15A/mm2）；

②电力导线上所用的载波通信，其频率<500kHz；

③OPGW光缆中的光信号屏蔽性能好，完全不受外界电磁影响。

所以，基站天线、输电线路两者在功率、频率方面相差均不止一个数量级，故基站天线信号对输电线路不产生电磁影响。

（二）输电线路对基站天线的电磁影响

《电力工程高压送电线路设计手册（第二版）》中介绍了输电线路产生的无线电干扰的性质，文献（1）（2）也介绍了这方面的情况。输电线路产生的无线电干扰主要为：

1.导地线及铁塔对移动通信信号传输的影响

电磁波在传输过程中是否被反射，与阻挡物的尺寸有关。当电磁波的波长小于物体的尺寸时，则会被反射，电磁波传播受到阻挡。也就是说频率越高，金属物体对电磁波的反射越强。如果电磁波的波长大于金属物体的尺寸，电磁波将会绕过障碍物继续传播（绕射）。4G通信的波长约为11～16cm，5G通信的波长约为6～9cm，均大于目前所用导线的线径，故电波可以轻易绕过去。

移动通信电波作来分米波、厘米波，方向性较强。铁塔天线发射信号指向的北面，故对信号影响极少。。

2.导线电晕所产生的无线电干扰影响

导线电晕干扰的频率范围较宽，但是占有带宽有限，主要能量集中在＜１０ＭＨｚ，随着频率增高干扰分量的幅值下降非常迅速。

3.绝缘子和金具间隙火花放电所产生的无线电干扰影响

30MHZ以上频段无线电干扰大部分由间隙火花放电产生，间隙火花放电主要有3种原因：

第一，绝缘子串高应力区域内的放电；

第二，导线和金具接触不良或松驰处的火花放电；

第三，导线表面的不光滑缺陷或施工中造成导线表面毛刺等引起火花放电。

由第一种原因引起的干扰是随机分布的，干扰电平较低；第二种原因一般只引起局部的干扰增加；第三种原因引起的干扰多数情况下只表现在新投入运行的线路，当线路运行一段时间（几个月）以后，由于导线本身的老化效应，这种干扰会很快下降。

因基站天线收发的频率＞１ＧＨｚ，而输电线路在此频段无线电干扰接近背景噪声，因此不会形成有效干扰。

文献2中基于如下图的实际测试，确认输电线路对移动用户的通信效果无明显干扰影响。

图1测试电力线路对移动通信信号的影响示意图

（三）输电线路在基站天线上产生的感应电压

基站天线由于距离输电线路导线不远，故会产生一定的感应电压，该感应电压为静电感应电压及电磁感应电压的叠加。静电感应电压跟各线的相对位置有关；电磁感应电压与导线通过电流大小、线路平行长度有关，文献（3）分析认为，在平行导体长度不长时，电磁感应电压可以忽略不计。5G波段为厘米波段，其天线振子为波长/4，故也可以忽略电磁感应电压。

基站天馈系统如图2，天线振子通过馈线与设备连接，馈线在杆塔上一般将屏蔽层接地3次。由图3可知，天线内部主要为天线振子、反射板。综合图2、图3，在工频下可知每对振子有一振子接地，另一振子绝缘。

计算假设条件：

第一，R值包括人活动范围值0.5m，计算天线振子与间隙圆相切及在间隙圆外0.5m；

第二，天线盒内外的空气导电率一样。

第三，C1为导线对天线振子的电容，C2为天线振子与反射板、与地间的电容值之和。

因无法了解每对振子的间隙值，本次粗略计算仅考虑振子与反射板间的电容。故参照文献4介绍在2600MHz时，振子对地高度约为3.1cm。

在不考虑电磁感应电压情况下可作简易计算图（如图4）。天线振子上静电感应电压计算公式为：

UC2=UA*C1/（C1+C2）=UA*L/（R+L）

故可计算得出大风情况下，各电压等级线路的移动通信天线振子上的Uc2如下表

说明：如考虑振子间隙间的电容，则C2会增大不少。由上述公式可知，C1<<C2，C1/（C1+C2）≈C1/C2，C2增大，Uc2也会成比例减少。利用L/（R+L）也可以分析得出，L/（R+L）≈L/R，随着计入振子间隙，则L会减少，则UC2会成比例减少。

此静电电能，可通过在设备侧加装低通滤波器旁路接地释放。

三、安装基站天线后对铁塔结构受力的影响

铁塔设计时，根据电压等级不同，会在挂点处考虑了数值不同的附加荷载。对于角度小于30°可以上人的杆件，并单独校验了1000N的人重荷载。而且杆件选择时，受杆件规格定型所限，杆件实际受力不是100%达到材料设计强度。

加装移动基站天线后，铁塔所受荷载会有一定的增加，但由于天线及馈线的重量较轻，风阻受少，故相对不言，增加荷载不多。

四、电力行业及通信行业有关的规定

（一）电力行业方面的规定《中华人民共和国电力法》对电力设施保护作出如下规定

1.“第五十四条任何单位和个人需要在依法划定的电力设施保护区内进行可能危及电力设施安全的作业时，应当经电力管理部门批准并采取安全措施后，方可进行作业。”

2.“第五十五条电力设施与公用工程、绿化工程和其他工程在新建、改建或者扩建中相互妨碍时，有关单位应当按照国家有关规定协商，达成协议后方可施工。”

（二）通信行业方面的规定，通信行业在基站站址有如下规定

1.《移动通信直放站工程设计规范》YD/T5115-2005中第4.0.5条规定“站址应选择在人为噪声和其他无线电干扰环境较小的地方，不宜在大功率无线电发射台、大功率电视发射台、大功率雷达站和具有电焊设备、X光设备或生产强脉冲干扰的热合机、高频炉的企业附近设站，与其他移动通信系统局站距离较近或公用建筑物时应满足系统间干扰隔离的相关要求”。

2.《国内卫星通信地球站工程设计规范》YD5050-2005中第6.1.9条规定“高压输电线不应穿越地球站场地，距35kv及以上的高压电力线应大于100m。”

（三）在电力铁塔加装移动通信基站装置没有违反法律法规

因此，《国内卫星通信地球站工程设计规范》YD5050-2005中第6.1.9条规定的明显不在考虑范围内。故在符合双方安全运行条件下并达成协议，在电力铁塔加装移动通信基站装置没有违反法律法规。

五、安装位置

（一）输电线路杆塔高度情况

根据南方电网近年建设输电线路的数据统计，35kV以上各电压等级的杆塔高度大致范围如下：

（二）在塔上安装位置选择

1.铁塔塔头尺寸控制条件介绍

铁塔设计时，每种铁塔的塔头尺寸按如下因素进行考虑：

第一，在各种工况下带电体与铁塔的电气间隙须满足规程要求。

第二，档距中间的导线与导线、导线与地线的距离也须满足规程要求。

故塔头尺寸根据应用条件不同，有的塔型按风偏角控制进行设计，有的塔型按档距控制进行，具体根据工程实际情况而定。

以下是一些典型的铁塔间隙图。

2.天线安装位置选择

第一，塔身处高度满足要求时

铁塔外形受档距长度控制可装于主材上；铁塔外形受风偏角控制时，可装于铁塔塔身前后侧.

第二，当塔身处高度不满足要求时

如塔顶处高度满足要求，可装于塔顶，此时需同时加设避雷针保护基站天线；如塔顶处高度不满足要求，在杆塔顶加装由角钢组成柱子，直至高度符合要求。

以上方案在具体实施时，都应根据现场条件按“一塔一校”的原则进行电气、结构方面的校核，对不符合的塔材进行更换补强。尤其是塔顶加柱子的方法，有可能引起杆塔整体受力变化大，方案难实施需考虑其他方案。

3.馈线引接

采取沿主材引至天线附近，再分别引至各天线。馈线应每隔2-3m用专用的固定夹具与主材固定在一起。

六、杆塔工频接地装置改造

在工频接地电阻值方面，电力线路规程规范的要求与通信基站的要求不同。已运行线路的工频接地电阻很多情况下难以符合通讯基站的要求（小于5Ω）。故应根据基站所在杆塔的实际工频接地电阻值，确定是否对原接地网进行改造。

七、建议

总结国内相关单位合作的经验，关于杆塔共享有以下几个要点需要注意：

第一，电网公司应积极与通讯公司对接，理清工作思路，拟定工作计划，达成一致意见；

第二，由电网公司根据杆塔荷载情况，建立三维计算模型，对各电力塔型按“一塔一校”的原则进行受力分析，论证方案实施的可行性；

第三，由电力提供电网杆塔分布的电子地图，通讯公司结合杆塔分布图，根据具体通讯基站布点需求，使用电子地图进行选点；

第四，双方派工作人员到现场实际选点，校核，完善施工安装方案；

第五，共同拟定具体施工方案开展设备现场安装；塔上构件须由电网公司负责安装；塔下机房的建设及塔下通讯设备的安装，设备供电等须由通讯公司负责；

第六，签订分界点协议，明确后期运维及检修职责。杆塔上构件的运行维护，检修须由电网公司负责。塔下通讯设备的运维及检修仍由通讯公司负责。

八、科研攻关及外延

各文献中介绍的无线电干扰测试数据均为独立基站天线的情况下，鉴于在输电线路铁塔上设置基站天线尚属新技术，相关实测数据尚属于空白状态。同时输电线路在移动通信装置上感应的电压对设备的影响，也是无相关参考资料。故建议工程实施前，须电科院及有关通信干扰研究实力机构共同参与研究。需要进一步研究塔高不满足时，是否能在塔顶加装主柱的可行性。

参考文献：

[1]刘兴发，尹晖，邬雄等.高压输电线路无线电干扰和电磁散射对GPS卫星信号影响测试及分析.《高电压技术》.2011第12期：2937-2943

[2]魏德军.高压架空线路对移动通信基站的无线电干扰影响.《电力建设》.2015年第七期：22-24

[3]甘艳，李慧慧等.基于ATP的输电线路下方长导体感应电研究《电工电能新技术》.2015年第12期：44-47

[4]张殿生.电力工程高压送电线路设计手册（第二版）.1999年