高压电力线与移动通信基站的隔距

移动通信基站与高压电力系统的隔距计算
摘要：本文分析了高压电力系统对基站可能产生的电磁危害途径，提出了安全限值建议和防护隔距计算方法，给出了在特定参数条件下两者之间的隔距计算结果和可能采取的防护措施。

关键词：高压电力系统、移动通信基站、地电位升、隔距、防护措施
1. 概述
由于移动通信的迅速发展，移动通信基站数量不断增加，分布范围不断扩大，在一般城市的市区基站站间距已达500～700米左右。

另一方面，经济的发展带动了城市用电量的增大，110kV及以上等级的高压电力线和变电站开始大规模进入市区，移动通信基站不可避免地要与高压电力系统相接近。

由于110kV及以上等级的高压电力系统采用中性点直接接地方式，单相接地故障将产生很大的短路电流，可能会对临近的基站产生磁感应和地电位升等危险影响。

如何在规划的区域内设置基站，与电力系统保持适当的间距，而不影响基站正常运行，不危及基站内各种设备和工作人员的安全，是通信工程和电力工程设计面临的一大课题。

能否套用原邮电部规定的地电位升限值300伏、通信线路磁感应纵电动势430/650伏标准，来规划两者之的间隔距？能否将基站设置在输/变电站内？在郊区和农村，当没有高大建筑物用于安装天线时，能否将基站天线安装在电力线杆塔上，以节省费用呢？本文针对上述问题，从高压电力系统对基站影响的机理出发，分析了可能产生的危害途径，提出了防护隔距计算方法和安全限值取值建议，给出了在特定参数条件下两者之间的隔距要求。

2. 计算需要考虑的问题
当高压电力系统与基站临近时，可能会对基站产生两方面影响：干扰影响和危险影响。

干扰影响可能会影响通信设备正常运行，影响人体身心健康，但不会造成通信设备损坏或人员伤亡。

危险影响可能会烧毁通信设备，造成人员伤亡。

对于35kV和10kV电力系统，通常中性点经消弧线圈接地或不作接地处理，在发生单相短路接地故障时，由于短路电流峰值较小，其产生的磁感应和地电位升危险影响较小，本文只考虑110kV及以上等级的高压电力系统（以下简称“高压电力系统”）的危险影响。

2.1 干扰影响
干扰影响可从以下几方面进行分析：
(1)高压电力系统一般采用对称运行方式，中性点直接接地。

在正常运行情况下，三相不平衡电流较小，超过30MHz的谐波幅度很小，不会对移动通信800MHz/900MHz/1800MHz频段产生同频干扰。

(2)高压电力线特别是500kV以上等级的电力线，线对地电压很高，会产生很强的电场。

在刮风下雨等恶劣环境下，可能会产生电晕和火花放电，产生强电
磁场辐射。

如果基站设置在该强电磁场范围内，天线或设备内的电路板功能会下降，甚至造成电路阻塞或被击穿。

根据国内外测试和计算结果，在距电力线中心50米以外，这种影响可以忽略。

(3)为了保护人身免受电磁辐射的影响，电力部门有明文规定：“在高压电力线路边沿15米范围内，不允许搭建住宅和生物棚。

”
2.2 危险影响
危险影响可从以下几方面进行分析：
(1)高压电力线发生短路接地故障时，瞬态短路电流（一般为几千安）入地通过阻性耦合在邻近基站地线上产生高地电位升，由于基站电源和传输线路的远端接地，可能会在站内通信设备、传输设备或电源设备端口产生高的电位差，而击坏基站内的设备或传输线路内芯线与金属外护层间的绝缘；
(2)基站内的电位差也可能会对工作人员造成伤害；
(3)如果基站与高压电力线相距很近，电力线断裂有可能搭接到天馈线上，烧毁天馈线或基站内的设备。

通常要求基站边沿与高压电力线边沿至少相距30米远；
(4) 当移动通信基站有出入金属缆线时，高压电力线短路也会在与之平行接近的金属缆线上，产生高的磁感应纵电动势。

此时在进行危险影响计算，除应考虑地电位升危险影响外，还需考虑磁感应纵电动势危险影响，取两者的向量和。

由于移动通信基站多采用微波或光缆传输方式，微波无出入缆线，光缆的耐压强度很高（约20kV），且在一个光缆盘长内金属部件是断开的，因此磁感应危险影响较小。

如果基站有较长的出入金属缆线（包括电力线和通信电缆等），可以将缆线在与邻近架空高压电力线路相垂直的方向上，引入基站，这样可以避免金属缆线与高压电力线较长距离的平行接近，降低在金属缆线上产生的磁感应纵电动势。

因此，在确定基站与高压电力线隔距时，一般不考虑第（4）种危险影响，只需确定基站处的地电位升是否超过人身、设备以及线路的安全限值。

3. 地电位升限值
在确定移动通信基站地电位升限值时，需要考虑三种危险影响限值要求：(1)人身安全限值；(2)通信设备安全限值；(3)通信缆线安全限值。

基站地电位升限值取上述3种限值中的最小值。

3.1 人身安全限值
ITU-T K.33建议给出了两种条件下的人身安全限值，分别见表1和表2。

注：典型条件－1)工作人员为有经验、受过培训的人员；
2) 只考虑手—手、手—脚两条可能的电流通道。

从上表可见，人体所能承受的电压与电力故障持续时间有关，故障持续时间越短，人体所能承受的电压越大。

通常移动通信基站是无人值守的，只是在通信系统发生故障、优化网络调整天馈线和维护巡检时，工作人员才会接触到基站内的金属部件。

因此，基站处人身安全限值可以套用典型条件下的容许限值，即表1中的数值。

3.2 通信设备的安全限值
当高压电力线发生短路接地故障时，入地电流通过阻性耦合使基站地电位升高后，有可能对基站设备造成危害的主要部位有：（1）基站收发信机的射频馈线端口、传输端口和电源端口；（2）中继传输设备的传输端口和电源端口；（3）由于保护地和中性线直接接地，基站高频开关电源交流输入端口和直流输出端口将会受到危害。

各种通信设备端口50Hz的电压限值要求见表3。

3.3 通信缆线的安全限值
当高压电力线路发生短路接地故障时，如果有金属的通信缆线与高压电力线相距较近，产生的高地电位升有可能击穿通信缆线的介质绝缘。

对于基站与BSC间的电（光）缆中继线路，根据国标GB6830-86《电信线路遭受强电线路危险影响的容许值》第4.3条的要求：强电系统产生地电流影响时，在心线间、心线和护套间、护套和大地间、心线和大地间形成地电位差值，以及电信局站接地装置上的地电位升的容许值为电缆直流试验电压的60％或交流试验电压的85％。

各种通信缆线的地电位升限值见表4。

表4 各种通信缆线的地电位升限值
3.4 地电位升限值取定
通过3.1节、3.2节和3.3节分析，可见基站内比较脆弱的部位是基站收发信机和传输设备的传输端口、交直流电源端口，以及通信电缆内信号线和金属外户层间的介质绝缘强度。

因此，在高压电力线发生短路接地故障时，如果高压电力线故障切断时间t<0.2s ，，在基站处产生的地电位升不应大于480V 。

如果移动通信基站没有出入的金属缆线，可以将地电位升限值提高到600V,t<0.2s 。

经上述分析可见，在进行基站与高压电力线路隔距计算时，不应套用1996年邮电部内部的规定：“供电系统应装有快速切断装置，在发生接地故障时，保证接地故障历时小于0.1秒，此时在通信设备地线上产生的危险电压应小于300V ”。

该规定适用于内部安装有大量敏感电子/电气设备的交换局，不适用移动通信基站。

4. 计算方法
当高压电力线发生短路接地故障时，变电站或电力杆塔在基站处产生的地电位升见公式（1）。

式中：R －变电站或电力杆塔的接地电阻（Ω）；
I －短路电流峰值（A ）；
K1－变电站或电力杆塔接地装置传到基站接地装置处的衰减系数； K2－入地电流系数（短路故障电流经高压电力电缆护套或架空避雷
线分流后，实际进入变电站接地装置的比例）。

4.1 变电站或杆塔接地电阻的计算
通常，可以将变电站或电力杆塔接地网等效为4种接地形式：（1）园盘形接
地体；（2）半球形接地体；（3）圆柱形接地体；（4）矩形平板地网。

园盘形接地体的接地电阻见公式（2）
)
1(2
1K K R I V •••=
式中：ρ－土壤电阻率（Ω·m ）；
r 1－园盘形接地体的半径（m ）。

半球形接地体的接地电阻见公式（3）
式中：r 2－半球形接地体的等效半径（m ）。

圆柱形接地体的接地电阻见公式（4）
式中：r 3－接地体的半径（m ）；
L －圆柱形接地体的柱高（m ）。

矩形平板地网的接地电阻见公式（5）
式中：K －修正系数，一般取0.5；
a 、
b －地网等效为矩形平板时的长和宽(m)。

4.2 地电位衰减系数(K1)的计算
地电位衰减系数表示地电位升由近及远的衰减规律。

园盘形接地体、半球形接地体和圆柱形接地体的地电位衰减系数分别见公式（6）、（7）、（8）。

式中：x －距各种接地体等效半径边缘处的距离（m ）。

这里需要说明的是，上述公式适用于变电站或电力杆塔与基站之间无任何金属管线的情况，如果存在有较多的地下结构物及金属管线，如排水管道、电力电
)
3(22
r R πρ
=
)
4(2ln 23
33r r L r R •+=
πρ)
5(b
a K R ••
=ρ
)
6(arcsin
2
111x
r r K +=
π
)
7(221x
r r K +=
)
8(ln
)(ln
3
2
322321r r L L x r x L L K +++++=
缆或通信电缆，这些因素都将使变电站地电位衰减变慢。

4.3 入地电流系数(K2)的计算 4.3.1 电力电缆的入地电流系数
变电站的35kV 、110kV 、220kV 进出缆线一般为电缆，电力电缆金属护套作为故障电流的分流回路，可以减少故障点的入地电流，表5给出了各种类型电力电缆的入地电流系数。

4.3.2 架空避雷线的入地电流系数
对于架空避雷线，当将电力杆塔接地等效为半球形接地体时，其入地电流系数见公式（9）和（10）。

式中：K －架空避雷线的屏蔽系数；
n －距短路接地杆塔第n 个杆塔处，在计算基站地电位升影响时，n=1； Z c －架空电力线的特性阻抗（Ω）； Z －杆档间避雷线的阻抗（Ω）；
R －架空避雷线在各杆塔处的平均接地电阻（Ω），根据电力部门的规定：土壤电阻率小于100(Ω·m ）时，杆塔接地电阻要求小于10(Ω)；土壤电阻率在100～500(Ω·m ）时，杆塔接地电阻要求小于15(Ω)；土壤电阻率在500～1000(Ω·m ）时，杆塔接地电阻要求小于20(Ω)。

通常架空避雷线的入地电流系数采用简化的工程数值，见表6。

)
9(22n
C C
C
Z
R R Z R Z K K ⎪⎪⎭
⎫ ⎝
⎛+•+•
=)
10(222
⎪⎭
⎫ ⎝⎛++=Z RZ Z Z C
5. 隔距计算举例
5.1 对于高压架空电力线路
在确定高压架空电力线路与基站安全隔距时，一般不考虑谐波干扰影响，主要考虑以下3种情况，取其中最大的隔距要求限值：（1）高压电力线电晕、火花放电及强电场不能影响基站设备的正常工作；（2）在高压电力线正常运行时，安装/维护人员应在国家限定的电磁环境下工作，避免身心受到伤害；（3）在高压电力线发生短路接地故障时，在基站与高压电力线最临近的地网边缘处，产生的地电位升不应超过地电位升的安全限值。

为了避免第（1）种情况，基站机房边缘距高压电力线中心要大于50米。

为了避免第（2）种情况，基站机房边缘距高压电力线边沿要大于15米。

根据计算公式（1），设地电位升安全限值为V 1伏，可得：
将高压电力杆塔接地等效为半球形接地体，安全隔距x 计算见公式（12）。

高压架空电力线与基站的安全隔距计算，需要电力部门提供的基础计算参数I ，I 为架空电力线在基站附近发生短路接地时，需要考虑的最大短路电流峰值。

假设，高压电力线短路电流峰值为5kA ，电力杆塔接地电阻满足电力部门的要求，故障切断时间小于0.2s ，双架空避雷线的分流系数取0.5，容许的地电位升限值分别为480伏和600伏，计算得到允许的隔距见下表。

)
11(211K K R I V •••<()
)
12(1
122V V K R I r x -•••>
在郊区和农村，不应将基站天线安装在高压电力杆塔上，因为电力线断裂有可能搭接到天馈线上，强大的短路电流会引入基站，烧毁天馈线或基站内的通信设备。

5.2 对于输/变电站
输/变电站与基站之间的隔距计算，与高压架空电力线的计算方法相同，只是输/变电站地网可等效为园盘形或矩形平板地网。

如果基站无法与输/变电站保持足够的隔离距离，可考虑将基站设在输/变电站内。

此时，基站地网应与输/变电站地网连在一起，形成统一的联合接地网；基站内应做好等电位连接；基站最好采用微波传输或全介质光缆传输；基站电源就近从输/变电站内引接；避免基站有金属缆线出入，将远处低电位引入基站形成高电位差。

6. 防护措施
如果基站与高压电力线或输/变电站之间的距离，小于允许的安全隔距，可以采取以下防护措施，使基站在近距离情况下，仍能保持正常工作。

电力部门采取的防护措施：
（1）在高压电力线路与基站接近段，增强电力线路的可靠性；
（2）减小接近段电力杆塔的接地电阻，减小入地电流系数；
（3）降低短路接地电流峰值，降低电力故障切断时间。

电信部门采取的措施：
（1）采用微波传输、全介质光缆传输和太阳能电源，避免金属缆线的出入；
（2）将出入基站的金属缆线在与高压电力线垂直的方向上接入基站；
(3) 将传输光缆中的金属加强芯或铠装层，在入基站处断开金属的电气连接；
(4) 在脆弱的射频馈线端口、电源端口和中继传输端口安装相应等级的SPD，当暂态地电位升大于设备或缆线抗力时，SPD对地导通保护通信设施；暂态地电位升消失，SPD恢复。