（电磁场与微波技术专业论文）电磁环境影响检测平台的开发.pdf

摘要 摘要 随着电子技术的迅速发展，电磁辐射污染所造成的危害也日渐突出。电磁辐 射污染能够便电子仪器失灵，特别是能伤害人体。据推测，电磁污染在以后将代 替其它几种污染而成为首屈一指的物理污染。 本文的主要内容：以国家环保总局所制定的电磁辐射防护规定 ( g b 8 7 0 2 8 8 ) 、( 5 0 0 k v 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术范围 ( h j t 2 4 1 9 9 8 ) 等相关条例所提供的电磁辐射标准为基准，将原有的国家环保局所 规定的标准与修正后的标准相结合最终构建一个关于电磁辐射情况的检测平台。 与此同时通过对f i 0 0 k v 超高压送电线路下工频电磁场的分布规律及其影响因素的 计算，利用等效电荷原理和镜像法对工频电磁场的预测模型公式进行修正和比较； 以移动通信基站为研究对象，结合天线的方向性和增益情况对国标公式进行修正， 对不同辐射方向上的电磁辐射情况做出预测并与实测数据进行比较分析；以对称 振子天线为模型，对求解天线近场问题进行算法的研究，对天线近场的分布、电 磁辐射状况和环境的影响进行分析。最后在电磁辐射检测平台中加入这些不同辐 射源，对其电磁辐射状况做出判断，从而使检测平台在功能上得到完善。 该检测平台软件由m i c r o s o f t v i s u a lb a s i c 语言开发，具有良好的人机界面。 关键词：电磁环境电磁辐射检测平台高压输电线移动基站近场 a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f t h ee l e c t r i ct e c h n o l o g y , t h eh a r mc a u s e db y t h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nh a sb e e nm o r ea n dm o r eg r i e v o b s e l e c t r o m a g u e t i e r a d i a t i o np o l l u t i o nc a l lj a mt h ee l e c t r i ce q u i p m e n t ，e v i lc o u l dh u r tp e o p l e sb o d y i ti s c o n j e c t u r e dt h a tt h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np o l l u t i o nw i l lb et h ep r i m a r yp o l l u t i o n i n s t e a do f o t h e r p o l l u t i o n si nt h ef u t u r e t h i sp a p e rd i s c u s s e sp r i m a r i l yo nt h ef o l l o w i n gs u b j e c t s ：a c c o r d i n gt ot h e e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nc r i t e r i o nf r o m r e g u l a t i o nf o re l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n p r o t e c t i o n ”( g b8 7 0 2 8 8 ) ； t e c h n i c a lr e g u l a t i o n so ne n v i r o n m e n t a li m p a c ta s s e s s m e n t o fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o np r o d u c e db y5 0 0 k vu l t r a h i 曲v o l t a g et r a n s f e rp o w e r e n g i n e e r i n g 阻j t2 4 1 9 9 8 ) e t c ，d e s i g n at e s ts o f t w a r ea b o u te l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o n c a l c u l a t ea n da n a l y z et h ee l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o nd i s t r i b u t i o no fp o w e r f r e q u e n c ye l e c t r i c f i e l du n d e r5 0 0 k vs u p e r - v o l t a g et r a n s m i s s i o nl i n ea n dt h e i n f l u e n t i a lf a c t o r s ，a m e n da n dc o m p a r et h ef o r m u l ao f p r e d i c t i o nm o d e lu s i n gt h eb a s i s o f c h a r g ee q u i v a l e n tm e t h o da n di m a g em e t h o d ；c i t i n gt h eb a s es t a t i o n , c o m b i n e w i t h a n t e n n ag a i na n da n t e n n ad i r e c t i v i t y , p r e d i c t e dt h ed i f f e r e n ta r e a se l e c t r o m a g n e t i c r a d i a t i o nc o n d i t i o na c c o r d i n gt od i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i cd i r e c f i v i t ya n dc o m p a r ew i t l l p r a c t i c em e a s b r ed a t at oa n a l y z e ；c a l c u l a t ea n da n a l y z et h en e a rf i e l dd i s t r i b u t i o no f s y m m e t r yd i p o l ea r t t e n n a f i n a l l ya p p e n dt h e mt ot h es o f t w a r e t h ed e t e c t i n ga n dm e a s u r i n gp l a t f o r ms o f t w a r ei sd e v e l o p e du s i n gm i c r o s o f t v i s u a lb a s i cp r o g r a m m i n gl a n g u a g e i ta l s oh a saf r i e n d l ym a n - m a c h i n ei n t e r f a c e k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t , e l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n , h i 曲 v o l t a g el i n e ，b a s es t a t i o n ，n e a r - f i e l d 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 r 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) e l 期：年月 e t 第一章引言 1 1 背景和意义 第一章引言 随着社会经济的迅速发展，家用电器与个人无线电通信工具不断增多，室内 电磁能量密度日益增加。另一方面，广播电视与无线电通信发射台以及移动通信 发射基站等也使室外电磁环境日益复杂。环境中的电磁辐射的总量在不断增加。 电磁辐射已经成为考虑复杂环境时必不可少的重要因素。 1 1 1 电磁辐射及其危害 电磁辐射是指能量以电磁波形式由源发射到空间的现象，电磁环境是存在于 给定场所的所有电磁现象的总和。按电磁辐射对生物学作用的不同，可分为电离 辐射和非电离辐射。过量的电磁辐射就会造成电磁辐射污染。随着电子技术的广 泛应用，人为电磁能量迅速增长，电磁辐射已成为2 1 世纪的主要污染源。高压线、 变电站、电台、电视台、雷达站、电磁波发射塔、电子仪器、医疗设备、办公自 动化设备、微波炉、收音机、电视机以及手机等家用电器在工作时，都会产生各 种不同频率的电磁波，这些电磁波充斥空间，无色、无味、无形，可以穿透包括 人体在内的任何物质，对人体造成危害。 电磁辐射对人体的危害主要体现为热效应、非热效应和累积效应。国内外的 科学研究表明，长期处于高电磁辐射环境下，可能会造成儿童白血病，诱发癌症 并加速人体癌细胞的增殖，影响人的生殖系统，导致儿童智力残缺，影响人们的 心血管系统和视觉系统。研究还表明，儿童、孕妇属于对电磁辐射的敏感人群。 作为一种新型污染，电磁辐射污染具有隐蔽性强、损害后果长期性、末端治 理措施有限且成本高昂等特点。 1 1 2 电磁辐射现状 高频辐射源：近二千年来，随着我国科学技术的进步和社会经济的迅速发展， 各种电子、电力设备和设施大量出现在人们的日常生活和工作中。但是，随之而 来的电磁辐射污染问题也日益严重。据国家环境保护总局1 9 9 7 1 9 9 8 年在全国3 0 个 省、直辖市进行的环境电磁辐射污染调查显示，我国目前环境中人为电磁辐射不 1 电子科技大学硕士学位论文 断增强的主要原因是： 1 广播电视发射设备的增多、功率的增大； 2 通信发射设备的普及和频繁使用； 3 工业、科研、医疗应用中高频用电设备的增加； 4 电力部门高压输电线路的发展； 5 交通运输的电气化。 低频辐射源：我国电力网呈5 0 0 k v ( 或3 3 0 k v ) 2 2 0 k v 1 1 0 k v 3 5 k v 1 0 k v 系列。 8 0 年代以前，高压电网( 1 1 0 k v 以上) 主要分布在市区以外地区。9 0 年代以来，随着城 市用电量的增多，电力部门加大市区内电力设备的建设，i 0 k v 和2 2 0 k v 的高压电 网开始引入市区内。上海、北京、天津、广州等在市中心地区已分别建成许多1 1 0 k v 和2 2 0 k v 高压变电站。 1 2 国内外研究动态 由于电磁辐射设备的生产和应用的日益增多，环境电磁场的种类和强度也空 前增长，为了保护环境与广大电磁辐射从业人员和公众的身体健康，制定出切实可 行、科学合理的电磁辐射防护标准具有重要的现实意义。卫生部先后颁布了高频 ( o 1m h z 3 0m h z ) 、超高频( 3 0m h z 3 0 0 m h z ) 、微波( 3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ) 、 工频( 5 0h z ) 和环境电磁波五项卫生标准；机械电子行业制定了微波和超短波 通信设备辐射安全要求；国家环境局发布了电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 。 这些标准的贯彻实施在保护人民身体健康，降低作业场所和环境中电磁辐射水平 上起了很好的作用。近年来，w h o 将电磁辐射粗略地分为静( o h z ) 、极低频( 0 - 3 0 0 i - i z ) 、中频( 3 0 0 h z - 1 0 m h z ) 和射频( 1 0 m h z - 3 0 0o h z ) 4 种类型，其中射频包括 了我们过去所说的超高频和微波及部分高频频段。1 9 9 8 年w h o 又推荐采用国际非 电离辐射防护委员会( i c h r r p ) 的时变电场、磁场和电磁场暴露限值导则简 称i c n i r p 导则。 1 3 课题介绍 本课题的主要研究内容是以国家环保总局所制定的电磁辐射防护规定 ( g b 8 7 0 2 8 8 ) 1 1 、5 0 0 k v 超高压送变电工程电磁辐射环境影响评价技术范围 ( h j t 2 4 1 9 9 8 ) 【2 增相关条例所提供的电磁辐射标准为基准，将原有的国家环保局 2 第一章引言 所规定的理论预测方法与修正后的方法相结合最终构建一个关于电磁辐射情况的 检测平台。该检测平台主要具有的功能是根据国家环保总局制定的职业电磁辐射 导出限值和公众电磁辐射导出限值，输入实际测量电磁场相关数据，可以迅速、 准确的判断其电磁辐射状态是否超标；与此同时通过第二、第三、第四章对高压 输电线、移动通信基站、对阵振子天线近场这三个具有代表型的辐射源的电磁辐 射状况的评价和分析，在电磁辐射检测平台中加入对于不同辐射源电磁辐射状态 超标与否情况的检测，从而使检测平台在功能上得到完善。 本课题主要分为两大研究方向： 1 不同辐射源的电磁环境影响评价和分析 在环保总局所制定的相关标准中，所应用的理论公式及其物理模型是非常理 想化的，没有考虑任何的干扰因素，因此本课题在理论上要对其完善。主要可以 分为三个部分。其一，对于高压输电线，在电磁辐射防护规定所制定的计算公式 中是将大地作为良导体看待，本论文将考虑大地对其的影响，对所提供的公式加 以改进，同时分析和讨论相关的影响因素；其二，在电磁辐射防护规定中，环境 评价标准所应用的公式是以简单的点源为发射端，没有考虑到发射天线的形式、 方向性。本论文要对所给公式进行修正， 益的修正。以移动通信基站为研究对象， 主要体现在对不同的天线形式的天线增 结合某省g s m 移动通信基站电磁辐射评估 的实际工程结果，进行比较和分析；其三，在第三章中以移动通信基站为例对国 标公式的修正，是考虑了天线的方向性，通过加入方向性因子对公式进行修正和 完善。但是这些对于近场是无效的，而近场的电磁辐射状况是非常重要的，所以 在本章以对称振子天线为模型，对求解天线近场问题进行算法的研究，对天线近 场的分布、电磁辐射状况和环境的影响进行分析。 2 检测平台的开发 本课题重要的内容就是电磁辐射检测软件的开发。将修正后的高压输电线、 移动通信基站、天线近场的电磁辐射问题的理论分析方法与环保局的环境评价标 准中规定的方法结合起来，开发一个电磁辐射检测平台。与此同时做好各软件的 接口工作，以达到平台的准确、美观、实用。 3 电子科技大学硕士学位论文 第二章超高压输电线电磁环境分析与研究 在超高压线路附近区域，由于线路将会产生工频电磁场，所以在距离线路一 定距离时，工频电磁场将会超过一定限值，从而对人体健康产生不利影响。高压 输电线是在工频5 0 h z 交流电压下工作，一般所说的输电线路电压即为其相间电 压。电压随时间的变化比较缓慢，计算空间远小于相应电磁波的波长( 5 0 h z 交流 电产生的工频电磁场的波长为6 1 旷m ) 。所以在一般状况下，输电线附近工频电 磁场可以近似地认为是稳定的，可以按静电场来分析，它的一些效应也可以用静 电场的一般概念来分析4 j 。 本章以5 0 0 k v 超高压输电线为例，分析了其周围工频电磁场的分布规德和影 响因素，同时运用镜像法对国家环保局提供的5 0 0 k v 超高压送变电工程电磁辐 射环境影响评价技术规范( h j 胞4 1 9 9 8 ) 中工频电磁场强度的电磁辐射预测模 型进行一定的修正和结果比较。 2 1 镜像法 在静电场中，如果遇到电荷( 称为原电荷) 附近存在一定形状的导体，此时 导体表面会出现感应电荷。这样，导体外部空间的总电场就等于原电荷产生的电 场与感应电荷产生的电场的叠加。一般情况下，直接求解这类问题是困难的，这 是因为导体表面上的感应电荷也是未知量，它也取决于总电场。但是，如果原电 荷是点电荷或线电荷，且导体形状是平面、球、圆柱等简单形状，就可以采用镜 像法来求解这类问题【) j 。 2 1 1 静电场的唯一性定理 唯一性定理是边值问题的一个重要定理，表述为：设区域v 内的自由电荷分 布户和介质分布给定，并且d = 占e 成立，与此同时，在v 的边界s 上的电位毋i s 或电位的法向导数学k 给定，则v 内电场唯一给定。 俄 4 第二章超高压输电线电磁环境分析 2 1 2 镜像法的基本思想 在所研究的场域以外的某些适当的位置上，用一些虚拟的电荷( 称为镜像电 荷) 等效代替导体表面上的感应电荷或介质分界面上的极化电荷。这样就把原来 的边值问题的求解转化为均匀无界空间中的问题来求解。根据唯一性定理，只要 虚拟电荷与场域内原有的实际电荷一起产生的电场满足原问题所给定的边界条 件，所得结果就是原问题的解。 2 1 3 镜像法遵循原则 应用镜像法求解的关键在于如何确定像电荷。根据唯一性定理，镜像电荷的 确定应遵循以下两条原则： 1 所有镜像电荷必须位于所求场域以外的空间： 2 镜像电荷的个数、位置及电荷量的大小以满足场域边界面上的边界条件来 确定。 2 2 超高压输电线路场强的计算 输电线的工频电场计算一般采用等效电荷法，并以静电场的镜像法为基础。 其理论依据是场的唯一性定理，即把导体表面不均匀且连续分布的电荷用其内部 一组等效电荷来代替。如果这组电荷能满足原来给定的边界条件，就能求出全场 域的解。计算分为两步，先计算单位长度导线上的电荷再计算出这些电荷产生的 电场【6 1 【7 l 。 2 2 1 工频电场强度预测模型 根据“国际大电网会议第3 6 0 1 工作组”推荐的方法，利用等效电荷法计算 高压送电线( 单相和三相高压送电线) 下工频电场强度嗍。 高压送电线上的等效电荷为线电荷，由于高压送电线的半径r 远远小于架设 高度h ，所以等效电荷的位置可以认为是在送电导线的几何中心上。设送电线路 为无限长且与地面平行，将地面视为良导体，利用镜像法计算送电线上的等效电 荷。 计算多导线线路中导线上的等效电荷，可以写出如下矩阵方程： 5 电子科技大学硕士学位论文 u l u 2 ： u 、 a ”x | 2 x 2 | x 2 ： x 。lx 2 。 屯 ： 毛。 口， q2 ： 吼 ( 2 1 ) 式中：u 1 各导线对地电压的单列矩阵； 【q 】各导线上等效电荷的单列矩阵； 伽各导线的电位稀疏组成的n 阶方阵( n 为导线数目) 。 矩阵可由送电线的电压相位确定，从环境保护角度考虑以额定电压的1 0 5 倍 作为计算电压。由三相5 0 0 k v ( 线间电压) 回路的各相的相位和分量，如图2 1 所示，则可以计算各导线对地电压为【9 】： i 观j - j l = j 5 0 0 x 1 0 5 = 。：= 。一 4 3 = 3 0 3 1 k v ， a 楣 u - 各导线对地电压分量为： 圉2 - 1 对地电压计算图 6 ( 2 2 ) 第二章超高压输电线电磁环境分析 f u = ( 3 0 3 i + j 0 ) k v = ( 一1 5 1 6 + j 2 6 2 5 ) k v ( 2 3 ) 【= ( 一1 5 1 6 一j 2 6 2 5 ) k v 【五】矩阵由镜像法原理求得a 地面的感应电荷可由相应地面导线的镜像电荷代 替，用i ，j ，表示相互平行的实际导线，用i ，表示它们的镜像，如图 2 2 所示，电位系数可写为： 式中：冠送电导线半径，对于分裂导线可以用等效单根导线半径代入， 计算式为例唇，如图2 - 3 所示 ，r 一次导线根数； r 次导线半径。 由矩阵p 】和【五】，利用式( 2 - 1 ) 可以解出矩阵【g 】。 r 兰一一o i j 舟 一一一 h 铽r：。 l l ，ui i i 6 ；， 、 咕j ， 图2 - 2 电位系数计算图 7 蠢7 一舜r ， 、， 、 、： 塞 ： ，、 7 p 、一，双 图2 - 3 等效半径计算图 4 旎一g弓一岛 h h 上砜一l獗乃 l l = i i 乃如 电子科技大学硕士学位论文 对于三相交流线路，由于电压为时间向量，计算各相导线电压时要用复数表 示： ut=um+ju(2-5) 相应电荷也是复数量： q i = + 锄 ( 2 6 ) 则式( 2 1 ) 矩阵关系可以分别表示为复数量的实数和虚数两部分： 删2 腆| ( 2 - 7 ) u 】= 【吼】 当各导线单位长度的等效电荷量求出后，空间任意一点的电场强度就可以根 据叠加原理计算得出，在( x ，y ) 点的电场强度分量臣和e 可以表示为； 式中：，只为第i 条输电线的坐标位置： 厶，分别为导线i 及其镜像到场点的距离； m 为导线数目； 对于三相交流电，点( x ，y ) 处电场强度水平和垂匿分量计算模型为： 瓦= 宝+ _ ，芝= e ，r + j e a f - i= 1 弓= 芝+ ，羔= + 玛 l - i t - i 这样场点( x ，y ) 处总的电场强度为： 雹= 0 e i 。+ j e 。、) 受+ 媾。r + j e 0 ， 2 2 2 修正后的工频电场预测模型 ( 2 - 9 ) ( 2 1 0 ) 在上述的预测模型中，大地被视为良导体，即大地的电导率。寸o o 。然而大 8 剥刮 1 譬 丛葺 工一 y 一 。目 。 土砜 上砜 耳 弓 第二章超高压输电线电磁环境分析 地视为良导体是一种很理想的模式，不同的地表结构所对应的。也不同，考虑当 大地不是良导体即。不为无穷大时对预测模型进行修正，主要体现在对电位系数 的修正【】0 】。根据镜像法修正后的电位系数计算公式为： 耻书去嗜 铲廿扣加刳 m = k 式中d ：竺垒! 竖垄为修正因子；为大地的介电常数；o 为大地的电导率。 o + o ) e - j a 当a c o 时式( 2 ，1 1 ) 与( 2 4 ) 是等价的。 2 2 3 修正公式的验证及结果比较 分别以干土和湿土为例( 其中干土s = 4 氏，盯= 1 o - 3s m ；湿土s = 1 0 s o ， 盯= 1 0 。2s m ) ，对修正公式进行验证，以比较修正前后的误差值。如图2 _ 4 所示 绐构的单回路5 0 0 k v 三相架空送电线路为例，导线成水平状架设，距地高度为 1 2 1 9 m ，导线间的水平距离为1 3 7 2 m ，采用n = 4 的分裂导线，求p 点处的工频电 场强度值。 图2 _ 4 计算例图 运用m a t l a b 语言编程【i i j 得到修正前后数据的比较，如图2 5 和图 6 所示 9 电子科技大学硕士学位论文 干土时修正前后比较 到线路中心线的距离( m ) l ； 蠢 裳 蠕 到绞鼯中心线的匿离 秘 图2 - 5 干土时修正前后比较 漫土时修正前后比较 图2 - 6 湿土时修正前后比较 1 0 |v删嗽阱*艇譬i #麦)|尔牛*臻露 第二章超高压输电线电磁环境分析 综合图2 5 和图2 6 可以看出场强的垂直分量修正前后的变化均大于场强的 水平分量的变化。干土修正后的电场强度要大于修正前的数据，而对于湿土总体 上修正后的电场强度要小于修正前的数据。产生这种情况的原因是由于干土和湿 土的电导率不同造成的。 2 2 4 检测结果与预测结果数据比较分析 综合考虑电压等级、电流容量、架线模式及周围条件等因素，选取某输电线 路作为检测对象，提取实际测量数据( 电场垂直分量) ，与修正后的预测数据进行 比较和分析。数据比较如表2 一l 所示 表2 1 检测数据与预测数据比较 测量距离测量高度测量数据修正前数据修正后数据 ( 偏离中心的距离) m i ( v m k v mk v m m o 1 5 8 5 4 x 1 0 1 1 0 29 6 3 1 0 1 51 57 5 5 x l o - 18 】3 x 1 0 17 8 4 1 0 1 1 01 53 4 3 x 1 0 14 5 6 x 1 0 - 4 0 8 1 0 一 1 51 51 1 9 x 1 0 一1 6 7 x 1 0 - 11 3 2 x 1 0 1 2 01 56 1 9 x 1 0 - 2 6 8 7 1 0 。26 4 4 x 1 0 - 2 从预测结果看，在输电线正下方产生的工频电场强度最大，且璇着偏离输电 线中心距离鲍增加而减小。从上面结果比较可知，输电线在高度为1 5 m 对产生实 测工频电场强度垂直分量要低于修前正后的数据，故所选用的输电线路的电磁环 境达到国家环保总局的标准；而相较修正前，修正后的数据与实测数据的误差要 小，所以修正后的公式更为严格和准确。 2 3 超高压输电线路磁场强度的计算 由于工频情况下电磁性能具有准静态特性，线路的磁场仅有电流产生。应用 电子科技大学硕士学位论文 安培定律，将计算结果按矢量叠加，可得出导线周围的磁场强度。 考虑镜像导线，与导线所处高度相比这些镜像导线位于地下很深的距离d ， d - 6 6 0 睾( m ) ( 2 - 1 2 ) 式中：p 大地电阻率( q n 1 ) f 频率( h z ) 在许多情况下，只考虑处于空间的实际导线，忽略它的镜像进行计算，其结 果已足够符合实际。 如图2 - 6 ，不考虑导线的镜像时，可计算在a 点其产生的磁场强度： 日= 1 ：( 2 1 3 ) 2 ，r | j 1 2 + i d x 图2 - 6 磁场向量图 对于三相线路，由相位不同形成的磁场强度水平和垂直分量也必须考虑电 流问的相角，按相位矢量来合成。一般来说合成矢量对时间的轨迹时一个椭圆。 2 4 影响输电线下工频电场的因素分析 随着输电电压不断地提高，输电系统的电场效应问题己成为设计时必须考虑 的重要的因素。一般说来，电场效应随着所考虑物体尺寸的增大而增加，并近似 地和该物体所在位置的场强成正比【12 1 。 从镜像法的原理可以看出，输电线下的空间场强的大小，除和所加电压有关 外，还和导线的布置形式、几何位置及其尺寸等也有关系。 1 2 第二章超高压输电线电磁环境分析 2 4 1 导线高度的影响 以上述计算实例为模型，分别取1 2 1 9 m 、2 0 m 、2 5 m 进行验证，结果如图2 7 所示，其中实线、虚线、点线分别表示对地高度为1 2 1 9 m 、2 0 m 、2 5 m 时的场强， 上半部分三条曲线表示电场的垂直分量，下半部分三条曲线表示电场的水平分量。 到线路中心线的距离( m ) 图2 - 7 导线高度对地面1 m 处的影响 可见，电场强度随着导线对地距离的增加开始时减小显著，以后减小程度逐 渐缓慢。 2 4 2 分裂导线的根数、间距和导线半径的影响 分裂导线对线下场的影响主要取决于等效半径( 该例等效半径r = 2 1 1 4 e r a ) ， 而对等效半径的大小起主要作用的是分裂间距和分裂根数，导线自身的半径对等 效半径的影响较之前两个因素不是很明显，根数也无太大的实际意义【1 3 1 。 将等效半径减小为原来的1 尼，距离地面1 m 处的场强对比如图2 8 。 1 3 l 蔷 蠕 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 8 等效半径减小前后电场的比较 将等效半径增大为原来的2 倍，距离地面l m 处的场强对比如图2 - 9 。 图2 - 9 等效半径减小前后电场的比较 1 4 姜互v蕊辑 第二章超高压输电线电磁环境分析 由图2 8 和图2 - 9 可知随着等效半径的减小，相应点处的电场强度也随之减 小；随着等效半径的增大，相应点的电场强度也随之增大。 2 5 结论 本章运用等效电荷法进行场强值计算。首先输 入电压的等级，从环境保护的角度出发将额定电压 的1 0 5 倍作为计算电压，输电线采用四分裂导线， 取其等效半径，求出各导线的坐标，进而求解电位 系数矩阵【五】，然后由公式【五】【，】= 【g 】，可求q 。 其次求出单位长度单根导线对某点产生的场强值， 由叠加原理求出总场强。最后通过得出的场强曲 线，分析影响场强的因素。基本流程如图2 1 0 所示 1 考虑大地电导率的影响，对高压输电线工频 电场的预测模型进行修正，引入修正因子 d ：( o e o - - ( 0 8 + j g ，引用干土和湿土两个典型的土 o - - k 一a 壤实例进行比较和分析。将修正后的数据与实际检 测数据进行比较和分析。 2 运用镜像法对工频磁场的预测模型进行修 正，比较修正前后误差，得出忽略镜像的结果已经 可以满足实际要求。 3 引用实例分析导线高度、分裂导线的根数、 间距和导线半径对高压输电线下的工频电场。得出 电场强度随着导线对地距离的增加开始时减小显 著，以后减小程度逐渐缓慢。等效半径减小相应点 处的电场强度也随之减小，反之亦然。 1 5 输入电压等级 u 求导导舞的等效半 u 形成等效电荷的位置 坐标 u 求解电位系数矩阵 lj 由矩阵方程求出等效l 电荷i l 求解输电线周围的电场 强度e l j 导出场强曲线，分析影口 原因 u i 结论 l 图2 1 0 分析流程图 电子科技大学硕士学位论文 第三章移动通信基站电磁辐射影响分析 随着社会经济的迅速发展，广播电视与无线电通信发射台及移动通信发射基 站在环境中的电磁辐射的总量在不断增加，电磁辐射的环境问题已受到普遍关注。 世界卫生组织( w h o ) 把电磁辐射污染列为继水、气、声之后的第四大污染。我 国目前已制定了多种电磁辐射方面的标准，如电磁辐射防护规定 ( g b 8 7 0 2 8 8 ) 、环境电磁波卫生标准( g b 9 1 7 5 8 8 ) 、微波辐射生活区安全 限值( g j b 4 7 5 8 8 ) 等。以9 0 0 m h z 移动通信为例，标准规定了公众照射导出限值， 在一天2 4 h i 内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6 m i n 内的平均值应满足：电 场强度不超过1 2 v m ，功率密度不超过0 4 w m 2 。国外相关标准分别为；国际 i r p a ，1 9 8 4 年公众标准：4 5 w m 2 ；美国a n s l1 9 8 2 年规定标准：3 0 w m 2 ；英 国、荷兰、瑞典、加拿大等规定标准：1 0 0 w m 2 ：美国n i o s h ，1 9 8 5 年规定标准： 1 5 w m 2 。可以看出，国内目前现行的电磁辐射防护标准明显比国际标准及西方国 家标准严格很多。 在国家环保总局所提供的电磁辐射计算公式中，是将发射源看做点源，没有 考虑天线的方向性，模型过于理想和粗糙。本章将以某移动通信发射基站为研究 对象，考虑天线的方向性，在计算中加入方向性因子，对预测模型进行修正并对 移动通信基站电磁辐射情况做出预测和分析。 3 1 移动通信基站功能与原理 3 1 ，移动通信基站功能 移动通信基站的运行实现了移动通信设备( 手机) 与移动通信公司g s m 网之间 的连接，起到了桥梁与纽带的作用【1 4 1 。 3 ，1 2 移动通信基站工作原理 移动通信基站由室内和室外两大部分组成。室内部分有基站控制器、信号接 收发射机、功率放大器、合路器、耦合器、双工器及部分馈线等设备，但在设计、 制造这些设备时已采取了较好的屏蔽措施，一般不会对周围环境造成电磁辐射污 1 6 第三章移动通信基站电磁辐射影响分析 染室外部分有馈线和天线，基站运行时，通过天线发射和接收电磁波，从而使 周围环境的电磁辐射场强增加【i ”。 移动电话发射的高频电信号在空间传播时，被基站接收天线接收，通过交换 设备后传输到公话网，完成一次电话通信。电磁波在空间以球面波的形式传播， 传播过程中产生电场和磁场，对其周围环境造成辐射污染，污染影响的程度与电 磁波强度有关，当环境中电场和磁场强度超过电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 8 8 ) 和环境电磁波卫生标准( g b 9 1 7 5 8 8 ) 的限值，将给周围环境造成电磁辐射污 染，影响人群的健康。 3 2 基站天线的基本特征及类型选择 基站天线是移动通信系统的重要组成部分，它的作用是有效地发射或接收电 磁波。发射天线把高频电流形式的能量转变成同频率的无线屯波能量发射出去， 接收天线将其接收下来的高频无线电波能量转变成同频率的电流能量。 评价基站天线工作质量的参数主要有天线增益、辐射方向图、天线极化、输 入阻抗等。 。在移动通信网工程设计中，应该根据网络的覆盖要求、话务量分布、抗干扰 要求和网络服务质量等实际情况来合理地选择基站天线。由于天线类型的选择与 地形、地物以及话务量分布紧密相关，所以将天线使用环境大致分为一般城区、 密集城区、郊区、农村地区和交通干线5 种类型l j 埘。 本章研究对象为一般城区，该区基站密度较高，单站预期覆盖范围较小，所 以选择基站天线时应考虑以下几方面： 1 应选用水平半功率角接近于6 0 0 的天线，以减少干扰。这种天线所构成的辐 射方向图接近于理想的三叶草型蜂窝结构，如图3 - 4 、图3 5 所示，与现用网络适配 性较好，有助于控制越区切换。 1 7 电子科技大学硕士学位论文 6 6 图3 - 4 三叶草型蜂窝结构 图3 56 0 0 天线辐射方向图 2 一般城区基站一般不要求大范围覆盖，而更注重覆盖的深度。由于中等增 益天线的有效垂直波束比高增益天线宽，覆盖半径内有效的深度覆盖范围较大， 可以改善室内覆盖效果，所以选用中等增益天线较好。 3 一般城区基站天线的安装空间往往有限，所以选用双极化天线比较切合实 际。 综上所述，城区基站宜选用水平半功率角为6 0 0 左右的中等增益的双极化天 线。 3 3 移动通信基站电磁辐射评价标准 3 3 1 电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 - - 8 8 ) 根据电磁辐射防护导出限值，职业照射为每天8 t l t _ 作期间内，电磁辐射场的 场量参数在任意连续6 m i n l 勾的平均值应该满足表3 1 的要求；公众照射为在一天2 4 h 内，环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6 m i i l 内的平均值应满足表3 1 的要求。 表3 1 电磁辐射防护限值 频率范围电场强度( v m )功率密度( w l m 2 ) m h z 职业照射公众照射职业照射公众照射 3 0 一3 0 0 02 81 22o 4 1 8 第三章移动通信基站电磁辐射影响分析 3 3 2 电磁辐射环境影响评价方法和标准( h j t i o 3 - 1 9 9 6 ) 公众总的受照射剂量包括各种电磁辐射对其影响的总和，既要包括拟建设设 施可能或已经造成的影响，还要包括已有背景电磁辐射的影响。总的受照射剂量 限值不应大于国家标准电磁辐射防护规定( g b 8 7 0 2 - 8 8 ) 的要求。 对于单个项目的影响，为使公众受到的总照射剂量小于g b 8 7 0 2 - 8 8 的规定值， 对单个项目的影响必须限值在g b 8 7 0 2 - 8 8 限值的若干分之一。 在评价时，对于国家环境保护总局负责审批的大项目可以取g b 8 7 0 2 8 8 中场强 限值的z 压，或功率密度限值的。其他项目则取场强限值的夕厍，或功率密度 。- ，v j 限值的1 5 作为评价标准。 3 3 3 辐射环境保护管理导则一电磁辐射检测仪器和方法 ( h j t 1 0 2 1 9 9 6 ) 本章工程的电磁辐射属于微波段，按照g b 8 7 0 2 8 8 标准的规定，本评价考虑处 于到同一频段的其它伴有电磁辐射的实践的可能性以及未来发展的需要，确定本 评价g s m 基站周围公众总的电磁辐射功率密度限值为0 4 w m 2 ( 电场强度标准限 值为1 2 v m ) ；单个g s m 基站电磁辐射功率密度评价标准为0 0 8 w m 2 ( 电场强度 评价标准为5 5 v m ) 。 3 3 4 评价范围及评价重点 评价范围：水平方向为以各g s m 基站发射天线为中心，半径为1 0 0 m 的区 域； 垂直方向为以各g s m 基站发射天线高度为参照，上下高度 差为2 0 m 的区域。 评价重点：掌握g s m 建设项目对周围电磁辐射环境的影响，确定出环境 保护距离。 3 4 移动通信基站电磁辐射影响实例 3 4 1 与预测模型相关的辐射特征 根据工程分析，可以得到一下的辐射技术特征： 1 9 电子科技大学硕士学位论文 1 g s m 基站工作频率为9 3 5 2 9 5 3 8 m h z ，属于微波频段； 2 系统基站按如下功率运行：最大2 0 w ，其余载频1 0 w ； 3 一般城区；采用以阿尔贡7 2 3 2 型1 5 d b i 双极化天线为主； 4 综合所有损耗，包括与载频相关的合路器损耗。得到一般城区移动g s m 基站 系统损耗为6 4 d b 。 3 4 2 轴向场预测模型 电磁辐射环境影响评价方法与标准( h j t 1 0 3 1 9 9 6 ) 中所列出的微波频 段远区轴向场的预测模式中，远场轴向功率密度p d 为： p d = 器( w m 2 ) ( 3 1 ) 式中：p 发射机平均功率( w ) ； g 天线增益减去馈线等损耗( 倍数) ； ，天线与预测点之间的距离( m ) 对于一个基站发射多个频率的情况，由于都处于同一频段， 直接相加，即为该基站多载频综合功率密度： 只= 只 f 其辐射功率密度 ( 3 - 2 ) 应当指出的是，根据其模型运算公式的推导和多次此类工程评价的经验，此 模型对场的估算是相对保守的，预测的准确度较差，预测的结果相对较大。 基站辐射达到0 0 8 w m 2 的评价标准时，测试点与基站天线的直线距离定义为 环境保护距离。当基站小区用户达到最大时，所有载频同时使用，各载频辐射功 率密度产生叠加，辐射达到最大。基于保护公众的目的，预测将考虑最大辐射时 的情况，环境保护距离以外，即多个载频功率密度叠加值应小于评价标准 0 0 8 w m 2 。 环境保护距离大于公众辐射安全距离，基站辐射在此距离以外，不仅可以保 障公众辐射安全，同时也可以达到环境保护行政主管部门对环境电磁容量的控制。 3 。4 3 预测模型的修正应用 根据天线原理和电磁场理论，式( 3 1 ) 的实质是把天线输入端输入功率以天线 最大辐射增益进行了放大，平均分布在一个半径为r 的球面上。为了缛到更加准确 2 0 第三章移动通信基站电磁辐射影响分析 的预测值，使用式( 3 1 ) 时，其它观察点的远区场估算可结合天线的方向性函数来 确定，即在考虑到天线方向性，加入方向性系数j ( 0 1 后，式( 3 1 ) 中的轴向增益 g 可以转换成代表不同方向上的增益。 不同的天线类型在不同角度上方向性系数不同，对不同角度上天线方向性系 数的修正是对预测模型的延伸使用，根据角度的变化带入不同角度上的相应的方 向性系数是合理的、可行的。 3 4 4 预测结果与实测结果的比较和分析 下面以般城区基站为例进行理论预测。 某基站属于一般基站，具备较好的测试环境，基站架设于楼顶楼梯顶端。在 1 0 2 0 m 距离进行测试，测试点尽管不能完全处于天线主射下倾方向，但大致满足 测试距离和角度要求。基站最大四个载频，最大发射功率4 3 d b m w ，其余三个载 频辐射功率4 0 d b m w ，各种损耗6 4 d b ，天线型号为阿尔贡7 2 3 2 型1 5 d b i 定向天 线。方向图如3 - 6 所示。其中，方向图较为尖锐的为垂直面方向图，另一为水平 面方向图。 篇裁 憋罗 图3 - 6 阿尔贡7 2 3 2 型天线方向图 主要角度上方向性系数如表3 2 2 1 电子科技大学硕士学位论文 表3 - 2 阿尔贡7 2 3 2 型天线主要角度( 垂直面) 与方向性系数的关系 角度方向性系数 4 53 1 2 ( 第一零点) 一1 1 1 8 ( 第一旁瓣)一8 2 24 0 3 02 0 4 02 5 5 01 4 6 02 0 7 02 3 8 0 2 2 9 02 5 可以看出，垂直面上，天线主瓣宽度9 度，方向夹角达至1 j 1 2 度时，该方向上辐 射强度方向性系数为1 l d b ，即比最大方向的值低l l d b 。1 8 度出现第一旁瓣，其方 向性系数也比主射方向低8 d b 。总体上，垂直面上，与主射方向夹角一旦大于1 8 度， 天线的辐射相对与主射方向减小到7 d b i 以下。 需要说明的是，在国家环保总局提供的预测公式即公式( 3 1 ) 中，是把天线 输入端输入功率以天线最大辐射增益进行了放大，平均分布在一个半径为r 的球面 上，把天线看成了点源，主射方向的辐射值即为整个天线的辐射值。但是由表3 2 所示可知，天线在不同方向上的方向性系数是不同的，这就意味着各个方向上的 电磁辐射值不同。所以对公式( 3 1 ) 进行修正，即在考虑到天线方向性，加入方 向性系数，( 0 ) 后，式( 3 1 ) 中的