基站與高壓電力塔共站的防護(hù)分析

1 概述

隨著5G 技術(shù)的發(fā)展，三大運營商陸續(xù)發(fā)布5G 商用時間表，5G 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)進(jìn)程快速推進(jìn)。5G 基站對站點加密部署的需求更加迫切，利舊3G、4G 存量站址還是無法滿足5G 站點部署的需求。而電力塔設(shè)施分布廣、數(shù)量多，數(shù)倍乃至十倍于通信桿塔，有人提出能否用電力塔代替通信塔，如果可行將對5G基站建設(shè)及疑難站址攻堅均有一定的共享價值。

用電力塔代替通信塔，難點在于安全問題，主要有以下3點。

a）高壓電力線雷擊、電暈、火花放電及強(qiáng)電場等都可能影響通信設(shè)備的正常工作。

b）在高壓電力線發(fā)生短路接地故障時，在基站與高壓電力線最臨近的地網(wǎng)邊緣處，產(chǎn)生的地電位升可能超過安全限值。同時，通信基站天線若安裝在高壓電力塔上，有可能因電力線斷裂而接到天饋線上，強(qiáng)大的短路電流會引入通信基站，燒毀通信電、光纜（饋線）或通信設(shè)備。

c）當(dāng)通信基站有出入金屬纜線時，高壓電力線也會在與之平行接近的金屬纜線上，產(chǎn)生磁感應(yīng)縱電動勢。

圖1示出的是高壓電力系統(tǒng)對通信設(shè)施的影響途徑。

共享電力塔的安全穩(wěn)定性是其大規(guī)模應(yīng)用需要研究的關(guān)鍵問題。與電力塔共站的基站在電磁兼容和接地方式甚至安裝位置等方面均與傳統(tǒng)基站建設(shè)有顯著區(qū)別，因此，有必要進(jìn)行系統(tǒng)性研究并提出解決方案。

圖1 高壓電力系統(tǒng)對通信設(shè)施的影響途徑

2 高壓電力線的容性耦合

電力線路的電壓在其周圍空間形成電場，對鄰近的電信線路和通信設(shè)備產(chǎn)生影響，這種影響是通過互電容耦合的，可稱之為容性耦合影響。

容性耦合影響主要是指高壓電力線雷擊、電暈、火花放電及強(qiáng)電場對通信設(shè)備正常工作造成的影響。

通信設(shè)備與電力線路的最小隔距，應(yīng)考慮施工、運維所帶來的影響，在帶電體的安全隔距之外安裝基站設(shè)備，防止高壓電力線由于雷擊、電暈、火花放電及強(qiáng)電場等對通信設(shè)備造成破壞。電力行業(yè)考慮的是電氣間隙值，不同工況下的電氣間隙主要包括工頻電壓間隙、帶電作業(yè)間隙、雷電過電壓間隙、操作過電壓間隙等。

綜合以上考慮并根據(jù)電力塔線路不同的電壓等級，可以計算出通信設(shè)備與電力線路的最小隔距。

工頻電壓間隙的計算公式為：

式中：

d——工頻電壓間隙

U50%——50%放電電壓

Kg——間隙系數(shù)

K2——工頻電壓統(tǒng)計配合系數(shù)

Um——最高運行電壓

Kα——海拔修正系數(shù)

H——海拔高度

m——海拔修正因子

操作過電壓間隙可通過式（1）計算。50%放電電壓的計算公式為：

式中：

K3——操作過電壓統(tǒng)計配合系數(shù)

Ke——統(tǒng)計過電壓倍數(shù)

雷電過電壓的間隙取決于絕緣子串的正極性雷電沖擊電壓波50%放電電壓，與絕緣子串的片數(shù)、高度有關(guān)。雷電過電壓間隙可通過式（1）計算。U50%為50%雷電沖擊放電電壓。

帶電作業(yè)間隙的計算公式為：

式中：

D——工頻電壓間隙

Dmin——最小電氣安全距離

D90%——絕緣間隙的統(tǒng)計耐受電壓

D2%——作業(yè)位置（相-地）的統(tǒng)計過電壓

Ks——統(tǒng)計安全系數(shù)，取1.1

從電氣安全的角度來看，基站天線應(yīng)裝設(shè)在鐵塔帶電導(dǎo)體下方、安全距離以外的塔身處；各電壓等級基站天線的安裝位置距離最下層導(dǎo)線掛點的安全距離為：

a）500 kV 線路。根據(jù)海拔和回路數(shù)的情況，安全距離分布范圍為11.2～12.4 m。

b）220 kV 線路。根據(jù)海拔和回路數(shù)的情況，安全距離分布范圍為6.1～6.8 m。

c）110 kV 線路。根據(jù)海拔和回路數(shù)的情況，安全距離分布范圍為3.7～4.1 m。

綜上所述，可以通過增大高壓電力線路與通信設(shè)備的間距達(dá)到減小或消除容性耦合影響的目的。

3 高壓電力線的感性耦合

電力線路上的交變電流在其周圍空間形成交變的磁場，從而在鄰近的電信線路上感應(yīng)出縱電動勢，它是由互感耦合產(chǎn)生的，可稱之為感性耦合。

強(qiáng)電磁感應(yīng)耦合影響的縱電動勢計算應(yīng)依照下式進(jìn)行。

式中：

f——高壓輸電線頻率（50 Hz）

Mi——第i接近段高壓輸電線與通信線間的互感系數(shù)

Li——第i接近段的通信線在高壓線路上的投影長度

I——高壓輸送線對通信線的影響電流（通信架空明線，I=0.6Ik；通信電纜，I=0.85Ik）

Ik——第i接近段的短路電流大小

Si——第i接近段高壓輸電線與通信線間的綜合屏蔽系數(shù)

如圖2 所示，在與送電線交越的通信線MN 段上，求出距高壓線為10 m 的點M'和點N'?？梢园袽M'段和NN'段看成是單獨的斜接近段。如果α＞60°，可以不考慮M'N'的影響，如果α≤30°，就可以把M'N'段看成是等效接近距離為6 m 的平行接近段。30°＜α≤60°時，電動勢可以從表1中近似求得。

圖2 與送電線交越的通信線示意圖

表1 短路電流為1 kA時，不同大地電阻率、交越角α和M'N'交越段上的感應(yīng)電動勢

綜上，當(dāng)通信基站有出入金屬纜線時，高壓電力線也會在與之平行或交越接近的金屬纜線上，產(chǎn)生磁感應(yīng)縱電動勢，交叉角度越小產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢越大，因此，為減小高壓電力線對通信線路的感性耦合影響，應(yīng)使進(jìn)出基站的纜線與高壓電力線的交叉角盡量接近90°。

4 高壓電力線的阻性耦合

流經(jīng)輸電線路桿塔接地裝置的短路電流，在流入、流出大地的區(qū)域與遠(yuǎn)方大地之間產(chǎn)生電位差，使大地電位升高，通過大地電阻耦合對通信局（站）接地裝置、埋地電纜、埋地光纜產(chǎn)生的影響，可稱為阻性耦合。

高壓線對地短路，引起鐵塔地網(wǎng)產(chǎn)生很高工頻地電位升（幾千伏到幾十千伏），將導(dǎo)致通信設(shè)備及線路絕緣損壞甚至引發(fā)火災(zāi)；地電位升沿著外部引入低壓電源線傳導(dǎo)到共變壓器，還會帶來附近居民人身危險和財產(chǎn)損失。

4.1 電力系統(tǒng)接地故障特性分析

當(dāng)中性點直接接地的電力系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，在饋電變電站，以及故障位置（可能是安裝無線電基站的塔）都會出現(xiàn)地電位升高。在大多數(shù)情況下，地電位升在故障處將高得多，因為故障點對地的等效阻抗遠(yuǎn)高于變電站。

非直接接地中性點發(fā)生接地故障時，由于故障電流幅值小，地電位升很小。然而，雙接地故障也可能發(fā)生。在這種情況下，故障電流將高得多，并在2個故障位置上產(chǎn)生相當(dāng)大的地電位升。

4.1.1 鐵塔及附近地電位升

當(dāng)大電流入地時，比如雷擊鐵塔或中性點直接接地的電網(wǎng)線路發(fā)生單相接地故障或中性點非直接接地的電網(wǎng)線路發(fā)生兩相接地故障時，在鐵塔處將出現(xiàn)較大的地電位升，可能是幾十kV。

鐵塔電位上升是由于故障電流導(dǎo)致鐵塔接地（基礎(chǔ)）相對于大地遠(yuǎn)處地電位升高。

當(dāng)輸電線路裝有架空地線時，大部分故障電流通過這些線路返回，只有一小部分接地故障電流流過塔腳。鐵塔地電位升可以通過塔腳接地故障電流的零序分量（3I0E）和塔腳接地電阻（R）的乘積，即3I0ER來計算。

當(dāng)電力線沒有接地線時，整個故障電流流過塔腳。鐵塔地電位升可由接地故障電流的零序分量（3I0）和塔的接地電阻（R）的乘積，即3I0R來計算。

鐵塔外區(qū)域地電位升是指遠(yuǎn)端單相接地故障，或非直接接地網(wǎng)絡(luò)雙接地故障時，導(dǎo)致鐵塔區(qū)域相對于遠(yuǎn)端地電位下降，這個電位降或多或少形成電位漏斗，從塔腳開始增加。

地電位升可依據(jù)下式計算。

式中：

I——計算點高壓輸電系統(tǒng)接地網(wǎng)的單相對地故障短路電流（A）

R——計算點高壓輸電系統(tǒng)接地網(wǎng)的接地電阻（Ω）

Kd——計算點高壓輸電系統(tǒng)的地電流系數(shù)

KP——計算點高壓輸電系統(tǒng)接地網(wǎng)地電位衰減系數(shù)

網(wǎng)內(nèi)短路時，

網(wǎng)外短路時，

式中：

ZMO——“導(dǎo)線—地”與“地線—地”兩回路間的零序互感阻抗

ZLO——高壓避雷線的零序自感阻抗

因此由上述計算式可知，鐵塔地電位升高的幅值取決于接地故障電流幅值、接地電阻、架空地線、到變電站的距離、塔之間的距離等許多不同的因素。

4.1.2 接觸電壓和跨步電壓

地電位升對人員所造成的危害主要是電擊危害，產(chǎn)生危害的主要原因是接觸電壓和跨步電壓超過了人體能承受的安全電壓。

跨步電壓和接觸電壓的計算如圖3所示。

圖3 跨步電壓和接觸電壓的計算示意圖

由圖3可知，當(dāng)人在地面行走時，人體兩腳間的實際電壓即跨步電壓為：

當(dāng)人站立于地面并用手接觸接地的金屬導(dǎo)體時，人的手與腳間的實際電壓即接觸電壓為：

體重為50 kg的人體安全電流為：

根據(jù)以上公式，考慮到地面高電阻層修正系數(shù)Cs，可計算出體重為50 kg 的人體在均勻土壤上的跨步電壓和接觸電壓限值。

綜上可知，加大地表土壤的電阻率可以增大人腳與土壤間的接觸電阻，從而降低跨步電壓和接觸電壓。減小跨步電壓和接觸電壓的主要措施有：

a）減小接地電阻。通常會采用減小接地電阻的方式減小跨步電勢和接觸電勢，從而能夠減小跨步電壓和接觸電壓。

b）增大地表的土壤電阻率。增大地表的土壤電阻率，就意味著增大了人腳與地面的接觸電阻，從而減小通過人體的電流，進(jìn)而達(dá)到減小跨步電壓和接觸電壓的目的。

c）減小基站附近地表分布的電位梯度，也能減小接觸電勢和跨步電勢。

因此，對于與電力塔共站的基站來說，可以在基站周邊采取均壓措施來降低電擊危害。即在基站的進(jìn)出口、走道以及設(shè)備附近，增埋水平接地體（即均壓帶），如圖4和圖5所示，在基站機(jī)房外設(shè)置均壓帶（40 mm×4 mm 熱鍍鋅扁鋼）。將基站均壓網(wǎng)與鐵塔地網(wǎng)可靠連接形成聯(lián)合接地，能夠有效改善地面上的電位分布。

上述各項措施應(yīng)有效結(jié)合相輔相成，不應(yīng)只強(qiáng)調(diào)某一措施，而忽略其他。只有綜合采用各項措施，才能取得更好的效果。

圖4 基站位于鐵塔外部時均壓網(wǎng)的連接方式

圖5 基站位于鐵塔內(nèi)部時均壓網(wǎng)的連接方式

上述的討論都是針對在供電系統(tǒng)故障情況下，對人身安全的保護(hù)。而對于設(shè)備的保護(hù)，由于故障時過電壓水平一般不高，通常是依靠提高設(shè)備的絕緣等級、迅速切除故障以及增強(qiáng)系統(tǒng)內(nèi)各設(shè)備間的等電位連接等措施加以解決，在此就不詳述了。

4.2 低壓網(wǎng)絡(luò)供電及防護(hù)

4.2.1 低壓網(wǎng)絡(luò)供電方案

低壓網(wǎng)絡(luò)供電是指從居民變壓器或居民接電點處引出380或220 V電源線供給基站使用。

圖6顯示了基站從低壓網(wǎng)絡(luò)供電時的方案。

圖6 低壓供電方案

由前述分析可知，高壓線對地短路時，會引起鐵塔地網(wǎng)產(chǎn)生很高的工頻地電位升（幾千伏到幾十千伏），地電位升將沿著引入的低壓電源線傳導(dǎo)到共變壓器的居民區(qū)，使變壓器和居民電器設(shè)備電位升高，造成附近居民人身危險和財產(chǎn)損失。

4.2.2 防護(hù)方案

采用低壓網(wǎng)絡(luò)對基站供電時，可采取在低壓網(wǎng)絡(luò)和基站之間使用隔離變壓器的方式將可能產(chǎn)生的高壓和低壓網(wǎng)絡(luò)隔離開。

雷電過電壓或者短路故障過電壓可能發(fā)生在繞組之間或隔離變壓器的初級繞組和地之間。對于這樣高的過電壓防護(hù)水平，只依靠隔離變壓器是不可行的。因此，應(yīng)該通過SPD 來保護(hù)，SPD 連接在一次側(cè)端子和地之間（如圖7所示），可以減少二者的電位差，達(dá)到保護(hù)的目的。

使用隔離變壓器時，應(yīng)注意隔離變壓器的絕緣水平。隔離變壓器初級繞組工頻絕緣耐壓水平應(yīng)高于由于接地故障引起的鐵塔地電位上升的最大均方根值，另外，隔離變壓器初級繞組的沖擊電壓耐受強(qiáng)度應(yīng)高于所設(shè)置的中壓SPD的殘壓。

中性線在接線的端子處與屏蔽層連接并在接電點處接地。在基站處，屏蔽層和鐵塔地之間連接單個中壓SPD，鐵塔帶來的高電位由此SPD 鉗位。屏蔽層和三相線之間的過電壓由低壓SPD鉗制。

圖7 兩端分別采用SPD保護(hù)的接地方式

為了對電纜實施良好的保護(hù)，低壓側(cè)電纜采用鎧裝電纜或?qū)Ь€穿鋼管。配線電纜屏蔽層兩端、保護(hù)鋼管兩端均應(yīng)接地，且在電纜兩端加裝避雷裝置，是為了產(chǎn)生電磁封鎖效應(yīng)，盡量減少雷電波的侵入，減少或消除雷電事故。

5 總結(jié)

綜上所述，基站與高壓電力塔共站時需要做好高壓電力線對基站的危險影響防護(hù)，尤其要關(guān)注高壓電力線故障時地電位反擊對基站及附近居民的影響。主要有以下措施：

a）可以通過增大高壓電力線路與通信設(shè)備的間距達(dá)到減小或消除容性耦合影響的目的。

b）應(yīng)使進(jìn)出基站的纜線與高壓電力線的交叉角盡量接近90°，以減小通信纜線上的感生電動勢。

c）做好基站供電線、設(shè)備、信號線等與電力塔的等電位連接及采用均壓網(wǎng)或增大地表土壤電阻率等方式降低跨步電壓和接觸電壓，以保障維護(hù)人員和周邊活動人員的人身安全。

d）通過接地和隔離等方式減小地電位反擊對附近居民用電網(wǎng)絡(luò)、人身安全的影響。