基于滾球法的共享鐵塔通信設備防雷位置選擇

中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司 周 辰 戴雨劍 王 睿

中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司 田開慶

近年來共享型經(jīng)濟以其高效的資源利用受各行各業(yè)青睞并用于實踐。電網(wǎng)公司的高壓輸電鐵塔在全國地區(qū)廣泛分布，三大通信運營商亦在大力發(fā)展第五代移動通信技術，第五代移動通信設備有著設備體量小、易掛載的優(yōu)勢，將通信設備與輸電鐵塔結(jié)合的共享型電力鐵塔不僅可實現(xiàn)鐵塔資源的充分利用，還能夠縮短5G通信網(wǎng)絡的基礎建設周期，有效實現(xiàn)國家資源共享。由于高壓輸電鐵塔多高度較高，容易成為附近的引雷構筑，對于掛于高壓輸電鐵塔上的通信設備需滿足相關防雷要求。目前對于按照滿足防雷要求的通信設備掛載位置問題的研究較少。本文按照《通信局（站）防雷與接地工程設計規(guī)范》（GB50689—2011）和《建筑物防雷設計規(guī)范》（GB50057—2010）中要求，首先選取具體干字型鐵塔進行“滾球法”計算，再通過對具體模型的類比分析，總結(jié)推導出對常規(guī)類型鐵塔的一般計算方法。

1 具體塔型的通信設備防雷位置選擇

滾球法（rolling ball method）是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一。它的計算原理為，以某一規(guī)定半徑的球體在裝有接閃器的建筑物上滾過，滾球體由于受建筑物上所安裝接閃器的阻擋而無法觸及某些范圍，把這些范圍認為是接閃器的保護范圍。滾球法是以hr半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物）、而不觸及需要保護的部位時，則該部分就能得到接閃器的保護。滾球法中滾球半徑hr是決定避雷針保護范圍的一個關鍵因素。IEC標準和我國的國家標準根據(jù)建筑物的重要性，規(guī)定了建筑物的多種雷電防護等級，不同雷電防護等級的滾球半徑（hr/m）分別為I級為20，I、II級為30，II、III級為45，III、IV級為60。

根據(jù)前文介紹的計算方法，擬選用某確定塔型條件進行實例計算，計算邊界條件如下：采用國家電網(wǎng)通用設計220kV干字型耐張塔2A2-J1，呼高h為27m、全高為36.5m塔型進行計算，采用I級防雷標準，即滾球半徑hr=20m。根據(jù)該塔型，利用滾球法可繪制出該塔的保護范圍如圖1～2，圖中尺寸數(shù)據(jù)的單位為mm。由圖1可看出該塔型實例除塔頂外其他部分均位于保護范圍內(nèi)。由圖2所示，塔頂區(qū)域根據(jù)滾球法計算結(jié)果量算，滾球伸入塔身區(qū)域最大處為404mm，按要求通信天線外伸長度不大于800mm，考慮地線出線的下傾角度一般不超過15°，可計算出靠近塔頂位置的通信天線應安裝于低于塔頂不小于620mm處。

圖1 單回路干字型鐵塔防雷保護范圍示意圖

圖2 單回路干字型鐵塔塔頂部防雷保護范圍

2 通用塔型通信設備防雷位置選擇的一般性公式推導

滾球法是一個偏幾何的方法，規(guī)范在給出該方法時沒有對應共享鐵塔相關計算的公式。故在確定共享鐵塔通信設備安裝位置時，需根據(jù)具體塔型防雷等級要求進行逐一繪圖方能完成核驗工作。但該種方法在批量計算時不占優(yōu)勢，考慮輸電鐵塔的幾何外形基本相似，可針對該類型尺寸推導出通用公式方便進行代數(shù)計算。本文主要對使用較多的鼓（傘）型、干字型鐵塔進行分析，推導一般性結(jié)論。輸電線路鐵塔的導線一般懸掛于橫擔一端，考慮通信設備的放電間隙影響，其一般應布置于鐵塔的塔身部分，即圖3中①②③位置。以下針對該三個部分的型式特點進行分析。

圖3 通信設備設置于輸電鐵塔的位置

2.1 塔身中部區(qū)域

從圖3可發(fā)現(xiàn)，對于塔身中部區(qū)域（②部分），塔身基本為鐵塔橫擔所包圍?？偨Y(jié)各種電壓等級鐵塔的尺寸特點，該部分橫擔伸出長度和橫擔之間距離相近，按防雷規(guī)范中可取得的最小半徑滾球20m，輸電鐵塔最高電壓等級的橫擔層間距不超過25m，兩相對比可發(fā)現(xiàn)塔身中部區(qū)域（②部分）始終處于橫擔保護范圍內(nèi)。

2.2 塔身上部區(qū)域

對布置于塔身上部區(qū)域（①部分）的通信設備，塔身上部防護區(qū)域見圖4。圖4中白色區(qū)域為滾球無法達到區(qū)域，即為可保護區(qū)域，紅色陰影區(qū)域為滾球所能達到的區(qū)域，即為不可保護區(qū)域。由幾何關系易知，滾球切入塔頂?shù)奈恢脼槭?，該處區(qū)域受到塔頂和兩側(cè)的避雷線保護，考慮地線金具串長度和順線路方向地線下傾影響后，通信設備安裝于塔身頂部（①部分）時，應安裝在低于塔頂Hx處，x應滿足式2。式1～2中：HX為天線距離塔頂?shù)淖钚“惭b高度，mm；hr為滾球半徑，mm；L為地線間距離，mm；λ為天線伸出長度，mm；φ為導線下傾角，rad；Lc為絕緣子串長度，mm。

圖4 塔身上部防護區(qū)域

2.3 塔身下部區(qū)域

對布置于塔身下部區(qū)域（③部分）的通信設備，可描繪滾球區(qū)域如圖5：白色區(qū)域為滾球無法達到區(qū)域、即為可保護區(qū)域，紅色陰影區(qū)域為滾球所能達到的區(qū)域、即為不可保護區(qū)域，圖2中塔身的綠色范圍為塔身與滾球的接觸區(qū)間，無法被保護。根據(jù)上述情況，可假定一個狀態(tài)，使以滾球與鐵塔橫擔最外側(cè)接觸，同時與塔身和地面相切，如圖6所示，其中H為鐵塔呼高，S為塔腿距桿塔中心的距離；a為塔身坡度角；以及雷電設防等級（對應滾球半徑hr）對于具體工程都是已知的數(shù)據(jù)。其中參數(shù)的幾何關系如下：

圖5 塔身下部防護區(qū)域

圖6 滾球接觸橫擔端部和塔身的極限狀態(tài)

式中：θ為滾球與鐵塔橫擔最外側(cè)接觸，同時與塔身和地面相切時，滾球圓心與鐵塔橫擔端部連線與水平線夾角，rad；L為鐵塔橫擔長度，mm；L1,L2,L3,L4為根據(jù)幾何特征對橫擔長度L作出的細分，mm；H為鐵塔呼高，mm；hx,hy,hz為根據(jù)幾何特征對鐵塔呼高H作出的細分，mm；hr為滾球半徑，mm；b為滾球圓心與鐵塔塔身垂足連線與水平線夾角，其值與塔身坡度角a互余，rad；S為塔腿距桿塔中心的距離。

將式3～9代入式10，整理可得式11，聯(lián)立(3)(4)(11)式可將等式整理為其余參數(shù)與鐵塔呼高H的關系式12，式中：該處區(qū)域受到鐵塔橫擔和導線保護，考慮導線金具串長度和順線路方向?qū)Ь€下傾影響后，通信設備安裝于塔身下部區(qū)域（③部分）時，應考慮上述影響，計及上述影響后修正的關系為式13，式中：H為鐵塔掛線高度，mm；hr為滾球半徑，mm；L為橫擔邊緣距離塔中心距離，mm；s為鐵塔根開，mm；b為塔腿坡度角，rad；λ為天線伸出長度，mm；φ為導線下傾角，rad；Lc為絕緣子串長度，mm。本式中的意義在于，鐵塔掛線高度Hx上述H值時可設置在塔身下部區(qū)域（③部分）的任意位置。

當掛點高度H值增大時，將出現(xiàn)中間有一段區(qū)間不再處于保護區(qū)間的情況，但是其下段區(qū)間和上段區(qū)間仍可被保護，反應到圖6中，下段區(qū)間對應的是hx值，上段區(qū)間對應的是hy+hz的值。此時的通信設備安裝位置應應滿足Hx＜hx或Hx＞H-(hy+hz)，即：Hx＜hr(1-sinb)、Hx＞H-hr(cosb]2+sinb）

上段區(qū)間仍需要考慮絕緣子串和導線下傾影響，下段區(qū)間不再需要考慮絕緣子串和導線下傾影響。計及上述影響后修正的關系式為：Hx＜hr(1-sinb)、λtanφ-Lc。

綜上，本文根據(jù)滾球法要求，結(jié)合電力鐵塔中常用的鼓（傘）型、干字型鐵塔形態(tài)特征，總結(jié)并推導了可用于該塔型通信設備安裝位置的代數(shù)計算公式。本文推導的公式僅適用于塔身單段變坡較簡單的鼓（傘）型、干字型鐵塔，無法涵蓋塔身存在多段變坡的酒杯、貓頭等塔型的情況，對此類塔型的一般性公式，可進行進一步的深化研究。