雷擊時(shí)共享鐵塔的高壓安全分析

劉 康，黃 歡,2

（1. 貴州大學(xué) 電氣工程學(xué)院，貴州 貴陽 550004；2. 貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司 電力科學(xué)研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷推廣，5G基站需求量會(huì)越來越大[1]。電力桿塔與通信桿塔獨(dú)立建設(shè)，不但會(huì)使基站的選址變得異常困難，也會(huì)造成資源的浪費(fèi)[2]。將電力桿塔與通信基站相結(jié)合，是必然的趨勢(shì)。建設(shè)共享?xiàng)U塔不僅可以減少資源浪費(fèi)，還可以提高土地利用率[3]。但是，由于電力桿塔常處于曠野且高度較高，很容易遭受雷擊[4]。雷電災(zāi)害不僅會(huì)帶來經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)造成人身傷亡[5]。

從20世紀(jì)開始，已有很多學(xué)者對(duì)雷電過電壓進(jìn)行相關(guān)研究[6]。當(dāng)輸電線路桿塔遇到雷擊時(shí)，雷電流沿桿塔流入接地網(wǎng)，在桿塔下方產(chǎn)生很高的跨步電壓、接觸電壓以及接地網(wǎng)地電位升[7,8]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)于該方面的研究大多數(shù)集中在變電站，比如文獻(xiàn)[9-13]通過優(yōu)化接地網(wǎng)來降低跨步電壓和接觸電壓；但是，關(guān)于共享?xiàng)U塔的研究并不多。據(jù)調(diào)研，目前國內(nèi)外關(guān)于輸電線路桿塔作為通信基站的相關(guān)共享技術(shù)均處于前期探索階段。我國僅在云南、江蘇、福建、湖北等省份有部分試點(diǎn)[14]。為保護(hù)通信基站以及維護(hù)人員的安全，探究基站加裝到輸電桿塔后，雷擊高壓對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響是十分有必要的。

雷擊感應(yīng)過電壓通常只考慮35 kV及以下的桿塔。本文模擬的是525 kV桿塔，所以不分析感應(yīng)過電壓。

直擊雷可分為雷擊避雷線、繞擊導(dǎo)線和雷擊桿塔塔頂這3種情況[15,16]。本文利用CDEGS軟件，以仿真模擬的方式研究共享鐵塔不同位置遭受雷擊、不同雷電流幅值和不同土壤電阻率情況下，地面的跨步電壓和接觸電壓大小變化情況[17]以及雷擊桿塔頂部時(shí)地電位升的變化；一方面分析基站的加裝對(duì)雷擊時(shí)電力桿塔下方高壓值的影響，另一方面分析如何通過改變接地方式來抵消地電位升差值帶來的危害。

1 仿真模型

1.1 雷電流模型

常見的雷電流波有斜角波、雙指數(shù)波等多種，均為非周期性沖擊波。本文取雙指數(shù)波形，表達(dá)式為：

取A=30 kA；α=14 000s-1；β=6 000 000s-1。雷電流波形如圖1所示。

圖1 雷電流波形Fig. 1 Lightning current waveform

1.2 共享?xiàng)U塔模型

桿塔模型：選取525 kV的輸電線路桿塔，桿塔高35 m，材料為鋼。由于軟件HIFREQ只能模擬圓柱導(dǎo)體，因此將構(gòu)成桿塔導(dǎo)體設(shè)置為半徑為1.5 cm的圓柱體。雖然真實(shí)的桿塔導(dǎo)體非圓柱形，但是這樣的設(shè)置對(duì)于距離導(dǎo)體 10～20 cm外的電磁場(chǎng)計(jì)算不會(huì)引起影響。接地網(wǎng)設(shè)置為16 m×16 m的正方形，銅導(dǎo)體，埋深為0.5 m，帶有4根長(zhǎng)度為10 m的垂直接地棒。銅導(dǎo)體半徑為7 mm。土壤的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均為1。

通信機(jī)房：機(jī)房位于塔下，由鋼構(gòu)成，尺寸為4 m×4 m×3 m，帶有獨(dú)立的4 m×4 m接地網(wǎng)，埋深為0.5 m，垂直接地體長(zhǎng)度為3 m，銅導(dǎo)體半徑為7 mm，并與桿塔地網(wǎng)相連。

輸電線路：輸電線路導(dǎo)線長(zhǎng) 400 m，型號(hào)為1565 kemil 36/7ACSR；避雷線型號(hào)為7-strand。鋼導(dǎo)體為直徑1.27 cm的鍍鋅高強(qiáng)度鋼。避雷線與桿塔相連。

桿塔仿真模型如圖2所示。

圖2 共享?xiàng)U塔模型Fig. 2 The shared tower model

2 安全接地條件

基站安裝在電力桿塔后，由于二者的電壓等級(jí)相差太大，所以需要考慮維護(hù)人員在系統(tǒng)正常運(yùn)行以及故障情況下人身安全問題。接觸電壓和跨步電壓是最主要的安全指標(biāo)。當(dāng)故障電流通過桿塔流入大地后，桿塔下方地表就會(huì)出現(xiàn)電位梯度。地表電位分布隨著接地體形狀和埋深的不同而不同。

將跨步電勢(shì)定義為站在地面上兩腳間的電位差，一般將跨距取0.8 m。將接觸電勢(shì)定義為地面上離設(shè)備水平距離為0.8 m處與設(shè)備外殼離地面高1.8 m處2點(diǎn)間的電位差。

IEEE Std 80-2000中給出了確定接觸電壓和跨步電壓最大允許值的計(jì)算方法。接觸電壓、跨步電壓限值均是由故障持續(xù)時(shí)間、系統(tǒng)特性（對(duì)于短時(shí)故障清除時(shí)間）、人員體重和腳接觸電阻（該值由地表材料的電氣電阻率決定，如人員所在位置為碎石或自然土壤等）等因素確定。體重50 kg人員的接觸電壓、跨步電壓最大允許值計(jì)算公式為：

式中：Estep為跨步電壓；Etouch為接觸電壓；Cs為表層降額系數(shù)；ρs為表面材料電阻率；ts為故障電流持續(xù)時(shí)間。

3 接觸電壓和跨步電壓分析

雷擊線路時(shí)，雷電流會(huì)沿著導(dǎo)體流入接地裝置再流向大地，并在地表產(chǎn)生較高的電壓。若通信基站安裝到輸電線路桿塔上，則需要考慮是否會(huì)影響原本桿塔下方的高壓值。

3.1 雷擊不同位置仿真計(jì)算

當(dāng)桿塔的頂部受到雷擊時(shí)，雷電流主要通過桿塔塔身向下泄流。此時(shí)塔下地面上會(huì)產(chǎn)生接觸電壓和跨步電壓。圖3所示為輸電線路桿塔不加基站和加基站時(shí)，塔下接觸電壓的計(jì)算結(jié)果。由圖3可知，垂直接地極處的接觸電壓較小，越往外幅值越大，不加基站時(shí)可以達(dá)到22 kV，加基站只有20.8 kV。該結(jié)果顯示出，加基站反而會(huì)使接觸電壓幅值有所下降。圖4所示為跨步電壓的計(jì)算結(jié)果。從圖4可以看出，跨步電壓主要分布在在接地極兩側(cè)，不加基站時(shí)幅值為6.6 kV，加基站幅值在6.2 kV。同時(shí)，由圖4可知，基站的加入并沒有使桿塔原來的電位分布向外擴(kuò)張，只是對(duì)接觸電壓和跨步電壓的幅值產(chǎn)生了一定的影響。

圖3 接觸電壓仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 3 Results of the contact voltage simulation calculation

圖4 跨步電壓仿真計(jì)算結(jié)果Fig. 4 Results of the step voltage simulation calculation

由于其他各類情況電位分布圖均與雷擊桿塔頂部情況相似，只是幅值有所改變，所以只列出幅值。

表1列出了雷擊3種不同位置時(shí)，接觸電壓與跨步電壓的幅值。從表1中數(shù)據(jù)可以看出：雷擊避雷線與導(dǎo)線跟雷擊桿塔仿真結(jié)果類似，加基站后電壓幅值均會(huì)略微下降。

表1 雷擊避雷線與導(dǎo)線時(shí)的電壓幅值Tab. 1 Voltage amplitude between lightning protection wire and wire kV

3.2 不同雷電流幅值時(shí)仿真計(jì)算

雷擊避雷線與導(dǎo)線的接觸電壓、跨步電壓幅值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷擊桿塔。雷擊桿塔對(duì)維護(hù)人員及設(shè)備的危害最大。取土壤電阻率 100 Ω·m，探究不同雷電流幅值擊中桿塔頂部的情況。

表2給出了3種不同雷電流幅值情況時(shí)的接觸電壓、跨步電壓幅值。

表2 不同雷電流幅值時(shí)的電壓幅值Tab. 2 Voltage amplitude of different lightning current amplitudes kV

由表2可知，隨著雷電流減小，接觸電壓和跨步電壓也在減??；加基站后的電壓幅值比不加基站略小。

3.3 不同土壤電阻率時(shí)仿真計(jì)算

表 3 列出了土壤電阻率為 100 Ω·m、300 Ω·m和500 Ω·m時(shí)的計(jì)算結(jié)果。由表3可知，電阻率越大，接觸電壓和跨步電壓幅值就會(huì)越大。從安全的角度考慮，在選址時(shí)盡量選取土壤電阻率小的區(qū)域。

表3 不同土壤電阻率時(shí)的電壓幅值Tab. 3 Voltage amplitude of different soil resistivities kV

將基站加裝前后的情況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)基站的加裝沒有使桿塔下方的高壓幅值增加。由于機(jī)房地網(wǎng)的引入降低了接地電阻，加裝基站后電壓幅值會(huì)略小。

4 地電位升的計(jì)算分析

當(dāng)高壓輸電線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流流經(jīng)接地體，則會(huì)在接地體上產(chǎn)生很高的地電位升。地電位升的定義為：以遠(yuǎn)方大地的電位為參考，接地體阻抗與流經(jīng)接地體的電流的乘積。

分析雷擊不同位置的跨步電壓、接觸電壓值，認(rèn)為雷擊桿塔頂部對(duì)人體危害最大。下面以雷擊桿塔頂部、雷電流幅值 30 kV和土壤電阻率100 Ω·m情況為例，探究機(jī)房地網(wǎng)與桿塔地網(wǎng)在分散和聯(lián)結(jié)2種情況下的地電位升。

圖5所示為分散接地和聯(lián)合接地情況下的地電位升計(jì)算結(jié)果。由圖5可以看出：分散接地時(shí)，在桿塔地網(wǎng)上地電位升約為55 kV，而機(jī)房地網(wǎng)地電位升則為40 kV，二者地網(wǎng)地電位升相差15 kV。聯(lián)合接地時(shí)，桿塔與機(jī)房地網(wǎng)地電位升幾乎成一條直線，在53 kV左右，看不出明顯的地電位差值。當(dāng)機(jī)房地網(wǎng)產(chǎn)生地電位升時(shí)，通過外部供電端口防雷器動(dòng)作，電流沿著外部引入供電電纜再向遠(yuǎn)方大地進(jìn)行泄放。雖然在分散接地情況下機(jī)房地網(wǎng)地電位升小于聯(lián)合接地，此時(shí)外部供電端口防雷器壓力就會(huì)較小；但是，由于地網(wǎng)間的地電位差太大，設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)以及維護(hù)人員人身安全風(fēng)險(xiǎn)大大增加。聯(lián)合接地可以克服這個(gè)缺點(diǎn)，基本消除了二者地網(wǎng)間的地電位差。聯(lián)合接地雖會(huì)提高機(jī)房地網(wǎng)地電位升，但可以通過提升防雷器通流容量來解決該問題。

圖5 桿塔與機(jī)房地網(wǎng)地電位升Fig. 5 Ground potential rise of the tower and the computer room

5 結(jié)論

建立了525 kV輸電線路的桿塔、輸電線路、接地網(wǎng)、通信機(jī)房及其接地網(wǎng)的模型。

（1）仿真結(jié)果表明，基站安裝在電力鐵塔上沒有引起桿塔下方的接觸電壓、跨步電壓分布顯著變化。接觸電壓和跨步電壓幅值會(huì)略變小。

（2）雷擊時(shí)，桿塔與通信機(jī)房地網(wǎng)均會(huì)產(chǎn)生地電位升。采用分散接地時(shí)，通信機(jī)房地網(wǎng)地電位升小于聯(lián)合接地。分散接地雖然能夠減小雷擊引起的地電位升幅值，使外部供電端口防雷器壓力減小，但是會(huì)在桿塔地網(wǎng)間產(chǎn)生較大地電位升的差?？紤]到通信維護(hù)人員的安全及設(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，建議使用聯(lián)合接地。