電力與通信共享鐵塔雷擊電磁影響 分析及防護

劉 康，黃 歡,2

（1. 貴州大學 電氣工程學院，貴州 貴陽 550025； 2. 貴州電網(wǎng)有限責任公司 電力科學研究院，貴州 貴陽 550002）

0 引言

隨著我國5G技術的不斷發(fā)展與推廣，5G基站建設數(shù)量增加較快[1]，其對桿塔的需求也越發(fā)迫切。電力桿塔與通信桿塔分別建設，不僅會加大基站選址的困難，還會造成社會資源的浪費[2]。將基站安裝到輸電線路桿塔上，是必然的趨勢。共享桿塔既節(jié)約資源，又充分利用了土地[3]。

桿塔一般比較高聳且沒有遮擋物，所以很容易遭受雷擊。雷擊是一種常見的自然災害，其發(fā)生時不僅會有高壓危害人體，還會伴有強大的電磁場從而威脅機房內(nèi)的電子設備安全[4-6]。

利用電磁分析的方法可以了解電磁場分布情況。目前，用電磁分析的方法主要基于電磁場理論[7,8]與電路理論[9]。當建筑物導體數(shù)量多且排列雜亂時，這種建模將會變得困難[10]。

在利用仿真軟件來進行電磁分析方面，國內(nèi)外學者多關注于變電站[11]、發(fā)電機[12]和高層房屋[13-14]，對于共享桿塔的研究并不多。共享鐵塔的建設在國內(nèi)外都是處于前期探索階段；我國僅在湖北、福建、江蘇、云南等省份有少部分試點[15]。

本文利用CDEGS仿真軟件[16]，對雷擊共享鐵塔時的桿塔下方和基站機房的電磁場分布進行模擬分析；對比了不同高度平面上的電磁場分布，以及機房在共享桿塔和通信桿塔下的電磁場幅值大小；同時，為選擇合適的接地方式，對比了不同接地方式下的地表電位分布。

1 分析方法

采用CDEGS軟件中的HIFREQ和FFTSES模塊，對雷擊共享鐵塔塔頂時的電磁場進行計算。

在頻域中計算電磁場的頻域響應通常需要花費大量的計算時間。FFTSES模塊一個重要特點，即其能夠基于相對少量的頻率數(shù)值以及頻域響應來得到時域電磁場。

計算過程可以概括為如下過程。

（1）時域信號的頻域分解：用FFTSES選擇一個時域雷電信號（使用內(nèi)置函數(shù)）并在頻域下表達。程序會推薦一些計算頻率來求取電磁場響應。

式中：f(t)為雷電流函數(shù)；F(ω)為傅里葉變換后的頻譜函數(shù)。

（2）系統(tǒng)頻域響應計算：用SESCAD建立桿塔、機房以及接地系統(tǒng)等導體系統(tǒng)模型。使用HIFREQ在推薦頻率下計算未調(diào)制的系統(tǒng)頻域響應。

（3）系統(tǒng)時域響應計算：從HIFREQ數(shù)據(jù)庫提取計算結(jié)果，并用SIRPS創(chuàng)建FFTSES數(shù)據(jù)庫。用FFTSES計算系統(tǒng)時域響應。

2 仿真模型

2.1 雷電流模型

雷擊形成的電流波形都是非周期性沖擊波；雷電流的幅值、半峰值時間、波形陡度以及波形持續(xù)時間等參數(shù)變化范圍很大。

進行雷擊計算時，根據(jù)具體的應用場合，可以采用不同參數(shù)的雷電流。常見的雷電流波形有斜角波、半余弦波、雙指數(shù)波等。雙指數(shù)波與實際雷電流最相似，表達式為：

式中：A為雷電流幅值；α、β為常數(shù)，由雷電流波形確定。

標準DL/T 620-1997中給出了我國雷暴日超過20的地區(qū)的雷電流幅值出現(xiàn)概率分布[17]，計算公式如下：

式中：P為雷電流幅值超過幅值A的概率。

經(jīng)計算可知：雷電流幅值超過30 kA的概率為45.6%，且隨著幅值增大概率會越來越小。考慮大部分地區(qū)雷電流幅值都低于30 kA，同時為了盡可能反應雷電流帶來的破壞性，本文采用的是幅值30 kA的雙指數(shù)波形。公式（3）中，取A=30 kA，α=14 000s-1，β=6 000 000s-1，可得雷電流波形如圖1所示。

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

2.2 共享桿塔與通信桿塔模型

共享桿塔模型如圖2所示。

圖2 共享桿塔模型 Fig. 2 Shared tower model

桿塔參數(shù)設置：在SESCAD中，選取525 kV的桿塔。桿塔高設為35 m。材料設為半徑15 mm圓鋼。在HIFREQ模塊中，電阻率與磁導率均以銅為基數(shù)，設置成12 Ω·m和250 H/m。

接地網(wǎng)參數(shù)設置為：16 m×16 m的正方形銅導體；埋深為0.5 m；帶有4根長度為10 m、半徑為7 mm的銅導體垂直接地棒。

通信機房參數(shù)設置：尺寸為4 m×4 m×3 m，位于塔下，由鋼構(gòu)成；機房帶有4 m×4 m獨立接地網(wǎng)，埋深為0.5 m，其銅導體垂直接地體長為3 m、半徑為7 mm。

輸電線路參數(shù)設置：相導線長400 m，型號為1565 kemil 36/7ACSR；避雷線型號為7-strand，直徑1.27 cm，材料為鍍鋅高強度鋼。

避雷線與桿塔相連。

土壤電阻率取100 Ω·m，其相對介電常數(shù)和相對磁導率均為1。

通信桿塔設置：采用安全度高、安裝維護簡單、成本低的角鋼塔。由于SESCAD模塊不能模擬角鋼，故選取圓鋼代替角鋼。這種設置不會影響周圍的電磁場計算結(jié)果。

通信桿塔模型如圖3所示：塔高40 m，圓鋼半徑為15 mm，電阻率與磁導率分別為12 Ω·m和250 H/m。接地網(wǎng)材料為8 m×8 m的正方形銅導體，埋深為0.5 m，帶有4根長度為6 m、半徑為7mm的銅導體垂直接地棒。

圖3 通信桿塔模型 Fig. 3 Communication tower model

通信機房模型不需做改變；但是由于塔下空間不足，需將機房建在塔外。

3 電磁場仿真結(jié)果及分析

標準GB/T 2887-2011給出了設備磁場限值[18]：機房內(nèi)磁場強度不應大于800 A/m。

由于機房屬于常見的金屬設施，其擊穿場強標準為33 kV/2 cm，所以需要對機房附近的電磁場分布情況進行計算。為減少計算量，運用CDEGS軟件對共享桿塔的簡化模型進行仿真計算。

3.1 機房在桿塔下的電磁分布

雷擊時，桿塔下方0 m（地面）、1 m、2 m和3 m（機房頂）高度平面上的電磁場分布分別如圖4和圖5所示。

圖4 各高度平面磁場強度分布 Fig. 4 Magnetic field strength distribution at each height plane

圖5 各高度平面電場強度分布 Fig. 5 Electric field intensity distribution at each height plane

由圖4可以看到，在雷擊時，不同高度的磁場分布很類似：都在接地極附近出現(xiàn)幅值，并且離接地極位置越遠磁場越小。雖然在0 m、3 m平面上磁場的幅值大于1 m和2 m平面的幅值，但4種高度下的中心區(qū)域均滿足磁場強度不應大于800 A/m的要求。

圖5給出了雷擊時各高度平面上的電場分布。與磁場相似，在0 m和3 m平面上的電場幅值均大于1 m和2 m平面上的電場幅值。垂直接地極附近的電場最大，塔下中心區(qū)域的電場較小。在高度為1 m、2 m的平面上，電場向中間凹陷；在3 m的平面上，中間有一圈電場較高的區(qū)域。在靠近導體的區(qū)域電場較高——這與機房模型吻合。整個區(qū)域場強均沒有超過擊穿場強。

3.2 共享與通信桿塔模型電磁場對比

表1對比了雷擊時，共享輸電線路桿塔下和通信桿塔下的電磁場幅值大小。

表1 不同高度下共享與通信桿塔的電磁場幅值計算結(jié)果 Tab. 1 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers at different heights

為了使分析結(jié)果更加可靠，計算了不同高度、不同雷電流幅值和不同土壤電阻率情況下的電磁場幅值。表1給出了0 m、1 m和2 m高度平面的輸電線路桿塔與通信桿塔下的電磁場幅值大小。

表2分別給出了雷電流幅值分別為10 kA、30 kA和50 kA時，共享輸電線路桿塔與通信桿塔下的電磁場幅值大小。

表2 不同雷電流幅值時共享與通信桿塔的電磁場 幅值計算結(jié)果 Tab. 2 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers under different lightning current amplitudes

表3給出了土壤電阻率分別為100 Ω·m、300 Ω·m和500 Ω·m時，共享輸電線路桿塔與通信桿塔下的電磁場幅值大小。

表3 不同土壤電阻率下共享與通信桿塔的電磁場 幅值計算結(jié)果 Tab. 3 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers under different soil resistivities

綜合表1、表2和表3可以看出，在不同高度、不同雷電流幅值和不同土壤電阻率的情況下，共享桿塔的電場幅值是要遠小于通信塔。

共享桿塔的磁場幅值略高于通信桿塔。由磁場分布圖可知，高幅值區(qū)域主要分布在垂直接地極附近；因此，只要將基站安裝到輸電線路桿塔下合適的位置，雷擊就不會影響機房內(nèi)設備的電磁環(huán)境。

4 雷擊桿塔接地防護分析

在雷擊時，會有很大的電流經(jīng)過塔體流向接地網(wǎng)再通過大地散流。此過程會在地面上產(chǎn)生很大的電勢。

使用CDEGS軟件計算桿塔與機房地網(wǎng)在不同連接方式下的地電位。

以機房安裝在離桿塔地網(wǎng)10 m處為例。地網(wǎng)連接示意圖如圖6所示。圖6（a）中，鐵塔地網(wǎng)與通信地網(wǎng)相互獨立；圖6（b）中，用水平接地體將鐵塔地網(wǎng)與通信地網(wǎng)進行等電位連接。

圖6 地網(wǎng)連接示意圖 Fig. 6 Schematic diagram of ground network connection

圖7所示為分散接地和聯(lián)合接地情況下的地表電位分布。

圖7 桿塔與機房地表電勢 Fig. 7 Surface potential of tower and machine room

由圖7（a）可以看到：在分散接地時，地表電位在桿塔地網(wǎng)附近較大，幅值達到53 kV。機房地網(wǎng)附近電位明顯降低，幅值接近30 kV。地網(wǎng)之間產(chǎn)生了2萬多伏的電位差。

由圖7（b）可知：當機房地網(wǎng)與桿塔地網(wǎng)連接后，地表電位的總體幅值下降了，并且地網(wǎng)間的電位幾乎相等。雖然此時機房附近的地表電位有一定上升，但是地網(wǎng)間電位差得以消除。這不僅降低了設備損壞風險，還可以起到保護維護人員的人身安全的作用。

5 結(jié)論

通過CDEGS軟件建立了桿塔和機房模型；研究了雷擊時，桿塔及其接地防護的電磁場分布情況；給出了塔下機房在不同高度時的電磁場分布情況；對比了機房在輸電線路桿塔下與通信桿塔下的電磁場幅值大??；提出了適用于共享桿塔的安全接地方式。

（1）不同高度平面上的磁場分布相近——均在垂直接地極附近最大，往外慢慢減小。電場在垂直接地極附近也達到最大值。整個區(qū)域均沒有超過擊穿場強。

磁場在垂直接地極附近超過了限值，故機房選取安裝位置時應與垂直接地極保持距離。

（2）遭受雷擊時，共享桿塔和通信桿塔下都會產(chǎn)生很大的電磁場；但是，在仿真計算結(jié)果中可以看到，在不同高度、不同雷電流幅值和不同土壤電阻率等多種情況下，共享桿塔的電場幅值要遠小于通信塔。雖然共享桿塔的磁場幅值略高于通信桿塔，但是由于幅值主要分布在垂直接地極附近，所以只要選取磁場強度低于800 A/m的位置，機房原本的電磁防護措施就足以適應共享鐵塔。

（3）雷電流經(jīng)過塔體流向接地網(wǎng)再通過大地散流時，地表會產(chǎn)生很大的電位。由仿真結(jié)果可知，桿塔與機房地網(wǎng)采用分散接地時，在桿塔地表附近電位較大，機房地表電位與其相差20 kV；聯(lián)合接地時，地表電位分布較為均勻。

為了保護維護人員和設備的安全，盡可能讓地表電位分布均勻，建議使用聯(lián)合接地。