新時(shí)代5G基站建設(shè)共享電力塔技術(shù)方案研究

黃新武

（中國鐵塔股份有限公司 三亞市分公司，海南 三亞 572099）

0 引 言

目前，中國5G的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)正在蓬勃發(fā)展，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量、覆蓋面提出了更高的要求。5G的高頻頻帶技術(shù)的特點(diǎn)是基站之間的間隔縮小，密度增大，因此必須合理選定站點(diǎn)，減少選定的難易度，縮短施工周期，有效控制投資。隨著電力網(wǎng)的不斷發(fā)展和完善，輸電線路的覆蓋范圍越來越寬，在電力網(wǎng)中縱橫交錯(cuò)、分布廣，形成了層次分明的電力網(wǎng)。分布在這樣的網(wǎng)絡(luò)中的傳輸線提供了基站共享電力鐵塔資源的好機(jī)會(huì)。5G基站棒塔共用電氣塔是提高公共基礎(chǔ)設(shè)施資源利用率、減少重復(fù)建設(shè)、減少土地資源消耗、節(jié)約能源以及降低能源消耗等綜合效果的嘗試。

1 共享電力塔選型

從4G到5G的發(fā)展，需要更大的容量。從總體上看，網(wǎng)絡(luò)的硬件結(jié)構(gòu)、設(shè)備形式、運(yùn)行方式等都在發(fā)生著變化。5G在今后的發(fā)展中，將面臨4K/8K、AR/VR、泛用網(wǎng)絡(luò)、自動(dòng)運(yùn)行等多種應(yīng)用場(chǎng)景，這將極大地提高信息傳輸、傳輸時(shí)延、用戶吞吐量、系統(tǒng)容量等方面的需求。目前，5G在市場(chǎng)的推廣和應(yīng)用有3個(gè)難點(diǎn)：項(xiàng)目安裝困難、網(wǎng)站獲取困難、頻譜被分段。由于車站的加密，城市地區(qū)的布局變得更加難以入手，農(nóng)村地區(qū)也缺乏架設(shè)天線的高層建筑，因此在高架橋上建設(shè)無線基站天線成為當(dāng)務(wù)之急。這種共享棒塔模型充分發(fā)揮了輸電線路覆蓋范圍大、資源共享、建設(shè)成本低等優(yōu)點(diǎn)，在保證雙方設(shè)備融合、并聯(lián)獨(dú)立的基礎(chǔ)上，積極推進(jìn)5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，為電力行業(yè)帶來了新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)[1]。

1.1 電力塔架的分類

輸電桿塔是輸電、配電系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其主要功能是支持、架空電纜。根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，可以分為柱型和塔型；根據(jù)使用的不同，可以分為直線型、角型、端型、跨線型。電力桿塔的容量因種類而異，通常情況下，高架塔的高度和遠(yuǎn)景都比較偏僻，適合宏站共用。

1.2 共用輸電線路的選擇

從承載力上看，直線型塔架是最小的。終端塔、轉(zhuǎn)角塔、橫梁等結(jié)構(gòu)受力比直塔大。電力桿塔共用要從安全距離、承載能力、安裝方式、防雷接地、EMI等幾個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。在電力桿塔安裝5G AAU裝置時(shí)，應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、最小影響等原則。所以，不推薦選擇下列類型的桿塔。

（1）電力桿塔。其壽命已達(dá)到或超出了其設(shè)計(jì)壽命，由于鐵塔的年代久遠(yuǎn)、鋼筋腐蝕等因素，導(dǎo)致了其材質(zhì)的強(qiáng)度下降。同時(shí)，在原有的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中，如果加大外載荷，可能會(huì)造成一些危險(xiǎn)。

（2）20 mm或更厚的重包冰柱。由于重冰區(qū)，輸電線路上的絕緣子和塔體都被厚厚的冰層所包裹，一旦氣溫升高，很容易出現(xiàn)結(jié)冰現(xiàn)象，從而導(dǎo)致輸電線路上的結(jié)冰脫落，造成基站的天線受損。

2 基站共享電力桿塔方案

2.1 天線安裝高度

針對(duì)部分街頭站點(diǎn)，其設(shè)計(jì)方案是針對(duì)低密度、大流量的需要而設(shè)計(jì)的，其懸掛高度通常在10～15 m。

在5G前期，將重點(diǎn)關(guān)注人群密度大、人口密度大的地區(qū)。供電鐵塔安裝通信基站，是對(duì)其進(jìn)行輔助加固的。在輸電塔架加裝基地臺(tái)天線時(shí)，應(yīng)注意與高壓線相鄰時(shí)對(duì)輸電系統(tǒng)的作用?；嘏_(tái)的天線與底層的電源線必須保持一定的安全間距，同時(shí)還要注意到跳線的串長、相應(yīng)的電氣間隙和安全余量[2]。

2.2 設(shè)置天線平臺(tái)

為了最大限度地減小輸電桿塔的新增載荷，在原有基礎(chǔ)上不再增設(shè)一個(gè)天線支架，而是采用了附加多個(gè)天線。

2.2.1 裝配地點(diǎn)

根據(jù)通信裝置的施工技術(shù)，將塔頂共用部位劃分成塔頭上部、塔頭中部和塔頭下部3個(gè)部分。從前期建設(shè)、后期維護(hù)和安全管理等幾個(gè)角度出發(fā)，建議在輸電線路的帶電點(diǎn)以下，即塔尖以下。

2.2.2 安裝模式

為了使原有輸電線路的改造盡可能地減小，建議采取非破壞性的安裝方法。增加的天線支撐不能與塔本體直接對(duì)接，采用抱環(huán)、卡鉗、天線棒等方式進(jìn)行連接。5G AAU在塔身上采用固定扣天線桿緊固，天線與基座之間至少有兩個(gè)連接，且與塔身之間的間隔不得低于0.5 m。

按照工業(yè)規(guī)范，GPS衛(wèi)星的定位和定位系統(tǒng)的垂直間距不得低于1.5 m，這給 GPS衛(wèi)星的工程建設(shè)帶來了一定的困難，而使用“可折疊 GPS天線座”可以很好地克服這個(gè)問題[3]。

2.2.3 桿件的強(qiáng)度計(jì)算

在我國現(xiàn)行的《移動(dòng)通信工程鋼塔桅結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，電信標(biāo)準(zhǔn)所確定的110～220 kV的標(biāo)準(zhǔn)是30年，而在通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn) YD/T 5131—2019中，則要求在移動(dòng)通信領(lǐng)域內(nèi)設(shè)置50年的鋼塔桁[4]。

按照《供電技術(shù)規(guī)程》，110～750 kV的設(shè)計(jì)電壓水平，其基礎(chǔ)風(fēng)壓再現(xiàn)時(shí)間為30年，與通信塔區(qū)相差很大。與通信鐵塔的荷載比較，除了承受自重、風(fēng)荷載、地震荷載以外，還應(yīng)注意線路荷載和結(jié)冰荷載，因而其工作環(huán)境比較復(fù)雜。在風(fēng)載荷的估算中，與通信塔比較，由于塔自身的風(fēng)動(dòng)力比通信塔減小30%，因此在相同工況下塔身風(fēng)荷載較少。

由于電力鐵塔在設(shè)計(jì)的風(fēng)壓、荷載等方面與通信塔不同，因此通常都是由電力設(shè)計(jì)部門負(fù)責(zé)。

3 目前共享電力塔的困境

在后4G時(shí)代，人們已經(jīng)證實(shí)了共用大廈的可行性，根據(jù)有關(guān)的可行性分析，目前常用的的無線通信基站需要50天的建設(shè)周期。若使用常規(guī)塔架，可節(jié)省塔架建設(shè)費(fèi)用，且不需占用空間，可節(jié)省30天左右的建設(shè)時(shí)間。5G時(shí)代來臨，對(duì)通信基站的建設(shè)需求迅速增長，對(duì)基站的建設(shè)提出了更高的要求。采用已有的發(fā)行方式，既能節(jié)省建設(shè)費(fèi)用，又能緩解5G基站建設(shè)的巨大投資壓力；這就是共享的理念。

5G裝置與4G裝置最大的不同是可移動(dòng)。正如已知，供電裝置是主動(dòng)裝置（待連接裝置），而非被動(dòng)裝置。在輸電線路共用的情況下，對(duì)有源裝置與高壓電纜的安全距離的要求也越來越高。4G裝置在傳輸塔上時(shí)，必須將其 RF天線與主動(dòng)和被動(dòng)裝置分開。相對(duì)于以前的3G、4G，5G對(duì)通信基站的密度和高度提出了更高的要求。在此背景下，5G裝置在傳輸鋼軌上的安裝是由供電公司、運(yùn)營商、塔架公司三方共同確定的。運(yùn)營商提出安裝高度，塔架公司與之進(jìn)行對(duì)接，由能源公司所指定的專業(yè)塔架檢驗(yàn)及施工單位進(jìn)行相關(guān)的檢測(cè)與裝載，以決定其可承受的負(fù)荷。在滿足安全要求的情況下，可以進(jìn)行安裝。如不滿足安全要求，應(yīng)與塔臺(tái)協(xié)調(diào)，直至達(dá)到安全要求。

4 5G基站的實(shí)際應(yīng)用

4.1 電力供電

5G高頻超密組網(wǎng)對(duì)站址、桿塔、電源配套等資源的配置都有很高的要求。例如，5G基站的集成程度越高，5G設(shè)備的系統(tǒng)功率消耗將是4G設(shè)備的3～4倍。移動(dòng)、電信和聯(lián)通3家公司的5G總需求較大，若采用集中供電的方式進(jìn)行，線路損耗會(huì)很大。

移動(dòng)通訊基站需要380 V三相交流電源或220 V的單相交流電源電源，在共用鐵塔處于配電系統(tǒng)的供電區(qū)域內(nèi)時(shí)，可以直接將電源導(dǎo)入到基站中，也就是可以通過低壓電網(wǎng)直接供電。低壓供電線路由公用低壓電網(wǎng)將電能引入，再經(jīng)直埋電纜與輸電線路鐵塔下的饋電箱相連，也可采用架空電纜，或根據(jù)供電公司的保護(hù)要求，選擇其他適當(dāng)?shù)倪B接線。一般采用30～60 m的架設(shè)，在架設(shè)絕緣變壓器的情況下，將桿塔附近的地面電勢(shì)提升區(qū)與周邊地區(qū)隔斷。

如果共用鐵塔位于偏遠(yuǎn)地區(qū)，不能從公用電網(wǎng)直接導(dǎo)入380 V/220 V的交流電源線路，則基臺(tái)裝置可以在10～20 kV的電壓下提供電源。10 kV及以上的中壓電纜由于其芯線自身可提供較高的接地絕緣級(jí)別，故要求不采用金屬屏蔽。采用220 kV及以上電壓等級(jí)的高壓電纜作為電源，由于其為3根單芯電纜，能達(dá)到絕緣要求。中壓電纜的一般長度與輸電線路的鐵塔相距50 m，一般采用中、低電壓的變壓器。大功率的單相變壓器可以通過高壓輸電線路將電力輸送到基地臺(tái)，也可以與蓄電池、光伏電池等結(jié)合，為基地臺(tái)供電。

4.2 接地和避雷的設(shè)置

針對(duì)電力鐵塔內(nèi)的無線通訊基站，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，合理安排地面，確保其安全、正常工作。饋電柜、設(shè)備柜、天線側(cè)設(shè)備、電源線、電力桿塔以及避雷器等應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行接地。不管是靠近設(shè)備的箱體，還是在箱體內(nèi)，都必須使用相同的接地裝置，而接地裝置則由截面為35 mm2的銅導(dǎo)線與電桿塔連接。若機(jī)柜靠近桿塔，則應(yīng)分別與地面上的接地電極連接。用于將基地臺(tái)與天線相連的同軸電纜，其外部的屏蔽層不僅要與天線的金屬零件、設(shè)備支架相連接，而且要與電源線鐵塔相連，并共同接地。為了形成一個(gè)統(tǒng)一的接地網(wǎng)，基地網(wǎng)和電線塔的接地網(wǎng)之間必須相距3～5 m，并至少2個(gè)網(wǎng)彼此相連。

目前，在電力鐵塔上，除接地導(dǎo)線外，應(yīng)采取相應(yīng)的防雷措施。5G基站天線端設(shè)備簡化后，無須考慮 RRU之間的雷電防護(hù)，只需在線路下面安裝5G AAU，新增加的通訊設(shè)備和天線在受到雷擊時(shí)，可以在避雷針的防護(hù)范圍之內(nèi)，不會(huì)出現(xiàn)過電流、過電壓等問題。為了避免在遭受雷擊時(shí)，基地電位的反彈會(huì)對(duì)基地網(wǎng)造成危害。若基地臺(tái)天線含有 GPS衛(wèi)星天饋系統(tǒng)，則可以從GPS接收到的衛(wèi)星信號(hào)，并將其與時(shí)鐘同步。GPS天線不上塔或上塔10 m以上，GPS饋線全絕緣，無須接地，僅設(shè)于 BBU一側(cè)的 GPS避雷器，GPS避雷器可置于箱體上方，或?qū)⑵湎涤谙潴w一側(cè)。當(dāng) GPS上的塔頂大于10 m時(shí)，需要用地線接地或者用接地導(dǎo)線將其固定在1 m以內(nèi)。

5 結(jié) 論

5G基站共享輸電塔顯著節(jié)約投資，縮短建設(shè)周期，節(jié)約社會(huì)資源，最大限度利用電網(wǎng)通道資源，提高電網(wǎng)運(yùn)行效率和運(yùn)行水平。初步測(cè)試表明，目前在電力鐵塔上安裝基站天線沒有破壞性影響，技術(shù)方案可以實(shí)施。推進(jìn)電力塔的共享，是一項(xiàng)利國利民互利的工作。5G通信技術(shù)正在尋求更高的頻帶，以便大大提高用戶的吞吐量和系統(tǒng)能力。超密集網(wǎng)絡(luò)的存在，一方面滿足網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍和質(zhì)量，另一方面存在網(wǎng)站密集，布局困難等問題。文章分析了5G的新結(jié)構(gòu)和運(yùn)營的可行性，并探討了5G基站的建設(shè)模式。同時(shí)，介紹了有關(guān)工程建設(shè)的供電、接地、防雷的具體方法和注意事項(xiàng)。