雷击通信塔的空间瞬态电磁分布研究

刘 昆，郭君峰，张 顺

(成都信息工程大学电子工程学院，四川成都610225)

0 引言

随着通信行业的发展，越来越多的地区安装了通信塔、一体化基站塔等通信设备。鉴于通信塔发射与接收信号的功能，通常将其安装于地势较高的地方，这导致其面临高概率直接雷击的风险。从雷电灾害发生的概率来说，通信基站的建设在一定程度上增大了该区域的落雷密度［1］。

He等［2］研究了电力传输线塔接地装置的脉冲接地电阻，发现其与脉冲电流峰值、接地装置几何结构、土壤电阻率均有关;Noda［3］基于FDTD法通过数值模拟得到500 kV电力传输线塔的雷击响应;Yao等［4］利用XFDTD软件，基于实际的电力传输线塔结构，构建电力塔模型，计算得到了塔的周围观测点的磁场分布，并利用ADF-EMS软件建立含多个电力塔复杂的电力传输塔系统模型，研究了电力传输系统被雷电击时不同情形下的响应［5］。

对于雷电击中高大建筑物时，流经其内部钢筋架构的电流分布情况，Chen等［6］利用 FDTD法进行研究，并讨论了钢筋结构对其周围磁场的影响。N.Rameli等［7-8］则给出了建筑结构顶端和底部反射系数对雷电流(峰值)的影响及雷电流与通道高度的关系。张义军等［9］模拟了下行先导与40 m宽的建筑物之间的相互作用和连接过程，得到建筑物拐角也具有一定的吸引半径，避雷针和拐角之间存在竞争关系。通过数值模拟方法，谭涌波等［10］发现建筑物高度对上行闪电的触发起关键作用，同时，建筑物高度对上行闪电的传播具有一定的反作用。Behzad Kordi等［11］将天线模型应用于多伦多CN塔被雷电击中时的塔体电流传播特性研究，将仿真与实测数据对比，得到了较好的吻合结果。

通信塔往往孤立存在，而电力铁塔彼此通过传输线相互联系［12］。与此同时，CN塔高为553.33 m，而高于500 m的建筑通常忽略下行闪电，认为其只遭受上行闪电的袭击。通信铁塔通常都低于100 m，而这类建筑通常忽略上行闪电，认为只遭受下行闪电的袭击［13］。正是因为通信塔与已有相关研究成果存在重要差异，因此有必要针对通信塔的结构和特点开展相应的雷击瞬态电磁响应研究。通常，通信塔上配置有多个收发天线，同时在其底部或附近金属箱内安装电源、交换机等通信相关电子设备，用于微波、超短波、无线网络信号的传输与发射等，因此其周围电磁场对于这类电子设备造成直接影响。根据材料不同可以将通信塔分为角钢塔、钢管塔;根据结构不同又可以分为四柱塔、三柱塔、单管塔。将以四柱角钢塔为例进行仿真实验研究，详细讨论其遭受雷击时塔体周围空间的电磁分布特性。

1 仿真计算模型

参照实体通信基站塔建立四柱角钢塔模型。基站塔模型高10 m，其中4条倾斜的塔腿长约8.05 m，其顶端至地面距离约7.96 m，之上有一层环形横梁，地脚板为0.30 m×0.30 m，地脚板外沿距离3.30 m。4条塔腿上加有4层环形横梁，其上沿距离地面高分别为1.72 m、4.28 m、6.08 m和7.39 m，斜交的角钢结构等对塔体进行加固。塔体的材料为铁，电导率σ|Fe=1.0×107S/m，相对磁导率μr|Fe=200。模型如图1所示。

图1 基站塔模式

接地桩简化为4根金属圆柱［3-4］，材料与塔体的材料一致，如图1(a)所示。土壤相对介电常数εr|g=10［6，14］，相对磁导率 μr|g=1，电导率 σ|g=0.002 S/m［6］。接地桩模型如图1(b)所示。

根据相关文献［4，6］，采用双指数脉冲电流源作为激励源，其函数表达式如下

其中 I0=10 kA，α =187191 s-1，β =19005100 s-1［6］。该双指数脉冲电流源波形图如图2(a)所示，频谱如图2(b)所示。

根据尖端放电原理，在大气电场作用下，物体表面曲率大的部位电场比其他地方强，更容易达到空气击穿阈值，当电场足够强时，其附近空气电离，形成上行先导，当上行先导与下行先导连接，则上行先导始发位置为闪电闪击点。激励电流在通信塔顶端的尖端处注入，由于铁塔结构的对称性，只需讨论塔顶其中一个尖端被闪电击中的情况即可。假定雷电流击中legA对应的顶部尖角，即由legA顶上的尖端处注入激励电流，如图2(a)所示。

首先，将铁塔上横材与斜材去除，仅保留如图3所示部分，计算其瞬态电磁响应。在铁塔所围空间内部中心轴线O轴上4 m左右处设置观测点OP(见图3)，得到观测点处磁场变化情况，如图4(a)所示。同时，该点磁场对应频谱如图4(b)所示。

图2 波形及频谱

图3 验证计算模型

由图4(a)可以看到，磁场变化曲线上出现了明显的振荡现象。对应其频谱则可见，该观测点处的磁场在8.88 MHz处发生了谐振，1.5 MHz左右则出现较弱的谐振。当关注该观测点处磁场不同方向的磁场分量时注意到，谐振现象主要体现在垂直于地面方向的分量(z分量)。图5为该观测点处垂直于地面方向的磁场分量及其频谱。从图5可以看到，磁场在1.49 MHz和8.88 MHz均发生了明显的谐振现象。结果与文献［6］的相关研究结果一致。

图4 磁场变化曲线及磁场频谱

图5 磁场分量及频谱

2 讨论与分析

在通信塔所围空间内部中心轴M不同高度上设置磁场观测点:地面处观测点M0及各层横梁所围区域中心设定观测点M1～M5，距离地面高度依次为:1.682 m、4.235 m、6.039 m、7.349 m、7.924 m 距 离 地 面 高8.162 m、8.475 m、8.788 m、9.101 m、9.414 m处设置观测点M6～M10。同时，在通信塔外部空间域与M轴平行的N轴上相应位置设置观测点N0～N10。

图6 通信塔内部空间M轴上典型磁场变化曲线

通信塔内部M轴上观测点处的磁场变化曲线如图6所示，图7为对应通信塔外部空间N轴上的观测点处的磁场变化曲线(由于N轴上观测点磁场变化曲线波形一致且部分点出磁场峰值比较接近，仅列出该轴上地面、1.682 m、4.235 m 3个观测点处磁场变化曲线)。

图7 通信塔外部空间N轴上典型磁场变化曲线

从图6、图7可以看到，通信塔内部空间的磁场明显小于其外部空间的磁场值。与此同时，虽然外部区域的磁场明显强于塔内区域，但是，从塔底至塔顶磁场幅值基本始终保持在400～500 A·m-1变化，而塔内区域在距离地面8 m以上的区域磁场开始迅速增强，峰值可达到250 A·m-1(即为:3.1416 Gs)左右，根据美国AD报告(AD-722675):当LEMP磁场达到0.07 Gs时，即可导致正在运行的无屏蔽计算机产生误动作;当LEMP磁场达到2.4 Gs时，能使计算机永久性损伤。而此强度的磁场只是峰值为10 kA的电流脉冲产生的，而通常负极性地闪首次回击的雷电流峰值50%为30 kA左右［15］，同时，通信铁塔该区域正是通信天线的安装位置，如果该量级的磁场通过通信天线耦合入基站系统，足以对其内部电子设备造成致命损坏。因此对于一体化基站而言，无论将通信天线安装在铁塔的塔内或塔外区域，合适的天馈防雷系统的安装非常必要。

图8 平分通信塔所围空间纵切面时刻磁场空间分布图

图9 塔高4.2 m处横切面时刻磁场空间分布图

表1统计了部分通信塔内外不同观测点处的磁场峰值。从表1可以看出，通信塔内部空间观测点处磁场峰值明显小于其外部空间的磁场峰值，尤其是在7.924 m及其以下的几个观测点处。仅就列表的7点即可见，通信塔内部的磁场并非随高度呈现规律的递增或递减。

表1 通信塔内/外空间观测点处磁场峰值/A/m

选取纵切平分通信塔内部空间的平面和塔高4.2 m处横切面的不同时刻的磁场空间分布图作为典例。同时，从磁场变化曲线可以看出，磁场在350 ns左右达到峰值，故以350 ns以及之前一些时间点的磁场为例给出不同时刻的磁场分布图，如图8、图9所示。从纵切面的磁场空间分布图及4.2 m处的横切面的磁场空间分布图可见，通信塔内部空间的磁场明显小于外部磁场。其次，从图8中前两张图中可以看到，相比于激励源一侧空间的磁场，通信塔外远离激励源的一侧空间的磁场小于激励源一侧的磁场。再者，土壤层中的磁场明显小于地面之上空间磁场，尤其是接地桩中间部分。最后，塔内部空间的磁场并未呈现单调的递增或递减现象，同时，在部分区域出现磁场相对最小的情况。

IEC标准62305中采用Heidler函数描述首次和后续回击，使用该雷电流模型再次模拟通信塔遭受雷电直击的情况，计算此时通信塔周围空间的磁场分布情况。图10所采用的Heidler函数电流波形。类似的，文章中截选部分时间点为例给出不同时刻的磁场分布图，如图11、12所示。从磁场的空间分布图不难得出类似的结论，即:通信塔内部空间的磁场并未呈现单调的递增或递减现象，在部分区域出现磁场相对最小的情况。所以，在安装基站设备时可以将部分敏感设备安装在这些区域。

图10 Heidler函数雷电流波形

图11 平分通信塔所围空间纵切面时刻磁场空间分布图

图12 塔高4.2 m处横切面时刻磁场空间分布图

3 结论

通过计算通信塔雷击瞬态电磁响应发现，当通信塔遭受雷击时，其塔体所围空间内部的磁场远小于通信塔外部附近空间的磁场，故在架设通信塔设备时可以考虑将一些非必须装在通信塔外、抗电磁干扰性能较差的元部件装置在通信塔所围空间内部。同时，通信塔内部空间的磁场并非随高度呈现规律的递增或递减变化，故在安装设备前可以先通过实验测得在塔体所围空间内何处磁场值最小，进而决定设备的具体安装位置。

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