共享铁塔电磁环境影响及防雷接地技术研究

张 洲，曹枚根，龚坚刚，刘欣博，楼佳悦

（1.北方工业大学，北京 100144；2.浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310008）

0 引言

随着国家电网有限公司与中国铁塔股份有限公司战略合作协议的签署，双方将开启“共享电力铁塔”的全新合作模式。国家电网输电铁塔遍布各地，在运架空输电线路达94 万km，恰逢我国正处于大力发展5G（第五代移动通信技术）的时期，双方的合作，能将通信建设与铁塔建设更好地结合起来，不仅可以加快5G 通信组网，还可以实现电网铁塔资源的再利用，真正实现资源共享，互利共赢[1]。

由于高压输电线路运行电压高，输送功率大，会在线路周围形成强度很高且容易干扰附近通信系统的电磁场，严重时会引起通信信号失真，甚至导致通信系统瘫痪[2]。由于通信基站搭载于电力铁塔，其遭受电磁干扰的风险会大大增加，因此有必要对铁塔附近电磁场进行分析，判断是否影响通信基站的信号传输。

此外，电力铁塔的防雷接地系统并不能满足通信系统的要求。在防雷方面，当通信天线搭载在塔顶时，电力系统原有防雷措施不能对该位置的天线进行保护。在接地方面，通信系统对铁塔接地电阻的要求比电力铁塔更为严格。例如电力系统中，在土壤电阻率小于100 Ω·m 时，铁塔的工频接地电阻应小于10 Ω；通信系统中，在土壤电阻率小于700 Ω·m 时，基站地网的工频接地电阻应控制在10 Ω 以内[3-4]。因此需对电力铁塔进行优化设计与改造以满足搭载通信基站的要求。

目前对于电磁干扰的研究大多集中在高压输电线路可能对临近通信线路产生的影响分析以及电磁场模型的搭建[5-9]，对于通信天线搭载在共享铁塔不同位置时的电磁干扰问题研究比较少。对于防雷、接地方面的研究主要涉及到的是变电站系统、输电系统[10-11]，为满足通信系统需求而对共享铁塔防雷、接地系统进行设计与改造的研究也较少。

本文首先以猫头塔、干字型塔、羊头塔和鼓型塔4 种典型塔型为例，研究了在110 kV，220 kV及500 kV 电压等级下，通信天线3 种搭载位置的电磁场强度，通过比较给出不同塔型铁塔的天线搭载优选位置；对共享电力铁塔的防雷保护系统进行设计，能够保护搭载在任何位置的通信天线；最后提出对共享电力铁塔地网的改造方法，优化了接地电阻计算公式，使铁塔接地电阻同时满足电力系统与通信系统的双重要求，为共享铁塔的防雷、接地问题提出了解决方案。

1 共享电力铁塔电磁场对通信的影响

交流输电线路周围分布有工频电磁场，其中包含由线路分布电荷产生的库伦电场、导线上流过电流产生的交变磁场，以及由交变电场所感应出的感生磁场和由交变磁场所感应出的感生电场。在工频范围内，可以忽略电场和磁场的相互感生，也就是认为交流输电线路周围分布的电场仅由线路分布电荷产生，磁场仅由导线电流产生，在此基础上，分析共享铁塔电磁场对通信的影响时可仅考虑前两者[12]。

共享电力铁塔电磁场对通信的影响可分为2类：对通信信号的干扰、对通信设备（天线）的影响。天线在共享铁塔上的搭载位置可分为3 类：第一类为塔顶，第二类为塔头身段，第三类为塔身，如图1 所示。

图1 典型输电铁塔天线搭载示意图

为了分析输电线路电磁场对通信的影响，本文使用ANSYS Maxwell 软件分别对110 kV，220 kV 和500 kV 电压等级下的猫头塔、干字型塔、羊头塔和鼓型塔4 种典型电力铁塔进行了电磁影响分析。下面以干字型塔为例，简要介绍利用Maxwell 建模及仿真条件的设置。

（1）创建导线、场域及直线模型，用以计算导线周围及沿铁塔中心竖直方向的电磁场强度分布，并认为导线对地距离远远大于导线直径，大地对导线表面电场强度分布的影响可忽略。

（2）将导线的材料设置为铝，场域材料默认设置为真空；并向导线施加三相激励；设置场域边界条件为气球边界条件，即假设无限远处电位为0。

（3）将Solution Type 设置为电场或者磁场，Analysis Setup 中设置好计算误差等参数：将General 选项卡下Adaptive Setup 栏中的Maximum Number of Passes（最大迭代次数）设置为10，本次仿真的模型结构较为简单，迭代次数设置为10 可以满足要求；Percent Error（百分比误差，数值越小结果越精确）设置为1，两者中任一条件达到要求则迭代停止；Convergence 选项卡下Refinement Per Pass（每次迭代加密剖分网格比例）设置为30，该项数值保证2 次迭代之间的网格数有足够的变化，确保不会收到虚假的收敛信息，30%能满足绝大多数设计要求，数值过大则会占用更多内存，延长迭代时间；其他设置默认即可，然后检测后运行，便可得到电磁场强度云图。

除此之外，本文应用MATLAB 软件绘制了沿铁塔中心竖直方向的电磁场强度分布图，且对3 类搭载位置处进行了标注。4 种塔型导线周围电场的分布云图分别如图2、图4、图6、图8 所示，天线搭载位置处的电场强度分布如图3、图5、图7、图9 所示，表1—表4 给出了天线搭载位置处的具体电场强度数值。表5 给出了架空输电线路在3 种电压等级下的典型输送功率取值[13]，4 种塔型导线周围磁场的分布云图分别如图10、图12、图14、图16 所示，天线搭载位置处的磁场强度分布如图11、图13、图15、图17 所示，表6—表9 给出了天线搭载位置处的具体磁场强度数值。考虑到在双回线路中，两回线路为正相序（ABC/ABC）时，线路正下方处电场强度最大[14]，本文在分析双回线路塔型电场分布时以正相序为例；两回线路为负相序（ABC/CBA）时，线路正下方磁场强度最大，本文在分析双回线路塔型磁场分布时以负相序为例。所有塔型电磁场强度图中，皆以铁塔最下层导线挂点为零点，在3 个电压等级下，同一塔型的第一类和第二类天线搭载位置的高度分别是固定的，第三类搭载位置由于考虑了电气安全距离，电压等级越高，天线搭载高度越低。

图2 猫头塔导线周围电场强度分布云图

图3 猫头塔2 类搭载位置的电场强度

表1 猫头塔2 类搭载位置处电场强度大小

图4 干字型塔导线周围电场强度分布云图

图5 干字型塔3 类搭载位置的电场强度

表2 干字型塔3 类搭载位置处电场强度大小

图6 羊头塔导线周围电场强度分布云图

图7 羊头塔3 类搭载位置的电场强度

表3 羊头塔3 类搭载位置处电场强度大小

图8 鼓型塔导线周围电场强度分布云图

图9 鼓型塔3 类搭载位置的电场强度

表4 鼓型塔3 类搭载位置处电场强度大小

表5 架空输电线路在各电压等级下的典型输送功率

图10 猫头塔导线周围磁场强度分布云图

图11 猫头塔2 类搭载位置的磁场强度

表6 猫头塔2 类搭载位置处磁场强度大小

图12 干字型塔导线周围磁场强度分布云图

图13 干字型塔3 类搭载位置的磁场强度

表7 干字型塔3 类搭载位置处磁场强度大小

图14 羊头塔导线周围磁场强度分布云图

图15 羊头塔3 类搭载位置的磁场强度

表8 羊头塔3 类搭载位置处磁场强度大小

图16 鼓型塔导线周围磁场强度分布云图

表9 鼓型塔3 类搭载位置处磁场强度大小

共享电力铁塔电磁场对通信信号的干扰可以分为有源干扰和无源干扰。无源干扰主要来自于铁塔等对信号的反射和遮挡，该类干扰对通信信号的影响很小[15]。有源干扰主要来自输电线路导线及附件的电晕放电、绝缘子放电及火花，干扰的信号频率主要分布在1～30 MHz[16]，而4G/5G的信号频率远大于该频率范围，当距离线路较远时，干扰强度是可忽略的。

共享电力铁塔电磁场对通信设备的主要影响在于过大的场强干扰了敏感设备的正常工作，因此通信设备要适当加强自身的电磁抗扰度。除解决好设备软硬件抗干扰的技术问题之外，还要考虑不同搭载位置电磁场强度的影响。由表1—表4，表6—表9 可知，与电场相比，输电线路产生的磁场强度较弱，因此在选择不同塔型的搭载位置时应主要考虑电场强度对通信设备的影响。猫头塔和干字型塔在110 kV，220 kV 和500 kV 电压等级下，在第一类搭载位置，即塔顶所受到的电场影响较小；而羊头塔和鼓型塔在110 kV，220 kV 和500 kV 电压等级下，在第三类搭载位置，即塔身段所受电场影响较小。

因此，从将通信设备受到的电磁干扰降到最小的角度出发，对于猫头塔和干字型塔建议通信天线的搭载位置选择塔顶，羊头塔和鼓型塔建议通信天线的搭载位置选择塔身。

2 共享电力铁塔防雷与接地措施

电力铁塔各个塔型均设置有防雷与接地措施，共享铁塔的防雷、接地系统改造与塔型关系不大。其中，防雷措施改造只与天线的搭载位置有关，天线搭载位置有塔顶、塔头身段和塔身3个部位，因此在设计共享铁塔防雷系统时，需按照天线不同搭载位置分别进行讨论，使得通信天线搭载在电力铁塔的任何位置都在防雷系统的保护范围内；接地系统设计与5G 天线搭载位置无关，可进行统一设计，使得接地电阻同时满足电力系统和通信系统设计双重要求。

2.1 防雷保护

共享电力铁塔必须设有防雷措施，保护范围包含基站机房、天线等，避雷线（针）对天线有小于45°角的保护，因此塔头身段、塔身等2 类搭载位置的通信天线均在避雷针的保护范围之内[17]。避雷针宜专门设置避雷引下线，若确认铁塔金属构件电气连接可靠，可不设置专门的引下线，以塔身做接地导体。

搭载于塔顶的通信天线不在避雷线（针）保护范围内，天线固定杆需专门设置避雷接地引下线。引下线安装在电力铁塔塔身以内,且靠近脚钉的一侧，紧靠馈线卡子一侧，方便馈线接地的安装。引下线应采用40 mm×4 mm 的镀锌扁钢与接地网相互焊接连通，引下线在接地网上的引接点与其他接地引接点在接地网上的距离不宜小于5 m。该引下线应在上部、中部、下部均匀打16个直径8 mm 的孔（打孔应考虑镀锌扁钢强度），供天线馈线的接地使用。

为防止雷击产生的较大雷电电磁脉冲对基站及天线设备造成损坏，可在基站机房变压器低压侧、交流配电屏、用电设备配电柜及精细用电设备端口等处配置各种型号的SPD（浪涌保护器）。当通信基站采用配电线路供电时，应将机房供电系统第一级SPD 的最大通流容量向上提高一个等级，并可同时加装具有自恢复功能的智能重合闸过流保护器。

2.2 接地

2.2.1 地网降阻方法

由于电力铁塔原有地网接地电阻无法满足通信系统的要求，需要对原有地网进行改造。

现有对地网降阻的方法有很多[18-20]：方法一，可以加大接地体在土壤中的埋深；方法二，使用多支线外引接地装置，并且长度应当在有效长度以下；方法三，使用降阻剂，降阻抗腐溶剂填充层中包含的高分子降阻溶剂可向周围地层中渗透形成树根效应，能够有效增大接地面积，进而有效降低接地电阻；方法四，采用换土操作，即用电阻率比较小的塘泥、黑土等物质，将地网内电阻率比较高的土壤换掉，从而达到降低接地电阻的目的。方法一、三、四针对已经建好的电力铁塔地网改造是不可行的，方法二较为合适。

2.2.2 地网改造方案

本文提出一种地网降阻方案，即在原有地网的基础上外扩环形接地装置（如图18 所示）。环形接地装置由水平接地体、垂直接地体以及辐射状接地体组成，与原有地网在同一水平面上，且每隔3～5 m 相互焊接连通一次。原有地网与环形接地体组成一个新的地网，以满足共享铁塔的接地要求。

图18 共享铁塔外扩环形接地装置

总接地地网应由机房地网、铁塔地网及变压器地网组成。机房地网和变压器地网的设置应符合移动通信基站的接地要求，并与共享铁塔的地网相互连通组成一个联合接地网。

共享电力铁塔地网的改造效果可以通过接地电阻阻值来判断，除了通过实际测量外，还可以通过模拟计算来获得阻值[21]。式（1）—式（4）综合了水平接地体（包含辐射状接地体）、垂直接地体及辐射状接地体的接地电阻，并简化了其计算过程，可以直接对共享电力铁塔复合地网的接地电阻进行计算。设水平接地极的接地电阻为R1，垂直接地极的接地电阻为R2，水平接地极与垂直接地极之间的互接地电阻为Rm，则总接地电阻Rg如式（1）所示：

水平接地极的接地电阻R1如式（2）所示：

式中：ρ 为土壤电阻率；LC为水平接地极总长度；h 为地网埋深；d 为导体的直径；S 为导体的覆盖面积。

垂直接地极的接地电阻R2如式（3）所示：

式中：n 为垂直接地极的根数；LR为每根接地极的长度；h 为地网埋深；b 为导体的直径。

水平地网与垂直接地极之间的互接地电阻Rm如式（4）所示：

若采取上述措施后，接地电阻仍较高，应适当提高电源一级SPD 的保护等级、增加各个端口的保护措施等予以补偿。

2.3 共享铁塔防雷与接地案例

2.3.1 防雷保护案例

以羊头塔和干字型塔为例分别给出共享铁塔的防雷保护方案。羊头塔搭载通信天线，按照推荐位置，通信天线设置在羊头塔的塔身处，由于铁塔避雷线对天线有小于45°角的保护，且塔身处通信天线与铁塔金属构件电气连接可靠，因此可不设置专门的引下线，直接以塔身做接地导体；干字型塔按照推荐搭载位置，将通信天线设置在塔头处，该位置不在电力铁塔防雷措施保护范围内，天线固定杆需专门设置避雷接地引下线，且引下线需与塔身可靠连接。

2.3.2 地网改造案例

某地土壤电阻率为300 Ω·m，原地网为水平地网与垂直接地体组成的复合地网，水平地网由边长为5 m 的环形接地体，并在环形接地体四角焊接长度为2 m 的垂直接地体。垂直接地体直径为50 mm，埋设深度在0.8 m 左右，原地网的接地电阻阻值为15 Ω。当移动通信基站所在地区土壤电阻率低于700 Ω·m 时，基站电网的工频接地电阻应控制在10 Ω 以内。现对原有地网进行外扩处理，在原水平地网的外围加装边长为10 m的环形接地体，以焊接的形式将其与原地网进行连接，在环形接地体加装长度为5 m 的辐射状接地体，并在环形接地体四角以及辐射状接地体的末端焊接垂直接地体，长度为2 m。

运用式（1）—式（4）对改造后的地网接地电阻进行计算，由式（2）可得水平地网的接地电阻为：

由式（3）可得水平地网的接地电阻为垂直接地极的接地电阻：

由式（4）可得水平地网与垂直接地极之间的互接地电阻为：

由式（1）可得总接地电阻为：

可见，改造后的地网接地电阻阻值为9.3 Ω，小于10 Ω，能够满足通信系统的接地标准。

3 结论

通过开展4 种典型塔形共享铁塔通信天线3类搭载位置的电磁场强度分析，以及对电力铁塔防雷接地系统改进设计研究，得到如下结论对输电线路铁塔的共建共享具有很好的参考价值。

（1）根据共享铁塔通信天线3 类搭载位置，分别对110 kV，220 kV 和500 kV 电压等级下4 种典型塔型铁塔进行了电磁影响分析，并从减小电磁场对通信传输干扰角度出发，给出了4 种典型塔型共享铁塔通信天线优选搭载方案：对于猫头塔和干字型塔建议通信天线搭载于塔顶位置，羊头塔和鼓型塔建议通信天线的搭载于塔身段。

（2）开展了共享铁塔通信天线3 类搭载位置的防雷保护研究，针对通信天线搭载的位置不同提出了防雷保护设计方案。

（3）提出了电力铁塔地网改造方案，即在原有地网的基础上外扩环形接地装置，使得接地电阻同时满足电力系统和通信系统双重要求；优化了地网接地电阻的计算公式，简化了计算过程，可以直接对共享电力铁塔复合地网的接地电阻进行计算。