电力与通信共享铁塔雷击电磁影响 分析及防护

刘 康，黄 欢,2

（1. 贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550025； 2. 贵州电网有限责任公司 电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

随着我国5G技术的不断发展与推广，5G基站建设数量增加较快[1]，其对杆塔的需求也越发迫切。电力杆塔与通信杆塔分别建设，不仅会加大基站选址的困难，还会造成社会资源的浪费[2]。将基站安装到输电线路杆塔上，是必然的趋势。共享杆塔既节约资源，又充分利用了土地[3]。

杆塔一般比较高耸且没有遮挡物，所以很容易遭受雷击。雷击是一种常见的自然灾害，其发生时不仅会有高压危害人体，还会伴有强大的电磁场从而威胁机房内的电子设备安全[4-6]。

利用电磁分析的方法可以了解电磁场分布情况。目前，用电磁分析的方法主要基于电磁场理论[7,8]与电路理论[9]。当建筑物导体数量多且排列杂乱时，这种建模将会变得困难[10]。

在利用仿真软件来进行电磁分析方面，国内外学者多关注于变电站[11]、发电机[12]和高层房屋[13-14]，对于共享杆塔的研究并不多。共享铁塔的建设在国内外都是处于前期探索阶段；我国仅在湖北、福建、江苏、云南等省份有少部分试点[15]。

本文利用CDEGS仿真软件[16]，对雷击共享铁塔时的杆塔下方和基站机房的电磁场分布进行模拟分析；对比了不同高度平面上的电磁场分布，以及机房在共享杆塔和通信杆塔下的电磁场幅值大小；同时，为选择合适的接地方式，对比了不同接地方式下的地表电位分布。

1 分析方法

采用CDEGS软件中的HIFREQ和FFTSES模块，对雷击共享铁塔塔顶时的电磁场进行计算。

在频域中计算电磁场的频域响应通常需要花费大量的计算时间。FFTSES模块一个重要特点，即其能够基于相对少量的频率数值以及频域响应来得到时域电磁场。

计算过程可以概括为如下过程。

（1）时域信号的频域分解：用FFTSES选择一个时域雷电信号（使用内置函数）并在频域下表达。程序会推荐一些计算频率来求取电磁场响应。

式中：f(t)为雷电流函数；F(ω)为傅里叶变换后的频谱函数。

（2）系统频域响应计算：用SESCAD建立杆塔、机房以及接地系统等导体系统模型。使用HIFREQ在推荐频率下计算未调制的系统频域响应。

（3）系统时域响应计算：从HIFREQ数据库提取计算结果，并用SIRPS创建FFTSES数据库。用FFTSES计算系统时域响应。

2 仿真模型

2.1 雷电流模型

雷击形成的电流波形都是非周期性冲击波；雷电流的幅值、半峰值时间、波形陡度以及波形持续时间等参数变化范围很大。

进行雷击计算时，根据具体的应用场合，可以采用不同参数的雷电流。常见的雷电流波形有斜角波、半余弦波、双指数波等。双指数波与实际雷电流最相似，表达式为：

式中：A为雷电流幅值；α、β为常数，由雷电流波形确定。

标准DL/T 620-1997中给出了我国雷暴日超过20的地区的雷电流幅值出现概率分布[17]，计算公式如下：

式中：P为雷电流幅值超过幅值A的概率。

经计算可知：雷电流幅值超过30 kA的概率为45.6%，且随着幅值增大概率会越来越小。考虑大部分地区雷电流幅值都低于30 kA，同时为了尽可能反应雷电流带来的破坏性，本文采用的是幅值30 kA的双指数波形。公式（3）中，取A=30 kA，α=14 000s-1，β=6 000 000s-1，可得雷电流波形如图1所示。

图1 雷电流波形 Fig. 1 Lightning current waveform

2.2 共享杆塔与通信杆塔模型

共享杆塔模型如图2所示。

图2 共享杆塔模型 Fig. 2 Shared tower model

杆塔参数设置：在SESCAD中，选取525 kV的杆塔。杆塔高设为35 m。材料设为半径15 mm圆钢。在HIFREQ模块中，电阻率与磁导率均以铜为基数，设置成12 Ω·m和250 H/m。

接地网参数设置为：16 m×16 m的正方形铜导体；埋深为0.5 m；带有4根长度为10 m、半径为7 mm的铜导体垂直接地棒。

通信机房参数设置：尺寸为4 m×4 m×3 m，位于塔下，由钢构成；机房带有4 m×4 m独立接地网，埋深为0.5 m，其铜导体垂直接地体长为3 m、半径为7 mm。

输电线路参数设置：相导线长400 m，型号为1565 kemil 36/7ACSR；避雷线型号为7-strand，直径1.27 cm，材料为镀锌高强度钢。

避雷线与杆塔相连。

土壤电阻率取100 Ω·m，其相对介电常数和相对磁导率均为1。

通信杆塔设置：采用安全度高、安装维护简单、成本低的角钢塔。由于SESCAD模块不能模拟角钢，故选取圆钢代替角钢。这种设置不会影响周围的电磁场计算结果。

通信杆塔模型如图3所示：塔高40 m，圆钢半径为15 mm，电阻率与磁导率分别为12 Ω·m和250 H/m。接地网材料为8 m×8 m的正方形铜导体，埋深为0.5 m，带有4根长度为6 m、半径为7mm的铜导体垂直接地棒。

图3 通信杆塔模型 Fig. 3 Communication tower model

通信机房模型不需做改变；但是由于塔下空间不足，需将机房建在塔外。

3 电磁场仿真结果及分析

标准GB/T 2887-2011给出了设备磁场限值[18]：机房内磁场强度不应大于800 A/m。

由于机房属于常见的金属设施，其击穿场强标准为33 kV/2 cm，所以需要对机房附近的电磁场分布情况进行计算。为减少计算量，运用CDEGS软件对共享杆塔的简化模型进行仿真计算。

3.1 机房在杆塔下的电磁分布

雷击时，杆塔下方0 m（地面）、1 m、2 m和3 m（机房顶）高度平面上的电磁场分布分别如图4和图5所示。

图4 各高度平面磁场强度分布 Fig. 4 Magnetic field strength distribution at each height plane

图5 各高度平面电场强度分布 Fig. 5 Electric field intensity distribution at each height plane

由图4可以看到，在雷击时，不同高度的磁场分布很类似：都在接地极附近出现幅值，并且离接地极位置越远磁场越小。虽然在0 m、3 m平面上磁场的幅值大于1 m和2 m平面的幅值，但4种高度下的中心区域均满足磁场强度不应大于800 A/m的要求。

图5给出了雷击时各高度平面上的电场分布。与磁场相似，在0 m和3 m平面上的电场幅值均大于1 m和2 m平面上的电场幅值。垂直接地极附近的电场最大，塔下中心区域的电场较小。在高度为1 m、2 m的平面上，电场向中间凹陷；在3 m的平面上，中间有一圈电场较高的区域。在靠近导体的区域电场较高——这与机房模型吻合。整个区域场强均没有超过击穿场强。

3.2 共享与通信杆塔模型电磁场对比

表1对比了雷击时，共享输电线路杆塔下和通信杆塔下的电磁场幅值大小。

表1 不同高度下共享与通信杆塔的电磁场幅值计算结果 Tab. 1 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers at different heights

为了使分析结果更加可靠，计算了不同高度、不同雷电流幅值和不同土壤电阻率情况下的电磁场幅值。表1给出了0 m、1 m和2 m高度平面的输电线路杆塔与通信杆塔下的电磁场幅值大小。

表2分别给出了雷电流幅值分别为10 kA、30 kA和50 kA时，共享输电线路杆塔与通信杆塔下的电磁场幅值大小。

表2 不同雷电流幅值时共享与通信杆塔的电磁场 幅值计算结果 Tab. 2 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers under different lightning current amplitudes

表3给出了土壤电阻率分别为100 Ω·m、300 Ω·m和500 Ω·m时，共享输电线路杆塔与通信杆塔下的电磁场幅值大小。

表3 不同土壤电阻率下共享与通信杆塔的电磁场 幅值计算结果 Tab. 3 Calculation results of electromagnetic field amplitudes of shared and communication towers under different soil resistivities

综合表1、表2和表3可以看出，在不同高度、不同雷电流幅值和不同土壤电阻率的情况下，共享杆塔的电场幅值是要远小于通信塔。

共享杆塔的磁场幅值略高于通信杆塔。由磁场分布图可知，高幅值区域主要分布在垂直接地极附近；因此，只要将基站安装到输电线路杆塔下合适的位置，雷击就不会影响机房内设备的电磁环境。

4 雷击杆塔接地防护分析

在雷击时，会有很大的电流经过塔体流向接地网再通过大地散流。此过程会在地面上产生很大的电势。

使用CDEGS软件计算杆塔与机房地网在不同连接方式下的地电位。

以机房安装在离杆塔地网10 m处为例。地网连接示意图如图6所示。图6（a）中，铁塔地网与通信地网相互独立；图6（b）中，用水平接地体将铁塔地网与通信地网进行等电位连接。

图6 地网连接示意图 Fig. 6 Schematic diagram of ground network connection

图7所示为分散接地和联合接地情况下的地表电位分布。

图7 杆塔与机房地表电势 Fig. 7 Surface potential of tower and machine room

由图7（a）可以看到：在分散接地时，地表电位在杆塔地网附近较大，幅值达到53 kV。机房地网附近电位明显降低，幅值接近30 kV。地网之间产生了2万多伏的电位差。

由图7（b）可知：当机房地网与杆塔地网连接后，地表电位的总体幅值下降了，并且地网间的电位几乎相等。虽然此时机房附近的地表电位有一定上升，但是地网间电位差得以消除。这不仅降低了设备损坏风险，还可以起到保护维护人员的人身安全的作用。

5 结论

通过CDEGS软件建立了杆塔和机房模型；研究了雷击时，杆塔及其接地防护的电磁场分布情况；给出了塔下机房在不同高度时的电磁场分布情况；对比了机房在输电线路杆塔下与通信杆塔下的电磁场幅值大小；提出了适用于共享杆塔的安全接地方式。

（1）不同高度平面上的磁场分布相近——均在垂直接地极附近最大，往外慢慢减小。电场在垂直接地极附近也达到最大值。整个区域均没有超过击穿场强。

磁场在垂直接地极附近超过了限值，故机房选取安装位置时应与垂直接地极保持距离。

（2）遭受雷击时，共享杆塔和通信杆塔下都会产生很大的电磁场；但是，在仿真计算结果中可以看到，在不同高度、不同雷电流幅值和不同土壤电阻率等多种情况下，共享杆塔的电场幅值要远小于通信塔。虽然共享杆塔的磁场幅值略高于通信杆塔，但是由于幅值主要分布在垂直接地极附近，所以只要选取磁场强度低于800 A/m的位置，机房原本的电磁防护措施就足以适应共享铁塔。

（3）雷电流经过塔体流向接地网再通过大地散流时，地表会产生很大的电位。由仿真结果可知，杆塔与机房地网采用分散接地时，在杆塔地表附近电位较大，机房地表电位与其相差20 kV；联合接地时，地表电位分布较为均匀。

为了保护维护人员和设备的安全，尽可能让地表电位分布均匀，建议使用联合接地。