劉 康，黃 歡,2

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

0 引言

隨著我國(guó)5G技術(shù)的不斷發(fā)展與推廣，5G基站建設(shè)數(shù)量增加較快[1]，其對(duì)桿塔的需求也越發(fā)迫切。電力桿塔與通信桿塔分別建設(shè)，不僅會(huì)加大基站選址的困難，還會(huì)造成社會(huì)資源的浪費(fèi)[2]。將基站安裝到輸電線路桿塔上，是必然的趨勢(shì)。共享?xiàng)U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(méi)有遮擋物，所以很容易遭受雷擊。雷擊是一種常見(jiàn)的自然災(zāi)害，其發(fā)生時(shí)不僅會(huì)有高壓危害人體，還會(huì)伴有強(qiáng)大的電磁場(chǎng)從而威脅機(jī)房?jī)?nèi)的電子設(shè)備安全[4-6]。

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

在利用仿真軟件來(lái)進(jìn)行電磁分析方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者多關(guān)注于變電站[11]、發(fā)電機(jī)[12]和高層房屋[13-14]，對(duì)于共享?xiàng)U塔的研究并不多。共享鐵塔的建設(shè)在國(guó)內(nèi)外都是處于前期探索階段；我國(guó)僅在湖北、福建、江蘇、云南等省份有少部分試點(diǎn)[15]。

本文利用CDEGS仿真軟件[16]，對(duì)雷擊共享鐵塔時(shí)的桿塔下方和基站機(jī)房的電磁場(chǎng)分布進(jìn)行模擬分析；對(duì)比了不同高度平面上的電磁場(chǎng)分布，以及機(jī)房在共享?xiàng)U塔和通信桿塔下的電磁場(chǎng)幅值大??；同時(shí)，為選擇合適的接地方式，對(duì)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(duì)雷擊共享鐵塔塔頂時(shí)的電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算。

在頻域中計(jì)算電磁場(chǎng)的頻域響應(yīng)通常需要花費(fèi)大量的計(jì)算時(shí)間。FFTSES模塊一個(gè)重要特點(diǎn)，即其能夠基于相對(duì)少量的頻率數(shù)值以及頻域響應(yīng)來(lái)得到時(shí)域電磁場(chǎng)。

計(jì)算過(guò)程可以概括為如下過(guò)程。

（1）時(shí)域信號(hào)的頻域分解：用FFTSES選擇一個(gè)時(shí)域雷電信號(hào)（使用內(nèi)置函數(shù)）并在頻域下表達(dá)。程序會(huì)推薦一些計(jì)算頻率來(lái)求取電磁場(chǎng)響應(yīng)。

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(yīng)計(jì)算：用SESCAD建立桿塔、機(jī)房以及接地系統(tǒng)等導(dǎo)體系統(tǒng)模型。使用HIFREQ在推薦頻率下計(jì)算未調(diào)制的系統(tǒng)頻域響應(yīng)。

（3）系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)計(jì)算：從HIFREQ數(shù)據(jù)庫(kù)提取計(jì)算結(jié)果，并用SIRPS創(chuàng)建FFTSES數(shù)據(jù)庫(kù)。用FFTSES計(jì)算系統(tǒng)時(shí)域響應(yīng)。

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(shí)間、波形陡度以及波形持續(xù)時(shí)間等參數(shù)變化范圍很大。

進(jìn)行雷擊計(jì)算時(shí)，根據(jù)具體的應(yīng)用場(chǎng)合，可以采用不同參數(shù)的雷電流。常見(jiàn)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(shí)際雷電流最相似，表達(dá)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(biāo)準(zhǔn)DL/T 620-1997中給出了我國(guó)雷暴日超過(guò)20的地區(qū)的雷電流幅值出現(xiàn)概率分布[17]，計(jì)算公式如下：

式中：P為雷電流幅值超過(guò)幅值A(chǔ)的概率。

經(jīng)計(jì)算可知：雷電流幅值超過(guò)30 kA的概率為45.6%，且隨著幅值增大概率會(huì)越來(lái)越小。考慮大部分地區(qū)雷電流幅值都低于30 kA，同時(shí)為了盡可能反應(yīng)雷電流帶來(lái)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?xiàng)U塔與通信桿塔模型

共享?xiàng)U塔模型如圖2所示。

圖2 共享?xiàng)U塔模型 Fig. 2 Shared tower model

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

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

通信機(jī)房參數(shù)設(shè)置：尺寸為4 m×4 m×3 m，位于塔下，由鋼構(gòu)成；機(jī)房帶有4 m×4 m獨(dú)立接地網(wǎng)，埋深為0.5 m，其銅導(dǎo)體垂直接地體長(zhǎng)為3 m、半徑為7 mm。

輸電線路參數(shù)設(shè)置：相導(dǎo)線長(zhǎng)400 m，型號(hào)為1565 kemil 36/7ACSR；避雷線型號(hào)為7-strand，直徑1.27 cm，材料為鍍鋅高強(qiáng)度鋼。

避雷線與桿塔相連。

土壤電阻率取100 Ω·m，其相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均為1。

通信桿塔設(shè)置：采用安全度高、安裝維護(hù)簡(jiǎn)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(shè)置不會(huì)影響周?chē)碾姶艌?chǎng)計(jì)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(dǎo)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(dǎo)體，埋深為0.5 m，帶有4根長(zhǎng)度為6 m、半徑為7mm的銅導(dǎo)體垂直接地棒。

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

通信機(jī)房模型不需做改變；但是由于塔下空間不足，需將機(jī)房建在塔外。

3 電磁場(chǎng)仿真結(jié)果及分析

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2887-2011給出了設(shè)備磁場(chǎng)限值[18]：機(jī)房?jī)?nèi)磁場(chǎng)強(qiáng)度不應(yīng)大于800 A/m。

由于機(jī)房屬于常見(jiàn)的金屬設(shè)施，其擊穿場(chǎng)強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)為33 kV/2 cm，所以需要對(duì)機(jī)房附近的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行計(jì)算。為減少計(jì)算量，運(yùn)用CDEGS軟件對(duì)共享?xiàng)U塔的簡(jiǎn)化模型進(jìn)行仿真計(jì)算。

3.1 機(jī)房在桿塔下的電磁分布

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

圖4 各高度平面磁場(chǎng)強(qiáng)度分布 Fig. 4 Magnetic field strength distribution at each height plane

圖5 各高度平面電場(chǎng)強(qiáng)度分布 Fig. 5 Electric field intensity distribution at each height plane

由圖4可以看到，在雷擊時(shí)，不同高度的磁場(chǎng)分布很類(lèi)似：都在接地極附近出現(xiàn)幅值，并且離接地極位置越遠(yuǎn)磁場(chǎng)越小。雖然在0 m、3 m平面上磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度不應(yīng)大于800 A/m的要求。

圖5給出了雷擊時(shí)各高度平面上的電場(chǎng)分布。與磁場(chǎng)相似，在0 m和3 m平面上的電場(chǎng)幅值均大于1 m和2 m平面上的電場(chǎng)幅值。垂直接地極附近的電場(chǎng)最大，塔下中心區(qū)域的電場(chǎng)較小。在高度為1 m、2 m的平面上，電場(chǎng)向中間凹陷；在3 m的平面上，中間有一圈電場(chǎng)較高的區(qū)域。在靠近導(dǎo)體的區(qū)域電場(chǎng)較高——這與機(jī)房模型吻合。整個(gè)區(qū)域場(chǎng)強(qiáng)均沒(méi)有超過(guò)擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

3.2 共享與通信桿塔模型電磁場(chǎng)對(duì)比

表1對(duì)比了雷擊時(shí)，共享輸電線路桿塔下和通信桿塔下的電磁場(chǎng)幅值大小。

表1 不同高度下共享與通信桿塔的電磁場(chǎng)幅值計(jì)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(jì)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(chǎng)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(chǎng)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(shí)，共享輸電線路桿塔與通信桿塔下的電磁場(chǎng)幅值大小。

表2 不同雷電流幅值時(shí)共享與通信桿塔的電磁場(chǎng) 幅值計(jì)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(shí)，共享輸電線路桿塔與通信桿塔下的電磁場(chǎng)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(chǎng) 幅值計(jì)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?xiàng)U塔的電場(chǎng)幅值是要遠(yuǎn)小于通信塔。

共享?xiàng)U塔的磁場(chǎng)幅值略高于通信桿塔。由磁場(chǎng)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(huì)影響機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備的電磁環(huán)境。

4 雷擊桿塔接地防護(hù)分析

在雷擊時(shí)，會(huì)有很大的電流經(jīng)過(guò)塔體流向接地網(wǎng)再通過(guò)大地散流。此過(guò)程會(huì)在地面上產(chǎn)生很大的電勢(shì)。

使用CDEGS軟件計(jì)算桿塔與機(jī)房地網(wǎng)在不同連接方式下的地電位。

以機(jī)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(dú)立；圖6（b）中，用水平接地體將鐵塔地網(wǎng)與通信地網(wǎng)進(jìn)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(jī)房地表電勢(shì) Fig. 7 Surface potential of tower and machine room

由圖7（a）可以看到：在分散接地時(shí)，地表電位在桿塔地網(wǎng)附近較大，幅值達(dá)到53 kV。機(jī)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(wàn)多伏的電位差。

由圖7（b）可知：當(dāng)機(jī)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(shí)機(jī)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(shè)備損壞風(fēng)險(xiǎn)，還可以起到保護(hù)維護(hù)人員的人身安全的作用。

5 結(jié)論

通過(guò)CDEGS軟件建立了桿塔和機(jī)房模型；研究了雷擊時(shí)，桿塔及其接地防護(hù)的電磁場(chǎng)分布情況；給出了塔下機(jī)房在不同高度時(shí)的電磁場(chǎng)分布情況；對(duì)比了機(jī)房在輸電線路桿塔下與通信桿塔下的電磁場(chǎng)幅值大??；提出了適用于共享?xiàng)U塔的安全接地方式。

（1）不同高度平面上的磁場(chǎng)分布相近——均在垂直接地極附近最大，往外慢慢減小。電場(chǎng)在垂直接地極附近也達(dá)到最大值。整個(gè)區(qū)域均沒(méi)有超過(guò)擊穿場(chǎng)強(qiáng)。

磁場(chǎng)在垂直接地極附近超過(guò)了限值，故機(jī)房選取安裝位置時(shí)應(yīng)與垂直接地極保持距離。

（2）遭受雷擊時(shí)，共享?xiàng)U塔和通信桿塔下都會(huì)產(chǎn)生很大的電磁場(chǎng)；但是，在仿真計(jì)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?xiàng)U塔的電場(chǎng)幅值要遠(yuǎn)小于通信塔。雖然共享?xiàng)U塔的磁場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度低于800 A/m的位置，機(jī)房原本的電磁防護(hù)措施就足以適應(yīng)共享鐵塔。

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

為了保護(hù)維護(hù)人員和設(shè)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。