雷击下共享杆塔接地方案优化

　　摘 要：为了获取不同情况下杆塔上的电流和电位分布、接地网的地电位分布以及电缆电磁骚扰情况、提出共享杆塔优化设计和过电压防护策略需要研究适用于共享杆塔的建模方法、明确共享杆塔上电力线路与通信设备之间的相互作用机理。 本研究基于已有杆塔结构建立仿真模型，然后以模型为基础计算获得雷击情况下不同接地方法对应的共享杆塔上电流和过电压分布情况和接地网地电位升分布情况。 通过总结明确接地方式、接地网尺寸、通信设备安装位置、连接方式等对雷击共享杆塔接地方案的影响，对实际工程中相关结构和参数的选取给出了指导意见。

　　石伟钊; 黄林存; 唐继朋; 魏冲， 电瓷避雷器 发表时间：2021-10-22

　　关键词：共享杆塔;过电压防护;雷击;地电位升

　　0 引言

　　共享铁塔是将光缆、通信基站、天线等通信设备加装在电力杆塔上，此举一方面能够有效避免电力资源浪费，提高资源利用率;另一方面也能节约土地资源，避免重复建设和投资。

　　选择作为共享铁塔的电力杆塔，其电压等级多为 35 kV、110 kV 和 220 kV，相应的绝缘水平可达到几百千伏甚至 1 MV，通信基站设备的耐受电压一般不超过 2 kV。 当发生雷击铁塔、架空地线时，巨大的雷电流会沿着铁塔流入大地，与接地结构和远端大地构成回路。 由于铁塔钢支撑结构本身的电容电感以及接地电阻的存在，铁塔不同位置处会出现电位差。 当该电位差接近或达到基站通信设备的耐受电压时，会发生击穿，引发通信设备故障。 同时，由于雷电流作用，会在大地上形成跨步电压，对地面上的通信基站机房等构成威胁。 此外，射频拉远单 元 ( Remote Radio Unit， RRU) 设 备 供 电 用- 48 V 直流电沿铁塔布线，局部漏电情况下会造成铁塔电位的升高，威胁运检人员安全。

　　探索共享铁塔上通信设备与电力设备之间的相互作用机理，研究雷电类作用下共享铁塔电压分布，优化共享铁塔的接地设计方案对保障电力系统和通信系统可靠性、保障电力和通讯相关运维人员的安全、划分责任范围和明确事故责任具有重要意义，能够为进一步推广和深化共享铁塔模式提供必要的理论依据和技术支撑。

　　国内外学者已对输电线路杆塔接地方面做了大量研究，主要集中于对杆塔过电压接地的设计[1]，包括降低杆塔接地电阻的方法[2]、改善接地冲击效应的新型接地装置[3]、降阻性能接地材料的研发(如膨润土壤降阻在接地技术上的应用等)[4 - 5]。

　　对杆塔接地电阻、散流、接地体设计与优化需对铁塔和接地网进行建模。 通过电磁模型[6 - 8]，力矩法[9]，二次分域计算方法[10]等可实现接地网冲击系数以及有效面积等参数计算，对人体耐受电压范围和最大耐受电压进行预测，进而得出输电线路杆塔较为成熟的优化设计方案和过电压防护措施。

　　另外，可利用 ANSYS 有限元分析软件[11 - 12] 或者 CDEGS 仿真软件[13]，采取了定量分析的方法对故障情况下跨步电压进行了研究;也可通过对接地网的特性建立相关模型，对幅值较大的电流作用下土壤的非线性效应周围的地电位分布进行分析[14];在此基础上可对特殊区域高压架空输电线路周围的跨步电压进行超标电压值区域预测，并提出相应的改善措施[15 - 17];此外，接地网内的电势差在不同条件下的变化情况也可根据已有方法给出[18 - 21]。

　　目前，共享杆塔的相关研究才刚刚起步，缺乏相关的理论和工程实践。 国外并无共享杆塔的相关研究成果可供借鉴，国内的共享杆塔研究目前仍未深入讨论通用接地技术及优化设计方案形成。共享杆塔这种新模式带来的新问题，需要在已有成果基础上，形成新的接地技术及规范，解决共享杆塔现存的技术上的困惑，推进共享杆塔的大规模应用。 因此本文在电力铁塔基础上建立共享铁塔模型，分析雷击过电压得到共享铁塔最优接地方案。

　　1 共享杆塔及接地网建模

　　当雷击铁塔顶端时，雷电流沿铁塔进入接地网泄流，引起暂态地电位升高;同时雷电流的分流情况也会受到有源天线处理单元(Active antenna pro? cessing unit，AAU)电源线屏蔽层接地方式的影响，进而影响铁塔和通信机房接地网的暂态地电位升分布情况。 例如，当该电源线采取双端接地时，地电位升将在屏蔽层双端接地的电缆屏蔽层上产生对地电位分布，并在屏蔽层上产生电流，该电流经屏蔽电缆的转移阻抗将在电缆芯线上产生纵向感应电压，从而影响通信设备正常运行。 因此电源线屏蔽层不同连接方式，铁塔与基站不同位置以及两地网不同连接方式都对电力铁塔地网和通信机房地网接地可靠性有所影响。 笔者根据电力铁塔相应工程参数，建立铁塔及接地装置模型，见图 1。

　　电力铁塔接地装置采用 ?16 圆钢，埋深 0. 8 m，见图 2。

　　通信机房地网图纸见图 3。 水平接地网尺寸为3 m × 4 m，采用 ?12 圆钢。

　　共享铁塔接地网建模采取 4 种形式，分别为共用接地网(通信机房位于铁塔下方)、通信机房距铁塔 5 m、通信机房距铁塔 10 m。 模型见图 4。

　　2 共享杆塔移动通信基站安装位置的优化方案

　　图 5 给出了使用 CDEGS 计算并经过插值得到的 3 种典型距离下的地网 GPR 2D 分布图。 从图中可以看到，地网 GPR 的最大值出现在铁塔地网边缘，地网 GPR 的最小值出现在通信机柜地网上。 同时，铁塔地网的 GPR 在靠近机柜地网的一侧明显低于远侧。 产生这种现象主要是由于：1)通信机柜地网有接地极，有更好的散流性能，更利于雷电流向土壤深处散流;2)机柜地网尺寸较小，具有更大的等效接地电阻， 通过线缆屏 蔽 层 流 过 的 雷 电 流较小。

　　表 1 给出了 3 种典型距离下地网 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 1 可知：采用地网不连接形式时，所得地网 GPR 值最大值与通信机柜安装位置无关;随着安装距离的增加，地网的 GPR 最小值降低，因此 GPR最大值与最小值的差值增加。

　　图 6 给出了地网不连时，3 种距离下计算得到的铁塔电位分布云图。 可以看到，在 42 kA 的雷电流作用下，共享铁塔的电位从塔顶逐渐降低，塔顶电位超过 1 MV。

　　表 2 中给出了地网不连时，3 种典型距离下的线缆电流及 4 个塔脚流入地网的雷电流幅值。 4 个塔脚表示方法为：近上塔脚 A、近下塔脚 B、远下塔脚 C、远上塔脚 D，见图 2 中标识。 由图表可知，随着距离的增加，线缆上流过的雷电流增大，表明通过小地网入地雷电流的增加，散流能力增强。 4 个塔脚注入地网的雷电流变换不大，其中近下塔脚的入地雷电流最小，是因为通信设备线缆沿该塔脚方向进行布线，分流明显。 同时图 7 给出了某频点下雷电流的流向，用以辅助说明雷电流在铁塔上的走向。

　　3 地网连接方式影响

　　考虑电缆双端接地，天线安装高度 30 m，地网的不同连接形式，包括地网无连接、地网一点连接、地网双连(铁塔地网与机柜地网双点连接)及地网四连(铁塔地网与机柜地网四点连接)4 种连接方式下的模型。 同时，考虑铁塔地网与机柜地网的典型距离值，塔下(0 m)、5 m(机柜地网距离铁塔地网边缘 5 m) 和 10 m ( 机柜地网距离铁塔地网边缘10 m)的情况建立共享铁塔模型，计算地网 GPR 及线缆电磁骚扰。

　　两地网不相连情况下，铁塔地网的地电位最高，单点相连次之，两点连接再次之，四点连接最低。 新建通信机柜地网，能够一定程度上降低电力铁塔雷电冲击下的地电位升，这来源于新建通信地网与原地网的并联分流效应。 但两点连接和四点连接地电位升差别不大，且随着两个地网之间距离的增大，铁塔地网 GPR 最大值差别不大，见表 3。

　　两地网不相连情况下，通信机柜地网的地电位升最小，其他 3 种连接方式下的通信机柜地网地电位升几乎相等。 同时，随着两个地网之间距离的增大，通信机柜地网的电位降低，见表 4。

　　两地网不相连情况下，通信机柜地网与铁塔地网电位升差值最大，单点相连形式次之，两点连接和四点连接近似相等，见表 5。 两个地网之间的电气连接，为雷电流提供了具有更小阻抗的通路，有效降低了两个地网之间的电位差。 同时，随着两个地网之间距离的增大，两者间的电位差增大，不连接情况下增大幅度最大。

　　两地网不相连情况下，通信设备电源线缆电流最大，单点相连的次之，两点相连和四点相连的情形最小，两者相近。 这是由于当地网存在其他电气连接时，能够进行有效分流，从而减小电源线缆屏蔽层上的电流流动。 同时，随着两个地网之间距离的增大，不接地情况下的电缆电流增大明显，见表 6。

　　两地网不相连情况下，通信设备电源电缆芯皮电位差最大，单点相连的次之，两点相连和四点相连的情形最小，两者相近。 其机理与线缆上电流分布相同。 同时，随着两个地网之间距离的增大，不接地情况下的电缆芯皮电位差增大明显，见表 7。

　　两地网间距对 GPR 最大值影响不大。 两地网间距越大，地网 GPR 最小值越小，则两地网电位差值越大，电缆电流越大。 而接地网电位均衡性影响接地装置接触电压和跨步电压，当铁塔地网和通信地网连接时改变了地网结构，因此从地网 GPR 均衡角度及降低电缆芯皮电位差角度，建议通信机房位于铁塔下方。

　　地网连接方式对地网 GPR 最大值影响较小。两地网连接点越多，地网 GPR 最小值越大，即雷击时两地网电位差值越小，此时电缆电流越小，芯皮电位差越小。 此外，相比较于四点连接形式，两点接地性能与之相近，且经济性更可靠。 计算显示地网不连时，两地网 GPR 及 GPR 差值很大，线缆电流大，芯片电位差高。 不应采用。 地网单连、地网双连和地网四连均能有效改善上述指标。 考虑单点可靠性差，四点连工程施工难度大，因此，推荐采用地网双连的形式，并优先选择塔下安装。

　　4 安装位置的影响

　　考虑工程实践中可行的安装方案，建立了土壤电阻率为 30 Ω·m 时，塔顶、塔身(最低横担下 30 m)模型。 同时，考虑铁塔与地网的典型连接方式，又在每种连接方式下， 分别考 虑 了 铁 塔 与 地 网 采 用5 m + 不互连(机柜地网距铁塔边缘 5 m，且相互独立)、5 m + 互连(机柜地网距铁塔边缘 5 m，且两点相连)、塔下 + 不互连(机柜地网位于铁塔下，且相互独立)和塔下 + 互连(机柜地网位于铁塔下，且两点相连)的情况。

　　表 8 给出了设备安装在塔顶时 4 种典型地网连接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 8 可知：设备安装在塔顶时，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m + 不互连情况下 GPR 差值最大为 22. 886 6 kV;5 m + 互连时，能够将 GPR 差值降低到 13. 787 7 kV。 采用塔下 + 互连连接时，GPR 差值仅为 3. 504 3 kV。

　　由图表可知，安装在塔顶时，采用地网互连形式时，各电流几乎不随距离改变。 非互连情况下，电流分布变动较大。 如 5 m + 不连时线缆电流达到了 12. 885 8 kA，而互连时仅为 6. 046 4 kA，大的线缆电流容易引起幅值较高的芯皮电位差，造成线缆和设备的老化和击穿。

　　表 9 给出了通信设备安装在塔身时 4 种典型地网连接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 9 可知：通信设备安装在塔身时，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m +不互连情况下 GPR 差值最大为 24. 258 7 kV;5 m +互连时，能够将 GPR 差值降低到 14. 204 2 V。 采用塔下 + 互连连接时，GPR 差值仅为 3. 773 3 kV。

　　由图表可知，通信设备安装在塔身时，采用地网互连形式时，各电流几乎不随距离改变。 非互连情况下，电流分布变动较大。 如 5 m + 不连时线缆电流达到了 13. 263 4 kA，而互连时仅为 5. 737 1 kA，大的线缆电流容易引起幅值较高的芯皮电位差，造成线缆和设备的老化和击穿。

　　因此，安装在塔身时，地网 GPR 最大值降低。两地网不连接的情况，地网 GPR 最小值增大，且两地网连接时，地网 GPR 最小值几乎不变。 天线安装位置对线缆电流及芯皮电位差影响不大。

　　5 结论

　　本研究建立土壤电阻率为 30 Ω·m，线缆两端接地，安装位置为 30 m 时，通过建立地网不连、地网单连、地网双连和地网四连 4 种连接方式下的模型。 同时考虑铁塔与地网的典型安装距离：塔下、5 m 和 10 m 的情况。 得到如下结论：

　　1)两地网间距对 GPR 最大值影响不大。 两地网间距越大，地网 GPR 最小值越小，则两地网电位差值越大，电缆电流越大，芯皮电位差越大。 因此从地网 GPR 均衡角度及降低电缆芯皮电位差角度，建议通信机房位于铁塔下方。

　　2)地网连接方式对地网 GPR 最大值影响较小。两地网连接点越多，地网 GPR 最小值越大，即雷击时两地网电位差值越小;此时电缆电流越小，芯皮电位差越小。 此外，相比较于四点连接形式，两点接地性能与之相近，且经济性更可靠。 计算显示地网不连时，两地网 GPR 及 GPR 差值很大，线缆电流大，芯片电位差高，不应采用。 地网单连、地网双连和地网四连均能有效改善上述指标。 考虑单点可靠性差，四点连工程施工难度大，因此，推荐采用地网双连的形式，并优先选择塔下安装。

　　3)通过建立天线安装位置为塔顶和塔身两种模型。 同时考虑铁塔与地网的典型连接方式：5 m +不互连、5 m + 互连、塔下 + 不互连和塔下 + 互连的情况。 天线安装位置对线缆电流和芯皮电位差影响不大，但安装在塔身时能 GPR 较低。 因此天线宜安装在塔身。