雷擊下共享桿塔接地方案優化

　　摘 要：為了獲取不同情況下桿塔上的電流和電位分布、接地網的地電位分布以及電纜電磁騷擾情況、提出共享桿塔優化設計和過電壓防護策略需要研究適用于共享桿塔的建模方法、明確共享桿塔上電力線路與通信設備之間的相互作用機理。 本研究基于已有桿塔結構建立仿真模型，然后以模型為基礎計算獲得雷擊情況下不同接地方法對應的共享桿塔上電流和過電壓分布情況和接地網地電位升分布情況。 通過總結明確接地方式、接地網尺寸、通信設備安裝位置、連接方式等對雷擊共享桿塔接地方案的影響，對實際工程中相關結構和參數的選取給出了指導意見。

　　石偉釗; 黃林存; 唐繼朋; 魏沖， 電瓷避雷器 發表時間：2021-10-22

　　關鍵詞：共享桿塔;過電壓防護;雷擊;地電位升

　　0 引言

　　共享鐵塔是將光纜、通信基站、天線等通信設備加裝在電力桿塔上，此舉一方面能夠有效避免電力資源浪費，提高資源利用率;另一方面也能節約土地資源，避免重復建設和投資。

　　選擇作為共享鐵塔的電力桿塔，其電壓等級多為 35 kV、110 kV 和 220 kV，相應的絕緣水平可達到幾百千伏甚至 1 MV，通信基站設備的耐受電壓一般不超過 2 kV。 當發生雷擊鐵塔、架空地線時，巨大的雷電流會沿著鐵塔流入大地，與接地結構和遠端大地構成回路。 由于鐵塔鋼支撐結構本身的電容電感以及接地電阻的存在，鐵塔不同位置處會出現電位差。 當該電位差接近或達到基站通信設備的耐受電壓時，會發生擊穿，引發通信設備故障。 同時，由于雷電流作用，會在大地上形成跨步電壓，對地面上的通信基站機房等構成威脅。 此外，射頻拉遠單 元 ( Remote Radio Unit， RRU) 設 備 供 電 用- 48 V 直流電沿鐵塔布線，局部漏電情況下會造成鐵塔電位的升高，威脅運檢人員安全。

　　探索共享鐵塔上通信設備與電力設備之間的相互作用機理，研究雷電類作用下共享鐵塔電壓分布，優化共享鐵塔的接地設計方案對保障電力系統和通信系統可靠性、保障電力和通訊相關運維人員的安全、劃分責任范圍和明確事故責任具有重要意義，能夠為進一步推廣和深化共享鐵塔模式提供必要的理論依據和技術支撐。

　　國內外學者已對輸電線路桿塔接地方面做了大量研究，主要集中于對桿塔過電壓接地的設計[1]，包括降低桿塔接地電阻的方法[2]、改善接地沖擊效應的新型接地裝置[3]、降阻性能接地材料的研發(如膨潤土壤降阻在接地技術上的應用等)[4 - 5]。

　　對桿塔接地電阻、散流、接地體設計與優化需對鐵塔和接地網進行建模。 通過電磁模型[6 - 8]，力矩法[9]，二次分域計算方法[10]等可實現接地網沖擊系數以及有效面積等參數計算，對人體耐受電壓范圍和最大耐受電壓進行預測，進而得出輸電線路桿塔較為成熟的優化設計方案和過電壓防護措施。

　　另外，可利用 ANSYS 有限元分析軟件[11 - 12] 或者 CDEGS 仿真軟件[13]，采取了定量分析的方法對故障情況下跨步電壓進行了研究;也可通過對接地網的特性建立相關模型，對幅值較大的電流作用下土壤的非線性效應周圍的地電位分布進行分析[14];在此基礎上可對特殊區域高壓架空輸電線路周圍的跨步電壓進行超標電壓值區域預測，并提出相應的改善措施[15 - 17];此外，接地網內的電勢差在不同條件下的變化情況也可根據已有方法給出[18 - 21]。

　　目前，共享桿塔的相關研究才剛剛起步，缺乏相關的理論和工程實踐。 國外并無共享桿塔的相關研究成果可供借鑒，國內的共享桿塔研究目前仍未深入討論通用接地技術及優化設計方案形成。共享桿塔這種新模式帶來的新問題，需要在已有成果基礎上，形成新的接地技術及規范，解決共享桿塔現存的技術上的困惑，推進共享桿塔的大規模應用。 因此本文在電力鐵塔基礎上建立共享鐵塔模型，分析雷擊過電壓得到共享鐵塔最優接地方案。

　　1 共享桿塔及接地網建模

　　當雷擊鐵塔頂端時，雷電流沿鐵塔進入接地網泄流，引起暫態地電位升高;同時雷電流的分流情況也會受到有源天線處理單元(Active antenna pro? cessing unit，AAU)電源線屏蔽層接地方式的影響，進而影響鐵塔和通信機房接地網的暫態地電位升分布情況。 例如，當該電源線采取雙端接地時，地電位升將在屏蔽層雙端接地的電纜屏蔽層上產生對地電位分布，并在屏蔽層上產生電流，該電流經屏蔽電纜的轉移阻抗將在電纜芯線上產生縱向感應電壓，從而影響通信設備正常運行。 因此電源線屏蔽層不同連接方式，鐵塔與基站不同位置以及兩地網不同連接方式都對電力鐵塔地網和通信機房地網接地可靠性有所影響。 筆者根據電力鐵塔相應工程參數，建立鐵塔及接地裝置模型，見圖 1。

　　電力鐵塔接地裝置采用 ?16 圓鋼，埋深 0. 8 m，見圖 2。

　　通信機房地網圖紙見圖 3。 水平接地網尺寸為3 m × 4 m，采用 ?12 圓鋼。

　　共享鐵塔接地網建模采取 4 種形式，分別為共用接地網(通信機房位于鐵塔下方)、通信機房距鐵塔 5 m、通信機房距鐵塔 10 m。 模型見圖 4。

　　2 共享桿塔移動通信基站安裝位置的優化方案

　　圖 5 給出了使用 CDEGS 計算并經過插值得到的 3 種典型距離下的地網 GPR 2D 分布圖。 從圖中可以看到，地網 GPR 的最大值出現在鐵塔地網邊緣，地網 GPR 的最小值出現在通信機柜地網上。 同時，鐵塔地網的 GPR 在靠近機柜地網的一側明顯低于遠側。 產生這種現象主要是由于：1)通信機柜地網有接地極，有更好的散流性能，更利于雷電流向土壤深處散流;2)機柜地網尺寸較小，具有更大的等效接地電阻， 通過線纜屏 蔽 層 流 過 的 雷 電 流較小。

　　表 1 給出了 3 種典型距離下地網 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 1 可知：采用地網不連接形式時，所得地網 GPR 值最大值與通信機柜安裝位置無關;隨著安裝距離的增加，地網的 GPR 最小值降低，因此 GPR最大值與最小值的差值增加。

　　圖 6 給出了地網不連時，3 種距離下計算得到的鐵塔電位分布云圖。 可以看到，在 42 kA 的雷電流作用下，共享鐵塔的電位從塔頂逐漸降低，塔頂電位超過 1 MV。

　　表 2 中給出了地網不連時，3 種典型距離下的線纜電流及 4 個塔腳流入地網的雷電流幅值。 4 個塔腳表示方法為：近上塔腳 A、近下塔腳 B、遠下塔腳 C、遠上塔腳 D，見圖 2 中標識。 由圖表可知，隨著距離的增加，線纜上流過的雷電流增大，表明通過小地網入地雷電流的增加，散流能力增強。 4 個塔腳注入地網的雷電流變換不大，其中近下塔腳的入地雷電流最小，是因為通信設備線纜沿該塔腳方向進行布線，分流明顯。 同時圖 7 給出了某頻點下雷電流的流向，用以輔助說明雷電流在鐵塔上的走向。

　　3 地網連接方式影響

　　考慮電纜雙端接地，天線安裝高度 30 m，地網的不同連接形式，包括地網無連接、地網一點連接、地網雙連(鐵塔地網與機柜地網雙點連接)及地網四連(鐵塔地網與機柜地網四點連接)4 種連接方式下的模型。 同時，考慮鐵塔地網與機柜地網的典型距離值，塔下(0 m)、5 m(機柜地網距離鐵塔地網邊緣 5 m) 和 10 m ( 機柜地網距離鐵塔地網邊緣10 m)的情況建立共享鐵塔模型，計算地網 GPR 及線纜電磁騷擾。

　　兩地網不相連情況下，鐵塔地網的地電位最高，單點相連次之，兩點連接再次之，四點連接最低。 新建通信機柜地網，能夠一定程度上降低電力鐵塔雷電沖擊下的地電位升，這來源于新建通信地網與原地網的并聯分流效應。 但兩點連接和四點連接地電位升差別不大，且隨著兩個地網之間距離的增大，鐵塔地網 GPR 最大值差別不大，見表 3。

　　兩地網不相連情況下，通信機柜地網的地電位升最小，其他 3 種連接方式下的通信機柜地網地電位升幾乎相等。 同時，隨著兩個地網之間距離的增大，通信機柜地網的電位降低，見表 4。

　　兩地網不相連情況下，通信機柜地網與鐵塔地網電位升差值最大，單點相連形式次之，兩點連接和四點連接近似相等，見表 5。 兩個地網之間的電氣連接，為雷電流提供了具有更小阻抗的通路，有效降低了兩個地網之間的電位差。 同時，隨著兩個地網之間距離的增大，兩者間的電位差增大，不連接情況下增大幅度最大。

　　兩地網不相連情況下，通信設備電源線纜電流最大，單點相連的次之，兩點相連和四點相連的情形最小，兩者相近。 這是由于當地網存在其他電氣連接時，能夠進行有效分流，從而減小電源線纜屏蔽層上的電流流動。 同時，隨著兩個地網之間距離的增大，不接地情況下的電纜電流增大明顯，見表 6。

　　兩地網不相連情況下，通信設備電源電纜芯皮電位差最大，單點相連的次之，兩點相連和四點相連的情形最小，兩者相近。 其機理與線纜上電流分布相同。 同時，隨著兩個地網之間距離的增大，不接地情況下的電纜芯皮電位差增大明顯，見表 7。

　　兩地網間距對 GPR 最大值影響不大。 兩地網間距越大，地網 GPR 最小值越小，則兩地網電位差值越大，電纜電流越大。 而接地網電位均衡性影響接地裝置接觸電壓和跨步電壓，當鐵塔地網和通信地網連接時改變了地網結構，因此從地網 GPR 均衡角度及降低電纜芯皮電位差角度，建議通信機房位于鐵塔下方。

　　地網連接方式對地網 GPR 最大值影響較小。兩地網連接點越多，地網 GPR 最小值越大，即雷擊時兩地網電位差值越小，此時電纜電流越小，芯皮電位差越小。 此外，相比較于四點連接形式，兩點接地性能與之相近，且經濟性更可靠。 計算顯示地網不連時，兩地網 GPR 及 GPR 差值很大，線纜電流大，芯片電位差高。 不應采用。 地網單連、地網雙連和地網四連均能有效改善上述指標。 考慮單點可靠性差，四點連工程施工難度大，因此，推薦采用地網雙連的形式，并優先選擇塔下安裝。

　　4 安裝位置的影響

　　考慮工程實踐中可行的安裝方案，建立了土壤電阻率為 30 Ω·m 時，塔頂、塔身(最低橫擔下 30 m)模型。 同時，考慮鐵塔與地網的典型連接方式，又在每種連接方式下， 分別考 慮 了 鐵 塔 與 地 網 采 用5 m + 不互連(機柜地網距鐵塔邊緣 5 m，且相互獨立)、5 m + 互連(機柜地網距鐵塔邊緣 5 m，且兩點相連)、塔下 + 不互連(機柜地網位于鐵塔下，且相互獨立)和塔下 + 互連(機柜地網位于鐵塔下，且兩點相連)的情況。

　　表 8 給出了設備安裝在塔頂時 4 種典型地網連接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 8 可知：設備安裝在塔頂時，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m + 不互連情況下 GPR 差值最大為 22. 886 6 kV;5 m + 互連時，能夠將 GPR 差值降低到 13. 787 7 kV。 采用塔下 + 互連連接時，GPR 差值僅為 3. 504 3 kV。

　　由圖表可知，安裝在塔頂時，采用地網互連形式時，各電流幾乎不隨距離改變。 非互連情況下，電流分布變動較大。 如 5 m + 不連時線纜電流達到了 12. 885 8 kA，而互連時僅為 6. 046 4 kA，大的線纜電流容易引起幅值較高的芯皮電位差，造成線纜和設備的老化和擊穿。

　　表 9 給出了通信設備安裝在塔身時 4 種典型地網連接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 9 可知：通信設備安裝在塔身時，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m +不互連情況下 GPR 差值最大為 24. 258 7 kV;5 m +互連時，能夠將 GPR 差值降低到 14. 204 2 V。 采用塔下 + 互連連接時，GPR 差值僅為 3. 773 3 kV。

　　由圖表可知，通信設備安裝在塔身時，采用地網互連形式時，各電流幾乎不隨距離改變。 非互連情況下，電流分布變動較大。 如 5 m + 不連時線纜電流達到了 13. 263 4 kA，而互連時僅為 5. 737 1 kA，大的線纜電流容易引起幅值較高的芯皮電位差，造成線纜和設備的老化和擊穿。

　　因此，安裝在塔身時，地網 GPR 最大值降低。兩地網不連接的情況，地網 GPR 最小值增大，且兩地網連接時，地網 GPR 最小值幾乎不變。 天線安裝位置對線纜電流及芯皮電位差影響不大。

　　5 結論

　　本研究建立土壤電阻率為 30 Ω·m，線纜兩端接地，安裝位置為 30 m 時，通過建立地網不連、地網單連、地網雙連和地網四連 4 種連接方式下的模型。 同時考慮鐵塔與地網的典型安裝距離：塔下、5 m 和 10 m 的情況。 得到如下結論：

　　1)兩地網間距對 GPR 最大值影響不大。 兩地網間距越大，地網 GPR 最小值越小，則兩地網電位差值越大，電纜電流越大，芯皮電位差越大。 因此從地網 GPR 均衡角度及降低電纜芯皮電位差角度，建議通信機房位于鐵塔下方。

　　2)地網連接方式對地網 GPR 最大值影響較小。兩地網連接點越多，地網 GPR 最小值越大，即雷擊時兩地網電位差值越小;此時電纜電流越小，芯皮電位差越小。 此外，相比較于四點連接形式，兩點接地性能與之相近，且經濟性更可靠。 計算顯示地網不連時，兩地網 GPR 及 GPR 差值很大，線纜電流大，芯片電位差高，不應采用。 地網單連、地網雙連和地網四連均能有效改善上述指標。 考慮單點可靠性差，四點連工程施工難度大，因此，推薦采用地網雙連的形式，并優先選擇塔下安裝。

　　3)通過建立天線安裝位置為塔頂和塔身兩種模型。 同時考慮鐵塔與地網的典型連接方式：5 m +不互連、5 m + 互連、塔下 + 不互連和塔下 + 互連的情況。 天線安裝位置對線纜電流和芯皮電位差影響不大，但安裝在塔身時能 GPR 較低。 因此天線宜安裝在塔身。