雷擊通信塔的空間瞬態電磁分布研究

劉 昆，郭君峰，張 順

(成都信息工程大學電子工程學院，四川成都610225)

0 引言

隨著通信行業的發展，越來越多的地區安裝了通信塔、一體化基站塔等通信設備。鑒于通信塔發射與接收信號的功能，通常將其安裝于地勢較高的地方，這導致其面臨高概率直接雷擊的風險。從雷電災害發生的概率來說，通信基站的建設在一定程度上增大了該區域的落雷密度［1］。

He等［2］研究了電力傳輸線塔接地裝置的脈沖接地電阻，發現其與脈沖電流峰值、接地裝置幾何結構、土壤電阻率均有關;Noda［3］基于FDTD法通過數值模擬得到500 kV電力傳輸線塔的雷擊響應;Yao等［4］利用XFDTD軟件，基于實際的電力傳輸線塔結構，構建電力塔模型，計算得到了塔的周圍觀測點的磁場分布，并利用ADF-EMS軟件建立含多個電力塔復雜的電力傳輸塔系統模型，研究了電力傳輸系統被雷電擊時不同情形下的響應［5］。

對于雷電擊中高大建筑物時，流經其內部鋼筋架構的電流分布情況，Chen等［6］利用 FDTD法進行研究，并討論了鋼筋結構對其周圍磁場的影響。N.Rameli等［7-8］則給出了建筑結構頂端和底部反射系數對雷電流(峰值)的影響及雷電流與通道高度的關系。張義軍等［9］模擬了下行先導與40 m寬的建筑物之間的相互作用和連接過程，得到建筑物拐角也具有一定的吸引半徑，避雷針和拐角之間存在競爭關系。通過數值模擬方法，譚涌波等［10］發現建筑物高度對上行閃電的觸發起關鍵作用，同時，建筑物高度對上行閃電的傳播具有一定的反作用。Behzad Kordi等［11］將天線模型應用于多倫多CN塔被雷電擊中時的塔體電流傳播特性研究，將仿真與實測數據對比，得到了較好的吻合結果。

通信塔往往孤立存在，而電力鐵塔彼此通過傳輸線相互聯系［12］。與此同時，CN塔高為553.33 m，而高于500 m的建筑通常忽略下行閃電，認為其只遭受上行閃電的襲擊。通信鐵塔通常都低于100 m，而這類建筑通常忽略上行閃電，認為只遭受下行閃電的襲擊［13］。正是因為通信塔與已有相關研究成果存在重要差異，因此有必要針對通信塔的結構和特點開展相應的雷擊瞬態電磁響應研究。通常，通信塔上配置有多個收發天線，同時在其底部或附近金屬箱內安裝電源、交換機等通信相關電子設備，用于微波、超短波、無線網絡信號的傳輸與發射等，因此其周圍電磁場對于這類電子設備造成直接影響。根據材料不同可以將通信塔分為角鋼塔、鋼管塔;根據結構不同又可以分為四柱塔、三柱塔、單管塔。將以四柱角鋼塔為例進行仿真實驗研究，詳細討論其遭受雷擊時塔體周圍空間的電磁分布特性。

1 仿真計算模型

參照實體通信基站塔建立四柱角鋼塔模型。基站塔模型高10 m，其中4條傾斜的塔腿長約8.05 m，其頂端至地面距離約7.96 m，之上有一層環形橫梁，地腳板為0.30 m×0.30 m，地腳板外沿距離3.30 m。4條塔腿上加有4層環形橫梁，其上沿距離地面高分別為1.72 m、4.28 m、6.08 m和7.39 m，斜交的角鋼結構等對塔體進行加固。塔體的材料為鐵，電導率σ|Fe=1.0×107S/m，相對磁導率μr|Fe=200。模型如圖1所示。

圖1 基站塔模式

接地樁簡化為4根金屬圓柱［3-4］，材料與塔體的材料一致，如圖1(a)所示。土壤相對介電常數εr|g=10［6，14］，相對磁導率 μr|g=1，電導率 σ|g=0.002 S/m［6］。接地樁模型如圖1(b)所示。

根據相關文獻［4，6］，采用雙指數脈沖電流源作為激勵源，其函數表達式如下

其中 I0=10 kA，α =187191 s-1，β =19005100 s-1［6］。該雙指數脈沖電流源波形圖如圖2(a)所示，頻譜如圖2(b)所示。

根據尖端放電原理，在大氣電場作用下，物體表面曲率大的部位電場比其他地方強，更容易達到空氣擊穿閾值，當電場足夠強時，其附近空氣電離，形成上行先導，當上行先導與下行先導連接，則上行先導始發位置為閃電閃擊點。激勵電流在通信塔頂端的尖端處注入，由于鐵塔結構的對稱性，只需討論塔頂其中一個尖端被閃電擊中的情況即可。假定雷電流擊中legA對應的頂部尖角，即由legA頂上的尖端處注入激勵電流，如圖2(a)所示。

首先，將鐵塔上橫材與斜材去除，僅保留如圖3所示部分，計算其瞬態電磁響應。在鐵塔所圍空間內部中心軸線O軸上4 m左右處設置觀測點OP(見圖3)，得到觀測點處磁場變化情況，如圖4(a)所示。同時，該點磁場對應頻譜如圖4(b)所示。

圖2 波形及頻譜

圖3 驗證計算模型

由圖4(a)可以看到，磁場變化曲線上出現了明顯的振蕩現象。對應其頻譜則可見，該觀測點處的磁場在8.88 MHz處發生了諧振，1.5 MHz左右則出現較弱的諧振。當關注該觀測點處磁場不同方向的磁場分量時注意到，諧振現象主要體現在垂直于地面方向的分量(z分量)。圖5為該觀測點處垂直于地面方向的磁場分量及其頻譜。從圖5可以看到，磁場在1.49 MHz和8.88 MHz均發生了明顯的諧振現象。結果與文獻［6］的相關研究結果一致。

圖4 磁場變化曲線及磁場頻譜

圖5 磁場分量及頻譜

2 討論與分析

在通信塔所圍空間內部中心軸M不同高度上設置磁場觀測點:地面處觀測點M0及各層橫梁所圍區域中心設定觀測點M1～M5，距離地面高度依次為:1.682 m、4.235 m、6.039 m、7.349 m、7.924 m 距 離 地 面 高8.162 m、8.475 m、8.788 m、9.101 m、9.414 m處設置觀測點M6～M10。同時，在通信塔外部空間域與M軸平行的N軸上相應位置設置觀測點N0～N10。

圖6 通信塔內部空間M軸上典型磁場變化曲線

通信塔內部M軸上觀測點處的磁場變化曲線如圖6所示，圖7為對應通信塔外部空間N軸上的觀測點處的磁場變化曲線(由于N軸上觀測點磁場變化曲線波形一致且部分點出磁場峰值比較接近，僅列出該軸上地面、1.682 m、4.235 m 3個觀測點處磁場變化曲線)。

圖7 通信塔外部空間N軸上典型磁場變化曲線

從圖6、圖7可以看到，通信塔內部空間的磁場明顯小于其外部空間的磁場值。與此同時，雖然外部區域的磁場明顯強于塔內區域，但是，從塔底至塔頂磁場幅值基本始終保持在400～500 A·m-1變化，而塔內區域在距離地面8 m以上的區域磁場開始迅速增強，峰值可達到250 A·m-1(即為:3.1416 Gs)左右，根據美國AD報告(AD-722675):當LEMP磁場達到0.07 Gs時，即可導致正在運行的無屏蔽計算機產生誤動作;當LEMP磁場達到2.4 Gs時，能使計算機永久性損傷。而此強度的磁場只是峰值為10 kA的電流脈沖產生的，而通常負極性地閃首次回擊的雷電流峰值50%為30 kA左右［15］，同時，通信鐵塔該區域正是通信天線的安裝位置，如果該量級的磁場通過通信天線耦合入基站系統，足以對其內部電子設備造成致命損壞。因此對于一體化基站而言，無論將通信天線安裝在鐵塔的塔內或塔外區域，合適的天饋防雷系統的安裝非常必要。

圖8 平分通信塔所圍空間縱切面時刻磁場空間分布圖

圖9 塔高4.2 m處橫切面時刻磁場空間分布圖

表1統計了部分通信塔內外不同觀測點處的磁場峰值。從表1可以看出，通信塔內部空間觀測點處磁場峰值明顯小于其外部空間的磁場峰值，尤其是在7.924 m及其以下的幾個觀測點處。僅就列表的7點即可見，通信塔內部的磁場并非隨高度呈現規律的遞增或遞減。

表1 通信塔內/外空間觀測點處磁場峰值/A/m

選取縱切平分通信塔內部空間的平面和塔高4.2 m處橫切面的不同時刻的磁場空間分布圖作為典例。同時，從磁場變化曲線可以看出，磁場在350 ns左右達到峰值，故以350 ns以及之前一些時間點的磁場為例給出不同時刻的磁場分布圖，如圖8、圖9所示。從縱切面的磁場空間分布圖及4.2 m處的橫切面的磁場空間分布圖可見，通信塔內部空間的磁場明顯小于外部磁場。其次，從圖8中前兩張圖中可以看到，相比于激勵源一側空間的磁場，通信塔外遠離激勵源的一側空間的磁場小于激勵源一側的磁場。再者，土壤層中的磁場明顯小于地面之上空間磁場，尤其是接地樁中間部分。最后，塔內部空間的磁場并未呈現單調的遞增或遞減現象，同時，在部分區域出現磁場相對最小的情況。

IEC標準62305中采用Heidler函數描述首次和后續回擊，使用該雷電流模型再次模擬通信塔遭受雷電直擊的情況，計算此時通信塔周圍空間的磁場分布情況。圖10所采用的Heidler函數電流波形。類似的，文章中截選部分時間點為例給出不同時刻的磁場分布圖，如圖11、12所示。從磁場的空間分布圖不難得出類似的結論，即:通信塔內部空間的磁場并未呈現單調的遞增或遞減現象，在部分區域出現磁場相對最小的情況。所以，在安裝基站設備時可以將部分敏感設備安裝在這些區域。

圖10 Heidler函數雷電流波形

圖11 平分通信塔所圍空間縱切面時刻磁場空間分布圖

圖12 塔高4.2 m處橫切面時刻磁場空間分布圖

3 結論

通過計算通信塔雷擊瞬態電磁響應發現，當通信塔遭受雷擊時，其塔體所圍空間內部的磁場遠小于通信塔外部附近空間的磁場，故在架設通信塔設備時可以考慮將一些非必須裝在通信塔外、抗電磁干擾性能較差的元部件裝置在通信塔所圍空間內部。同時，通信塔內部空間的磁場并非隨高度呈現規律的遞增或遞減變化，故在安裝設備前可以先通過實驗測得在塔體所圍空間內何處磁場值最小，進而決定設備的具體安裝位置。

［1］ 李家啟.雷電災害典型案例分析［M］.北京:氣象出版社，2007:147-150.

［2］ He Jinliang，Zeng Rong，Tu Youping，et al.Laboratory investigation of impulse characteristics of transmission tower grounding devices［J］.IEEE Transaction on Power Delivery，2003，18(3):994-1000.

［3］ T Noda.A numerical simulation of transient electromagnetic fields for obtaining the step response of a transmission tower using the FDTD method［J］.IEEE Trans.Power Delivery，2008，23(2):1262-1263.

［4］ Yao Chenguo，Wu Hao，Mi Yan，et al.Finite difference time domain simulation of lightning transient electromagnetic fields on transmission lines［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation 2013，20(4):1239-1246.

［5］ Yao Chenguo，Long Yi，Wu Hao，et al.Study of magnetic fields from different types of lightning faults on a multi-tower system［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2014，21(4):1866-1873.

［6］ Chen Jiaqing，Zhou Bihua，Zhao Fei，et al.Finite difference time-domain analysis of the electromagnetic environment in a reinforced concrete structure when struck by lightning［J］.IEEE Transactions on Electro-magnetic Compatibility，2010，52(4):914-920.

［7］ N Rameli，M Z AAbKadir，M Izadi，et al.Modelling of lightning current in the case of striking to a tall structure［C］.2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference，2014.

［8］ N Abdul Rahim，M Izadi，M Z A Ab Kadir，et al.On the behavior of lightning return stroke current incidence to tall towers［C］.IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference，2014.

［9］ 任曉毓，張義軍，呂偉濤，等.雷擊建筑物的先導連接過程模擬［J］.應用氣象學報，2010，21(4):450-457.

［10］ 譚涌波.周博文.郭秀峰.等.建筑物高度對上行閃電觸發以及傳播影響的數值模擬［J］.氣象學報，2015，73(3):546-556.

［11］ Behzad Kordi，Rouzbeh Moini，WasylJanischewskyj，et al.Application of the antenna theory model to a tall tower struck by lightning［J］.Journal of Geophysical Research，2013，108.

［12］ Jun Takami， Toshihiro Tsuboi， Keisuke Yamamoto，et al.Lightning surge response of a double-circuit transmission tower with incoming lines to a substation through FDTD simulation［J］.IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation，2013，21:(1):96-104.

［13］ Vladimir A Rakov，Martin A Uman.Lightning physics and effects［J］.Cambridge university press，2013，241.

［14］ 張其林，張源源，李東帥，等.地形地表的不規則起伏對雷電電磁場傳輸的影響［J］.氣象學報，71(2):357-365.

［15］ K Berger，R B Anderson，H Knoninger.Parameters of lightning flashes［J］.Electra，2013，41:23-37.