高壓輸電線路共享資源分析及共享鐵塔供電技術方案探討

龔堅剛，曹枚根，劉欣博，樓佳悅，周文俊

（1.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，杭州 310014；2.北方工業大學，北京 100144）

0 引言

共享經濟最早由美國德克薩斯州立大學社會學教授Marcus Felson 和伊利諾伊大學社會學教授Joel Spaeth 于1978 年提出[1]，一般是指以獲得一定報酬為主要目的，基于陌生人之間且存在物品使用權暫時轉移的一種新的經濟模式。共享經濟主要包括一個由第三方創建的、以信息技術為基礎的市場平臺，這個第三方可以是商業機構、組織或者政府。個體借助這些平臺交換閑置物品，分享自己的知識經驗，或者向企業、某個創新項目籌集資金等，這也是共享經濟的最大特點——淡化所有權，突出使用權[2-3]。

近年來，共享經濟在我國的發展如火如荼。從最初的交通、空間、物流倉儲領域到如今的教育、基礎設施、城市建設等領域，共享經濟已經逐漸滲透到社會的方方面面，為國民經濟的發展開創了新的增長點[4-5]。這種經濟模式有利于解決資源地域間的不足或過剩，實現資源合理配置，促使經濟的高效良性發展，且已在各行各業有了領頭企業。在共享交通領域，滴滴打車、摩拜單車、Uber 等企業使大眾的出行更加方便；在共享住宿領域，Airbnb 和自如等企業為需要的人提供了更方便快捷的租房服務；在共享知識領域，知乎、TED 和MOOC 等大大擴展了人們的知識和視野。

上述共享經濟的應用大多是個人參與。如今，參與共享的主體不再局限于個人，而是出現了企業級共享的趨勢[6]。2018 年4 月，隨著國家電網有限公司、中國南方電網有限責任公司分別與中國鐵塔股份有限公司之間戰略合作協議的簽署，雙方正式開啟了“共享鐵塔”的全新合作模式，電力行業也正式加入了共享經濟的發展隊列當中，雙方將在通信業務服務、智能電網建設以及泛在電力物聯網建設等方面開展更廣泛的合作，不斷為行業和社會創造價值[7]。

作為參與共享經濟的新成員，兩大電網公司將開放共享電力行業資源，尤其是鐵塔資源。輸電線路桿塔是電網公司重要的基礎資源，其按結構材料可分為鋼筋混凝土電桿和鐵塔。鐵塔外形一般有干字型塔、貓頭塔和鼓型塔等[8]。隨著近年來電力行業的迅速發展，輸電線路規模不斷擴大，鐵塔隨著輸電線路的延伸廣泛分布在城鄉之間。鐵塔自身特點及所在地理位置賦予了它多種屬性，如果將這些屬性合理挖掘并共享利用，會大大提升電力鐵塔的價值，且為合作各方帶來更多收益。

電網公司開放電力資源的第一步是提供電力鐵塔用于共享架設通信基站。在大力發展5G 通信的今天，該項舉措不僅符合國家創新、協調、綠色、開放、共享的發展理念，同時能加快5G通信的組網建設速度。由于5G 通信設備耗能較高，單系統功耗是4G 通信的4～5 倍，達到6 kW左右[9-10]，且所處位置可能在配電網供電半徑之外，所以如何為通信基站提供穩定的大功率電源是亟待解決的問題。

目前，涉及輸電線路可共享屬性方面的文獻較少，大多數文獻只討論了運營商內部通信塔共享[11-12]。如文獻[13-14]對共享電力鐵塔架設通信基站時如何改造鐵塔本體以及電力鐵塔的荷載和電磁干擾問題進行了討論，但并未涉及到基站供電問題。

本文首先對輸電線路鐵塔電源屬性及取電技術進行深入研究；其次提出輸電線路其他4 種可共享屬性，即通信、地理位置、支架和防雷接地屬性，針對每種可共享屬性給出了共享應用場景；最后以共享電力鐵塔架設5G 通信基站為典型應用范例，提出通信基站大功率供電方案，考慮到電力鐵塔是電力行業輸送電能的基礎設施，在配電網供電半徑之外，提出了高壓輸電線路直接取電為5G 通信基站供電的優選方案。

1 輸電線路鐵塔電源屬性及取電技術

電的用處十分廣泛，方便快捷地獲得穩定優質的電源是非常重要的。然而，受種種條件限制，優質電源并不容易獲得，尤其是遠離城鄉的山野間。而電力鐵塔作為輸電線路的支撐，往往沿路、沿河等在山野間分布，因此輸電線路鐵塔具有極佳的電源屬性，可以直接從其承載的輸電線路導地線上取電。現有輸電線路直接取電主要有以下4 種方式：

（1）靜電感應取電

在高壓架空線路的導線周圍分布著由線路電荷感生出的庫倫電場，庫倫電場沿電場方向是存在電位差的，若能夠通過負載連接空間中不同電位的兩點，則可以實現取電[15-16]，原理如圖1 所示。應用該原理的2 種取電方法如圖2 所示。

（2）電流互感器取電

交流輸電線路周圍的磁場可以認為僅由導線中的電流產生，是準靜態磁場。由電磁感應定律可知，工頻時變磁場與線圈交鏈，線圈兩端可以產生感生電動勢，方向符合右手螺旋定則，將負載接入線圈兩端即可實現取電[17-18]，原理如圖3所示。磁芯與線圈部分共同組成母線式TA（電流互感器）或羅氏線圈。

圖1 靜電感應取電原理

圖2 靜電感應2 種取電方法示意

圖3 導線TA 取電原理

（3）地線渦旋電場取電

交流輸電線路導線周圍的磁場除了能夠與外接取電線圈產生交鏈之外，還可以與地線所構成的回路構成交鏈，在時變磁場的作用下，同樣會產生感應電動勢，從而可以外接負載取電[19-21]。原理如圖4、圖5 所示。導線電流產生的磁場分別與鐵塔-OPGW（光纖復合架空地線）-鐵塔構成的回路和地線-OPGW 構成的回路交鏈，分別在環路1 和環路2 產生電流。在環路1 中，通過將負載串接入OPGW 中，可以實現取電。由于OPGW是連續的，一般只能在光纜接續處接入負載。在環路2 中，將負載與地線絕緣子并聯，可以實現取電。

圖4 地線渦旋電場取電原理

圖5 地線渦旋電場取電2 種環路示意

上述3 種取電方式的共同特點是功率小，僅能滿足一些線路監測裝備的用電需求；而且由于輸電線路一般輸送高電壓，上述取電方式并不適合為低壓設備供電。因此如何輸出低壓大功率優質電能便成為一個難題，只有解決了這個難題，才能充分利用鐵塔的電源屬性。

（4）功率型單相變壓器取電

文獻[22-24]介紹了一種特殊設計的變壓器——功率型單相變壓器，其結構如圖6 所示。該變壓器可直接連接高壓線路，輸出大功率低壓電，從而為設備供電，并具有鐵磁諧振抗擾性優異、對過電壓不敏感、浪涌電流低和防爆性能優異等特點。更為關鍵的是，該變壓器輸出功率最高可達167 kW。

圖6 功率型單相變壓器結構

圖7 功率型單相變壓器在變電站的應用

該變壓器一般應用在各種變電站（如圖7 所示），可以提供額外的設備用電，取代了一般的變壓器和柴油發電機，適用于那些無法連接到配電網的偏遠變電站，例如在一些領土廣闊并且人口密集度比較低的國家，利用這種變壓器是非常方便的。另一種典型應用是為遠程工業用戶（如礦井、泵站等）供電，在這種情況下，通過建立一個輕量級的站點，就可以確保一個經濟、穩定和可靠的電源供應。若將該變壓器直接應用于高壓輸電線路，便完全可以依托電力鐵塔，成為一個可輻射周邊地區的可靠電源，不僅可以為架設于電力鐵塔上的大功率設備供電，還可以在路邊建立充電樁，充分共享線路的電源屬性。

結合現有輸電線路直接取電方法及上述功率型單相變壓器直接取電方法，電力鐵塔的電源屬性可以得到充分利用。表1 為4 種輸電線路直接取電方式之間的比較，不同的方式適用于不同功率的用電設備。

表1 4 種直接取電方式比較

2 輸電線路其他共享屬性

2.1 通信屬性

電網公司利用特有的線路桿塔資源架設電力特種光纜來發展電力通信網絡。我國從1985 年開始將電力特種光纜應用于電力通信網，經過幾十年的發展，電力特種光纜已經是我國電力通信網的重要組成部分。電力特種光纜共分為5種：OPGW、OPPC（光纖復合架空相線）、MASS（金屬自承式光纜）、ADSS（全介質自承式光纜）、OPAC（附掛式光纜）。其中，我國電力通信網主要采用OPGW 和ADSS[25-26]。

隨著我國輸電線路光纖化率不斷提高，鐵塔的通信屬性愈加顯現。輸電線路中的光纖通信資源除了提供給電力系統自身使用以外，還可以提供給其他需求對象。例如，輸電線路鐵塔可以將電力光纜資源共享給通信公司，用以通信組網建設；也可以利用線路通信資源，建設共享Wi-Fi，為偏遠地區運維和臨時應急通信提供服務。圖8為共享Wi-Fi 設想示意圖。

2.2 地理位置屬性

輸電線路鐵塔廣泛分布在城鄉之間，特殊的地理位置決定了其位置屬性。如高速公路邊、鐵路邊、城鎮道路邊等，往往都具有優質的位置屬性，該屬性可以給社會提供豐富的共享想象空間。對于在山頂上的鐵塔，可以作為衛星氣象觀測站，進行氣象觀測；對于公路沿線明顯位置的鐵塔，可以設置廣告；對于位置較高的鐵塔，可以設置通信基站等。

圖8 利用電力通信資源的共享Wi-Fi 設想

2.3 支架屬性

輸電線路各種塔型的鐵塔均屬空間桁架結構，桿件主要由單根等邊角鋼或組合角鋼組成，材料一般使用Q235（A3F）和Q345（16Mn），桿件間連接采用粗制螺栓，靠螺栓受剪力連接，整個塔由角鋼、連接鋼板和螺栓組成，個別部件如塔腳等由幾塊鋼板焊接成一個組合件。而且輸電線路鐵塔為保證導線對地的安全距離，高度較高，所以輸電線路鐵塔可以作為一個高空支架，為高空附加設備提供支撐。在滿足荷載條件的前提下，輸電線路鐵塔的支架屬性可以與氣象臺站、通信公司基站、廣告公司等共享。

2.4 防雷接地屬性

防雷和接地是各行業內的設備都需要考慮的問題，輸電線路的防雷與接地問題也是建設時的重中之重。電力行業通常采用降低線路高度、減少接地電阻、增加避雷線保護角、采取主動安全引流設備、增設耦合線等方式來加強輸電線路的防雷特性[27]。因而，輸電線路鐵塔的防雷接地可以充分共享給其他需要的設備，減少重復建設。例如將電力鐵塔用以共享架設通信基站時，機房及天線的防雷與接地措施可以依附于電力鐵塔已布置完成的防雷與接地設施。

基于上述分析，鐵塔可共享屬性可分為電源、通信、地理位置、支架和防雷接地屬性，如圖9所示。圖10 為電力鐵塔共享應用場景暢想圖。

圖9 電力鐵塔可共享屬性

圖10 電力鐵塔共享應用場景

值得注意的是，電力鐵塔在為其他行業提供共享時，不一定是共享單一屬性，更多情況是各種可共享屬性相互配合，相互依附，也正因為如此，輸電線路共享的可行性也大大提高。最典型的例子便是將電力鐵塔用于架設通信基站，其充分共享了鐵塔的地理位置屬性、支架屬性和防雷接地屬性。2017 年7 月，中國鐵塔公司與昆明供電局合作，成功在220 kV 東郭二回線6 號塔安裝了通信基站和天線。2018 年3 月，中國鐵塔公司再次與云南電網合作，在云南楚雄市東瓜鎮220 kV 鹿紫二回線38 號塔成功安裝了通信基站及天線[28]。與此同時，隨著5G 通信技術的快速發展，由于其頻率較高，覆蓋面積較4G/3G/2G小很多，所以5G 通信需要建設成倍數量的鐵塔架設基站來滿足廣域覆蓋。如果通信鐵塔全部重建，會嚴重降低5G 通信的組網建設速度，且極大地增加建設成本。如果能夠將電力鐵塔資源共享，用以架設通信基站，則會大大提高5G 通信的建設速度，降低成本。

由于5G 通信設備耗能較高，單系統功耗是4G 通信的4～5 倍，達到6 kW 左右，共享電力鐵塔架設5G 通信基站面臨一個很嚴峻的問題——大功率供電問題，且由于基站所處位置可能在配電網供電半徑之外，如何應用鐵塔輸電線路為基站提供一個穩定的大功率電源是亟待解決的問題。

3 共享鐵塔取供電方式

電力鐵塔上架設5G 通信基站能夠充分共享鐵塔的地理位置屬性、支架屬性、防雷接地屬性，但基站的大功率供電問題急需解決。共享電力鐵塔上5G 基站的供電方式需要滿足電源輸出功率不受電網電流波動和環境變化的影響，并能夠保證穩定的電能輸出，還要盡量做到體積小、重量輕、安全環保和易于安裝。本文以5G 有源天線單元供電電壓需求48 V、整座5G 基站功率需求6 kW 為例，若考慮4 家5G 通信運營商（移動、聯通、電信、廣電）同時架設，每家運營商設置3 副天線，且保留一定的功率裕量，則取電方案需滿足80 kW 的供電功率需求。下面以220 kV高壓輸電線路為例討論直接取電方案。

3.1 配電線路供電

根據中國鐵塔公司發布的《基站通信電源系統配置指導意見》，若引入市電為通信基站供電，原則上應該引入一路不差于三類（平均月市電故障低于4.5 次，平均每次故障時間小于8 h）的市電電源，優先從公共電網引入一路380 V/220 V的交流電源；若無法引入，在滿足供電質量的前提下，按以下方案引入：

（1）從基站所在地或附近的建筑物就近引入一路380 V/220 V 的交流電源。

（2）自建變壓器，引入一路10 kV 高壓市電。

從上述意見可知，引入市電需要非常靠近市區才是經濟可行的方案。若附近無可用交流電源，需自建變壓器，引入高壓市電。對于配電網供電半徑之內地區，可以采用市電供電方案。對于供電半徑之外的偏遠地區，該方案的應用會受到限制。

3.2 功率型單相變壓器直接取電

功率型單相變壓器如前文所述，其取電原理如圖11 所示，包含電壓轉換部分、整流部分、濾波部分和Buck 變換器部分。變壓器一次側電壓為220 kV，二次側電壓為220 V，其變比n=N1/N2=1 000，原副邊和原邊繞組匝間絕緣強度要求很高，且變比較高，因此此類變壓器需特殊設計。

圖11 單相變壓器取電方式原理

高壓側繞組電網電壓經過單相變壓器后，經全橋整流電路轉換為直流，再經濾波后作為后級Buck 電路的輸入。Buck 變換器電路的作用是降壓，將整流輸出的直流電壓轉換為48 V，作為基站天線供電的直流電源。圖12 為功率型單相變壓器取電接線圖。

圖12 功率型單相變壓器取電接線

圖11 中：交流源AC 表示由輸電線路引下的交流電源；功率型單相變壓器T1將高電壓轉換為低電壓；二極管D1—D4共同構成不控整流電路，將交流電轉換為直流電；電感L1與電容C1，C2共同構成濾波電路對直流電進行濾波；功率半導體器件MOSFET、二極管D5、電感L2、電容C3共同組成Buck 降壓電路為負載RL供電。

利用該變壓器取電，直接把電網能量輸送給設備，比較靈活方便，且單相變壓器的功率比較大，可以滿足基站的大功率需求，該直接取電方案是可行的。但是在線路故障或者停電檢修時該方案便失去作用。

當采用功率型單相變壓器直接取電方式為通信基站供電時，需著重考慮其功率對原輸電線路供電質量及可靠性的影響。以220 kV 電壓等級輸電線路輸送自然功率142 MW 為例[29]，單臺變壓器輸出功率為80 kW 時，新增負荷占比為：

新增負荷占比僅0.056%，非常小，當采用合理的取電回路控制方法，例如PFC（功率因數校正）等，新增負荷并不會對原輸電線路供電質量產生影響；從維持輸電線路三相平衡的角度考慮，若線路中多處應用該種變壓器進行取電時，應按照a 相、b 相、c 相的循環順序分別從線路的各相取電；同時，為避免取電回路故障降低原輸電線路供電可靠性，需加入變壓器取電回路的故障切除功能。

3.3 光伏與蓄電池聯合供電

該供電方案包含光伏發電部分、Boost 變換器部分和蓄電池，原理如圖13 所示[30-31]，利用光伏發電，經由Boost 變換器升壓后給直流負載供電，同時配備48 V 電池組。當設備功率較大時，光伏和蓄電池同時供電；當設備功率較小時，光伏為其供電，同時為48 V 蓄電池組充電。此方案比較成熟，但由于光伏發電不穩定，并不能保證輸出功率的穩定。

圖13 “光伏+蓄電池”取電方案原理

圖13 中：PV 表示光伏設備；電感L1、二極管D1、電容C1、功率半導體器件MOSFET 共同構成Boost 升壓電路為負載RL供電；蓄電池、開關S1和S2并聯在負載兩端，在光伏設備輸出功率充足時，蓄電池作為負載進行充電，光伏設備輸出功率不足時，蓄電池作為電源進行放電。

3.4 大功率供電方案優選

本文提出的方案為：

（1）當共享鐵塔位于配電網供電半徑之內時，使用市電直接供電，通過就近引入380 V/220 V交流電源為基站供電，如3.1 節所述。

（2）當共享鐵塔位于配電網供電半徑之外時，將大功率單相變壓器從高壓輸電線路直接取電方式以及光伏和蓄電池組合供電進行并聯，共同為基站供電。原理如圖14 所示，單相變壓器直接從線路取電作為主要電源為通信基站供電；光伏與蓄電池的組合作為后備電源為基站供電。兩者優勢互補，可以保證整座基站穩定用電。

圖14 組合供電方式原理

圖14 中：交流源AC 表示由輸電線路引下的交流電源；功率型單相變壓器T1將高電壓轉換為低電壓；二極管D1—D4共同構成不控整流，將交流電轉換為直流電；電感L1與電容C1，C2共同構成濾波電路對直流電進行濾波；功率半導體器件MOSFET、二極管D5、電感L2、電容C3共同組成Buck 降壓電路進而為負載RL供電；PV 表示光伏設備；L3，D6，C4，功率半導體器件MOSFET 共同構成Boost 升壓電路；蓄電池、開關S1和S2并聯在負載兩端，與光伏回路共同作為后備電源。

4 結論

通過開展輸電線路電源屬性及取電技術研究、輸電線路其他共享屬性分析以及共享電力鐵塔5G 通信基站的大功率供電方案研究，可以得到以下結論，對輸電線路鐵塔的共建共享具有很好的參考價值。

（1）提出電力鐵塔5 種可共享屬性，分別涉及電源、通信、地理位置、支架、防雷接地等方面，并針對各個屬性給出共享應用場景。

（2）針對現有高壓輸電線路直接取電方法功率小、電力鐵塔電源屬性釋放不完全的問題，提出一種通過功率型單相變壓器實現高壓輸電線路大功率直接取電的方法。

（3）提出共享電力鐵塔5G 通信基站的大功率供電方案。在配電網供電半徑之內直接采用市電供電；在配電網供電半徑之外，采用功率型單相變壓器從高壓輸電線路大功率直接取電，并與光伏和蓄電池組合供電的方案。