共享鐵塔電磁環境影響及防雷接地技術研究

張 洲，曹枚根，龔堅剛，劉欣博，樓佳悅

（1.北方工業大學，北京 100144；2.浙江華云電力工程設計咨詢有限公司，杭州 310008）

0 引言

隨著國家電網有限公司與中國鐵塔股份有限公司戰略合作協議的簽署，雙方將開啟“共享電力鐵塔”的全新合作模式。國家電網輸電鐵塔遍布各地，在運架空輸電線路達94 萬km，恰逢我國正處于大力發展5G（第五代移動通信技術）的時期，雙方的合作，能將通信建設與鐵塔建設更好地結合起來，不僅可以加快5G 通信組網，還可以實現電網鐵塔資源的再利用，真正實現資源共享，互利共贏[1]。

由于高壓輸電線路運行電壓高，輸送功率大，會在線路周圍形成強度很高且容易干擾附近通信系統的電磁場，嚴重時會引起通信信號失真，甚至導致通信系統癱瘓[2]。由于通信基站搭載于電力鐵塔，其遭受電磁干擾的風險會大大增加，因此有必要對鐵塔附近電磁場進行分析，判斷是否影響通信基站的信號傳輸。

此外，電力鐵塔的防雷接地系統并不能滿足通信系統的要求。在防雷方面，當通信天線搭載在塔頂時，電力系統原有防雷措施不能對該位置的天線進行保護。在接地方面，通信系統對鐵塔接地電阻的要求比電力鐵塔更為嚴格。例如電力系統中，在土壤電阻率小于100 Ω·m 時，鐵塔的工頻接地電阻應小于10 Ω；通信系統中，在土壤電阻率小于700 Ω·m 時，基站地網的工頻接地電阻應控制在10 Ω 以內[3-4]。因此需對電力鐵塔進行優化設計與改造以滿足搭載通信基站的要求。

目前對于電磁干擾的研究大多集中在高壓輸電線路可能對臨近通信線路產生的影響分析以及電磁場模型的搭建[5-9]，對于通信天線搭載在共享鐵塔不同位置時的電磁干擾問題研究比較少。對于防雷、接地方面的研究主要涉及到的是變電站系統、輸電系統[10-11]，為滿足通信系統需求而對共享鐵塔防雷、接地系統進行設計與改造的研究也較少。

本文首先以貓頭塔、干字型塔、羊頭塔和鼓型塔4 種典型塔型為例，研究了在110 kV，220 kV及500 kV 電壓等級下，通信天線3 種搭載位置的電磁場強度，通過比較給出不同塔型鐵塔的天線搭載優選位置；對共享電力鐵塔的防雷保護系統進行設計，能夠保護搭載在任何位置的通信天線；最后提出對共享電力鐵塔地網的改造方法，優化了接地電阻計算公式，使鐵塔接地電阻同時滿足電力系統與通信系統的雙重要求，為共享鐵塔的防雷、接地問題提出了解決方案。

1 共享電力鐵塔電磁場對通信的影響

交流輸電線路周圍分布有工頻電磁場，其中包含由線路分布電荷產生的庫倫電場、導線上流過電流產生的交變磁場，以及由交變電場所感應出的感生磁場和由交變磁場所感應出的感生電場。在工頻范圍內，可以忽略電場和磁場的相互感生，也就是認為交流輸電線路周圍分布的電場僅由線路分布電荷產生，磁場僅由導線電流產生，在此基礎上，分析共享鐵塔電磁場對通信的影響時可僅考慮前兩者[12]。

共享電力鐵塔電磁場對通信的影響可分為2類：對通信信號的干擾、對通信設備（天線）的影響。天線在共享鐵塔上的搭載位置可分為3 類：第一類為塔頂，第二類為塔頭身段，第三類為塔身，如圖1 所示。

圖1 典型輸電鐵塔天線搭載示意圖

為了分析輸電線路電磁場對通信的影響，本文使用ANSYS Maxwell 軟件分別對110 kV，220 kV 和500 kV 電壓等級下的貓頭塔、干字型塔、羊頭塔和鼓型塔4 種典型電力鐵塔進行了電磁影響分析。下面以干字型塔為例，簡要介紹利用Maxwell 建模及仿真條件的設置。

（1）創建導線、場域及直線模型，用以計算導線周圍及沿鐵塔中心豎直方向的電磁場強度分布，并認為導線對地距離遠遠大于導線直徑，大地對導線表面電場強度分布的影響可忽略。

（2）將導線的材料設置為鋁，場域材料默認設置為真空；并向導線施加三相激勵；設置場域邊界條件為氣球邊界條件，即假設無限遠處電位為0。

（3）將Solution Type 設置為電場或者磁場，Analysis Setup 中設置好計算誤差等參數：將General 選項卡下Adaptive Setup 欄中的Maximum Number of Passes（最大迭代次數）設置為10，本次仿真的模型結構較為簡單，迭代次數設置為10 可以滿足要求；Percent Error（百分比誤差，數值越小結果越精確）設置為1，兩者中任一條件達到要求則迭代停止；Convergence 選項卡下Refinement Per Pass（每次迭代加密剖分網格比例）設置為30，該項數值保證2 次迭代之間的網格數有足夠的變化，確保不會收到虛假的收斂信息，30%能滿足絕大多數設計要求，數值過大則會占用更多內存，延長迭代時間；其他設置默認即可，然后檢測后運行，便可得到電磁場強度云圖。

除此之外，本文應用MATLAB 軟件繪制了沿鐵塔中心豎直方向的電磁場強度分布圖，且對3 類搭載位置處進行了標注。4 種塔型導線周圍電場的分布云圖分別如圖2、圖4、圖6、圖8 所示，天線搭載位置處的電場強度分布如圖3、圖5、圖7、圖9 所示，表1—表4 給出了天線搭載位置處的具體電場強度數值。表5 給出了架空輸電線路在3 種電壓等級下的典型輸送功率取值[13]，4 種塔型導線周圍磁場的分布云圖分別如圖10、圖12、圖14、圖16 所示，天線搭載位置處的磁場強度分布如圖11、圖13、圖15、圖17 所示，表6—表9 給出了天線搭載位置處的具體磁場強度數值?？紤]到在雙回線路中，兩回線路為正相序（ABC/ABC）時，線路正下方處電場強度最大[14]，本文在分析雙回線路塔型電場分布時以正相序為例；兩回線路為負相序（ABC/CBA）時，線路正下方磁場強度最大，本文在分析雙回線路塔型磁場分布時以負相序為例。所有塔型電磁場強度圖中，皆以鐵塔最下層導線掛點為零點，在3 個電壓等級下，同一塔型的第一類和第二類天線搭載位置的高度分別是固定的，第三類搭載位置由于考慮了電氣安全距離，電壓等級越高，天線搭載高度越低。

圖2 貓頭塔導線周圍電場強度分布云圖

圖3 貓頭塔2 類搭載位置的電場強度

表1 貓頭塔2 類搭載位置處電場強度大小

圖4 干字型塔導線周圍電場強度分布云圖

圖5 干字型塔3 類搭載位置的電場強度

表2 干字型塔3 類搭載位置處電場強度大小

圖6 羊頭塔導線周圍電場強度分布云圖

圖7 羊頭塔3 類搭載位置的電場強度

表3 羊頭塔3 類搭載位置處電場強度大小

圖8 鼓型塔導線周圍電場強度分布云圖

圖9 鼓型塔3 類搭載位置的電場強度

表4 鼓型塔3 類搭載位置處電場強度大小

表5 架空輸電線路在各電壓等級下的典型輸送功率

圖10 貓頭塔導線周圍磁場強度分布云圖

圖11 貓頭塔2 類搭載位置的磁場強度

表6 貓頭塔2 類搭載位置處磁場強度大小

圖12 干字型塔導線周圍磁場強度分布云圖

圖13 干字型塔3 類搭載位置的磁場強度

表7 干字型塔3 類搭載位置處磁場強度大小

圖14 羊頭塔導線周圍磁場強度分布云圖

圖15 羊頭塔3 類搭載位置的磁場強度

表8 羊頭塔3 類搭載位置處磁場強度大小

圖16 鼓型塔導線周圍磁場強度分布云圖

表9 鼓型塔3 類搭載位置處磁場強度大小

共享電力鐵塔電磁場對通信信號的干擾可以分為有源干擾和無源干擾。無源干擾主要來自于鐵塔等對信號的反射和遮擋，該類干擾對通信信號的影響很小[15]。有源干擾主要來自輸電線路導線及附件的電暈放電、絕緣子放電及火花，干擾的信號頻率主要分布在1～30 MHz[16]，而4G/5G的信號頻率遠大于該頻率范圍，當距離線路較遠時，干擾強度是可忽略的。

共享電力鐵塔電磁場對通信設備的主要影響在于過大的場強干擾了敏感設備的正常工作，因此通信設備要適當加強自身的電磁抗擾度。除解決好設備軟硬件抗干擾的技術問題之外，還要考慮不同搭載位置電磁場強度的影響。由表1—表4，表6—表9 可知，與電場相比，輸電線路產生的磁場強度較弱，因此在選擇不同塔型的搭載位置時應主要考慮電場強度對通信設備的影響。貓頭塔和干字型塔在110 kV，220 kV 和500 kV 電壓等級下，在第一類搭載位置，即塔頂所受到的電場影響較?。欢蝾^塔和鼓型塔在110 kV，220 kV 和500 kV 電壓等級下，在第三類搭載位置，即塔身段所受電場影響較小。

因此，從將通信設備受到的電磁干擾降到最小的角度出發，對于貓頭塔和干字型塔建議通信天線的搭載位置選擇塔頂，羊頭塔和鼓型塔建議通信天線的搭載位置選擇塔身。

2 共享電力鐵塔防雷與接地措施

電力鐵塔各個塔型均設置有防雷與接地措施，共享鐵塔的防雷、接地系統改造與塔型關系不大。其中，防雷措施改造只與天線的搭載位置有關，天線搭載位置有塔頂、塔頭身段和塔身3個部位，因此在設計共享鐵塔防雷系統時，需按照天線不同搭載位置分別進行討論，使得通信天線搭載在電力鐵塔的任何位置都在防雷系統的保護范圍內；接地系統設計與5G 天線搭載位置無關，可進行統一設計，使得接地電阻同時滿足電力系統和通信系統設計雙重要求。

2.1 防雷保護

共享電力鐵塔必須設有防雷措施，保護范圍包含基站機房、天線等，避雷線（針）對天線有小于45°角的保護，因此塔頭身段、塔身等2 類搭載位置的通信天線均在避雷針的保護范圍之內[17]。避雷針宜專門設置避雷引下線，若確認鐵塔金屬構件電氣連接可靠，可不設置專門的引下線，以塔身做接地導體。

搭載于塔頂的通信天線不在避雷線（針）保護范圍內，天線固定桿需專門設置避雷接地引下線。引下線安裝在電力鐵塔塔身以內,且靠近腳釘的一側，緊靠饋線卡子一側，方便饋線接地的安裝。引下線應采用40 mm×4 mm 的鍍鋅扁鋼與接地網相互焊接連通，引下線在接地網上的引接點與其他接地引接點在接地網上的距離不宜小于5 m。該引下線應在上部、中部、下部均勻打16個直徑8 mm 的孔（打孔應考慮鍍鋅扁鋼強度），供天線饋線的接地使用。

為防止雷擊產生的較大雷電電磁脈沖對基站及天線設備造成損壞，可在基站機房變壓器低壓側、交流配電屏、用電設備配電柜及精細用電設備端口等處配置各種型號的SPD（浪涌保護器）。當通信基站采用配電線路供電時，應將機房供電系統第一級SPD 的最大通流容量向上提高一個等級，并可同時加裝具有自恢復功能的智能重合閘過流保護器。

2.2 接地

2.2.1 地網降阻方法

由于電力鐵塔原有地網接地電阻無法滿足通信系統的要求，需要對原有地網進行改造。

現有對地網降阻的方法有很多[18-20]：方法一，可以加大接地體在土壤中的埋深；方法二，使用多支線外引接地裝置，并且長度應當在有效長度以下；方法三，使用降阻劑，降阻抗腐溶劑填充層中包含的高分子降阻溶劑可向周圍地層中滲透形成樹根效應，能夠有效增大接地面積，進而有效降低接地電阻；方法四，采用換土操作，即用電阻率比較小的塘泥、黑土等物質，將地網內電阻率比較高的土壤換掉，從而達到降低接地電阻的目的。方法一、三、四針對已經建好的電力鐵塔地網改造是不可行的，方法二較為合適。

2.2.2 地網改造方案

本文提出一種地網降阻方案，即在原有地網的基礎上外擴環形接地裝置（如圖18 所示）。環形接地裝置由水平接地體、垂直接地體以及輻射狀接地體組成，與原有地網在同一水平面上，且每隔3～5 m 相互焊接連通一次。原有地網與環形接地體組成一個新的地網，以滿足共享鐵塔的接地要求。

圖18 共享鐵塔外擴環形接地裝置

總接地地網應由機房地網、鐵塔地網及變壓器地網組成。機房地網和變壓器地網的設置應符合移動通信基站的接地要求，并與共享鐵塔的地網相互連通組成一個聯合接地網。

共享電力鐵塔地網的改造效果可以通過接地電阻阻值來判斷，除了通過實際測量外，還可以通過模擬計算來獲得阻值[21]。式（1）—式（4）綜合了水平接地體（包含輻射狀接地體）、垂直接地體及輻射狀接地體的接地電阻，并簡化了其計算過程，可以直接對共享電力鐵塔復合地網的接地電阻進行計算。設水平接地極的接地電阻為R1，垂直接地極的接地電阻為R2，水平接地極與垂直接地極之間的互接地電阻為Rm，則總接地電阻Rg如式（1）所示：

水平接地極的接地電阻R1如式（2）所示：

式中：ρ 為土壤電阻率；LC為水平接地極總長度；h 為地網埋深；d 為導體的直徑；S 為導體的覆蓋面積。

垂直接地極的接地電阻R2如式（3）所示：

式中：n 為垂直接地極的根數；LR為每根接地極的長度；h 為地網埋深；b 為導體的直徑。

水平地網與垂直接地極之間的互接地電阻Rm如式（4）所示：

若采取上述措施后，接地電阻仍較高，應適當提高電源一級SPD 的保護等級、增加各個端口的保護措施等予以補償。

2.3 共享鐵塔防雷與接地案例

2.3.1 防雷保護案例

以羊頭塔和干字型塔為例分別給出共享鐵塔的防雷保護方案。羊頭塔搭載通信天線，按照推薦位置，通信天線設置在羊頭塔的塔身處，由于鐵塔避雷線對天線有小于45°角的保護，且塔身處通信天線與鐵塔金屬構件電氣連接可靠，因此可不設置專門的引下線，直接以塔身做接地導體；干字型塔按照推薦搭載位置，將通信天線設置在塔頭處，該位置不在電力鐵塔防雷措施保護范圍內，天線固定桿需專門設置避雷接地引下線，且引下線需與塔身可靠連接。

2.3.2 地網改造案例

某地土壤電阻率為300 Ω·m，原地網為水平地網與垂直接地體組成的復合地網，水平地網由邊長為5 m 的環形接地體，并在環形接地體四角焊接長度為2 m 的垂直接地體。垂直接地體直徑為50 mm，埋設深度在0.8 m 左右，原地網的接地電阻阻值為15 Ω。當移動通信基站所在地區土壤電阻率低于700 Ω·m 時，基站電網的工頻接地電阻應控制在10 Ω 以內。現對原有地網進行外擴處理，在原水平地網的外圍加裝邊長為10 m的環形接地體，以焊接的形式將其與原地網進行連接，在環形接地體加裝長度為5 m 的輻射狀接地體，并在環形接地體四角以及輻射狀接地體的末端焊接垂直接地體，長度為2 m。

運用式（1）—式（4）對改造后的地網接地電阻進行計算，由式（2）可得水平地網的接地電阻為：

由式（3）可得水平地網的接地電阻為垂直接地極的接地電阻：

由式（4）可得水平地網與垂直接地極之間的互接地電阻為：

由式（1）可得總接地電阻為：

可見，改造后的地網接地電阻阻值為9.3 Ω，小于10 Ω，能夠滿足通信系統的接地標準。

3 結論

通過開展4 種典型塔形共享鐵塔通信天線3類搭載位置的電磁場強度分析，以及對電力鐵塔防雷接地系統改進設計研究，得到如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）根據共享鐵塔通信天線3 類搭載位置，分別對110 kV，220 kV 和500 kV 電壓等級下4 種典型塔型鐵塔進行了電磁影響分析，并從減小電磁場對通信傳輸干擾角度出發，給出了4 種典型塔型共享鐵塔通信天線優選搭載方案：對于貓頭塔和干字型塔建議通信天線搭載于塔頂位置，羊頭塔和鼓型塔建議通信天線的搭載于塔身段。

（2）開展了共享鐵塔通信天線3 類搭載位置的防雷保護研究，針對通信天線搭載的位置不同提出了防雷保護設計方案。

（3）提出了電力鐵塔地網改造方案，即在原有地網的基礎上外擴環形接地裝置，使得接地電阻同時滿足電力系統和通信系統雙重要求；優化了地網接地電阻的計算公式，簡化了計算過程，可以直接對共享電力鐵塔復合地網的接地電阻進行計算。