電力鐵塔與通信行業共享的技術研究

魯修學，胡淑兵，胡能萍

（中國電建集團江西省電力設計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

為加快建設資源節約型、環境友好型的社會，推進綠色低碳循環發展，探索電力與通信行業之間的資源整合共享，將成為貫徹落實科學發展觀和建設資源節約型、環境友好型社會的一種具體體現和重要途徑。隨著電力網絡的發展完善，輸電線路的覆蓋面愈加廣泛，形成了縱橫相交、分布廣泛、層次分明的電網通道。這種電網輸電線路網格化、全面覆蓋的布局特點，使得向通信行業設施提供電力桿塔資源創造了條件。同時，目前輸電線路通道日益緊張，很多地區輸電線路均存在與通信基站設施等存在相互沖突的情況。因此，研究電力鐵塔與通信行業之間的資源共享具有重要的現實意義。

2018 年初，隨著南方電網公司、國家電網公司先后與中國鐵塔公司簽署戰略合作協議，開啟了我國“共享鐵塔”的全新合作模式，標志著電力、通信行業鐵塔共享的進入了全面推廣應用階段，之后南方電網、國家電網公司下屬多家省電力公司與中國鐵塔公司進行了“共享鐵塔”試點應用，運行情況良好[1]。

1 電力鐵塔與通信基站共享

電力鐵塔與通信基站共享即在電力桿塔上加裝通信設備，將光纜、通信基站、移動天線等通信設施附屬在輸電線路鐵塔本體上，使電力鐵塔資源得到綜合利用。隨著通信行業的快速發展，基站需求量越來越大，新建通信桿塔不僅建設成本高、施工周期長，還將面對征地難、外部協調難等困境。如何多、快、好、省地建設通信基站，就十分迫切地擺在各運營商面前。與電網開展電力鐵塔共享合作，在輸電鐵塔加掛通信天線設備作為通信基站，將成為解決上述問題的有效途徑。

電力鐵塔加掛基站天線技術方案，應根據輸電線路鐵塔的相關情況和通信設施的技術要求，在輸電線路桿塔上選取合理位置設計安裝平臺，滿足移動天線等設備的安裝要求，提出饋線等設施的引下方案，確保其與通信機房的連接，滿足相關的電磁干擾、防雷保護、接地等要求。技術方案涉及的內容主要有：基站安裝位置及連接方式分析，電力鐵塔荷載分析，基站及附屬設施的防雷和接地分析[2]。

1.1 基站安裝位置及與鐵塔連接方式分析

1.1.1 基站天線的高度設置分析

根據調研收資的資料，現網分場景的天線掛高分布范圍如表1所示，從下表可見，天線掛高分布范圍為25～50 m。但對于一些街道站，主要用于解決小密度大容量的需求問題，天線掛高一般分布范圍為10～15 m。

表1 現網分場景天線掛高 m

對于人口比較密集和繁華的區域，網絡覆蓋一般比較完善，基站的天線一般安裝較低，主要解決容量需求。根據調研收資的資料，目前通信網絡覆蓋比較完善，電力鐵塔加裝通信基站主要作為一種補充和加強，天線掛高可以進一步降低。同時，對《中國鐵塔公司標準通信鐵塔設計》中的塔型進行統計，其天線高度分布于15～48 m之間，并且基站天線高度越低，風壓越小，防雷性能越好，其接地線、饋線安裝也較為簡單，可供選擇的鐵塔也較多，同時具有較強的可操作性。

1.1.2 基站天線電力安全距離分析

基站天線加裝在電力鐵塔上的位置可分為三類：①安裝在塔頭段頂；②安裝在塔頭段身部，一般布置在順線路側的位置；③安裝在身部，位于導線掛點以下，一般四個塔身面均可布置。

從前期建設、后期運維便利及安全管理的角度出發，方案①、方案②基站天線等設施若架設在帶電體附近或以上，一方面通信設施建設及維護過程中需電網公司配合停電，500 kV、220 kV、110 kV線路作為重要電力通道，可供停電作業的時間有限或者根本無法停電；另一方面，基站通信設施若發生脫落等事故，有可能會導致電網永久性接地事故，對電網的安全穩定運行造成較大影響。本文推薦將基站天線安裝位置采用第③類：位于輸電線路帶電部分以下，并滿足相關的安全距離。效果圖如圖1。

圖1 雙回路塔位三維圖

電力鐵塔塔身段加掛基站天線，綜合考慮上述施工和運行維護環節的影響，本技術方案按照在帶電體安全距離以下安裝基站天線等設施，滿足帶電施工、運行維護的要求進行設計，確保有足夠的安全距離。通信天線安裝位置與電力線路帶電點之間應滿足表2所示中最大的空氣間隙值，其中帶電左右還應考慮0.5 m的人體活動范圍，安裝位置與鐵塔下橫擔距離還應考慮絕緣子串長+安全裕度。因此，各電壓等級下通信天線安裝位置（頂部）與鐵塔下橫擔之間最小距離應符合表2數值。

表2 天線安裝位置與鐵塔下橫擔之間最小距離

1.1.3 通信基站與鐵塔連接方式分析

基站天線等設施與桿塔的連接，應根據設備的布置方式和桿塔的特點，借鑒和參考通信鐵塔的構造方式，選擇合理的構造型式，符合相關要求。

1）連接構造位置應滿足安全距離、掛高要求，同時便于施工和運行維護；

2）連接構造型式力求簡單，傳力明確，連接牢靠，符合相關規程、規范的要求；

3）連接構件強度穩定、材質、焊接、螺栓滿足相關規范、規范要求；

4）移動天線應用固定卡箍與天線桿固定。安裝在鐵塔上的天線都應用固定卡箍與天線桿擰緊。天線與天線支撐桿的連接應不少于兩處。如果安裝在塔身側面，全向天線離塔體間距應不小于1 m，定向天線離塔體間距應不小于0.5 m。

1.2 電力鐵塔荷載分析

1.2.1 典型通信基站天線參數

選取加裝基站天線的桿塔，應遵循安全、經濟、影響最小的原則。

經比較分析，盡量避免重冰區鐵塔、運行年限較長的鐵塔及重要跨越段鐵塔上加裝基站天線，考慮到通信基站自身的重量及風荷載，在電力鐵塔加裝基站時需對鐵塔的結構強度進行校驗。表3為典型電力鐵塔加掛通信天線參數表。

表3 典型電力鐵塔加掛通信基站參數表

1.2.2 桿塔結構強度分析

根據上述荷載選取代表桿塔，釆用線路專業設計軟件（道亨公司自立式鐵塔多塔高、多接腿滿應力分析程序）建立計算模型，把基站天線等設施的負荷作為外部荷載加載到相應的部位進行計算。

經分析得出以下結論：基站天線的負荷與桿塔標準設計外部荷載相比，占比越小，對桿塔的影響越小；且基站天線掛高越低，對桿塔的影響越小；—般情況下，基站天線負荷對桿塔的影響，呈現小直線塔〉大直線塔〉耐張塔的遞增趨勢，具體按實際條件進行進一步的核算，以確保計算的準確性和保證桿塔強度滿足設計要求。

1.3 基站及附屬設施的防雷和接地分析

1.3.1 天線及附屬設施的防雷保護

根據調研收資的情況和通信國家設計標準GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》的相關要求，目前電網所設計的110 kV及以上的桿塔均按照雙地線設計。地線和導線的距離應滿足檔中導地線配合的要求。其中：無冰、輕冰和中冰區，桿塔上地線對邊導線的保護角，對于同塔雙回或多回路，220 kV及以上線路的保護角均不大于0°，110 kV線路不大于10°；對于單回路，500 kV線路的保護角不大于10°，220 kV及以下線路不大于15°。保護角計算至分裂導線中心即可。

當選擇將基站天線的安裝位置位于導線下方時，電力鐵塔的防雷保護完全可以滿足通信行業相關規范的防雷保護需要天線保護角的要求。饋線在電力鐵塔上敷設時不需要額外加裝保護設施，饋線直接連接室外接地網，用于饋線的最后一點接地。

1.3.2 天線及附屬設施的防雷保護

1）基站天線接地

根據通信國家設計標準GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》，當天線在避雷針的保護范圍內，基站天線的接地可使用塔身作為接地導體。輸電線路110 kV～500 kV鐵塔均按照雙地線設計的，完全可以滿足對于天線的保護，可以直接將電力鐵塔塔身作為接地導體，因此將基站天線通過接地線與鐵塔可靠連接即可。

2）通信基站接地

根據通信國家設計標準GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》，并結合中訊郵電咨詢設計院有限公司提供的設計報告。通信無線基站的接地采用聯合接地方式，基站的地網應由機房地網、鐵塔地網和變壓器地網組成。

機房地網由機房建筑基礎（含地樁）和外圍環形接地體組成。環形接地體應沿機房建筑物散水點外敷設，并與機房建筑物基礎橫豎梁內兩根以上主鋼筋焊接連通。機房建筑物基礎有地樁時，應將各地樁主鋼筋與環形接地體焊接連通。鐵塔地網應采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，將鐵塔四個塔腳地基內的金屬構件焊接連通，鐵塔地網的網格尺寸不應大于3 m×3 m。鐵塔位于機房旁邊時，應采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，在地下將鐵塔地網與機房外環形接地體焊接連通。鐵塔與機房地網之間可每隔3～5 m相互焊接連通一次，且連接點不應少于兩點。

1.4 通信機房布置形式及電磁環境影響分析

通過對中國鐵塔公司的調研收資，了解通信機房的布置和機房設備情況，分析機房的布置方式和設備的電磁環境影響，提出設計方案。一般通信機房占地范圍為6 m×5 m，而緊湊型機房占地范圍為3 m×2 m，機房高度3 m左右，基礎埋深一般在地面下0.2 m。通信機房通過四處焊接連接與通信鐵塔接地網連成一體。

1.4.1 通信機房布置方案

電力鐵塔可看作一個金屬體外殼，并且和鐵塔接地網有效連接。如果把通信機房放置于電力鐵塔內，可對外部的電場和電磁波產生一定的屏蔽作用，有利保護機房設備。同時，電力鐵塔內部范圍已經完成了征地補償，可實現征地的雙方共享，避免重復征地，減少項目投資。因此，通信機房布置方案推薦采用布置于電力鐵塔內部的形式（詳見圖2）。具體論述如下：

通信機房布置于桿塔內部，兩者在空間中存在重疊。當進行該方案選擇時，應關注鐵塔內部空間、塔基地質情況、接地保護等技術的關鍵點和難點。

1）鐵塔內部空間

結合對通信機房的調研收資以及電力鐵塔的相關數據，500 kV鐵塔的內部范圍可滿足一般通信機房的布置需求，110 kV和220 kV鐵塔的內部范圍可滿緊湊通信機房的布置需求。當鐵塔內部空間無法滿足通信機房布置時，不能采用該方案。

2）塔基地質情況

通信機房的基礎埋深較淺，通常在地面下0.2 m。塔位地形平緩時，其基礎的開挖一般不會影響到電力鐵塔的基礎。但當塔位地形有起伏時，應當引起重視，首先需對塔位穩定性進行判斷；其次應盡量優化設計方案，合理控制開方量，例如通過回填抬高低洼處通信機房的基礎減少開方量；最后采取有效措施，妥善處理好多余的土方，避免形成二次隱患。根據云南山區輸電線路的設計經驗，建議選取的塔位地形坡度不宜超過20°，不應超過30°。

3）接地保護

GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》第6.2.5條中要求：接地網面積應大于15 m×15 m。通信機房接地網一般采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，埋深為1.0 m，敷設通信機房接地網時要注意避讓電力鐵塔塔腿處的接地線。結合目前電力線路的收資調研，所有500 kV線路和部分110 kV、220 kV線路的鐵塔接地網符合該要求，但對于一些運營時間較長的線路，局部塔位接地電阻值有可能低于設計標準。因此，在采用該方案時，應對鐵塔的接地網進行復測校核，若不滿足設計要求，應采取相應的技術手段。

圖2 通信機房布置方案

2 結語

文中從工程實踐出發，從“共享鐵塔”通信設施的安裝位置、連接方式、電力鐵塔荷載及饋線引下方案、防雷接地、通信機房布置形式及電磁環境影響等方面進行了深入的研究分析，為“共享鐵塔”在工程實踐中的應用奠定了基礎。