基于滾球法的共享鐵塔通信設備防雷位置選擇

中國電力工程顧問集團華北電力設計院有限公司 周 辰 戴雨劍 王 睿

中國能源建設集團云南省電力設計院有限公司 田開慶

近年來共享型經濟以其高效的資源利用受各行各業青睞并用于實踐。電網公司的高壓輸電鐵塔在全國地區廣泛分布，三大通信運營商亦在大力發展第五代移動通信技術，第五代移動通信設備有著設備體量小、易掛載的優勢，將通信設備與輸電鐵塔結合的共享型電力鐵塔不僅可實現鐵塔資源的充分利用，還能夠縮短5G通信網絡的基礎建設周期，有效實現國家資源共享。由于高壓輸電鐵塔多高度較高，容易成為附近的引雷構筑，對于掛于高壓輸電鐵塔上的通信設備需滿足相關防雷要求。目前對于按照滿足防雷要求的通信設備掛載位置問題的研究較少。本文按照《通信局（站）防雷與接地工程設計規范》（GB50689—2011）和《建筑物防雷設計規范》（GB50057—2010）中要求，首先選取具體干字型鐵塔進行“滾球法”計算，再通過對具體模型的類比分析，總結推導出對常規類型鐵塔的一般計算方法。

1 具體塔型的通信設備防雷位置選擇

滾球法（rolling ball method）是國際電工委員會（IEC）推薦的接閃器保護范圍計算方法之一。它的計算原理為，以某一規定半徑的球體在裝有接閃器的建筑物上滾過，滾球體由于受建筑物上所安裝接閃器的阻擋而無法觸及某些范圍，把這些范圍認為是接閃器的保護范圍。滾球法是以hr半徑的一個球體，沿需要防直擊雷的部位滾動，當球體只觸及接閃器（包括被利用作為接閃器的金屬物）或只觸及接閃器和地面（包括與大地接觸并能承受雷擊的金屬物）、而不觸及需要保護的部位時，則該部分就能得到接閃器的保護。滾球法中滾球半徑hr是決定避雷針保護范圍的一個關鍵因素。IEC標準和我國的國家標準根據建筑物的重要性，規定了建筑物的多種雷電防護等級，不同雷電防護等級的滾球半徑（hr/m）分別為I級為20，I、II級為30，II、III級為45，III、IV級為60。

根據前文介紹的計算方法，擬選用某確定塔型條件進行實例計算，計算邊界條件如下：采用國家電網通用設計220kV干字型耐張塔2A2-J1，呼高h為27m、全高為36.5m塔型進行計算，采用I級防雷標準，即滾球半徑hr=20m。根據該塔型，利用滾球法可繪制出該塔的保護范圍如圖1～2，圖中尺寸數據的單位為mm。由圖1可看出該塔型實例除塔頂外其他部分均位于保護范圍內。由圖2所示，塔頂區域根據滾球法計算結果量算，滾球伸入塔身區域最大處為404mm，按要求通信天線外伸長度不大于800mm，考慮地線出線的下傾角度一般不超過15°，可計算出靠近塔頂位置的通信天線應安裝于低于塔頂不小于620mm處。

圖1 單回路干字型鐵塔防雷保護范圍示意圖

圖2 單回路干字型鐵塔塔頂部防雷保護范圍

2 通用塔型通信設備防雷位置選擇的一般性公式推導

滾球法是一個偏幾何的方法，規范在給出該方法時沒有對應共享鐵塔相關計算的公式。故在確定共享鐵塔通信設備安裝位置時，需根據具體塔型防雷等級要求進行逐一繪圖方能完成核驗工作。但該種方法在批量計算時不占優勢，考慮輸電鐵塔的幾何外形基本相似，可針對該類型尺寸推導出通用公式方便進行代數計算。本文主要對使用較多的鼓（傘）型、干字型鐵塔進行分析，推導一般性結論。輸電線路鐵塔的導線一般懸掛于橫擔一端，考慮通信設備的放電間隙影響，其一般應布置于鐵塔的塔身部分，即圖3中①②③位置。以下針對該三個部分的型式特點進行分析。

圖3 通信設備設置于輸電鐵塔的位置

2.1 塔身中部區域

從圖3可發現，對于塔身中部區域（②部分），塔身基本為鐵塔橫擔所包圍?？偨Y各種電壓等級鐵塔的尺寸特點，該部分橫擔伸出長度和橫擔之間距離相近，按防雷規范中可取得的最小半徑滾球20m，輸電鐵塔最高電壓等級的橫擔層間距不超過25m，兩相對比可發現塔身中部區域（②部分）始終處于橫擔保護范圍內。

2.2 塔身上部區域

對布置于塔身上部區域（①部分）的通信設備，塔身上部防護區域見圖4。圖4中白色區域為滾球無法達到區域，即為可保護區域，紅色陰影區域為滾球所能達到的區域，即為不可保護區域。由幾何關系易知，滾球切入塔頂的位置為式1，該處區域受到塔頂和兩側的避雷線保護，考慮地線金具串長度和順線路方向地線下傾影響后，通信設備安裝于塔身頂部（①部分）時，應安裝在低于塔頂Hx處，x應滿足式2。式1～2中：HX為天線距離塔頂的最小安裝高度，mm；hr為滾球半徑，mm；L為地線間距離，mm；λ為天線伸出長度，mm；φ為導線下傾角，rad；Lc為絕緣子串長度，mm。

圖4 塔身上部防護區域

2.3 塔身下部區域

對布置于塔身下部區域（③部分）的通信設備，可描繪滾球區域如圖5：白色區域為滾球無法達到區域、即為可保護區域，紅色陰影區域為滾球所能達到的區域、即為不可保護區域，圖2中塔身的綠色范圍為塔身與滾球的接觸區間，無法被保護。根據上述情況，可假定一個狀態，使以滾球與鐵塔橫擔最外側接觸，同時與塔身和地面相切，如圖6所示，其中H為鐵塔呼高，S為塔腿距桿塔中心的距離；a為塔身坡度角；以及雷電設防等級（對應滾球半徑hr）對于具體工程都是已知的數據。其中參數的幾何關系如下：

圖5 塔身下部防護區域

圖6 滾球接觸橫擔端部和塔身的極限狀態

式中：θ為滾球與鐵塔橫擔最外側接觸，同時與塔身和地面相切時，滾球圓心與鐵塔橫擔端部連線與水平線夾角，rad；L為鐵塔橫擔長度，mm；L1,L2,L3,L4為根據幾何特征對橫擔長度L作出的細分，mm；H為鐵塔呼高，mm；hx,hy,hz為根據幾何特征對鐵塔呼高H作出的細分，mm；hr為滾球半徑，mm；b為滾球圓心與鐵塔塔身垂足連線與水平線夾角，其值與塔身坡度角a互余，rad；S為塔腿距桿塔中心的距離。

將式3～9代入式10，整理可得式11，聯立(3)(4)(11)式可將等式整理為其余參數與鐵塔呼高H的關系式12，式中：該處區域受到鐵塔橫擔和導線保護，考慮導線金具串長度和順線路方向導線下傾影響后，通信設備安裝于塔身下部區域（③部分）時，應考慮上述影響，計及上述影響后修正的關系為式13，式中：H為鐵塔掛線高度，mm；hr為滾球半徑，mm；L為橫擔邊緣距離塔中心距離，mm；s為鐵塔根開，mm；b為塔腿坡度角，rad；λ為天線伸出長度，mm；φ為導線下傾角，rad；Lc為絕緣子串長度，mm。本式中的意義在于，鐵塔掛線高度Hx上述H值時可設置在塔身下部區域（③部分）的任意位置。

當掛點高度H值增大時，將出現中間有一段區間不再處于保護區間的情況，但是其下段區間和上段區間仍可被保護，反應到圖6中，下段區間對應的是hx值，上段區間對應的是hy+hz的值。此時的通信設備安裝位置應應滿足Hx＜hx或Hx＞H-(hy+hz)，即：Hx＜hr(1-sinb)、Hx＞H-hr(cosb]2+sinb）

上段區間仍需要考慮絕緣子串和導線下傾影響，下段區間不再需要考慮絕緣子串和導線下傾影響。計及上述影響后修正的關系式為：Hx＜hr(1-sinb)、λtanφ-Lc。

綜上，本文根據滾球法要求，結合電力鐵塔中常用的鼓（傘）型、干字型鐵塔形態特征，總結并推導了可用于該塔型通信設備安裝位置的代數計算公式。本文推導的公式僅適用于塔身單段變坡較簡單的鼓（傘）型、干字型鐵塔，無法涵蓋塔身存在多段變坡的酒杯、貓頭等塔型的情況，對此類塔型的一般性公式，可進行進一步的深化研究。