雷擊下共享桿塔接地方案優(yōu)化

　　摘 要：為了獲取不同情況下桿塔上的電流和電位分布、接地網(wǎng)的地電位分布以及電纜電磁騷擾情況、提出共享桿塔優(yōu)化設(shè)計和過電壓防護策略需要研究適用于共享桿塔的建模方法、明確共享桿塔上電力線路與通信設(shè)備之間的相互作用機理。 本研究基于已有桿塔結(jié)構(gòu)建立仿真模型，然后以模型為基礎(chǔ)計算獲得雷擊情況下不同接地方法對應(yīng)的共享桿塔上電流和過電壓分布情況和接地網(wǎng)地電位升分布情況。 通過總結(jié)明確接地方式、接地網(wǎng)尺寸、通信設(shè)備安裝位置、連接方式等對雷擊共享桿塔接地方案的影響，對實際工程中相關(guān)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的選取給出了指導(dǎo)意見。

　　石偉釗; 黃林存; 唐繼朋; 魏沖， 電瓷避雷器 發(fā)表時間：2021-10-22

　　關(guān)鍵詞：共享桿塔;過電壓防護;雷擊;地電位升

　　0 引言

　　共享鐵塔是將光纜、通信基站、天線等通信設(shè)備加裝在電力桿塔上，此舉一方面能夠有效避免電力資源浪費，提高資源利用率;另一方面也能節(jié)約土地資源，避免重復(fù)建設(shè)和投資。

　　選擇作為共享鐵塔的電力桿塔，其電壓等級多為 35 kV、110 kV 和 220 kV，相應(yīng)的絕緣水平可達到幾百千伏甚至 1 MV，通信基站設(shè)備的耐受電壓一般不超過 2 kV。 當發(fā)生雷擊鐵塔、架空地線時，巨大的雷電流會沿著鐵塔流入大地，與接地結(jié)構(gòu)和遠端大地構(gòu)成回路。 由于鐵塔鋼支撐結(jié)構(gòu)本身的電容電感以及接地電阻的存在，鐵塔不同位置處會出現(xiàn)電位差。 當該電位差接近或達到基站通信設(shè)備的耐受電壓時，會發(fā)生擊穿，引發(fā)通信設(shè)備故障。 同時，由于雷電流作用，會在大地上形成跨步電壓，對地面上的通信基站機房等構(gòu)成威脅。 此外，射頻拉遠單 元 ( Remote Radio Unit， RRU) 設(shè) 備 供 電 用- 48 V 直流電沿鐵塔布線，局部漏電情況下會造成鐵塔電位的升高，威脅運檢人員安全。

　　探索共享鐵塔上通信設(shè)備與電力設(shè)備之間的相互作用機理，研究雷電類作用下共享鐵塔電壓分布，優(yōu)化共享鐵塔的接地設(shè)計方案對保障電力系統(tǒng)和通信系統(tǒng)可靠性、保障電力和通訊相關(guān)運維人員的安全、劃分責任范圍和明確事故責任具有重要意義，能夠為進一步推廣和深化共享鐵塔模式提供必要的理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

　　國內(nèi)外學(xué)者已對輸電線路桿塔接地方面做了大量研究，主要集中于對桿塔過電壓接地的設(shè)計[1]，包括降低桿塔接地電阻的方法[2]、改善接地沖擊效應(yīng)的新型接地裝置[3]、降阻性能接地材料的研發(fā)(如膨潤土壤降阻在接地技術(shù)上的應(yīng)用等)[4 - 5]。

　　對桿塔接地電阻、散流、接地體設(shè)計與優(yōu)化需對鐵塔和接地網(wǎng)進行建模。 通過電磁模型[6 - 8]，力矩法[9]，二次分域計算方法[10]等可實現(xiàn)接地網(wǎng)沖擊系數(shù)以及有效面積等參數(shù)計算，對人體耐受電壓范圍和最大耐受電壓進行預(yù)測，進而得出輸電線路桿塔較為成熟的優(yōu)化設(shè)計方案和過電壓防護措施。

　　另外，可利用 ANSYS 有限元分析軟件[11 - 12] 或者 CDEGS 仿真軟件[13]，采取了定量分析的方法對故障情況下跨步電壓進行了研究;也可通過對接地網(wǎng)的特性建立相關(guān)模型，對幅值較大的電流作用下土壤的非線性效應(yīng)周圍的地電位分布進行分析[14];在此基礎(chǔ)上可對特殊區(qū)域高壓架空輸電線路周圍的跨步電壓進行超標電壓值區(qū)域預(yù)測，并提出相應(yīng)的改善措施[15 - 17];此外，接地網(wǎng)內(nèi)的電勢差在不同條件下的變化情況也可根據(jù)已有方法給出[18 - 21]。

　　目前，共享桿塔的相關(guān)研究才剛剛起步，缺乏相關(guān)的理論和工程實踐。 國外并無共享桿塔的相關(guān)研究成果可供借鑒，國內(nèi)的共享桿塔研究目前仍未深入討論通用接地技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計方案形成。共享桿塔這種新模式帶來的新問題，需要在已有成果基礎(chǔ)上，形成新的接地技術(shù)及規(guī)范，解決共享桿塔現(xiàn)存的技術(shù)上的困惑，推進共享桿塔的大規(guī)模應(yīng)用。 因此本文在電力鐵塔基礎(chǔ)上建立共享鐵塔模型，分析雷擊過電壓得到共享鐵塔最優(yōu)接地方案。

　　1 共享桿塔及接地網(wǎng)建模

　　當雷擊鐵塔頂端時，雷電流沿鐵塔進入接地網(wǎng)泄流，引起暫態(tài)地電位升高;同時雷電流的分流情況也會受到有源天線處理單元(Active antenna pro? cessing unit，AAU)電源線屏蔽層接地方式的影響，進而影響鐵塔和通信機房接地網(wǎng)的暫態(tài)地電位升分布情況。 例如，當該電源線采取雙端接地時，地電位升將在屏蔽層雙端接地的電纜屏蔽層上產(chǎn)生對地電位分布，并在屏蔽層上產(chǎn)生電流，該電流經(jīng)屏蔽電纜的轉(zhuǎn)移阻抗將在電纜芯線上產(chǎn)生縱向感應(yīng)電壓，從而影響通信設(shè)備正常運行。 因此電源線屏蔽層不同連接方式，鐵塔與基站不同位置以及兩地網(wǎng)不同連接方式都對電力鐵塔地網(wǎng)和通信機房地網(wǎng)接地可靠性有所影響。 筆者根據(jù)電力鐵塔相應(yīng)工程參數(shù)，建立鐵塔及接地裝置模型，見圖 1。

　　電力鐵塔接地裝置采用 ?16 圓鋼，埋深 0. 8 m，見圖 2。

　　通信機房地網(wǎng)圖紙見圖 3。 水平接地網(wǎng)尺寸為3 m × 4 m，采用 ?12 圓鋼。

　　共享鐵塔接地網(wǎng)建模采取 4 種形式，分別為共用接地網(wǎng)(通信機房位于鐵塔下方)、通信機房距鐵塔 5 m、通信機房距鐵塔 10 m。 模型見圖 4。

　　2 共享桿塔移動通信基站安裝位置的優(yōu)化方案

　　圖 5 給出了使用 CDEGS 計算并經(jīng)過插值得到的 3 種典型距離下的地網(wǎng) GPR 2D 分布圖。 從圖中可以看到，地網(wǎng) GPR 的最大值出現(xiàn)在鐵塔地網(wǎng)邊緣，地網(wǎng) GPR 的最小值出現(xiàn)在通信機柜地網(wǎng)上。 同時，鐵塔地網(wǎng)的 GPR 在靠近機柜地網(wǎng)的一側(cè)明顯低于遠側(cè)。 產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是由于：1)通信機柜地網(wǎng)有接地極，有更好的散流性能，更利于雷電流向土壤深處散流;2)機柜地網(wǎng)尺寸較小，具有更大的等效接地電阻， 通過線纜屏 蔽 層 流 過 的 雷 電 流較小。

　　表 1 給出了 3 種典型距離下地網(wǎng) GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 1 可知：采用地網(wǎng)不連接形式時，所得地網(wǎng) GPR 值最大值與通信機柜安裝位置無關(guān);隨著安裝距離的增加，地網(wǎng)的 GPR 最小值降低，因此 GPR最大值與最小值的差值增加。

　　圖 6 給出了地網(wǎng)不連時，3 種距離下計算得到的鐵塔電位分布云圖。 可以看到，在 42 kA 的雷電流作用下，共享鐵塔的電位從塔頂逐漸降低，塔頂電位超過 1 MV。

　　表 2 中給出了地網(wǎng)不連時，3 種典型距離下的線纜電流及 4 個塔腳流入地網(wǎng)的雷電流幅值。 4 個塔腳表示方法為：近上塔腳 A、近下塔腳 B、遠下塔腳 C、遠上塔腳 D，見圖 2 中標識。 由圖表可知，隨著距離的增加，線纜上流過的雷電流增大，表明通過小地網(wǎng)入地雷電流的增加，散流能力增強。 4 個塔腳注入地網(wǎng)的雷電流變換不大，其中近下塔腳的入地雷電流最小，是因為通信設(shè)備線纜沿該塔腳方向進行布線，分流明顯。 同時圖 7 給出了某頻點下雷電流的流向，用以輔助說明雷電流在鐵塔上的走向。

　　3 地網(wǎng)連接方式影響

　　考慮電纜雙端接地，天線安裝高度 30 m，地網(wǎng)的不同連接形式，包括地網(wǎng)無連接、地網(wǎng)一點連接、地網(wǎng)雙連(鐵塔地網(wǎng)與機柜地網(wǎng)雙點連接)及地網(wǎng)四連(鐵塔地網(wǎng)與機柜地網(wǎng)四點連接)4 種連接方式下的模型。 同時，考慮鐵塔地網(wǎng)與機柜地網(wǎng)的典型距離值，塔下(0 m)、5 m(機柜地網(wǎng)距離鐵塔地網(wǎng)邊緣 5 m) 和 10 m ( 機柜地網(wǎng)距離鐵塔地網(wǎng)邊緣10 m)的情況建立共享鐵塔模型，計算地網(wǎng) GPR 及線纜電磁騷擾。

　　兩地網(wǎng)不相連情況下，鐵塔地網(wǎng)的地電位最高，單點相連次之，兩點連接再次之，四點連接最低。 新建通信機柜地網(wǎng)，能夠一定程度上降低電力鐵塔雷電沖擊下的地電位升，這來源于新建通信地網(wǎng)與原地網(wǎng)的并聯(lián)分流效應(yīng)。 但兩點連接和四點連接地電位升差別不大，且隨著兩個地網(wǎng)之間距離的增大，鐵塔地網(wǎng) GPR 最大值差別不大，見表 3。

　　兩地網(wǎng)不相連情況下，通信機柜地網(wǎng)的地電位升最小，其他 3 種連接方式下的通信機柜地網(wǎng)地電位升幾乎相等。 同時，隨著兩個地網(wǎng)之間距離的增大，通信機柜地網(wǎng)的電位降低，見表 4。

　　兩地網(wǎng)不相連情況下，通信機柜地網(wǎng)與鐵塔地網(wǎng)電位升差值最大，單點相連形式次之，兩點連接和四點連接近似相等，見表 5。 兩個地網(wǎng)之間的電氣連接，為雷電流提供了具有更小阻抗的通路，有效降低了兩個地網(wǎng)之間的電位差。 同時，隨著兩個地網(wǎng)之間距離的增大，兩者間的電位差增大，不連接情況下增大幅度最大。

　　兩地網(wǎng)不相連情況下，通信設(shè)備電源線纜電流最大，單點相連的次之，兩點相連和四點相連的情形最小，兩者相近。 這是由于當?shù)鼐W(wǎng)存在其他電氣連接時，能夠進行有效分流，從而減小電源線纜屏蔽層上的電流流動。 同時，隨著兩個地網(wǎng)之間距離的增大，不接地情況下的電纜電流增大明顯，見表 6。

　　兩地網(wǎng)不相連情況下，通信設(shè)備電源電纜芯皮電位差最大，單點相連的次之，兩點相連和四點相連的情形最小，兩者相近。 其機理與線纜上電流分布相同。 同時，隨著兩個地網(wǎng)之間距離的增大，不接地情況下的電纜芯皮電位差增大明顯，見表 7。

　　兩地網(wǎng)間距對 GPR 最大值影響不大。 兩地網(wǎng)間距越大，地網(wǎng) GPR 最小值越小，則兩地網(wǎng)電位差值越大，電纜電流越大。 而接地網(wǎng)電位均衡性影響接地裝置接觸電壓和跨步電壓，當鐵塔地網(wǎng)和通信地網(wǎng)連接時改變了地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，因此從地網(wǎng) GPR 均衡角度及降低電纜芯皮電位差角度，建議通信機房位于鐵塔下方。

　　地網(wǎng)連接方式對地網(wǎng) GPR 最大值影響較小。兩地網(wǎng)連接點越多，地網(wǎng) GPR 最小值越大，即雷擊時兩地網(wǎng)電位差值越小，此時電纜電流越小，芯皮電位差越小。 此外，相比較于四點連接形式，兩點接地性能與之相近，且經(jīng)濟性更可靠。 計算顯示地網(wǎng)不連時，兩地網(wǎng) GPR 及 GPR 差值很大，線纜電流大，芯片電位差高。 不應(yīng)采用。 地網(wǎng)單連、地網(wǎng)雙連和地網(wǎng)四連均能有效改善上述指標。 考慮單點可靠性差，四點連工程施工難度大，因此，推薦采用地網(wǎng)雙連的形式，并優(yōu)先選擇塔下安裝。

　　4 安裝位置的影響

　　考慮工程實踐中可行的安裝方案，建立了土壤電阻率為 30 Ω·m 時，塔頂、塔身(最低橫擔下 30 m)模型。 同時，考慮鐵塔與地網(wǎng)的典型連接方式，又在每種連接方式下， 分別考 慮 了 鐵 塔 與 地 網(wǎng) 采 用5 m + 不互連(機柜地網(wǎng)距鐵塔邊緣 5 m，且相互獨立)、5 m + 互連(機柜地網(wǎng)距鐵塔邊緣 5 m，且兩點相連)、塔下 + 不互連(機柜地網(wǎng)位于鐵塔下，且相互獨立)和塔下 + 互連(機柜地網(wǎng)位于鐵塔下，且兩點相連)的情況。

　　表 8 給出了設(shè)備安裝在塔頂時 4 種典型地網(wǎng)連接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 8 可知：設(shè)備安裝在塔頂時，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m + 不互連情況下 GPR 差值最大為 22. 886 6 kV;5 m + 互連時，能夠?qū)?GPR 差值降低到 13. 787 7 kV。 采用塔下 + 互連連接時，GPR 差值僅為 3. 504 3 kV。

　　由圖表可知，安裝在塔頂時，采用地網(wǎng)互連形式時，各電流幾乎不隨距離改變。 非互連情況下，電流分布變動較大。 如 5 m + 不連時線纜電流達到了 12. 885 8 kA，而互連時僅為 6. 046 4 kA，大的線纜電流容易引起幅值較高的芯皮電位差，造成線纜和設(shè)備的老化和擊穿。

　　表 9 給出了通信設(shè)備安裝在塔身時 4 種典型地網(wǎng)連接形式下 GPR 的最大值、最小值以及差值。

　　由表 9 可知：通信設(shè)備安裝在塔身時，典型接地方式下的 GPR 最大值和最小值并不相同：5 m +不互連情況下 GPR 差值最大為 24. 258 7 kV;5 m +互連時，能夠?qū)?GPR 差值降低到 14. 204 2 V。 采用塔下 + 互連連接時，GPR 差值僅為 3. 773 3 kV。

　　由圖表可知，通信設(shè)備安裝在塔身時，采用地網(wǎng)互連形式時，各電流幾乎不隨距離改變。 非互連情況下，電流分布變動較大。 如 5 m + 不連時線纜電流達到了 13. 263 4 kA，而互連時僅為 5. 737 1 kA，大的線纜電流容易引起幅值較高的芯皮電位差，造成線纜和設(shè)備的老化和擊穿。

　　因此，安裝在塔身時，地網(wǎng) GPR 最大值降低。兩地網(wǎng)不連接的情況，地網(wǎng) GPR 最小值增大，且兩地網(wǎng)連接時，地網(wǎng) GPR 最小值幾乎不變。 天線安裝位置對線纜電流及芯皮電位差影響不大。

　　5 結(jié)論

　　本研究建立土壤電阻率為 30 Ω·m，線纜兩端接地，安裝位置為 30 m 時，通過建立地網(wǎng)不連、地網(wǎng)單連、地網(wǎng)雙連和地網(wǎng)四連 4 種連接方式下的模型。 同時考慮鐵塔與地網(wǎng)的典型安裝距離：塔下、5 m 和 10 m 的情況。 得到如下結(jié)論：

　　1)兩地網(wǎng)間距對 GPR 最大值影響不大。 兩地網(wǎng)間距越大，地網(wǎng) GPR 最小值越小，則兩地網(wǎng)電位差值越大，電纜電流越大，芯皮電位差越大。 因此從地網(wǎng) GPR 均衡角度及降低電纜芯皮電位差角度，建議通信機房位于鐵塔下方。

　　2)地網(wǎng)連接方式對地網(wǎng) GPR 最大值影響較小。兩地網(wǎng)連接點越多，地網(wǎng) GPR 最小值越大，即雷擊時兩地網(wǎng)電位差值越小;此時電纜電流越小，芯皮電位差越小。 此外，相比較于四點連接形式，兩點接地性能與之相近，且經(jīng)濟性更可靠。 計算顯示地網(wǎng)不連時，兩地網(wǎng) GPR 及 GPR 差值很大，線纜電流大，芯片電位差高，不應(yīng)采用。 地網(wǎng)單連、地網(wǎng)雙連和地網(wǎng)四連均能有效改善上述指標。 考慮單點可靠性差，四點連工程施工難度大，因此，推薦采用地網(wǎng)雙連的形式，并優(yōu)先選擇塔下安裝。

　　3)通過建立天線安裝位置為塔頂和塔身兩種模型。 同時考慮鐵塔與地網(wǎng)的典型連接方式：5 m +不互連、5 m + 互連、塔下 + 不互連和塔下 + 互連的情況。 天線安裝位置對線纜電流和芯皮電位差影響不大，但安裝在塔身時能 GPR 較低。 因此天線宜安裝在塔身。