电力铁塔与通信行业共享的技术研究

鲁修学，胡淑兵，胡能萍

（中国电建集团江西省电力设计院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

为加快建设资源节约型、环境友好型的社会，推进绿色低碳循环发展，探索电力与通信行业之间的资源整合共享，将成为贯彻落实科学发展观和建设资源节约型、环境友好型社会的一种具体体现和重要途径。随着电力网络的发展完善，输电线路的覆盖面愈加广泛，形成了纵横相交、分布广泛、层次分明的电网通道。这种电网输电线路网格化、全面覆盖的布局特点，使得向通信行业设施提供电力杆塔资源创造了条件。同时，目前输电线路通道日益紧张，很多地区输电线路均存在与通信基站设施等存在相互冲突的情况。因此，研究电力铁塔与通信行业之间的资源共享具有重要的现实意义。

2018 年初，随着南方电网公司、国家电网公司先后与中国铁塔公司签署战略合作协议，开启了我国“共享铁塔”的全新合作模式，标志着电力、通信行业铁塔共享的进入了全面推广应用阶段，之后南方电网、国家电网公司下属多家省电力公司与中国铁塔公司进行了“共享铁塔”试点应用，运行情况良好[1]。

1 电力铁塔与通信基站共享

电力铁塔与通信基站共享即在电力杆塔上加装通信设备，将光缆、通信基站、移动天线等通信设施附属在输电线路铁塔本体上，使电力铁塔资源得到综合利用。随着通信行业的快速发展，基站需求量越来越大，新建通信杆塔不仅建设成本高、施工周期长，还将面对征地难、外部协调难等困境。如何多、快、好、省地建设通信基站，就十分迫切地摆在各运营商面前。与电网开展电力铁塔共享合作，在输电铁塔加挂通信天线设备作为通信基站，将成为解决上述问题的有效途径。

电力铁塔加挂基站天线技术方案，应根据输电线路铁塔的相关情况和通信设施的技术要求，在输电线路杆塔上选取合理位置设计安装平台，满足移动天线等设备的安装要求，提出馈线等设施的引下方案，确保其与通信机房的连接，满足相关的电磁干扰、防雷保护、接地等要求。技术方案涉及的内容主要有：基站安装位置及连接方式分析，电力铁塔荷载分析，基站及附属设施的防雷和接地分析[2]。

1.1 基站安装位置及与铁塔连接方式分析

1.1.1 基站天线的高度设置分析

根据调研收资的资料，现网分场景的天线挂高分布范围如表1所示，从下表可见，天线挂高分布范围为25～50 m。但对于一些街道站，主要用于解决小密度大容量的需求问题，天线挂高一般分布范围为10～15 m。

表1 现网分场景天线挂高 m

对于人口比较密集和繁华的区域，网络覆盖一般比较完善，基站的天线一般安装较低，主要解决容量需求。根据调研收资的资料，目前通信网络覆盖比较完善，电力铁塔加装通信基站主要作为一种补充和加强，天线挂高可以进一步降低。同时，对《中国铁塔公司标准通信铁塔设计》中的塔型进行统计，其天线高度分布于15～48 m之间，并且基站天线高度越低，风压越小，防雷性能越好，其接地线、馈线安装也较为简单，可供选择的铁塔也较多，同时具有较强的可操作性。

1.1.2 基站天线电力安全距离分析

基站天线加装在电力铁塔上的位置可分为三类：①安装在塔头段顶；②安装在塔头段身部，一般布置在顺线路侧的位置；③安装在身部，位于导线挂点以下，一般四个塔身面均可布置。

从前期建设、后期运维便利及安全管理的角度出发，方案①、方案②基站天线等设施若架设在带电体附近或以上，一方面通信设施建设及维护过程中需电网公司配合停电，500 kV、220 kV、110 kV线路作为重要电力通道，可供停电作业的时间有限或者根本无法停电；另一方面，基站通信设施若发生脱落等事故，有可能会导致电网永久性接地事故，对电网的安全稳定运行造成较大影响。本文推荐将基站天线安装位置采用第③类：位于输电线路带电部分以下，并满足相关的安全距离。效果图如图1。

图1 双回路塔位三维图

电力铁塔塔身段加挂基站天线，综合考虑上述施工和运行维护环节的影响，本技术方案按照在带电体安全距离以下安装基站天线等设施，满足带电施工、运行维护的要求进行设计，确保有足够的安全距离。通信天线安装位置与电力线路带电点之间应满足表2所示中最大的空气间隙值，其中带电左右还应考虑0.5 m的人体活动范围，安装位置与铁塔下横担距离还应考虑绝缘子串长+安全裕度。因此，各电压等级下通信天线安装位置（顶部）与铁塔下横担之间最小距离应符合表2数值。

表2 天线安装位置与铁塔下横担之间最小距离

1.1.3 通信基站与铁塔连接方式分析

基站天线等设施与杆塔的连接，应根据设备的布置方式和杆塔的特点，借鉴和参考通信铁塔的构造方式，选择合理的构造型式，符合相关要求。

1）连接构造位置应满足安全距离、挂高要求，同时便于施工和运行维护；

2）连接构造型式力求简单，传力明确，连接牢靠，符合相关规程、规范的要求；

3）连接构件强度稳定、材质、焊接、螺栓满足相关规范、规范要求；

4）移动天线应用固定卡箍与天线杆固定。安装在铁塔上的天线都应用固定卡箍与天线杆拧紧。天线与天线支撑杆的连接应不少于两处。如果安装在塔身侧面，全向天线离塔体间距应不小于1 m，定向天线离塔体间距应不小于0.5 m。

1.2 电力铁塔荷载分析

1.2.1 典型通信基站天线参数

选取加装基站天线的杆塔，应遵循安全、经济、影响最小的原则。

经比较分析，尽量避免重冰区铁塔、运行年限较长的铁塔及重要跨越段铁塔上加装基站天线，考虑到通信基站自身的重量及风荷载，在电力铁塔加装基站时需对铁塔的结构强度进行校验。表3为典型电力铁塔加挂通信天线参数表。

表3 典型电力铁塔加挂通信基站参数表

1.2.2 杆塔结构强度分析

根据上述荷载选取代表杆塔，釆用线路专业设计软件（道亨公司自立式铁塔多塔高、多接腿满应力分析程序）建立计算模型，把基站天线等设施的负荷作为外部荷载加载到相应的部位进行计算。

经分析得出以下结论：基站天线的负荷与杆塔标准设计外部荷载相比，占比越小，对杆塔的影响越小；且基站天线挂高越低，对杆塔的影响越小；—般情况下，基站天线负荷对杆塔的影响，呈现小直线塔〉大直线塔〉耐张塔的递增趋势，具体按实际条件进行进一步的核算，以确保计算的准确性和保证杆塔强度满足设计要求。

1.3 基站及附属设施的防雷和接地分析

1.3.1 天线及附属设施的防雷保护

根据调研收资的情况和通信国家设计标准GB50689—2011《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》的相关要求，目前电网所设计的110 kV及以上的杆塔均按照双地线设计。地线和导线的距离应满足档中导地线配合的要求。其中：无冰、轻冰和中冰区，杆塔上地线对边导线的保护角，对于同塔双回或多回路，220 kV及以上线路的保护角均不大于0°，110 kV线路不大于10°；对于单回路，500 kV线路的保护角不大于10°，220 kV及以下线路不大于15°。保护角计算至分裂导线中心即可。

当选择将基站天线的安装位置位于导线下方时，电力铁塔的防雷保护完全可以满足通信行业相关规范的防雷保护需要天线保护角的要求。馈线在电力铁塔上敷设时不需要额外加装保护设施，馈线直接连接室外接地网，用于馈线的最后一点接地。

1.3.2 天线及附属设施的防雷保护

1）基站天线接地

根据通信国家设计标准GB50689—2011《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》，当天线在避雷针的保护范围内，基站天线的接地可使用塔身作为接地导体。输电线路110 kV～500 kV铁塔均按照双地线设计的，完全可以满足对于天线的保护，可以直接将电力铁塔塔身作为接地导体，因此将基站天线通过接地线与铁塔可靠连接即可。

2）通信基站接地

根据通信国家设计标准GB50689—2011《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》，并结合中讯邮电咨询设计院有限公司提供的设计报告。通信无线基站的接地采用联合接地方式，基站的地网应由机房地网、铁塔地网和变压器地网组成。

机房地网由机房建筑基础（含地桩）和外围环形接地体组成。环形接地体应沿机房建筑物散水点外敷设，并与机房建筑物基础横竖梁内两根以上主钢筋焊接连通。机房建筑物基础有地桩时，应将各地桩主钢筋与环形接地体焊接连通。铁塔地网应采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢，将铁塔四个塔脚地基内的金属构件焊接连通，铁塔地网的网格尺寸不应大于3 m×3 m。铁塔位于机房旁边时，应采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢，在地下将铁塔地网与机房外环形接地体焊接连通。铁塔与机房地网之间可每隔3～5 m相互焊接连通一次，且连接点不应少于两点。

1.4 通信机房布置形式及电磁环境影响分析

通过对中国铁塔公司的调研收资，了解通信机房的布置和机房设备情况，分析机房的布置方式和设备的电磁环境影响，提出设计方案。一般通信机房占地范围为6 m×5 m，而紧凑型机房占地范围为3 m×2 m，机房高度3 m左右，基础埋深一般在地面下0.2 m。通信机房通过四处焊接连接与通信铁塔接地网连成一体。

1.4.1 通信机房布置方案

电力铁塔可看作一个金属体外壳，并且和铁塔接地网有效连接。如果把通信机房放置于电力铁塔内，可对外部的电场和电磁波产生一定的屏蔽作用，有利保护机房设备。同时，电力铁塔内部范围已经完成了征地补偿，可实现征地的双方共享，避免重复征地，减少项目投资。因此，通信机房布置方案推荐采用布置于电力铁塔内部的形式（详见图2）。具体论述如下：

通信机房布置于杆塔内部，两者在空间中存在重叠。当进行该方案选择时，应关注铁塔内部空间、塔基地质情况、接地保护等技术的关键点和难点。

1）铁塔内部空间

结合对通信机房的调研收资以及电力铁塔的相关数据，500 kV铁塔的内部范围可满足一般通信机房的布置需求，110 kV和220 kV铁塔的内部范围可满紧凑通信机房的布置需求。当铁塔内部空间无法满足通信机房布置时，不能采用该方案。

2）塔基地质情况

通信机房的基础埋深较浅，通常在地面下0.2 m。塔位地形平缓时，其基础的开挖一般不会影响到电力铁塔的基础。但当塔位地形有起伏时，应当引起重视，首先需对塔位稳定性进行判断；其次应尽量优化设计方案，合理控制开方量，例如通过回填抬高低洼处通信机房的基础减少开方量；最后采取有效措施，妥善处理好多余的土方，避免形成二次隐患。根据云南山区输电线路的设计经验，建议选取的塔位地形坡度不宜超过20°，不应超过30°。

3）接地保护

GB50689—2011《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》第6.2.5条中要求：接地网面积应大于15 m×15 m。通信机房接地网一般采用40 mm×4 mm的热镀锌扁钢，埋深为1.0 m，敷设通信机房接地网时要注意避让电力铁塔塔腿处的接地线。结合目前电力线路的收资调研，所有500 kV线路和部分110 kV、220 kV线路的铁塔接地网符合该要求，但对于一些运营时间较长的线路，局部塔位接地电阻值有可能低于设计标准。因此，在采用该方案时，应对铁塔的接地网进行复测校核，若不满足设计要求，应采取相应的技术手段。

图2 通信机房布置方案

2 结语

文中从工程实践出发，从“共享铁塔”通信设施的安装位置、连接方式、电力铁塔荷载及馈线引下方案、防雷接地、通信机房布置形式及电磁环境影响等方面进行了深入的研究分析，为“共享铁塔”在工程实践中的应用奠定了基础。