雷击时共享铁塔的高压安全分析

刘 康，黄 欢,2

（1. 贵州大学 电气工程学院，贵州 贵阳 550004；2. 贵州电网有限责任公司 电力科学研究院，贵州 贵阳 550002）

0 引言

随着5G网络的不断推广，5G基站需求量会越来越大[1]。电力杆塔与通信杆塔独立建设，不但会使基站的选址变得异常困难，也会造成资源的浪费[2]。将电力杆塔与通信基站相结合，是必然的趋势。建设共享杆塔不仅可以减少资源浪费，还可以提高土地利用率[3]。但是，由于电力杆塔常处于旷野且高度较高，很容易遭受雷击[4]。雷电灾害不仅会带来经济损失，也会造成人身伤亡[5]。

从20世纪开始，已有很多学者对雷电过电压进行相关研究[6]。当输电线路杆塔遇到雷击时，雷电流沿杆塔流入接地网，在杆塔下方产生很高的跨步电压、接触电压以及接地网地电位升[7,8]。国内外学者对于该方面的研究大多数集中在变电站，比如文献[9-13]通过优化接地网来降低跨步电压和接触电压；但是，关于共享杆塔的研究并不多。据调研，目前国内外关于输电线路杆塔作为通信基站的相关共享技术均处于前期探索阶段。我国仅在云南、江苏、福建、湖北等省份有部分试点[14]。为保护通信基站以及维护人员的安全，探究基站加装到输电杆塔后，雷击高压对环境产生的影响是十分有必要的。

雷击感应过电压通常只考虑35 kV及以下的杆塔。本文模拟的是525 kV杆塔，所以不分析感应过电压。

直击雷可分为雷击避雷线、绕击导线和雷击杆塔塔顶这3种情况[15,16]。本文利用CDEGS软件，以仿真模拟的方式研究共享铁塔不同位置遭受雷击、不同雷电流幅值和不同土壤电阻率情况下，地面的跨步电压和接触电压大小变化情况[17]以及雷击杆塔顶部时地电位升的变化；一方面分析基站的加装对雷击时电力杆塔下方高压值的影响，另一方面分析如何通过改变接地方式来抵消地电位升差值带来的危害。

1 仿真模型

1.1 雷电流模型

常见的雷电流波有斜角波、双指数波等多种，均为非周期性冲击波。本文取双指数波形，表达式为：

取A=30 kA；α=14 000s-1；β=6 000 000s-1。雷电流波形如图1所示。

图1 雷电流波形Fig. 1 Lightning current waveform

1.2 共享杆塔模型

杆塔模型：选取525 kV的输电线路杆塔，杆塔高35 m，材料为钢。由于软件HIFREQ只能模拟圆柱导体，因此将构成杆塔导体设置为半径为1.5 cm的圆柱体。虽然真实的杆塔导体非圆柱形，但是这样的设置对于距离导体 10～20 cm外的电磁场计算不会引起影响。接地网设置为16 m×16 m的正方形，铜导体，埋深为0.5 m，带有4根长度为10 m的垂直接地棒。铜导体半径为7 mm。土壤的相对介电常数和相对磁导率均为1。

通信机房：机房位于塔下，由钢构成，尺寸为4 m×4 m×3 m，带有独立的4 m×4 m接地网，埋深为0.5 m，垂直接地体长度为3 m，铜导体半径为7 mm，并与杆塔地网相连。

输电线路：输电线路导线长 400 m，型号为1565 kemil 36/7ACSR；避雷线型号为7-strand。钢导体为直径1.27 cm的镀锌高强度钢。避雷线与杆塔相连。

杆塔仿真模型如图2所示。

图2 共享杆塔模型Fig. 2 The shared tower model

2 安全接地条件

基站安装在电力杆塔后，由于二者的电压等级相差太大，所以需要考虑维护人员在系统正常运行以及故障情况下人身安全问题。接触电压和跨步电压是最主要的安全指标。当故障电流通过杆塔流入大地后，杆塔下方地表就会出现电位梯度。地表电位分布随着接地体形状和埋深的不同而不同。

将跨步电势定义为站在地面上两脚间的电位差，一般将跨距取0.8 m。将接触电势定义为地面上离设备水平距离为0.8 m处与设备外壳离地面高1.8 m处2点间的电位差。

IEEE Std 80-2000中给出了确定接触电压和跨步电压最大允许值的计算方法。接触电压、跨步电压限值均是由故障持续时间、系统特性（对于短时故障清除时间）、人员体重和脚接触电阻（该值由地表材料的电气电阻率决定，如人员所在位置为碎石或自然土壤等）等因素确定。体重50 kg人员的接触电压、跨步电压最大允许值计算公式为：

式中：Estep为跨步电压；Etouch为接触电压；Cs为表层降额系数；ρs为表面材料电阻率；ts为故障电流持续时间。

3 接触电压和跨步电压分析

雷击线路时，雷电流会沿着导体流入接地装置再流向大地，并在地表产生较高的电压。若通信基站安装到输电线路杆塔上，则需要考虑是否会影响原本杆塔下方的高压值。

3.1 雷击不同位置仿真计算

当杆塔的顶部受到雷击时，雷电流主要通过杆塔塔身向下泄流。此时塔下地面上会产生接触电压和跨步电压。图3所示为输电线路杆塔不加基站和加基站时，塔下接触电压的计算结果。由图3可知，垂直接地极处的接触电压较小，越往外幅值越大，不加基站时可以达到22 kV，加基站只有20.8 kV。该结果显示出，加基站反而会使接触电压幅值有所下降。图4所示为跨步电压的计算结果。从图4可以看出，跨步电压主要分布在在接地极两侧，不加基站时幅值为6.6 kV，加基站幅值在6.2 kV。同时，由图4可知，基站的加入并没有使杆塔原来的电位分布向外扩张，只是对接触电压和跨步电压的幅值产生了一定的影响。

图3 接触电压仿真计算结果Fig. 3 Results of the contact voltage simulation calculation

图4 跨步电压仿真计算结果Fig. 4 Results of the step voltage simulation calculation

由于其他各类情况电位分布图均与雷击杆塔顶部情况相似，只是幅值有所改变，所以只列出幅值。

表1列出了雷击3种不同位置时，接触电压与跨步电压的幅值。从表1中数据可以看出：雷击避雷线与导线跟雷击杆塔仿真结果类似，加基站后电压幅值均会略微下降。

表1 雷击避雷线与导线时的电压幅值Tab. 1 Voltage amplitude between lightning protection wire and wire kV

3.2 不同雷电流幅值时仿真计算

雷击避雷线与导线的接触电压、跨步电压幅值远远小于雷击杆塔。雷击杆塔对维护人员及设备的危害最大。取土壤电阻率 100 Ω·m，探究不同雷电流幅值击中杆塔顶部的情况。

表2给出了3种不同雷电流幅值情况时的接触电压、跨步电压幅值。

表2 不同雷电流幅值时的电压幅值Tab. 2 Voltage amplitude of different lightning current amplitudes kV

由表2可知，随着雷电流减小，接触电压和跨步电压也在减小；加基站后的电压幅值比不加基站略小。

3.3 不同土壤电阻率时仿真计算

表 3 列出了土壤电阻率为 100 Ω·m、300 Ω·m和500 Ω·m时的计算结果。由表3可知，电阻率越大，接触电压和跨步电压幅值就会越大。从安全的角度考虑，在选址时尽量选取土壤电阻率小的区域。

表3 不同土壤电阻率时的电压幅值Tab. 3 Voltage amplitude of different soil resistivities kV

将基站加装前后的情况进行对比，发现基站的加装没有使杆塔下方的高压幅值增加。由于机房地网的引入降低了接地电阻，加装基站后电压幅值会略小。

4 地电位升的计算分析

当高压输电线路发生故障时，故障电流流经接地体，则会在接地体上产生很高的地电位升。地电位升的定义为：以远方大地的电位为参考，接地体阻抗与流经接地体的电流的乘积。

分析雷击不同位置的跨步电压、接触电压值，认为雷击杆塔顶部对人体危害最大。下面以雷击杆塔顶部、雷电流幅值 30 kV和土壤电阻率100 Ω·m情况为例，探究机房地网与杆塔地网在分散和联结2种情况下的地电位升。

图5所示为分散接地和联合接地情况下的地电位升计算结果。由图5可以看出：分散接地时，在杆塔地网上地电位升约为55 kV，而机房地网地电位升则为40 kV，二者地网地电位升相差15 kV。联合接地时，杆塔与机房地网地电位升几乎成一条直线，在53 kV左右，看不出明显的地电位差值。当机房地网产生地电位升时，通过外部供电端口防雷器动作，电流沿着外部引入供电电缆再向远方大地进行泄放。虽然在分散接地情况下机房地网地电位升小于联合接地，此时外部供电端口防雷器压力就会较小；但是，由于地网间的地电位差太大，设备损坏风险以及维护人员人身安全风险大大增加。联合接地可以克服这个缺点，基本消除了二者地网间的地电位差。联合接地虽会提高机房地网地电位升，但可以通过提升防雷器通流容量来解决该问题。

图5 杆塔与机房地网地电位升Fig. 5 Ground potential rise of the tower and the computer room

5 结论

建立了525 kV输电线路的杆塔、输电线路、接地网、通信机房及其接地网的模型。

（1）仿真结果表明，基站安装在电力铁塔上没有引起杆塔下方的接触电压、跨步电压分布显著变化。接触电压和跨步电压幅值会略变小。

（2）雷击时，杆塔与通信机房地网均会产生地电位升。采用分散接地时，通信机房地网地电位升小于联合接地。分散接地虽然能够减小雷击引起的地电位升幅值，使外部供电端口防雷器压力减小，但是会在杆塔地网间产生较大地电位升的差。考虑到通信维护人员的安全及设备损坏风险，建议使用联合接地。