雷擊通信塔的空間瞬態(tài)電磁分布研究

劉 昆，郭君峰，張 順

(成都信息工程大學(xué)電子工程學(xué)院，四川成都610225)

0 引言

隨著通信行業(yè)的發(fā)展，越來越多的地區(qū)安裝了通信塔、一體化基站塔等通信設(shè)備。鑒于通信塔發(fā)射與接收信號(hào)的功能，通常將其安裝于地勢(shì)較高的地方，這導(dǎo)致其面臨高概率直接雷擊的風(fēng)險(xiǎn)。從雷電災(zāi)害發(fā)生的概率來說，通信基站的建設(shè)在一定程度上增大了該區(qū)域的落雷密度［1］。

He等［2］研究了電力傳輸線塔接地裝置的脈沖接地電阻，發(fā)現(xiàn)其與脈沖電流峰值、接地裝置幾何結(jié)構(gòu)、土壤電阻率均有關(guān);Noda［3］基于FDTD法通過數(shù)值模擬得到500 kV電力傳輸線塔的雷擊響應(yīng);Yao等［4］利用XFDTD軟件，基于實(shí)際的電力傳輸線塔結(jié)構(gòu)，構(gòu)建電力塔模型，計(jì)算得到了塔的周圍觀測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)分布，并利用ADF-EMS軟件建立含多個(gè)電力塔復(fù)雜的電力傳輸塔系統(tǒng)模型，研究了電力傳輸系統(tǒng)被雷電擊時(shí)不同情形下的響應(yīng)［5］。

對(duì)于雷電擊中高大建筑物時(shí)，流經(jīng)其內(nèi)部鋼筋架構(gòu)的電流分布情況，Chen等［6］利用 FDTD法進(jìn)行研究，并討論了鋼筋結(jié)構(gòu)對(duì)其周圍磁場(chǎng)的影響。N.Rameli等［7-8］則給出了建筑結(jié)構(gòu)頂端和底部反射系數(shù)對(duì)雷電流(峰值)的影響及雷電流與通道高度的關(guān)系。張義軍等［9］模擬了下行先導(dǎo)與40 m寬的建筑物之間的相互作用和連接過程，得到建筑物拐角也具有一定的吸引半徑，避雷針和拐角之間存在競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。通過數(shù)值模擬方法，譚涌波等［10］發(fā)現(xiàn)建筑物高度對(duì)上行閃電的觸發(fā)起關(guān)鍵作用，同時(shí)，建筑物高度對(duì)上行閃電的傳播具有一定的反作用。Behzad Kordi等［11］將天線模型應(yīng)用于多倫多CN塔被雷電擊中時(shí)的塔體電流傳播特性研究，將仿真與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到了較好的吻合結(jié)果。

通信塔往往孤立存在，而電力鐵塔彼此通過傳輸線相互聯(lián)系［12］。與此同時(shí)，CN塔高為553.33 m，而高于500 m的建筑通常忽略下行閃電，認(rèn)為其只遭受上行閃電的襲擊。通信鐵塔通常都低于100 m，而這類建筑通常忽略上行閃電，認(rèn)為只遭受下行閃電的襲擊［13］。正是因?yàn)橥ㄐ潘c已有相關(guān)研究成果存在重要差異，因此有必要針對(duì)通信塔的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)開展相應(yīng)的雷擊瞬態(tài)電磁響應(yīng)研究。通常，通信塔上配置有多個(gè)收發(fā)天線，同時(shí)在其底部或附近金屬箱內(nèi)安裝電源、交換機(jī)等通信相關(guān)電子設(shè)備，用于微波、超短波、無線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸與發(fā)射等，因此其周圍電磁場(chǎng)對(duì)于這類電子設(shè)備造成直接影響。根據(jù)材料不同可以將通信塔分為角鋼塔、鋼管塔;根據(jù)結(jié)構(gòu)不同又可以分為四柱塔、三柱塔、單管塔。將以四柱角鋼塔為例進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究，詳細(xì)討論其遭受雷擊時(shí)塔體周圍空間的電磁分布特性。

1 仿真計(jì)算模型

參照實(shí)體通信基站塔建立四柱角鋼塔模型。基站塔模型高10 m，其中4條傾斜的塔腿長(zhǎng)約8.05 m，其頂端至地面距離約7.96 m，之上有一層環(huán)形橫梁，地腳板為0.30 m×0.30 m，地腳板外沿距離3.30 m。4條塔腿上加有4層環(huán)形橫梁，其上沿距離地面高分別為1.72 m、4.28 m、6.08 m和7.39 m，斜交的角鋼結(jié)構(gòu)等對(duì)塔體進(jìn)行加固。塔體的材料為鐵，電導(dǎo)率σ|Fe=1.0×107S/m，相對(duì)磁導(dǎo)率μr|Fe=200。模型如圖1所示。

圖1 基站塔模式

接地樁簡(jiǎn)化為4根金屬圓柱［3-4］，材料與塔體的材料一致，如圖1(a)所示。土壤相對(duì)介電常數(shù)εr|g=10［6，14］，相對(duì)磁導(dǎo)率 μr|g=1，電導(dǎo)率 σ|g=0.002 S/m［6］。接地樁模型如圖1(b)所示。

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［4，6］，采用雙指數(shù)脈沖電流源作為激勵(lì)源，其函數(shù)表達(dá)式如下

其中 I0=10 kA，α =187191 s-1，β =19005100 s-1［6］。該雙指數(shù)脈沖電流源波形圖如圖2(a)所示，頻譜如圖2(b)所示。

根據(jù)尖端放電原理，在大氣電場(chǎng)作用下，物體表面曲率大的部位電場(chǎng)比其他地方強(qiáng)，更容易達(dá)到空氣擊穿閾值，當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，其附近空氣電離，形成上行先導(dǎo)，當(dāng)上行先導(dǎo)與下行先導(dǎo)連接，則上行先導(dǎo)始發(fā)位置為閃電閃擊點(diǎn)。激勵(lì)電流在通信塔頂端的尖端處注入，由于鐵塔結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，只需討論塔頂其中一個(gè)尖端被閃電擊中的情況即可。假定雷電流擊中l(wèi)egA對(duì)應(yīng)的頂部尖角，即由legA頂上的尖端處注入激勵(lì)電流，如圖2(a)所示。

首先，將鐵塔上橫材與斜材去除，僅保留如圖3所示部分，計(jì)算其瞬態(tài)電磁響應(yīng)。在鐵塔所圍空間內(nèi)部中心軸線O軸上4 m左右處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)OP(見圖3)，得到觀測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)變化情況，如圖4(a)所示。同時(shí)，該點(diǎn)磁場(chǎng)對(duì)應(yīng)頻譜如圖4(b)所示。

圖2 波形及頻譜

圖3 驗(yàn)證計(jì)算模型

由圖4(a)可以看到，磁場(chǎng)變化曲線上出現(xiàn)了明顯的振蕩現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)其頻譜則可見，該觀測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)在8.88 MHz處發(fā)生了諧振，1.5 MHz左右則出現(xiàn)較弱的諧振。當(dāng)關(guān)注該觀測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)不同方向的磁場(chǎng)分量時(shí)注意到，諧振現(xiàn)象主要體現(xiàn)在垂直于地面方向的分量(z分量)。圖5為該觀測(cè)點(diǎn)處垂直于地面方向的磁場(chǎng)分量及其頻譜。從圖5可以看到，磁場(chǎng)在1.49 MHz和8.88 MHz均發(fā)生了明顯的諧振現(xiàn)象。結(jié)果與文獻(xiàn)［6］的相關(guān)研究結(jié)果一致。

圖4 磁場(chǎng)變化曲線及磁場(chǎng)頻譜

圖5 磁場(chǎng)分量及頻譜

2 討論與分析

在通信塔所圍空間內(nèi)部中心軸M不同高度上設(shè)置磁場(chǎng)觀測(cè)點(diǎn):地面處觀測(cè)點(diǎn)M0及各層橫梁所圍區(qū)域中心設(shè)定觀測(cè)點(diǎn)M1～M5，距離地面高度依次為:1.682 m、4.235 m、6.039 m、7.349 m、7.924 m 距 離 地 面 高8.162 m、8.475 m、8.788 m、9.101 m、9.414 m處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)M6～M10。同時(shí)，在通信塔外部空間域與M軸平行的N軸上相應(yīng)位置設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)N0～N10。

圖6 通信塔內(nèi)部空間M軸上典型磁場(chǎng)變化曲線

通信塔內(nèi)部M軸上觀測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)變化曲線如圖6所示，圖7為對(duì)應(yīng)通信塔外部空間N軸上的觀測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)變化曲線(由于N軸上觀測(cè)點(diǎn)磁場(chǎng)變化曲線波形一致且部分點(diǎn)出磁場(chǎng)峰值比較接近，僅列出該軸上地面、1.682 m、4.235 m 3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)變化曲線)。

圖7 通信塔外部空間N軸上典型磁場(chǎng)變化曲線

從圖6、圖7可以看到，通信塔內(nèi)部空間的磁場(chǎng)明顯小于其外部空間的磁場(chǎng)值。與此同時(shí)，雖然外部區(qū)域的磁場(chǎng)明顯強(qiáng)于塔內(nèi)區(qū)域，但是，從塔底至塔頂磁場(chǎng)幅值基本始終保持在400～500 A·m-1變化，而塔內(nèi)區(qū)域在距離地面8 m以上的區(qū)域磁場(chǎng)開始迅速增強(qiáng)，峰值可達(dá)到250 A·m-1(即為:3.1416 Gs)左右，根據(jù)美國(guó)AD報(bào)告(AD-722675):當(dāng)LEMP磁場(chǎng)達(dá)到0.07 Gs時(shí)，即可導(dǎo)致正在運(yùn)行的無屏蔽計(jì)算機(jī)產(chǎn)生誤動(dòng)作;當(dāng)LEMP磁場(chǎng)達(dá)到2.4 Gs時(shí)，能使計(jì)算機(jī)永久性損傷。而此強(qiáng)度的磁場(chǎng)只是峰值為10 kA的電流脈沖產(chǎn)生的，而通常負(fù)極性地閃首次回?fù)舻睦纂娏鞣逯?0%為30 kA左右［15］，同時(shí)，通信鐵塔該區(qū)域正是通信天線的安裝位置，如果該量級(jí)的磁場(chǎng)通過通信天線耦合入基站系統(tǒng)，足以對(duì)其內(nèi)部電子設(shè)備造成致命損壞。因此對(duì)于一體化基站而言，無論將通信天線安裝在鐵塔的塔內(nèi)或塔外區(qū)域，合適的天饋防雷系統(tǒng)的安裝非常必要。

圖8 平分通信塔所圍空間縱切面時(shí)刻磁場(chǎng)空間分布圖

圖9 塔高4.2 m處橫切面時(shí)刻磁場(chǎng)空間分布圖

表1統(tǒng)計(jì)了部分通信塔內(nèi)外不同觀測(cè)點(diǎn)處的磁場(chǎng)峰值。從表1可以看出，通信塔內(nèi)部空間觀測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)峰值明顯小于其外部空間的磁場(chǎng)峰值，尤其是在7.924 m及其以下的幾個(gè)觀測(cè)點(diǎn)處。僅就列表的7點(diǎn)即可見，通信塔內(nèi)部的磁場(chǎng)并非隨高度呈現(xiàn)規(guī)律的遞增或遞減。

表1 通信塔內(nèi)/外空間觀測(cè)點(diǎn)處磁場(chǎng)峰值/A/m

選取縱切平分通信塔內(nèi)部空間的平面和塔高4.2 m處橫切面的不同時(shí)刻的磁場(chǎng)空間分布圖作為典例。同時(shí)，從磁場(chǎng)變化曲線可以看出，磁場(chǎng)在350 ns左右達(dá)到峰值，故以350 ns以及之前一些時(shí)間點(diǎn)的磁場(chǎng)為例給出不同時(shí)刻的磁場(chǎng)分布圖，如圖8、圖9所示。從縱切面的磁場(chǎng)空間分布圖及4.2 m處的橫切面的磁場(chǎng)空間分布圖可見，通信塔內(nèi)部空間的磁場(chǎng)明顯小于外部磁場(chǎng)。其次，從圖8中前兩張圖中可以看到，相比于激勵(lì)源一側(cè)空間的磁場(chǎng)，通信塔外遠(yuǎn)離激勵(lì)源的一側(cè)空間的磁場(chǎng)小于激勵(lì)源一側(cè)的磁場(chǎng)。再者，土壤層中的磁場(chǎng)明顯小于地面之上空間磁場(chǎng)，尤其是接地樁中間部分。最后，塔內(nèi)部空間的磁場(chǎng)并未呈現(xiàn)單調(diào)的遞增或遞減現(xiàn)象，同時(shí)，在部分區(qū)域出現(xiàn)磁場(chǎng)相對(duì)最小的情況。

IEC標(biāo)準(zhǔn)62305中采用Heidler函數(shù)描述首次和后續(xù)回?fù)簦褂迷摾纂娏髂Ｐ驮俅文M通信塔遭受雷電直擊的情況，計(jì)算此時(shí)通信塔周圍空間的磁場(chǎng)分布情況。圖10所采用的Heidler函數(shù)電流波形。類似的，文章中截選部分時(shí)間點(diǎn)為例給出不同時(shí)刻的磁場(chǎng)分布圖，如圖11、12所示。從磁場(chǎng)的空間分布圖不難得出類似的結(jié)論，即:通信塔內(nèi)部空間的磁場(chǎng)并未呈現(xiàn)單調(diào)的遞增或遞減現(xiàn)象，在部分區(qū)域出現(xiàn)磁場(chǎng)相對(duì)最小的情況。所以，在安裝基站設(shè)備時(shí)可以將部分敏感設(shè)備安裝在這些區(qū)域。

圖10 Heidler函數(shù)雷電流波形

圖11 平分通信塔所圍空間縱切面時(shí)刻磁場(chǎng)空間分布圖

圖12 塔高4.2 m處橫切面時(shí)刻磁場(chǎng)空間分布圖

3 結(jié)論

通過計(jì)算通信塔雷擊瞬態(tài)電磁響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)通信塔遭受雷擊時(shí)，其塔體所圍空間內(nèi)部的磁場(chǎng)遠(yuǎn)小于通信塔外部附近空間的磁場(chǎng)，故在架設(shè)通信塔設(shè)備時(shí)可以考慮將一些非必須裝在通信塔外、抗電磁干擾性能較差的元部件裝置在通信塔所圍空間內(nèi)部。同時(shí)，通信塔內(nèi)部空間的磁場(chǎng)并非隨高度呈現(xiàn)規(guī)律的遞增或遞減變化，故在安裝設(shè)備前可以先通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得在塔體所圍空間內(nèi)何處磁場(chǎng)值最小，進(jìn)而決定設(shè)備的具體安裝位置。

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