基于滾球法的共享鐵塔通信設(shè)備防雷位置選擇

中國電力工程顧問集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司 周 辰 戴雨劍 王 睿

中國能源建設(shè)集團(tuán)云南省電力設(shè)計(jì)院有限公司 田開慶

近年來共享型經(jīng)濟(jì)以其高效的資源利用受各行各業(yè)青睞并用于實(shí)踐。電網(wǎng)公司的高壓輸電鐵塔在全國地區(qū)廣泛分布，三大通信運(yùn)營商亦在大力發(fā)展第五代移動(dòng)通信技術(shù)，第五代移動(dòng)通信設(shè)備有著設(shè)備體量小、易掛載的優(yōu)勢，將通信設(shè)備與輸電鐵塔結(jié)合的共享型電力鐵塔不僅可實(shí)現(xiàn)鐵塔資源的充分利用，還能夠縮短5G通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)建設(shè)周期，有效實(shí)現(xiàn)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(gòu)筑，對于掛于高壓輸電鐵塔上的通信設(shè)備需滿足相關(guān)防雷要求。目前對于按照滿足防雷要求的通信設(shè)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(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50689—2011）和《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50057—2010）中要求，首先選取具體干字型鐵塔進(jìn)行“滾球法”計(jì)算，再通過對具體模型的類比分析，總結(jié)推導(dǎo)出對常規(guī)類型鐵塔的一般計(jì)算方法。

1 具體塔型的通信設(shè)備防雷位置選擇

滾球法（rolling ball method）是國際電工委員會(huì)（IEC）推薦的接閃器保護(hù)范圍計(jì)算方法之一。它的計(jì)算原理為，以某一規(guī)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(rèn)為是接閃器的保護(hù)范圍。滾球法是以hr半徑的一個(gè)球體，沿需要防直擊雷的部位滾動(dòng)，當(dāng)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(hù)的部位時(shí)，則該部分就能得到接閃器的保護(hù)。滾球法中滾球半徑hr是決定避雷針保護(hù)范圍的一個(gè)關(guān)鍵因素。IEC標(biāo)準(zhǔn)和我國的國家標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)建筑物的重要性，規(guī)定了建筑物的多種雷電防護(hù)等級(jí)，不同雷電防護(hù)等級(jí)的滾球半徑（hr/m）分別為I級(jí)為20，I、II級(jí)為30，II、III級(jí)為45，III、IV級(jí)為60。

根據(jù)前文介紹的計(jì)算方法，擬選用某確定塔型條件進(jìn)行實(shí)例計(jì)算，計(jì)算邊界條件如下：采用國家電網(wǎng)通用設(shè)計(jì)220kV干字型耐張塔2A2-J1，呼高h(yuǎn)為27m、全高為36.5m塔型進(jìn)行計(jì)算，采用I級(jí)防雷標(biāo)準(zhǔn)，即滾球半徑hr=20m。根據(jù)該塔型，利用滾球法可繪制出該塔的保護(hù)范圍如圖1～2，圖中尺寸數(shù)據(jù)的單位為mm。由圖1可看出該塔型實(shí)例除塔頂外其他部分均位于保護(hù)范圍內(nèi)。由圖2所示，塔頂區(qū)域根據(jù)滾球法計(jì)算結(jié)果量算，滾球伸入塔身區(qū)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(jì)算出靠近塔頂位置的通信天線應(yīng)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(hù)范圍示意圖

圖2 單回路干字型鐵塔塔頂部防雷保護(hù)范圍

2 通用塔型通信設(shè)備防雷位置選擇的一般性公式推導(dǎo)

滾球法是一個(gè)偏幾何的方法，規(guī)范在給出該方法時(shí)沒有對應(yīng)共享鐵塔相關(guān)計(jì)算的公式。故在確定共享鐵塔通信設(shè)備安裝位置時(shí)，需根據(jù)具體塔型防雷等級(jí)要求進(jìn)行逐一繪圖方能完成核驗(yàn)工作。但該種方法在批量計(jì)算時(shí)不占優(yōu)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(dǎo)出通用公式方便進(jìn)行代數(shù)計(jì)算。本文主要對使用較多的鼓（傘）型、干字型鐵塔進(jìn)行分析，推導(dǎo)一般性結(jié)論。輸電線路鐵塔的導(dǎo)線一般懸掛于橫擔(dān)一端，考慮通信設(shè)備的放電間隙影響，其一般應(yīng)布置于鐵塔的塔身部分，即圖3中①②③位置。以下針對該三個(gè)部分的型式特點(diǎn)進(jìn)行分析。

圖3 通信設(shè)備設(shè)置于輸電鐵塔的位置

2.1 塔身中部區(qū)域

從圖3可發(fā)現(xiàn)，對于塔身中部區(qū)域（②部分），塔身基本為鐵塔橫擔(dān)所包圍。總結(jié)各種電壓等級(jí)鐵塔的尺寸特點(diǎn)，該部分橫擔(dān)伸出長度和橫擔(dān)之間距離相近，按防雷規(guī)范中可取得的最小半徑滾球20m，輸電鐵塔最高電壓等級(jí)的橫擔(dān)層間距不超過25m，兩相對比可發(fā)現(xiàn)塔身中部區(qū)域（②部分）始終處于橫擔(dān)保護(hù)范圍內(nèi)。

2.2 塔身上部區(qū)域

對布置于塔身上部區(qū)域（①部分）的通信設(shè)備，塔身上部防護(hù)區(qū)域見圖4。圖4中白色區(qū)域?yàn)闈L球無法達(dá)到區(qū)域，即為可保護(hù)區(qū)域，紅色陰影區(qū)域?yàn)闈L球所能達(dá)到的區(qū)域，即為不可保護(hù)區(qū)域。由幾何關(guān)系易知，滾球切入塔頂?shù)奈恢脼槭?，該處區(qū)域受到塔頂和兩側(cè)的避雷線保護(hù)，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(shè)備安裝于塔身頂部（①部分）時(shí)，應(yīng)安裝在低于塔頂Hx處，x應(yīng)滿足式2。式1～2中：HX為天線距離塔頂?shù)淖钚“惭b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(dǎo)線下傾角，rad；Lc為絕緣子串長度，mm。

圖4 塔身上部防護(hù)區(qū)域

2.3 塔身下部區(qū)域

對布置于塔身下部區(qū)域（③部分）的通信設(shè)備，可描繪滾球區(qū)域如圖5：白色區(qū)域?yàn)闈L球無法達(dá)到區(qū)域、即為可保護(hù)區(qū)域，紅色陰影區(qū)域?yàn)闈L球所能達(dá)到的區(qū)域、即為不可保護(hù)區(qū)域，圖2中塔身的綠色范圍為塔身與滾球的接觸區(qū)間，無法被保護(hù)。根據(jù)上述情況，可假定一個(gè)狀態(tài)，使以滾球與鐵塔橫擔(dān)最外側(cè)接觸，同時(shí)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(shè)防等級(jí)（對應(yīng)滾球半徑hr）對于具體工程都是已知的數(shù)據(jù)。其中參數(shù)的幾何關(guān)系如下：

圖5 塔身下部防護(hù)區(qū)域

圖6 滾球接觸橫擔(dān)端部和塔身的極限狀態(tài)

式中：θ為滾球與鐵塔橫擔(dān)最外側(cè)接觸，同時(shí)與塔身和地面相切時(shí)，滾球圓心與鐵塔橫擔(dān)端部連線與水平線夾角，rad；L為鐵塔橫擔(dān)長度，mm；L1,L2,L3,L4為根據(jù)幾何特征對橫擔(dān)長度L作出的細(xì)分，mm；H為鐵塔呼高，mm；hx,hy,hz為根據(jù)幾何特征對鐵塔呼高H作出的細(xì)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(lián)立(3)(4)(11)式可將等式整理為其余參數(shù)與鐵塔呼高H的關(guān)系式12，式中：該處區(qū)域受到鐵塔橫擔(dān)和導(dǎo)線保護(hù)，考慮導(dǎo)線金具串長度和順線路方向?qū)Ь€下傾影響后，通信設(shè)備安裝于塔身下部區(qū)域（③部分）時(shí)，應(yīng)考慮上述影響，計(jì)及上述影響后修正的關(guān)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(dān)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(dǎo)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(shí)可設(shè)置在塔身下部區(qū)域（③部分）的任意位置。

當(dāng)掛點(diǎn)高度H值增大時(shí)，將出現(xiàn)中間有一段區(qū)間不再處于保護(hù)區(qū)間的情況，但是其下段區(qū)間和上段區(qū)間仍可被保護(hù)，反應(yīng)到圖6中，下段區(qū)間對應(yīng)的是hx值，上段區(qū)間對應(yīng)的是hy+hz的值。此時(shí)的通信設(shè)備安裝位置應(yīng)應(yīng)滿足Hx＜hx或Hx＞H-(hy+hz)，即：Hx＜hr(1-sinb)、Hx＞H-hr(cosb]2+sinb）

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

綜上，本文根據(jù)滾球法要求，結(jié)合電力鐵塔中常用的鼓（傘）型、干字型鐵塔形態(tài)特征，總結(jié)并推導(dǎo)了可用于該塔型通信設(shè)備安裝位置的代數(shù)計(jì)算公式。本文推導(dǎo)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(jìn)行進(jìn)一步的深化研究。