基于滚球法的共享铁塔通信设备防雷位置选择

中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司 周 辰 戴雨剑 王 睿

中国能源建设集团云南省电力设计院有限公司 田开庆

近年来共享型经济以其高效的资源利用受各行各业青睐并用于实践。电网公司的高压输电铁塔在全国地区广泛分布，三大通信运营商亦在大力发展第五代移动通信技术，第五代移动通信设备有着设备体量小、易挂载的优势，将通信设备与输电铁塔结合的共享型电力铁塔不仅可实现铁塔资源的充分利用，还能够缩短5G通信网络的基础建设周期，有效实现国家资源共享。由于高压输电铁塔多高度较高，容易成为附近的引雷构筑，对于挂于高压输电铁塔上的通信设备需满足相关防雷要求。目前对于按照满足防雷要求的通信设备挂载位置问题的研究较少。本文按照《通信局（站）防雷与接地工程设计规范》（GB50689—2011）和《建筑物防雷设计规范》（GB50057—2010）中要求，首先选取具体干字型铁塔进行“滚球法”计算，再通过对具体模型的类比分析，总结推导出对常规类型铁塔的一般计算方法。

1 具体塔型的通信设备防雷位置选择

滚球法（rolling ball method）是国际电工委员会（IEC）推荐的接闪器保护范围计算方法之一。它的计算原理为，以某一规定半径的球体在装有接闪器的建筑物上滚过，滚球体由于受建筑物上所安装接闪器的阻挡而无法触及某些范围，把这些范围认为是接闪器的保护范围。滚球法是以hr半径的一个球体，沿需要防直击雷的部位滚动，当球体只触及接闪器（包括被利用作为接闪器的金属物）或只触及接闪器和地面（包括与大地接触并能承受雷击的金属物）、而不触及需要保护的部位时，则该部分就能得到接闪器的保护。滚球法中滚球半径hr是决定避雷针保护范围的一个关键因素。IEC标准和我国的国家标准根据建筑物的重要性，规定了建筑物的多种雷电防护等级，不同雷电防护等级的滚球半径（hr/m）分别为I级为20，I、II级为30，II、III级为45，III、IV级为60。

根据前文介绍的计算方法，拟选用某确定塔型条件进行实例计算，计算边界条件如下：采用国家电网通用设计220kV干字型耐张塔2A2-J1，呼高h为27m、全高为36.5m塔型进行计算，采用I级防雷标准，即滚球半径hr=20m。根据该塔型，利用滚球法可绘制出该塔的保护范围如图1～2，图中尺寸数据的单位为mm。由图1可看出该塔型实例除塔顶外其他部分均位于保护范围内。由图2所示，塔顶区域根据滚球法计算结果量算，滚球伸入塔身区域最大处为404mm，按要求通信天线外伸长度不大于800mm，考虑地线出线的下倾角度一般不超过15°，可计算出靠近塔顶位置的通信天线应安装于低于塔顶不小于620mm处。

图1 单回路干字型铁塔防雷保护范围示意图

图2 单回路干字型铁塔塔顶部防雷保护范围

2 通用塔型通信设备防雷位置选择的一般性公式推导

滚球法是一个偏几何的方法，规范在给出该方法时没有对应共享铁塔相关计算的公式。故在确定共享铁塔通信设备安装位置时，需根据具体塔型防雷等级要求进行逐一绘图方能完成核验工作。但该种方法在批量计算时不占优势，考虑输电铁塔的几何外形基本相似，可针对该类型尺寸推导出通用公式方便进行代数计算。本文主要对使用较多的鼓（伞）型、干字型铁塔进行分析，推导一般性结论。输电线路铁塔的导线一般悬挂于横担一端，考虑通信设备的放电间隙影响，其一般应布置于铁塔的塔身部分，即图3中①②③位置。以下针对该三个部分的型式特点进行分析。

图3 通信设备设置于输电铁塔的位置

2.1 塔身中部区域

从图3可发现，对于塔身中部区域（②部分），塔身基本为铁塔横担所包围。总结各种电压等级铁塔的尺寸特点，该部分横担伸出长度和横担之间距离相近，按防雷规范中可取得的最小半径滚球20m，输电铁塔最高电压等级的横担层间距不超过25m，两相对比可发现塔身中部区域（②部分）始终处于横担保护范围内。

2.2 塔身上部区域

对布置于塔身上部区域（①部分）的通信设备，塔身上部防护区域见图4。图4中白色区域为滚球无法达到区域，即为可保护区域，红色阴影区域为滚球所能达到的区域，即为不可保护区域。由几何关系易知，滚球切入塔顶的位置为式1，该处区域受到塔顶和两侧的避雷线保护，考虑地线金具串长度和顺线路方向地线下倾影响后，通信设备安装于塔身顶部（①部分）时，应安装在低于塔顶Hx处，x应满足式2。式1～2中：HX为天线距离塔顶的最小安装高度，mm；hr为滚球半径，mm；L为地线间距离，mm；λ为天线伸出长度，mm；φ为导线下倾角，rad；Lc为绝缘子串长度，mm。

图4 塔身上部防护区域

2.3 塔身下部区域

对布置于塔身下部区域（③部分）的通信设备，可描绘滚球区域如图5：白色区域为滚球无法达到区域、即为可保护区域，红色阴影区域为滚球所能达到的区域、即为不可保护区域，图2中塔身的绿色范围为塔身与滚球的接触区间，无法被保护。根据上述情况，可假定一个状态，使以滚球与铁塔横担最外侧接触，同时与塔身和地面相切，如图6所示，其中H为铁塔呼高，S为塔腿距杆塔中心的距离；a为塔身坡度角；以及雷电设防等级（对应滚球半径hr）对于具体工程都是已知的数据。其中参数的几何关系如下：

图5 塔身下部防护区域

图6 滚球接触横担端部和塔身的极限状态

式中：θ为滚球与铁塔横担最外侧接触，同时与塔身和地面相切时，滚球圆心与铁塔横担端部连线与水平线夹角，rad；L为铁塔横担长度，mm；L1,L2,L3,L4为根据几何特征对横担长度L作出的细分，mm；H为铁塔呼高，mm；hx,hy,hz为根据几何特征对铁塔呼高H作出的细分，mm；hr为滚球半径，mm；b为滚球圆心与铁塔塔身垂足连线与水平线夹角，其值与塔身坡度角a互余，rad；S为塔腿距杆塔中心的距离。

将式3～9代入式10，整理可得式11，联立(3)(4)(11)式可将等式整理为其余参数与铁塔呼高H的关系式12，式中：该处区域受到铁塔横担和导线保护，考虑导线金具串长度和顺线路方向导线下倾影响后，通信设备安装于塔身下部区域（③部分）时，应考虑上述影响，计及上述影响后修正的关系为式13，式中：H为铁塔挂线高度，mm；hr为滚球半径，mm；L为横担边缘距离塔中心距离，mm；s为铁塔根开，mm；b为塔腿坡度角，rad；λ为天线伸出长度，mm；φ为导线下倾角，rad；Lc为绝缘子串长度，mm。本式中的意义在于，铁塔挂线高度Hx上述H值时可设置在塔身下部区域（③部分）的任意位置。

当挂点高度H值增大时，将出现中间有一段区间不再处于保护区间的情况，但是其下段区间和上段区间仍可被保护，反应到图6中，下段区间对应的是hx值，上段区间对应的是hy+hz的值。此时的通信设备安装位置应应满足Hx＜hx或Hx＞H-(hy+hz)，即：Hx＜hr(1-sinb)、Hx＞H-hr(cosb]2+sinb）

上段区间仍需要考虑绝缘子串和导线下倾影响，下段区间不再需要考虑绝缘子串和导线下倾影响。计及上述影响后修正的关系式为：Hx＜hr(1-sinb)、λtanφ-Lc。

综上，本文根据滚球法要求，结合电力铁塔中常用的鼓（伞）型、干字型铁塔形态特征，总结并推导了可用于该塔型通信设备安装位置的代数计算公式。本文推导的公式仅适用于塔身单段变坡较简单的鼓（伞）型、干字型铁塔，无法涵盖塔身存在多段变坡的酒杯、猫头等塔型的情况，对此类塔型的一般性公式，可进行进一步的深化研究。