基站共享电力铁塔防雷与接地安全评估研究.pdf
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1、邮电设计技术/2024/02收稿日期:2024-01-051 概述可靠的防雷与接地措施是保证电力系统和通信系统安全运行的重要因素,电力行业与通信行业在各自领域都有成熟的标准及规定,主要标准包括交流电气装置的接地设计规范(GBT 50065-2011)和通信局站防雷与接地工程设计规范(GB 50689-2011)等。但由于电力设施和信息通信设备的耐压水平存在较大差异,2个行业对于防雷保护的侧重点存在一定的差别1。总体上而言,电力行业侧重于线路的绝缘耐压,关键在于电力系统线路和杆塔等设备的过电压防护和绝缘配合,通信行业侧重于设备的精细保护,重点强调内部等电位连接结构以及“分级保护、逐级限压”的防雷
2、器分级配置2。共享铁塔是指在电力铁塔上悬挂射频拉远单元(RRU)及天线等通信设备,其中电力杆塔多为 35 kV、110 kV和220 kV,绝缘水平可达到几百千伏,而基站通信设备的耐受电压一般不超过2 kV3-4。当发生短路事故或雷击事故时,巨大的短路电流或雷电流会沿着铁塔流入大地,与接地结构和远端大地构成回路。由于铁塔钢支撑结构上电容电感以及接地电阻的存在,铁塔不同位置处会出现电位差5。当该电位差接基站共享电力铁塔防雷与接地安全评估研究Research on Lightning Protection and Grounding SafetyAssessment of Power Tower
3、Shared by Base Stations关键词:共享电力塔;防雷接地;安全评估doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2024.02.016文章编号:1007-3043(2024)02-0083-05中图分类号:E968文献标识码:A开放科学(资源服务)标识码(OSID):摘要:在电力杆塔上搭建5G基站是实现资源整合的有效途径,然而电力系统和通信系统在电压等级、系统负荷等方面相差甚远,必须兼顾二者要求进行综合性研究。基于220 kV电力铁塔和通信机房结构,建立了共享铁塔仿真模型,并通过分析计算不同雷电流、不同大地电阻率和不同间距下观测点的地电位升,得出重要结论:为保证
4、雷击铁塔时机房内多种线缆不被击穿,通信机房和电力铁塔地网必须采用联合接地方式,并针对原有接地方式提出了改进意见。Abstract:Building 5G base stations on power towers is an effective way to achieve resource integration.However,there is a significantdifference between power and communication systems in terms of voltage level and system load,and comprehensive
5、re-search must be conducted to meet the requirements of both.Based on the structure of 220 kV power tower and communica-tion room,it establishes a shared tower simulation model.By analyzing and calculating the ground potential rise of observationpoints under different lightning currents,ground resis
6、tivities and spacing,important conclusions are drawn:to ensure thatmultiple cables in the room are not broken down when lightning strikes the tower,the communication room and power towergrounding network must adopt a joint grounding method,and improvement suggestions are proposed for the original gr
7、ound-ing method.Keywords:Shared power tower;Lightning protection grounding;Safety assessment杭一帆,陈强,牛年增(中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司,河南 郑州450007)Hang Yifan,Chen Qiang,Niu Nianzeng(China Information Technology Designing&Consulting Institute Co.,Ltd.Zhengzhou Branch,Zhengzhou 450007,China)杭一帆,陈强,牛年增基站共享电力铁塔防雷与接地
8、安全评估研究综 合General引用格式:杭一帆,陈强,牛年增.基站共享电力铁塔防雷与接地安全评估研究 J.邮电设计技术,2024(2):83-87.832024/02/DTPT近或达到基站通信设备的耐受电压时,会发生击穿,引发通信设备故障。此外,RRU设备供电使用-48 V直流电沿铁塔布线,局部漏电情况下会造成中性点接地线电位升高,导致保护接零的设备外壳带电,威胁运检人员的人身安全。鉴于共享铁塔技术的初步探索现状,考虑到铁塔和通信设备权利归属以及电力部门与通信部门的责任划分等,共享铁塔的防雷与接地要求还未形成相应规范。因此,研究共享铁塔上通信设备与电力设备的相关影响机理,提出过电压防护措施是
9、当务之急。本文以220 kV电力铁塔和通信机房为研究对象,综合二者标准规范中防雷接地要求,在CDEGS接地分析软件中搭建共享铁塔仿真模型,运用频域矩量法分析不同状态下铁塔多个监测点位的地电位升,明确电力铁塔与通信机房的接地方式,并进一步提出优化方案,为后续共享铁塔的工程应用提供指导意见。2 共享铁塔现状将天线、光缆等通信设施依附在电力杆塔上,可以减小运营商的投资,实现基础设施资源的综合利用。共享铁塔布置如图1所示,RRU安装在电力铁塔约20 m高处,通信机房位于电力铁塔下方,光缆以及直流电源线则通过外部引入机房内6-7,共享铁塔连接示意如图2所示。当雷击铁塔顶端时,雷电流沿铁塔进入接地网泄流,
10、会影响铁塔和通信机房接地网的暂态地电位升分布情况,从而影响机房内通信设备的正常运行。此外,电源线、光缆及天线金属支架与铁塔塔身之间会产生强大的电位差,当电位差大于击穿电压时会引起线路失火,对通信机房的安全运行造成极大的威胁。目前电力铁塔和通信机房之间的接地方式为分散接地和联合接地,其中分散接地是将电力铁塔的接地和通信设施的接地完全分开,包括天线、馈电电缆、光缆、地网等。联合接地即上述设施通过可靠的连接方式联为一体,通信机房地网与电力塔地网相互连通,天线与塔身直接连接,馈电线用馈线卡子与塔身固定,在RRU侧通过防雷器与塔身连接。接地方式的不同很大程度上影响了雷击铁塔时外部引入电缆、光缆等设施的防
11、雷性能,因此二者的接地方式对整个共享铁塔是极其关键的。3 共享铁塔仿真建模3.1 模型搭建基于电力铁塔和移动通信机房的相关参数,采用国际上通用的接地仿真软件CDEGS,对工程中所采用的220 kV杆塔(型号:2F4SDJ)、杆塔接地体、通信机柜及通信机柜地网等进行建模,杆塔模型如图 3所示。在地网不相连的情况下,分别搭建了机房放置在电力塔外和塔内2种模型,其中水平接地体的等效半径为0.007 14 m,埋深为0.8 m,接地材料采用镀锌扁钢。铁塔接地网为水平铺设,放射接地极4根,垂直接地极4根;基站接地网为3 m4 m的矩形,垂直接地极4根。图1共享铁塔布置图3共享铁塔仿真模型图2共享铁塔连接
12、示意直流防雷盒交流电源线交流配电箱直流电源线开关电源BBU光缆RRU天线绝缘支架杭一帆,陈强,牛年增基站共享电力铁塔防雷与接地安全评估研究综 合General84邮电设计技术/2024/023.2 雷电流模型雷电流幅值、半峰值时间、波形陡度以及波形持续时间等变化范围很大,但其波形都是非周期性冲击波。进行雷击计算时,根据具体的应用场合,可以采用不同参数的雷电流。常见的雷电流波形有斜角波、半余弦波、半余弦波斜角平顶波、双指数波等。本次雷电流波采取的是IEC61312标准 雷电电磁脉冲的防护 中的双指数波形,具体为:i(t)=Im(e t e t)(1)其中,Im是雷电流峰值,为波前衰减系数,为波后
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