電力鐵塔與通信行業(yè)共享的技術(shù)研究

魯修學(xué)，胡淑兵，胡能萍

（中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計院有限公司，江西 南昌 330096）

0 引言

為加快建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型的社會，推進(jìn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展，探索電力與通信行業(yè)之間的資源整合共享，將成為貫徹落實科學(xué)發(fā)展觀和建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的一種具體體現(xiàn)和重要途徑。隨著電力網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展完善，輸電線路的覆蓋面愈加廣泛，形成了縱橫相交、分布廣泛、層次分明的電網(wǎng)通道。這種電網(wǎng)輸電線路網(wǎng)格化、全面覆蓋的布局特點(diǎn)，使得向通信行業(yè)設(shè)施提供電力桿塔資源創(chuàng)造了條件。同時，目前輸電線路通道日益緊張，很多地區(qū)輸電線路均存在與通信基站設(shè)施等存在相互沖突的情況。因此，研究電力鐵塔與通信行業(yè)之間的資源共享具有重要的現(xiàn)實意義。

2018 年初，隨著南方電網(wǎng)公司、國家電網(wǎng)公司先后與中國鐵塔公司簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，開啟了我國“共享鐵塔”的全新合作模式，標(biāo)志著電力、通信行業(yè)鐵塔共享的進(jìn)入了全面推廣應(yīng)用階段，之后南方電網(wǎng)、國家電網(wǎng)公司下屬多家省電力公司與中國鐵塔公司進(jìn)行了“共享鐵塔”試點(diǎn)應(yīng)用，運(yùn)行情況良好[1]。

1 電力鐵塔與通信基站共享

電力鐵塔與通信基站共享即在電力桿塔上加裝通信設(shè)備，將光纜、通信基站、移動天線等通信設(shè)施附屬在輸電線路鐵塔本體上，使電力鐵塔資源得到綜合利用。隨著通信行業(yè)的快速發(fā)展，基站需求量越來越大，新建通信桿塔不僅建設(shè)成本高、施工周期長，還將面對征地難、外部協(xié)調(diào)難等困境。如何多、快、好、省地建設(shè)通信基站，就十分迫切地擺在各運(yùn)營商面前。與電網(wǎng)開展電力鐵塔共享合作，在輸電鐵塔加掛通信天線設(shè)備作為通信基站，將成為解決上述問題的有效途徑。

電力鐵塔加掛基站天線技術(shù)方案，應(yīng)根據(jù)輸電線路鐵塔的相關(guān)情況和通信設(shè)施的技術(shù)要求，在輸電線路桿塔上選取合理位置設(shè)計安裝平臺，滿足移動天線等設(shè)備的安裝要求，提出饋線等設(shè)施的引下方案，確保其與通信機(jī)房的連接，滿足相關(guān)的電磁干擾、防雷保護(hù)、接地等要求。技術(shù)方案涉及的內(nèi)容主要有：基站安裝位置及連接方式分析，電力鐵塔荷載分析，基站及附屬設(shè)施的防雷和接地分析[2]。

1.1 基站安裝位置及與鐵塔連接方式分析

1.1.1 基站天線的高度設(shè)置分析

根據(jù)調(diào)研收資的資料，現(xiàn)網(wǎng)分場景的天線掛高分布范圍如表1所示，從下表可見，天線掛高分布范圍為25～50 m。但對于一些街道站，主要用于解決小密度大容量的需求問題，天線掛高一般分布范圍為10～15 m。

表1 現(xiàn)網(wǎng)分場景天線掛高 m

對于人口比較密集和繁華的區(qū)域，網(wǎng)絡(luò)覆蓋一般比較完善，基站的天線一般安裝較低，主要解決容量需求。根據(jù)調(diào)研收資的資料，目前通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋比較完善，電力鐵塔加裝通信基站主要作為一種補(bǔ)充和加強(qiáng)，天線掛高可以進(jìn)一步降低。同時，對《中國鐵塔公司標(biāo)準(zhǔn)通信鐵塔設(shè)計》中的塔型進(jìn)行統(tǒng)計，其天線高度分布于15～48 m之間，并且基站天線高度越低，風(fēng)壓越小，防雷性能越好，其接地線、饋線安裝也較為簡單，可供選擇的鐵塔也較多，同時具有較強(qiáng)的可操作性。

1.1.2 基站天線電力安全距離分析

基站天線加裝在電力鐵塔上的位置可分為三類：①安裝在塔頭段頂；②安裝在塔頭段身部，一般布置在順線路側(cè)的位置；③安裝在身部，位于導(dǎo)線掛點(diǎn)以下，一般四個塔身面均可布置。

從前期建設(shè)、后期運(yùn)維便利及安全管理的角度出發(fā)，方案①、方案②基站天線等設(shè)施若架設(shè)在帶電體附近或以上，一方面通信設(shè)施建設(shè)及維護(hù)過程中需電網(wǎng)公司配合停電，500 kV、220 kV、110 kV線路作為重要電力通道，可供停電作業(yè)的時間有限或者根本無法停電；另一方面，基站通信設(shè)施若發(fā)生脫落等事故，有可能會導(dǎo)致電網(wǎng)永久性接地事故，對電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成較大影響。本文推薦將基站天線安裝位置采用第③類：位于輸電線路帶電部分以下，并滿足相關(guān)的安全距離。效果圖如圖1。

圖1 雙回路塔位三維圖

電力鐵塔塔身段加掛基站天線，綜合考慮上述施工和運(yùn)行維護(hù)環(huán)節(jié)的影響，本技術(shù)方案按照在帶電體安全距離以下安裝基站天線等設(shè)施，滿足帶電施工、運(yùn)行維護(hù)的要求進(jìn)行設(shè)計，確保有足夠的安全距離。通信天線安裝位置與電力線路帶電點(diǎn)之間應(yīng)滿足表2所示中最大的空氣間隙值，其中帶電左右還應(yīng)考慮0.5 m的人體活動范圍，安裝位置與鐵塔下橫擔(dān)距離還應(yīng)考慮絕緣子串長+安全裕度。因此，各電壓等級下通信天線安裝位置（頂部）與鐵塔下橫擔(dān)之間最小距離應(yīng)符合表2數(shù)值。

表2 天線安裝位置與鐵塔下橫擔(dān)之間最小距離

1.1.3 通信基站與鐵塔連接方式分析

基站天線等設(shè)施與桿塔的連接，應(yīng)根據(jù)設(shè)備的布置方式和桿塔的特點(diǎn)，借鑒和參考通信鐵塔的構(gòu)造方式，選擇合理的構(gòu)造型式，符合相關(guān)要求。

1）連接構(gòu)造位置應(yīng)滿足安全距離、掛高要求，同時便于施工和運(yùn)行維護(hù)；

2）連接構(gòu)造型式力求簡單，傳力明確，連接牢靠，符合相關(guān)規(guī)程、規(guī)范的要求；

3）連接構(gòu)件強(qiáng)度穩(wěn)定、材質(zhì)、焊接、螺栓滿足相關(guān)規(guī)范、規(guī)范要求；

4）移動天線應(yīng)用固定卡箍與天線桿固定。安裝在鐵塔上的天線都應(yīng)用固定卡箍與天線桿擰緊。天線與天線支撐桿的連接應(yīng)不少于兩處。如果安裝在塔身側(cè)面，全向天線離塔體間距應(yīng)不小于1 m，定向天線離塔體間距應(yīng)不小于0.5 m。

1.2 電力鐵塔荷載分析

1.2.1 典型通信基站天線參數(shù)

選取加裝基站天線的桿塔，應(yīng)遵循安全、經(jīng)濟(jì)、影響最小的原則。

經(jīng)比較分析，盡量避免重冰區(qū)鐵塔、運(yùn)行年限較長的鐵塔及重要跨越段鐵塔上加裝基站天線，考慮到通信基站自身的重量及風(fēng)荷載，在電力鐵塔加裝基站時需對鐵塔的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行校驗。表3為典型電力鐵塔加掛通信天線參數(shù)表。

表3 典型電力鐵塔加掛通信基站參數(shù)表

1.2.2 桿塔結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

根據(jù)上述荷載選取代表桿塔，釆用線路專業(yè)設(shè)計軟件（道亨公司自立式鐵塔多塔高、多接腿滿應(yīng)力分析程序）建立計算模型，把基站天線等設(shè)施的負(fù)荷作為外部荷載加載到相應(yīng)的部位進(jìn)行計算。

經(jīng)分析得出以下結(jié)論：基站天線的負(fù)荷與桿塔標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計外部荷載相比，占比越小，對桿塔的影響越??；且基站天線掛高越低，對桿塔的影響越??；—般情況下，基站天線負(fù)荷對桿塔的影響，呈現(xiàn)小直線塔〉大直線塔〉耐張塔的遞增趨勢，具體按實際條件進(jìn)行進(jìn)一步的核算，以確保計算的準(zhǔn)確性和保證桿塔強(qiáng)度滿足設(shè)計要求。

1.3 基站及附屬設(shè)施的防雷和接地分析

1.3.1 天線及附屬設(shè)施的防雷保護(hù)

根據(jù)調(diào)研收資的情況和通信國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)要求，目前電網(wǎng)所設(shè)計的110 kV及以上的桿塔均按照雙地線設(shè)計。地線和導(dǎo)線的距離應(yīng)滿足檔中導(dǎo)地線配合的要求。其中：無冰、輕冰和中冰區(qū)，桿塔上地線對邊導(dǎo)線的保護(hù)角，對于同塔雙回或多回路，220 kV及以上線路的保護(hù)角均不大于0°，110 kV線路不大于10°；對于單回路，500 kV線路的保護(hù)角不大于10°，220 kV及以下線路不大于15°。保護(hù)角計算至分裂導(dǎo)線中心即可。

當(dāng)選擇將基站天線的安裝位置位于導(dǎo)線下方時，電力鐵塔的防雷保護(hù)完全可以滿足通信行業(yè)相關(guān)規(guī)范的防雷保護(hù)需要天線保護(hù)角的要求。饋線在電力鐵塔上敷設(shè)時不需要額外加裝保護(hù)設(shè)施，饋線直接連接室外接地網(wǎng)，用于饋線的最后一點(diǎn)接地。

1.3.2 天線及附屬設(shè)施的防雷保護(hù)

1）基站天線接地

根據(jù)通信國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》，當(dāng)天線在避雷針的保護(hù)范圍內(nèi)，基站天線的接地可使用塔身作為接地導(dǎo)體。輸電線路110 kV～500 kV鐵塔均按照雙地線設(shè)計的，完全可以滿足對于天線的保護(hù)，可以直接將電力鐵塔塔身作為接地導(dǎo)體，因此將基站天線通過接地線與鐵塔可靠連接即可。

2）通信基站接地

根據(jù)通信國家設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》，并結(jié)合中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司提供的設(shè)計報告。通信無線基站的接地采用聯(lián)合接地方式，基站的地網(wǎng)應(yīng)由機(jī)房地網(wǎng)、鐵塔地網(wǎng)和變壓器地網(wǎng)組成。

機(jī)房地網(wǎng)由機(jī)房建筑基礎(chǔ)（含地樁）和外圍環(huán)形接地體組成。環(huán)形接地體應(yīng)沿機(jī)房建筑物散水點(diǎn)外敷設(shè)，并與機(jī)房建筑物基礎(chǔ)橫豎梁內(nèi)兩根以上主鋼筋焊接連通。機(jī)房建筑物基礎(chǔ)有地樁時，應(yīng)將各地樁主鋼筋與環(huán)形接地體焊接連通。鐵塔地網(wǎng)應(yīng)采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，將鐵塔四個塔腳地基內(nèi)的金屬構(gòu)件焊接連通，鐵塔地網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸不應(yīng)大于3 m×3 m。鐵塔位于機(jī)房旁邊時，應(yīng)采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，在地下將鐵塔地網(wǎng)與機(jī)房外環(huán)形接地體焊接連通。鐵塔與機(jī)房地網(wǎng)之間可每隔3～5 m相互焊接連通一次，且連接點(diǎn)不應(yīng)少于兩點(diǎn)。

1.4 通信機(jī)房布置形式及電磁環(huán)境影響分析

通過對中國鐵塔公司的調(diào)研收資，了解通信機(jī)房的布置和機(jī)房設(shè)備情況，分析機(jī)房的布置方式和設(shè)備的電磁環(huán)境影響，提出設(shè)計方案。一般通信機(jī)房占地范圍為6 m×5 m，而緊湊型機(jī)房占地范圍為3 m×2 m，機(jī)房高度3 m左右，基礎(chǔ)埋深一般在地面下0.2 m。通信機(jī)房通過四處焊接連接與通信鐵塔接地網(wǎng)連成一體。

1.4.1 通信機(jī)房布置方案

電力鐵塔可看作一個金屬體外殼，并且和鐵塔接地網(wǎng)有效連接。如果把通信機(jī)房放置于電力鐵塔內(nèi)，可對外部的電場和電磁波產(chǎn)生一定的屏蔽作用，有利保護(hù)機(jī)房設(shè)備。同時，電力鐵塔內(nèi)部范圍已經(jīng)完成了征地補(bǔ)償，可實現(xiàn)征地的雙方共享，避免重復(fù)征地，減少項目投資。因此，通信機(jī)房布置方案推薦采用布置于電力鐵塔內(nèi)部的形式（詳見圖2）。具體論述如下：

通信機(jī)房布置于桿塔內(nèi)部，兩者在空間中存在重疊。當(dāng)進(jìn)行該方案選擇時，應(yīng)關(guān)注鐵塔內(nèi)部空間、塔基地質(zhì)情況、接地保護(hù)等技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)和難點(diǎn)。

1）鐵塔內(nèi)部空間

結(jié)合對通信機(jī)房的調(diào)研收資以及電力鐵塔的相關(guān)數(shù)據(jù)，500 kV鐵塔的內(nèi)部范圍可滿足一般通信機(jī)房的布置需求，110 kV和220 kV鐵塔的內(nèi)部范圍可滿緊湊通信機(jī)房的布置需求。當(dāng)鐵塔內(nèi)部空間無法滿足通信機(jī)房布置時，不能采用該方案。

2）塔基地質(zhì)情況

通信機(jī)房的基礎(chǔ)埋深較淺，通常在地面下0.2 m。塔位地形平緩時，其基礎(chǔ)的開挖一般不會影響到電力鐵塔的基礎(chǔ)。但當(dāng)塔位地形有起伏時，應(yīng)當(dāng)引起重視，首先需對塔位穩(wěn)定性進(jìn)行判斷；其次應(yīng)盡量優(yōu)化設(shè)計方案，合理控制開方量，例如通過回填抬高低洼處通信機(jī)房的基礎(chǔ)減少開方量；最后采取有效措施，妥善處理好多余的土方，避免形成二次隱患。根據(jù)云南山區(qū)輸電線路的設(shè)計經(jīng)驗，建議選取的塔位地形坡度不宜超過20°，不應(yīng)超過30°。

3）接地保護(hù)

GB50689—2011《通信局（站）防雷與接地工程設(shè)計規(guī)范》第6.2.5條中要求：接地網(wǎng)面積應(yīng)大于15 m×15 m。通信機(jī)房接地網(wǎng)一般采用40 mm×4 mm的熱鍍鋅扁鋼，埋深為1.0 m，敷設(shè)通信機(jī)房接地網(wǎng)時要注意避讓電力鐵塔塔腿處的接地線。結(jié)合目前電力線路的收資調(diào)研，所有500 kV線路和部分110 kV、220 kV線路的鐵塔接地網(wǎng)符合該要求，但對于一些運(yùn)營時間較長的線路，局部塔位接地電阻值有可能低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。因此，在采用該方案時，應(yīng)對鐵塔的接地網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測校核，若不滿足設(shè)計要求，應(yīng)采取相應(yīng)的技術(shù)手段。

圖2 通信機(jī)房布置方案

2 結(jié)語

文中從工程實踐出發(fā)，從“共享鐵塔”通信設(shè)施的安裝位置、連接方式、電力鐵塔荷載及饋線引下方案、防雷接地、通信機(jī)房布置形式及電磁環(huán)境影響等方面進(jìn)行了深入的研究分析，為“共享鐵塔”在工程實踐中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。