匡宇來，唐 波,2，謝黃海，李勃鋮，劉 鋼

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.湖北省輸電線路工程技術(shù)研究中心，湖北 宜昌 443002)

0 引 言

共享鐵塔通過在輸電鐵塔本體上加裝基站天線設(shè)備，鐵塔內(nèi)部布置通信機(jī)房，從而將電力與通信集成一體，以實(shí)現(xiàn)用地走廊共享。這種新的共享模式雖然經(jīng)濟(jì)價(jià)值巨大[1-2]，但由于通信機(jī)房與輸電鐵塔緊貼布置，造成二者之沒有了以往的防護(hù)間距，甚至共享接地網(wǎng)，不可避免地存在防雷安全隱患[3-6]。

傳統(tǒng)上，高壓輸電系統(tǒng)和通信系統(tǒng)在實(shí)際工程建設(shè)中一直要求相互遠(yuǎn)離[7]。但隨著土地資源的日趨緊張，電力和通信設(shè)備不可避免地面臨著近距離布置甚至共享的問題，此時(shí)兩者之間的接地需求矛盾開始凸顯。如文獻(xiàn)[8]研究了變電站與移動(dòng)基站共建時(shí)的防雷問題，認(rèn)為基站和變電站兩個(gè)接地網(wǎng)不應(yīng)該共享。而文獻(xiàn)[9]研究云數(shù)據(jù)中心與變電站共站時(shí)，卻認(rèn)為兩者接地網(wǎng)分別獨(dú)立布置將影響人身和設(shè)備安全，因此建議各接地網(wǎng)相互緊密連接。

對于輸電鐵塔與移動(dòng)基站來說，由于共享鐵塔是將基站的機(jī)房設(shè)置于鐵塔內(nèi)部，須在原輸電鐵塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，因此兩者接地網(wǎng)也無法避免存在兩者接地網(wǎng)是否共享的問題。對此，文獻(xiàn)[10]建議將原輸電鐵塔接地網(wǎng)與機(jī)房接地網(wǎng)至少3處焊接，以組建共用接地網(wǎng)。但文獻(xiàn)[11]卻認(rèn)為輸電鐵塔與移動(dòng)基站兩者之間應(yīng)保證一定的防護(hù)間距，且建議的防護(hù)距離達(dá)數(shù)十米甚至百米以上，這顯然無法應(yīng)用于共享鐵塔的接地網(wǎng)設(shè)計(jì)。另外，從接地電阻值規(guī)定來看[12-13]，輸電鐵塔接地網(wǎng)的電阻限值相對較大，雷擊時(shí)接地網(wǎng)地電位分布極不均勻[14]。若只是簡單地將通信機(jī)房放置在鐵塔接地網(wǎng)內(nèi)部，由于移動(dòng)基站對地電位的均勻性要求較高[13]，雷擊共享鐵塔時(shí)，鐵塔接地網(wǎng)強(qiáng)大且分布不均勻的地電位升將嚴(yán)重威脅通信機(jī)房內(nèi)的設(shè)備安全[15-17]。因此，針對于共享鐵塔來說，亟需明確一種合適的共用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案，以保證雷擊情況下輸電線路和通信設(shè)備均能正常運(yùn)行。

為此，本研究在深入探討共享鐵塔地電位分布的基礎(chǔ)上，將電磁場基本理論與電路理論相結(jié)合，推導(dǎo)了共享鐵塔接地網(wǎng)地電位的計(jì)算公式，并從降低地電位升和提高地電位均勻程度的角度，提出了一種適用于共享鐵塔接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)方案，降低了雷擊共享鐵塔塔頂時(shí)接地網(wǎng)的地電位，同時(shí)使其分布更均勻。

1 共享鐵塔接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 傳統(tǒng)接地網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)

為保證防雷安全，通信和電力行業(yè)均對各自設(shè)備接地網(wǎng)進(jìn)行了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。對于移動(dòng)基站，國標(biāo)[13]規(guī)定移動(dòng)基站接地網(wǎng)的相關(guān)要求為： 1)鐵塔四角包含機(jī)房時(shí)，接地系統(tǒng)應(yīng)利用建筑物基礎(chǔ)和鐵塔四角外設(shè)的環(huán)形地網(wǎng)作為其接地裝置，接地網(wǎng)面積應(yīng)大于15 m×15 m； 2)基站地網(wǎng)的接地電阻值不宜大于10 Ω； 3)土壤電阻率大于1 000 Ω·m的地區(qū)，可不對基站的工頻接地電阻予以限制，地網(wǎng)等效半徑應(yīng)大于10 m，地網(wǎng)四角還應(yīng)敷設(shè)10 m～20 m的熱鍍扁鋼作為輻射型接地體。4)移動(dòng)基站接地工程應(yīng)建立在均壓等電位的基礎(chǔ)上。

對于輸電鐵塔，國標(biāo)[12]規(guī)定在土壤電阻率低于2 000 Ω·m的地區(qū)，桿塔接地電阻值最低為10 Ω。若土壤電阻率超過2 000 Ω·m，接地電阻很難降到30 Ω，可采用6～8根總長不超過500 m的放射形接地體或連續(xù)伸長接地體，其接地電阻不受限制。

顯然，相比于傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)，移動(dòng)基站由于要考慮弱電設(shè)備防護(hù)，其接地網(wǎng)要求較高。

1.2 共享鐵塔接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)思路

傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)是由水平接地體和垂直接地體組成，一般沒有采取均壓措施[18]。在正常工作狀態(tài)下，鐵塔接地網(wǎng)各點(diǎn)電位接近似為零。而對于當(dāng)前工程中的共享鐵塔，見圖1，由于是在已建設(shè)好的輸電鐵塔上加裝基站天線與通信機(jī)房，因此通信機(jī)房在已有輸電鐵塔塔身內(nèi)部建設(shè)時(shí)，無法按照國標(biāo)[13]進(jìn)行接地網(wǎng)鋪設(shè)，而只能在原鐵塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上對鐵塔接地網(wǎng)進(jìn)行改造，以形成共用接地網(wǎng)。

然而，從上述接地網(wǎng)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以看出，移動(dòng)基站接地網(wǎng)相對鐵塔來說，要求更為嚴(yán)苛，若繼續(xù)沿用鐵塔原有接地網(wǎng)，單從接地阻值來看，就難以滿足移動(dòng)基站的接地標(biāo)準(zhǔn)。特別是雷擊時(shí)，由于輸電鐵塔接地網(wǎng)的電感效應(yīng)阻礙雷電流沿接地網(wǎng)水平導(dǎo)體向遠(yuǎn)端流散，使得電流只能在4個(gè)塔腳處注入點(diǎn)附近的一定范圍內(nèi)流散，造成鐵塔4個(gè)塔腳區(qū)域地電位升較高，電位梯度相應(yīng)較大。而中間區(qū)域，即機(jī)房安裝區(qū)域地電位升和電位梯度相對較小，從而造成鐵塔塔基區(qū)域地電位分布極不均勻[19]，這顯然嚴(yán)重不符合國標(biāo)[13]中“移動(dòng)基站接地工程應(yīng)建立在均壓等電位的基礎(chǔ)上”的標(biāo)準(zhǔn)要求。

因此，倘若不能合理布局與設(shè)置通信機(jī)房與輸電鐵塔的共用接地網(wǎng)，通信基站接地網(wǎng)除不能滿足國標(biāo)[13]中的數(shù)值規(guī)定，同時(shí)還由于處于較高電位差的區(qū)域內(nèi)，通信機(jī)房中的電子設(shè)備將存在反擊危險(xiǎn)[20-23]。

圖1 共享鐵塔機(jī)房安裝圖Fig.1 Share tower room installation drawing

這樣，改造后的共享鐵塔共用接地網(wǎng)實(shí)際上應(yīng)該滿足如下要求： 1)接地網(wǎng)面積應(yīng)大于15 m×15 m； 2)由于國標(biāo)[13]中對土壤電阻率大于1 000 Ω·m的地區(qū)，可不對基站的工頻接地電阻予以限制，所以筆者僅針對土壤電阻率小于1 000 Ω·m的地區(qū)，規(guī)定接地電阻值不大于10 Ω； 3)盡量保證接地網(wǎng)電位分布均勻，保證雷擊時(shí)接地網(wǎng)的地電位峰值和電位差不會(huì)對機(jī)房內(nèi)的設(shè)備造成危害。由于要求1和2可以通過簡單設(shè)計(jì)直接滿足，而要求3需要對不同接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)下的地電位分布進(jìn)行分析。因此，下面將對共享鐵塔接地網(wǎng)各點(diǎn)的電位進(jìn)行計(jì)算。

2 共享鐵塔接地網(wǎng)地電位的計(jì)算

2.1 共享鐵塔接地網(wǎng)計(jì)算模型

為獲得共享鐵塔接地網(wǎng)的地電位分布，需要對接地網(wǎng)上任意一點(diǎn)的地電位進(jìn)行求解?？紤]到共享鐵塔接地網(wǎng)是在傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上改造而成，可構(gòu)建如圖2所示的共享鐵塔地網(wǎng)計(jì)算模型，即帶4條水平射線的方框模型。

圖2 共享鐵塔接地網(wǎng)計(jì)算模型Fig.2 Shared tower grounding grid computing model

見圖2，對共享鐵塔接地網(wǎng)的8段接地導(dǎo)體分別以每段導(dǎo)體的中點(diǎn)為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，將每段導(dǎo)體等效為兩段導(dǎo)體，分段后新導(dǎo)體的等效電阻為R1′、R1″、R2′、R2″、……、R8′、R8″。雷擊共享鐵塔塔頭時(shí)，雷電流由4個(gè)塔腳注入接地網(wǎng)，其大小分別為Ia1、Ia2、Ia3、Ia4。4個(gè)塔腳為4個(gè)節(jié)點(diǎn)，其電位分別為φa1、φa2、φa3、φa4，水平射線的4個(gè)端點(diǎn)為另外4個(gè)節(jié)點(diǎn)，其電位分別為φa5、φa6、φa7、φa8。假設(shè)雷電流分別從8段接地導(dǎo)體的中部流出，則各接地導(dǎo)體對應(yīng)的泄漏電流分別為Ib1、Ib2、……、Ib8，各接地導(dǎo)體中點(diǎn)處的電位分別為φb1、φb2、……、φb8。

2.2 共享鐵塔接地網(wǎng)電位計(jì)算

設(shè)電流流入導(dǎo)體的方向?yàn)檎?，對圖2中從各接地導(dǎo)體中點(diǎn)處流出的泄漏電流Ib1、Ib2、……、Ib8，以及從4個(gè)塔腳注入的雷電流Ia1、Ia2、Ia3、Ia4列寫節(jié)點(diǎn)電壓方程：

(1)

(2)

將式(1)和式(2)中的電阻倒數(shù)用電導(dǎo)形式表示，令A(yù)表示每段導(dǎo)體中部節(jié)點(diǎn)的自導(dǎo)，可得到如式(3)所示的8階對角矩陣：

(3)

令B表示所有中部節(jié)點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的互導(dǎo)，可得到式(4)所示的8階矩陣：

(4)

令C為B的轉(zhuǎn)置，即C=BT，代表所有端部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)的互導(dǎo)。

令D為每段導(dǎo)體端部節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)，可得到式(5)所示的8階對角矩陣：

(5)

獲得A、B、C、D后，將式(1)和式(2)進(jìn)行整理，可得到共享鐵塔接地網(wǎng)各導(dǎo)體段端部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)的電位方程：

(6)

式中，A、B、C、D為共享鐵塔接地網(wǎng)的電導(dǎo)矩陣，矩陣中各元素單位為S。待求向量為φa=[φa1,φa2, ……,φa8]T和φb=[φb1,φb2,……,φb8]T，分別表示圖2中各導(dǎo)體段端部節(jié)點(diǎn)電位和中部節(jié)點(diǎn)電位，單位為V；Ia=[Ia1,Ia2,Ia3,Ia4,0,0,0,0]T表示雷電流從4個(gè)塔腳點(diǎn)注入，單位為A；Ib=[Ib1,Ib2, ……,Ib8]T為從各導(dǎo)體段中部流出的泄漏電流，單位為A。

式(6)中，A、B、C、D、Ia均已知，未知量為φa、φb和Ib，因此，為求解出φa、φb和Ib還需要額外方程進(jìn)行求解。考慮到泄漏電流Ib與共享鐵塔接地網(wǎng)的互阻矩陣R、導(dǎo)體中部節(jié)點(diǎn)電位φb之間存在關(guān)系：

Ib=R-1φb

(7)

將式(7)代入式(6)可得：

(8)

由式(8)可以看出，只需求出共享鐵塔接地網(wǎng)中各段接地導(dǎo)體間的互阻矩陣R，即可求出φa和φb。至此，所要解決的問題僅為互阻矩陣R的求解。

為求解互阻矩陣R，就需要求出共享鐵塔接地網(wǎng)每段導(dǎo)體的自電阻Rii，以及任意兩段導(dǎo)體i和j之間的互電阻Rij。對于空氣-土壤這種半無限大均勻媒質(zhì)，即將大地視為單層均勻模型，接地導(dǎo)體自身與無窮遠(yuǎn)處之間的電阻為自電阻Rii；利用鏡像法求解任意兩段接地導(dǎo)體i和j之間的互電阻Rij時(shí)，要考慮空氣中鏡像i′或j′的影響[24]。

考慮到共享鐵塔接地網(wǎng)導(dǎo)體直徑遠(yuǎn)小于其土壤埋深，因此可將其視為處于均勻分布的土壤空間。以接地網(wǎng)平面正中心為原點(diǎn)o，建立如圖3所示的圓柱坐標(biāo)系(r,θ,z)。坐標(biāo)系的z軸平行于圖2中R1′和R1″；r為空間任意一點(diǎn)到z軸的垂直距離；θ為空間任意一點(diǎn)和z軸組成的平面與共享鐵塔接地網(wǎng)所處平面的夾角。圖3所示的圓柱坐標(biāo)系即可確定空間中任意一點(diǎn)N(rN,θN,ZN)的位置。

圖3 接地體圓柱坐標(biāo)系Fig.3 Cylindrical coordinate system of grounding body

對于共享鐵塔接地網(wǎng)中第i段接地導(dǎo)體，在求解其自電阻Rii時(shí)，為了簡化運(yùn)算，設(shè)點(diǎn)P與共享鐵塔接地網(wǎng)處于同一平面，即θP=0，可由圓柱坐標(biāo)系可得到第i段接地導(dǎo)體在點(diǎn)p(rp,0,zp)產(chǎn)生的電位為

(9)

式中，ρg為大地土壤電阻率，單位為Ω·m；li為第i段接地導(dǎo)體長度，單位為m；δi為沿第i段接地導(dǎo)體散流至土壤的泄漏電流密度，δi=Ibi/li，單位為A/m，Ibi為第i段接地導(dǎo)體的泄漏電流，單位為A；zp為點(diǎn)P的z軸坐標(biāo)，rp為點(diǎn)P到z軸的垂直距離，zε為第i段接地導(dǎo)體中軸線上任意一微段dz的z軸坐標(biāo)，rε為此微段到z軸的垂直距離，其單位均為m。

為了提高計(jì)算精度，當(dāng)導(dǎo)體分段數(shù)足夠多時(shí)，假定泄漏電流沿各段導(dǎo)體均勻分布，可用第i段導(dǎo)體表面各點(diǎn)電位的平均值作為該段導(dǎo)體的電位。令|rε-rp|等于第i段接地導(dǎo)體半徑ai，即將點(diǎn)P定位到第i段導(dǎo)體表面，zp等于變量z，再由積分得到共享鐵塔接地網(wǎng)第i段接地導(dǎo)體的平均電位Ui為

(10)

則第i段接地導(dǎo)體的自電阻Rii等于第i段接地導(dǎo)體表面的平均電位與無窮遠(yuǎn)處電位的差值比上第i段導(dǎo)體的泄漏電流：

(11)

式中，ρg為大地土壤電阻率，單位為Ω·m，g代表大地；i代表共享鐵塔接地網(wǎng)中的第i段接地導(dǎo)體，i=1,2, ……,8；li為第i段導(dǎo)體段長度，ai為第i段導(dǎo)體段半徑，單位均為m。

(12)

圖4 互電阻計(jì)算示意圖Fig.4 Schematic diagram of cross resistance calculation

由式(11)和式(12)可表示出共享鐵塔接地網(wǎng)中任意一段導(dǎo)體的自電阻Rii和任意兩段接地導(dǎo)體之間的互電阻Rij，進(jìn)而可以得到共享鐵塔接地網(wǎng)的電阻矩陣R。

(13)

對于圖2共享鐵塔接地網(wǎng)中的電阻矩陣R，其為8階矩陣，進(jìn)而由式(7)、(8)可以得到共享鐵塔接地網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的電位φa、φb和各段導(dǎo)體的泄漏電流Ib。

對于后續(xù)改造的共享鐵塔接地網(wǎng)，接地導(dǎo)體數(shù)量會(huì)增加，對于存在n段導(dǎo)體的接地網(wǎng)，會(huì)有n個(gè)中部節(jié)點(diǎn)和m個(gè)端部節(jié)點(diǎn)。此時(shí)，式(8)中的φa轉(zhuǎn)化為m維未知列向量，表示共享鐵塔接地網(wǎng)各導(dǎo)體段端部節(jié)點(diǎn)電位，φb轉(zhuǎn)化為n維未知列向量，表示各導(dǎo)體段中部節(jié)點(diǎn)電位，即：

(15)

此時(shí)式(8)中的R改寫成為n階矩陣；A改寫成為n階對角矩陣，表示每段導(dǎo)體中部節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)；B改寫成為n×m階矩陣，表示所有中部節(jié)點(diǎn)和端部節(jié)點(diǎn)的互導(dǎo)；C為B的轉(zhuǎn)置，改寫成為m×n階矩陣，表示所有端部節(jié)點(diǎn)和中部節(jié)點(diǎn)的互導(dǎo)；D改寫成為m階對角矩陣，表示每段導(dǎo)體端部節(jié)點(diǎn)自導(dǎo)；Ia、Ib也可相應(yīng)地改寫為m維和n維列向量。然后再通過式(8)求解出共享鐵塔接地網(wǎng)任意節(jié)點(diǎn)的電位，同時(shí)可以得到各導(dǎo)體段段的泄漏電流Ib進(jìn)而得到大地上任意點(diǎn)的電位，從而可以判斷接地網(wǎng)地電位的均勻程度。

3 共享鐵塔共用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)與計(jì)算

由于共享鐵塔接地網(wǎng)是在傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造而成，為證實(shí)前者在接地防雷方面優(yōu)于后者，需要對兩者的地電位分別進(jìn)行計(jì)算。

3.1 傳統(tǒng)接地網(wǎng)地電位分布

移動(dòng)基站接地網(wǎng)與輸電鐵塔接地網(wǎng)分開敷設(shè)時(shí)的模型見圖5，而傳統(tǒng)輸電鐵塔的接地網(wǎng)模型僅由左側(cè)方框加4條水平接地體組成。本模型中土壤電阻率為600 Ω·m，接地材料為半徑0.006 m的鋼材料，輸電鐵塔地網(wǎng)由12 m×12 m的接地框與4根長度為20 m的水平接放射形接地體組成。移動(dòng)基站接地網(wǎng)由20 m×20 m的網(wǎng)格和數(shù)根長度為5 m的垂直接地體組成，水平接地體均埋深0.8 m。當(dāng)兩接地網(wǎng)近距離敷設(shè)時(shí)，由一根水平接地體相連。經(jīng)計(jì)算，輸電鐵塔接地網(wǎng)與移動(dòng)基站接地電阻的電阻分別為10.118 Ω、8.929 Ω，均符合國標(biāo)[12]與國標(biāo)[13]的接地要求。雷電流采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62305-1, 2.6/50 μs，10 kA的雙指數(shù)雷電流模型。

圖5 傳統(tǒng)接地網(wǎng)模型Fig.5 Traditional grounding grid model

當(dāng)雷電流經(jīng)塔身注入接地網(wǎng)時(shí)，接地網(wǎng)的計(jì)算結(jié)果見圖6，圖6(a)為輸電鐵塔接地網(wǎng)矩形框部位的地電位分布，可以明顯看出地電位分布極不均勻。鐵塔的4個(gè)塔腳處地電位最高，其值為127 803.6 V，中心區(qū)域地電位最小為94 835.04 V，二者相差32 968.56 V。圖6(b)是將兩者接地網(wǎng)分開敷設(shè)時(shí)移動(dòng)基站接地網(wǎng)的地電位分布，雷電流從輸電鐵塔接地網(wǎng)流向移動(dòng)基站接地網(wǎng)，在移動(dòng)基站接地網(wǎng)上，地電位分布呈現(xiàn)左高右低的趨勢。左側(cè)最大地電位為70 421.25 V，右側(cè)最小地電位57 896.38 V，二者相差12 524.87 V。

圖6 傳統(tǒng)接地網(wǎng)地電位計(jì)算結(jié)果Fig.6 The calculation results of ground potential in the traditional grounding grid

由此可見傳統(tǒng)接地網(wǎng)的布設(shè)方法存在地電位分布極其不均勻、電位梯度大的特點(diǎn)，所以在原輸電鐵塔接地網(wǎng)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)共享鐵塔共用接地網(wǎng)時(shí)，一方面要降低地電位，另一方面要均衡地電位。

3.2 共享鐵塔接地網(wǎng)設(shè)計(jì)及其地電位分布

3.2.1 共用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)

為降低接地網(wǎng)的地電位，在雷電流大小不變的情況下，只能降低接地網(wǎng)的接地電阻。在原輸電鐵塔接地網(wǎng)矩形框外增設(shè)一圈水平接地極，既可以起到增大接地網(wǎng)面積，又可以起到均勻環(huán)的作用[25]。見圖7(a)，記為方案1，經(jīng)計(jì)算，其接地電阻為8.831 6 Ω。

考慮到機(jī)房安裝區(qū)域沒有設(shè)置接地體，會(huì)導(dǎo)致其區(qū)域與鐵塔塔腳周圍形成較大的電位差，所以需要在機(jī)房安裝區(qū)域增設(shè)接地體以均衡地電位[26]。見圖7(b)，在接地網(wǎng)中心區(qū)域增設(shè)了兩根水平垂直交叉的接地體，記為方案2，經(jīng)計(jì)算，其接地電阻為8.676 3 Ω。

由文獻(xiàn)[20]可知，接地網(wǎng)較單個(gè)接地極在相同頻段內(nèi)地電位分布更加均勻，見圖7(c)，將圖7(b)中接地網(wǎng)矩形框部分設(shè)計(jì)成網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，接地網(wǎng)規(guī)模為20 m×20 m，網(wǎng)格間距為3.33 m，記為方案3，經(jīng)計(jì)算，其接地電阻為8.397 4 Ω。

當(dāng)接地網(wǎng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)后，導(dǎo)體數(shù)量變多，相較之前簡單接地結(jié)構(gòu)其散流能力更強(qiáng)，地面電位分布也更加均勻[27]。但是隨著高頻電流帶來的集膚效應(yīng)的影響，電流在土壤中的散流受到阻礙，電流集中分布在接地導(dǎo)體周圍的淺層土壤，深層土壤的散流能力沒有得到充分利用[28-29]。文獻(xiàn)[30-31]建議在水平接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上添加垂直接地極，使雷電流散流至深層土壤。見圖7(d)，在矩形接地網(wǎng)的4個(gè)頂點(diǎn)加上4根埋深5 m的垂直接地體，記為方案4，經(jīng)計(jì)算，其接地電阻為8.142 7 Ω。由此可見，4種接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案均符合國標(biāo)[12]與國標(biāo)[13]的接地要求。

圖7 共用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案Fig.7 Design scheme of common grounding grid

3.2.2 地電位分析

方案1的計(jì)算結(jié)果見圖8(a)，最大地電位120 416.4 V與最小地電位103 268 V之間相差17 148.4 V，相比于原輸電鐵塔接地網(wǎng)，最大地電位有所下降，且最大地電位梯度有明顯下降，但相比于將兩者接地網(wǎng)分開敷設(shè)時(shí)移動(dòng)基站的地電位，方案1的地電位會(huì)更大，這是因?yàn)樵趫D5模型中，雷電流在兩個(gè)地網(wǎng)之間的土壤中消耗一部分能量。通過觀察可以發(fā)現(xiàn)，方案1仍是中4個(gè)鐵塔塔腳周圍的地電位最大，鐵塔內(nèi)部機(jī)房區(qū)域的地電位最小。

方案2的計(jì)算結(jié)果見圖8(b) ，在鐵塔內(nèi)部地網(wǎng)區(qū)域加設(shè)兩個(gè)垂直交叉的水平接地體后，兩根接地體交叉點(diǎn)周圍的地電位明顯增大。接地網(wǎng)內(nèi)最大地電位123 144.1 V與最小地電位105 530.3 V相差17 613.8 V，最大地電位梯度相比模型1而言反而還增加了2.64%。

方案3的計(jì)算結(jié)果見圖8(c)，當(dāng)共用接地網(wǎng)中間區(qū)域設(shè)計(jì)為網(wǎng)格形狀后，地網(wǎng)最大地電位相比方案1和方案2都有所下降，最大地電位為115 494 V，與最小地電位105 333.4 V相差10 160.6 V，最大地電位梯度相比方案1，下降了40.75%。

方案4的計(jì)算結(jié)果見圖8(d)，加入垂直接地體后，最大地電位為113 370.7 V，最小地電位103 739.1 V相差為9 631.6 V，最大地電位梯度相比方案1，下降了43.83%。

4種設(shè)計(jì)方案的計(jì)算結(jié)果見表1，由表中數(shù)據(jù)可知，由于這4種方案在傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)的基礎(chǔ)上增加了若干接地體，接地網(wǎng)電阻有所降低，使得這4種方案的地電位最大值均小于傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)。在接地網(wǎng)逐漸改造為密集的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)后，在原先接地網(wǎng)空白區(qū)域增加了分布規(guī)律的接地體，使得這片接地網(wǎng)區(qū)域內(nèi)各接地體上產(chǎn)生的電阻矩陣R，相較于之前會(huì)更接近，根據(jù)式(15)求解出的φc、φd之間的差值也會(huì)減小，使得地電位分布會(huì)更均勻，最大地電位梯度會(huì)減小。

表1 計(jì)算結(jié)果Table 1 Calculation results (V)

其中方案3與方案4的最大地電位梯度甚至還要小于將兩者接地網(wǎng)分開敷設(shè)時(shí)的最大地電位梯度。方案3與方案4將共享鐵塔接地網(wǎng)設(shè)計(jì)成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其地電位分布會(huì)比較均勻，最大地電位梯度相比于方案1分別下降了40.75%和43.83%，其中方案4地電位升分布最為均勻，地電位最大值也最小。所以方案4為最佳的共用接地網(wǎng)設(shè)計(jì)方案。

4 結(jié) 論

1)雷電流對共享鐵塔機(jī)房的危害主要表現(xiàn)在地電位偏大且分布不均勻，其中鐵塔塔腳處地電位最大，機(jī)房安放的中心區(qū)域地電位最小。

2)相比于傳統(tǒng)方框加水平射線的接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)接地網(wǎng)能有效均衡地電位分布，更能符合移動(dòng)基站對接地安全的要求。

3)建議將方案4作為共享鐵塔接地網(wǎng)的設(shè)計(jì)模型，其方案對機(jī)房內(nèi)設(shè)備的保護(hù)要優(yōu)于傳統(tǒng)輸電鐵塔接地網(wǎng)及其將兩者接地網(wǎng)分開敷設(shè)，在雷擊下具有地電位峰值最小且分布最為均勻的優(yōu)點(diǎn)，最大地電位梯度相比于方案1下降了43.83%。