CN113052449A - 满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法 - Google Patents
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Abstract
本发明关于一种满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,以电脑设备及程序参与运作,参考通信行业相关要求,同时通过防雷简化计算并结合电磁参数进行判断,提出通信设备安装位置的设计方法,并通过电磁环境仿真计算获得电磁环境指标,进而进行通信设备性能仿真计算,利用计算结果校验是否满足通信设备性能指标和检修人员电磁环境指标耐受阈值,最终准确确定通信设备在共享铁塔上的最优安装位置的设计方法。系统性和通用性较强,同时可满足共享铁塔上通信设备防雷性能和对高压输电线的电气间隙距离等要求,保证通信设备性能及检修人员生理和心理健康,节省设计资源和时间成本。
Description
技术领域
本发明涉及通信行业与电力行业的铁塔共享领域,具体关于一种满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法。
背景技术
现今,“共享铁塔”加入“共享经济”的大家庭,通信行业与电力行业的铁塔共享即将通信基站、通信天线等通信设备挂设在电力铁塔之上,“共享铁塔”已经进入全面推广阶段。具体而言,共享铁塔是指在电力塔杆上加装通讯设备或其它行业设备设施从而实现电力通道资源获得再利用和综合利用。现阶段共享铁塔应用通常为高压输电铁塔上安装通讯基站,将光缆、通信基站和移动天线等设施,从而实现无线通信基站功能。
然而,通信基站等通信设备在共享铁塔上的挂设位置尚无系统的方法研究。目前已经建设的共享铁塔均为试点建设,通信设备在共享铁塔上的安装位置选择方法系统性、通用性不强,若大规模建设共享铁塔容易造成设计人力资源和铁塔资源浪费。尤其是需要通信设备安装在高压输电线路铁塔上要满足防雷及电气安全间隙距离要求,这就涉及到如何准确科学的选择通信设备在共享铁塔上的安装位置。
目前现有通信设备在共享平台安装位置选择方法主要沿用电力和通信两个行业各自的规程规范及相关规定,没有一个对于通信设备和输电线路的电气距离及防雷要求的整体要求,系统性、通用性和实用性不强。以往方法有可能造成通信设备性能无法保证、铁塔资源浪费或者影响检修人员生理和心理健康。
针对现有通信设备在共享铁塔上安装位置设计方法存在的问题,本发明以通信设备防雷性能要求及电气安全间隙距离为基础,通过对铁塔不同位置的通信设备进行防雷性能计算以及电气间隙安全距离仿真计算,来确定通信设备安装的最佳位置,系统性和通用性较强,同时可满足共享铁塔上通信设备防雷性能和对高压输电线的电气间隙距离等要求,保证通信设备性能及检修人员生理和心理健康,节省设计资源和时间成本。
发明内容
有鉴于先前技术的问题,本发明者认为应有一种改善的设计方法,为此设有一种满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,以通信设备性能要求及检修人员安全为基础,从设备正常运行、带电检修等多维度考虑,参考通信行业相关要求,同时通过防雷计算并结合电磁参数进行判断,较为全面的提出通信设备安装位置的设计方法并通过电磁环境仿真计算获得电磁环境指标,进而进行通信设备性能仿真计算,利用计算结果校验是否满足通信设备性能指标和检修人员电磁环境指标耐受阈值,最终准确确定通信设备在共享铁塔上的最优安装位置的设计方法。
本发明关于一种满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,以电脑设备与程序参与运作,在参考电力规程规范的基础上,通过防雷计算和电气安全距离计算确定通信设备安装位置,至少包含以下步骤:
步骤A:确定检修人员可承受电磁环境阈值;
步骤B:确定共享铁塔电力线路电压等级;
步骤C:确定通信设备类型以及其可承受电磁环境的阈值;
步骤D:根据电力行业和通信行业相关规程规定,以及步骤B及步骤C的各项目数据,确定相关规程要求的电气安全距离以及通信设备在共享铁塔上的安装位置;
步骤E:确定通信设备防雷等级;
步骤F:确定共享铁塔类型及尺寸;
步骤G:依据防雷规程要求,将步骤E及步骤F中确定的数据代入推导的简化公式进行计算分析并确定满足防雷要求的通信设备安装位置范围;
步骤H:将步骤C及步骤G中获取的通信设备在共享铁塔上的安装位置数据进行对比分析,初步确定可同时满足电气安全距离及防雷需求的通信设备安装位置;
步骤I:对于步骤A的可承受电磁环境阈值数据及步骤F中确定的铁塔尺寸数据进行建模仿真,并计算根据步骤H中确定的安装位置的通信设备的电磁环境指标数据,将电磁环境指标数据进一步仿真计算输出通信设备在当前位置的通信性能指标数据;
步骤I:对于步骤I中获得的通信性能指标数据进行判断分析;
(1).如步骤F判断结果为满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,则确定当前位置为满足防雷需求及电气安装距离的通讯设备在共享铁塔的安装位置;
(2).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,可以调整通信设备安装位置后返回步骤H并重复后续步骤。
(3).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,还可以调整共享铁塔呼高后返回步骤G并重复后续步骤。
进一步的,上述步骤G中的防雷计算分析方法通过一般输电铁塔防雷位置选择的简化公式进行计算,具体包含如下简化公式及判断方法:
G1:当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,满足防雷安全的位置为将通信设备设置于距离塔顶以下Hx处,其中Hx为通信设备距离塔顶的最小安装高度,其满足如下公式G1-1:
G2:当需要将通信设备位置选择于塔身位置时,需满足铁塔挂线高度小于H,其具体公式为G2-1:
G3:当铁塔挂线高度大于上述G2中的H计算结果时,满足防雷安全的位置为将通信设备设置高度Hx满足如下公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (G3-1);
或Hx满足如下公式G3-2:
进一步的,上述G1中的公式G1-1的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔顶位置可得如下公式(1):
在公式(1)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾
影响参数进一步将公式(1)推导为公式(2):
其中,参数hx为天线距离塔顶的最小安装高度;
进一步的,上述G2中的公式G2-1的具体推导方法为:根据滚球方法切入塔身位置并根据几何关系可逐步进行如下推导:
H=hz+hr (2);
hr=hx+hy (3);
L1=hr-hr·cosθ (4);
L3=hz·cosθ (6);
L4=S-H·tanb (7);
L=L1+L2+L3+L4 (8);
将上述公式(1)至(7)代入公式(8)中并进行整理后得到公式(9):
将上述公式(9)与上述公式(1)、(2)结合后进行整理获得铁塔挂线高度H的关系式(10):
在公式(10)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾影响参数进一步将公式(10)推导为公式(11)即为上述公式G2-1:
其中,参数H为铁塔挂线高度;
进一步的,上述G3中的公式G3-1的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身下段区间高度临界值hx,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx<hx (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2)即为上述公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (2);
其中,还包含下列可测量获取的运算参数:滚球半径hr、塔腿坡度角b。
进一步的,上述G3中的公式G3-2的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身上段区间高度临界值hy+hz,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx>H-(hy+hz) (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2):
在公式(2)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾影响参数进一步将公式(2)推导为公式(3)即为上述公式G3-2:
进一步的,上述G1中当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,还可以在两地线挂点的中点处且高度不小于hx的位置设置避雷针。
进一步的,上述步骤I中电磁环境指标数据包括,电场强度、离子流密度、无线电干扰指标。
本发明具有以下有益效果。
(1)实现了以通信设备性能要求及检修人员安全为基础,并兼具满足防雷性能、电磁环境、带电检修等多维度因素的全面准确的系统性及通用性的设计方法。
(2)通过基于“滚球方法”简化的防雷计算方法使得通信设备防雷安装位置的确定更加精确可靠,可应用范围广泛,通用性强。
(3)保证共享设备工作环境满足电磁环境、电气安全距离等要求,保护检修人员生理和心理健康。
(4)通过对铁塔不同位置的通信设备进行防雷性能和电气间隙距离仿真计算,来确定通信设备安装的最佳位置,在大规模共享铁塔实施中节省设计资源和时间成本。
附图说明
图1为本发明的方法流程的方块示意图。
图2为现有的共享铁塔通信设备安装位置防雷规范的“滚球法”原理示意图。
图3为现有的共享铁塔通信设备安装位置防雷规范的“滚球法”超过临界状态示意图
图4为本发明的基于滚球法的通信设备位置选择塔顶位置的防雷计算公式推导示意图。
图5为本发明的基于滚球法的通信设备位置选择塔身位置的临界状态时防雷计算公式推导示意图。
具体实施方式
本发明的方法主体流程步骤,请参阅图1所示:
步骤A:确定检修人员可承受电磁环境阈。
步骤B:确定共享铁塔电力线路电压等级。
步骤C:确定通信设备类型以及其可承受电磁环境的阈值。
步骤D:根据电力行业和通信行业相关规程规定,以及步骤B及步骤C的各项目数据,确定相关规程要求的电气安全距离以及通信设备在共享铁塔上的安装位置。
步骤E:确定通信设备防雷等级。
步骤F:确定共享铁塔类型及尺寸。
步骤G:依据防雷规程要求(如图2所示),具体为国际电工委员会(IEC)推荐的接闪器保护范围计算方法之一的“滚球法”并结合输电线路铁塔特征推导防雷计算简化公式之后将步骤E及步骤F中确定的数据代入简化公式进行计算分析并确定满足防雷要求的通信设备安装位置范围。
步骤H:将步骤C及步骤G中获取的通信设备在共享铁塔上的安装位置数据进行对比分析,初步确定可同时满足电气安全距离及防雷需求的通信设备安装位置。
步骤I:对于步骤A的可承受电磁环境阈值数据及步骤F中确定的铁塔尺寸数据进行建模仿真,并计算根据步骤H中确定的安装位置的通信设备的电磁环境指标数据,包含合成电厂强度、离子流密度、可听噪声、无线电干扰的指标数据;将电磁环境指标数据进一步仿真计算输出通信设备在当前位置的通信性能指标数据。
步骤I:对于步骤I中获得的通信性能指标数据进行判断分析;
(1).如步骤F判断结果为满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,则确定当前位置为满足防雷需求及电气安装距离的通讯设备在共享铁塔的安装位置;
(2).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,可以调整通信设备安装位置后返回步骤H并重复后续步骤;
(3).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,还可以调整共享铁塔呼高后返回步骤G并重复后续步骤。
优选的,上述步骤G中的防雷计算分析方法通过一般输电铁塔防雷位置选择的简化公式进行计算,该简化公式基于行业防雷规范“滚球法”结合具体铁塔特征利用几何关系推导简化而来。具体包含如下简化公式及判断方法:
G1:当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,满足防雷安全的位置为将通信设备设置于距离塔顶以下Hx处或者在两地线挂点的中点处且高度不小于Hx的位置设置避雷针,其中Hx为通信设备距离塔顶的最小安装高度,其满足如下公式G1-1:
G2:当需要将通信设备位置选择于塔身位置时,其布置位置受铁塔高度H影响较大,需满足铁塔挂线高度小于H,其具体公式为G2-1:
G3:当铁塔挂线高度大于上述G2中的H计算结果时,挂线点下方的塔身部分区间将不再处于保护范围,此时,天线布置位置应避让该高度区间,则满足防雷安全的推荐位置为通信设备设置高度Hx需满足如下公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (G3-1);
或Hx满足如下公式G3-2:
优选的,简化公式的基础“滚球法”是以hr为半径的一个球体,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。按照“滚球法”描述,在一定的滚球半径hr的情况下,滚球所触及塔身的位置受杆塔呼高和横担等因素影响,如图2及图3所示,滚球无法达到区域,即为可保护区域,滚球所能达到的图中的网格区域,即为不可保护区域。而图3中塔身与滚球的接触区间部分,即为雷电无法被保护的区域。根据上述“滚球法”规范原理,针对不同铁塔参数例如杆塔高度、横担长度,利用几何关系推导出不同情况下的可满足防雷安全的计算公式,具体为:
当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,上述G1中的公式G1-1的具体推导方法为:
如图4所示,已知滚球半径hr、地线间距离L根据滚球方法切入塔顶位置的几何关系可得如下公式(1):
在公式(1)基础上增加地线绝缘子串长度Lc及地线下
其中,参数hx为天线距离塔顶的最小安装高度;
优选的,上述G2中的公式G2-1的具体推导方法为:
如图5所示,依据“滚球法”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,而实际工程中,铁塔挂线高度H,横担距杆塔中心的距离S,塔腿坡度角b,以及雷电设防等级(即滚球半径hr)都是已知的数据,根据滚球方法切入塔身位置并根据几何关系可逐步进行如下推导:
H=hz+hr (2);
hr=hx+hy (3);
L1=hr-hr·cosθ (4);
L3=hz·cosθ (6);
L4=S-H·tanb (7);
L=L1+L2+L3+L4 (8);
将上述公式(1)至(7)代入公式(8)中并进行整理后得到公式(9):
将上述公式(9)与上述公式(1)、(2)结合后进行整理获得铁塔挂线高度H的关系式(10):
其中,参数H为铁塔挂线高度;
优选的,如图3所示的铁塔防雷状态实际为图1和图2的临界状态,当挂点高度H值增大时,将出现图2的情况,即塔身中间有一段区间与网格区域贴合因而不处于保护区间,但是其下段区间和上段区间仍可以被保护,对应到图3中,下段区间对应的值为hx,上段区间对应的值为hy+hz,此时的为满足防雷安全对于通信设备安装位置应加以限定,应满足Hx<hx或Hx>H-(hy+hz),并且上段区间需要考虑绝缘子串和导线下倾影响,下段区间不需要考虑绝缘子串和导线下倾影响。
根据以上原理所述,上述G3中的公式G3-1的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身下段区间高度临界值hx,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx<hx (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2)即为上述公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (2);
其中,还包含下列可测量获取的运算参数:滚球半径hr、塔腿坡度角b。
上述G3中的公式G3-2的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身上段区间高度临界值hy+hz,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx>H-(hy+hz) (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2):
在公式(2)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾影响参数进一步将公式(2)推导为公式(3)即为上述公式G3-2:
本发明以通信设备性能要求及检修人员安全为基础,并考虑防雷性能、电磁环境、带电检修等多维度因素。创新的提出一种满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,系统性和通用性较强,计算方法精确简化,可节省设计资源和时间成本。
Claims (8)
1.满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,以电脑设备与程序参与运作,在参考电力规程规范的基础上,通过防雷计算和电气安全距离计算确定通信设备安装位置,至少包含以下步骤:
步骤A:确定检修人员可承受电磁环境阈值;
步骤B:确定共享铁塔电力线路电压等级;
步骤C:确定通信设备类型以及其可承受电磁环境的阈值;
步骤D:根据电力行业和通信行业相关规程规定,以及步骤B及步骤C的各项目数据,确定相关规程要求的电气安全距离以及通信设备在共享铁塔上的安装位置;
步骤E:确定通信设备防雷等级;
步骤F:确定共享铁塔类型及尺寸;
步骤G:依据防雷规程要求,将步骤E及步骤F中确定的数据代入推导的简化公式进行计算分析并确定满足防雷要求的通信设备安装位置范围;
步骤H:将步骤C及步骤G中获取的通信设备在共享铁塔上的安装位置数据进行对比分析,初步确定可同时满足电气安全距离及防雷需求的通信设备安装位置;
步骤I:对于步骤A的可承受电磁环境阈值数据及步骤F中确定的铁塔尺寸数据进行建模仿真,并计算根据步骤H中确定的安装位置的通信设备的电磁环境指标数据,将电磁环境指标数据进一步仿真计算输出通信设备在当前位置的通信性能指标数据;
步骤I:对于步骤I中获得的通信性能指标数据进行判断分析;
(1).如步骤F判断结果为满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,则确定当前位置为满足防雷需求及电气安装距离的通讯设备在共享铁塔的安装位置;
(2).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,可以调整通信设备安装位置后返回步骤H并重复后续步骤。
(3).如步骤F判断结果为非满足人体可承受电磁环境阈值以及通信设备电磁环境阈值范围,还可以调整共享铁塔呼高后返回步骤G并重复后续步骤。
2.如权利要求1所述的满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,所述步骤G中的防雷计算分析方法通过一般输电铁塔防雷位置选择的简化公式进行计算,具体包含如下简化公式及判断方法:
G1:当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,满足防雷安全的位置为将通信设备设置于距离塔顶以下Hx处,其中Hx为通信设备距离塔顶的最小安装高度,其满足如下公式G1-1:
G2:当需要将通信设备位置选择于塔身位置时,需满足铁塔挂线高度小于H,其具体公式为G2-1:
G3:当铁塔挂线高度大于所述G2中的H计算结果时,满足防雷安全的位置为将通信设备设置高度Hx满足如下公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (G3-1);
或Hx满足如下公式G3-2:
4.如权利要求2所述的满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,所述G2中的公式G2-1的具体推导方法为:根据滚球方法切入塔身位置并根据几何关系可逐步进行如下推导:
H=hz+hr (2);
hr=hx+hy (3);
L1=hr-hr·cosθ (4);
L3=hz·cosθ (6);
L4=S-H·tanb (7);
L=L1+L2+L3+L4 (8);
将所述公式(1)至(7)代入公式(8)中并进行整理后得到公式(9):
将所述公式(9)与所述公式(1)、(2)结合后进行整理获得铁塔挂线高度H的关系式(10):
在公式(10)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾影响参数进一步将公式(10)推导为公式(11)即为所述公式G2-1:
其中,参数H为铁塔挂线高度;
5.如权利要求2所述的满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,所述G3中的公式G3-1的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身下段区间高度临界值hx,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx<hx (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2)即为所述公式G3-1:
Hx<hr(1-sinb) (2);
其中,还包含下列可测量获取的运算参数:滚球半径hr、塔腿坡度角b。
6.如权利要求2所述的满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,所述G3中的公式G3-2的具体推导方法为:
根据滚球方法切入塔身位置获得满足防雷范围的塔身上段区间高度临界值hy+hz,并推导出通信设备位置高度Hx的临界公式(1):
Hx>H-(hy+hz) (1);
进一步将公式(1)通过几何关系运算推导出公式(2):
在公式(2)基础上增加地线绝缘子串长度及地线下倾影响参数进一步将公式(2)推导为公式(3)即为所述公式G3-2:
7.如权利要求2所述的满足防雷性能的共享铁塔通信设备安装位置选择方法,其特征在于,所述G1中当需要将通信设备位置选择于塔顶及其周边位置时,还可以在两地线挂点的中点处且高度不小于hx的位置设置避雷针。
8.如权利要求1所述的共享铁塔通信设备安装位置选择的设计方法,其特征在于,所述步骤I中电磁环境指标数据包括,电场强度、离子流密度、无线电干扰指标。
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Title |
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吴丽松: "探究有效的共享铁塔的方案设计", 《中国新通信》 * |
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