新时代5G基站建设共享电力塔技术方案研究

黄新武

（中国铁塔股份有限公司 三亚市分公司，海南 三亚 572099）

0 引 言

目前，中国5G的基础设施建设正在蓬勃发展，对网络容量、覆盖面提出了更高的要求。5G的高频频带技术的特点是基站之间的间隔缩小，密度增大，因此必须合理选定站点，减少选定的难易度，缩短施工周期，有效控制投资。随着电力网的不断发展和完善，输电线路的覆盖范围越来越宽，在电力网中纵横交错、分布广，形成了层次分明的电力网。分布在这样的网络中的传输线提供了基站共享电力铁塔资源的好机会。5G基站棒塔共用电气塔是提高公共基础设施资源利用率、减少重复建设、减少土地资源消耗、节约能源以及降低能源消耗等综合效果的尝试。

1 共享电力塔选型

从4G到5G的发展，需要更大的容量。从总体上看，网络的硬件结构、设备形式、运行方式等都在发生着变化。5G在今后的发展中，将面临4K/8K、AR/VR、泛用网络、自动运行等多种应用场景，这将极大地提高信息传输、传输时延、用户吞吐量、系统容量等方面的需求。目前，5G在市场的推广和应用有3个难点：项目安装困难、网站获取困难、频谱被分段。由于车站的加密，城市地区的布局变得更加难以入手，农村地区也缺乏架设天线的高层建筑，因此在高架桥上建设无线基站天线成为当务之急。这种共享棒塔模型充分发挥了输电线路覆盖范围大、资源共享、建设成本低等优点，在保证双方设备融合、并联独立的基础上，积极推进5G网络的建设，为电力行业带来了新的经济增长点[1]。

1.1 电力塔架的分类

输电杆塔是输电、配电系统中的一个关键部件，其主要功能是支持、架空电缆。根据结构型式，可以分为柱型和塔型；根据使用的不同，可以分为直线型、角型、端型、跨线型。电力杆塔的容量因种类而异，通常情况下，高架塔的高度和远景都比较偏僻，适合宏站共用。

1.2 共用输电线路的选择

从承载力上看，直线型塔架是最小的。终端塔、转角塔、横梁等结构受力比直塔大。电力杆塔共用要从安全距离、承载能力、安装方式、防雷接地、EMI等几个方面进行综合考虑。在电力杆塔安装5G AAU装置时，应遵循安全、经济、最小影响等原则。所以，不推荐选择下列类型的杆塔。

（1）电力杆塔。其寿命已达到或超出了其设计寿命，由于铁塔的年代久远、钢筋腐蚀等因素，导致了其材质的强度下降。同时，在原有的设计标准中，如果加大外载荷，可能会造成一些危险。

（2）20 mm或更厚的重包冰柱。由于重冰区，输电线路上的绝缘子和塔体都被厚厚的冰层所包裹，一旦气温升高，很容易出现结冰现象，从而导致输电线路上的结冰脱落，造成基站的天线受损。

2 基站共享电力杆塔方案

2.1 天线安装高度

针对部分街头站点，其设计方案是针对低密度、大流量的需要而设计的，其悬挂高度通常在10～15 m。

在5G前期，将重点关注人群密度大、人口密度大的地区。供电铁塔安装通信基站，是对其进行辅助加固的。在输电塔架加装基地台天线时，应注意与高压线相邻时对输电系统的作用。基地台的天线与底层的电源线必须保持一定的安全间距，同时还要注意到跳线的串长、相应的电气间隙和安全余量[2]。

2.2 设置天线平台

为了最大限度地减小输电杆塔的新增载荷，在原有基础上不再增设一个天线支架，而是采用了附加多个天线。

2.2.1 装配地点

根据通信装置的施工技术，将塔顶共用部位划分成塔头上部、塔头中部和塔头下部3个部分。从前期建设、后期维护和安全管理等几个角度出发，建议在输电线路的带电点以下，即塔尖以下。

2.2.2 安装模式

为了使原有输电线路的改造尽可能地减小，建议采取非破坏性的安装方法。增加的天线支撑不能与塔本体直接对接，采用抱环、卡钳、天线棒等方式进行连接。5G AAU在塔身上采用固定扣天线杆紧固，天线与基座之间至少有两个连接，且与塔身之间的间隔不得低于0.5 m。

按照工业规范，GPS卫星的定位和定位系统的垂直间距不得低于1.5 m，这给 GPS卫星的工程建设带来了一定的困难，而使用“可折叠 GPS天线座”可以很好地克服这个问题[3]。

2.2.3 杆件的强度计算

在我国现行的《移动通信工程钢塔桅结构设计规范》中，电信标准所确定的110～220 kV的标准是30年，而在通信技术标准 YD/T 5131—2019中，则要求在移动通信领域内设置50年的钢塔桁[4]。

按照《供电技术规程》，110～750 kV的设计电压水平，其基础风压再现时间为30年，与通信塔区相差很大。与通信铁塔的荷载比较，除了承受自重、风荷载、地震荷载以外，还应注意线路荷载和结冰荷载，因而其工作环境比较复杂。在风载荷的估算中，与通信塔比较，由于塔自身的风动力比通信塔减小30%，因此在相同工况下塔身风荷载较少。

由于电力铁塔在设计的风压、荷载等方面与通信塔不同，因此通常都是由电力设计部门负责。

3 目前共享电力塔的困境

在后4G时代，人们已经证实了共用大厦的可行性，根据有关的可行性分析，目前常用的的无线通信基站需要50天的建设周期。若使用常规塔架，可节省塔架建设费用，且不需占用空间，可节省30天左右的建设时间。5G时代来临，对通信基站的建设需求迅速增长，对基站的建设提出了更高的要求。采用已有的发行方式，既能节省建设费用，又能缓解5G基站建设的巨大投资压力；这就是共享的理念。

5G装置与4G装置最大的不同是可移动。正如已知，供电装置是主动装置（待连接装置），而非被动装置。在输电线路共用的情况下，对有源装置与高压电缆的安全距离的要求也越来越高。4G装置在传输塔上时，必须将其 RF天线与主动和被动装置分开。相对于以前的3G、4G，5G对通信基站的密度和高度提出了更高的要求。在此背景下，5G装置在传输钢轨上的安装是由供电公司、运营商、塔架公司三方共同确定的。运营商提出安装高度，塔架公司与之进行对接，由能源公司所指定的专业塔架检验及施工单位进行相关的检测与装载，以决定其可承受的负荷。在满足安全要求的情况下，可以进行安装。如不满足安全要求，应与塔台协调，直至达到安全要求。

4 5G基站的实际应用

4.1 电力供电

5G高频超密组网对站址、杆塔、电源配套等资源的配置都有很高的要求。例如，5G基站的集成程度越高，5G设备的系统功率消耗将是4G设备的3～4倍。移动、电信和联通3家公司的5G总需求较大，若采用集中供电的方式进行，线路损耗会很大。

移动通讯基站需要380 V三相交流电源或220 V的单相交流电源电源，在共用铁塔处于配电系统的供电区域内时，可以直接将电源导入到基站中，也就是可以通过低压电网直接供电。低压供电线路由公用低压电网将电能引入，再经直埋电缆与输电线路铁塔下的馈电箱相连，也可采用架空电缆，或根据供电公司的保护要求，选择其他适当的连接线。一般采用30～60 m的架设，在架设绝缘变压器的情况下，将杆塔附近的地面电势提升区与周边地区隔断。

如果共用铁塔位于偏远地区，不能从公用电网直接导入380 V/220 V的交流电源线路，则基台装置可以在10～20 kV的电压下提供电源。10 kV及以上的中压电缆由于其芯线自身可提供较高的接地绝缘级别，故要求不采用金属屏蔽。采用220 kV及以上电压等级的高压电缆作为电源，由于其为3根单芯电缆，能达到绝缘要求。中压电缆的一般长度与输电线路的铁塔相距50 m，一般采用中、低电压的变压器。大功率的单相变压器可以通过高压输电线路将电力输送到基地台，也可以与蓄电池、光伏电池等结合，为基地台供电。

4.2 接地和避雷的设置

针对电力铁塔内的无线通讯基站，应根据实际情况，合理安排地面，确保其安全、正常工作。馈电柜、设备柜、天线侧设备、电源线、电力杆塔以及避雷器等应按规定进行接地。不管是靠近设备的箱体，还是在箱体内，都必须使用相同的接地装置，而接地装置则由截面为35 mm2的铜导线与电杆塔连接。若机柜靠近杆塔，则应分别与地面上的接地电极连接。用于将基地台与天线相连的同轴电缆，其外部的屏蔽层不仅要与天线的金属零件、设备支架相连接，而且要与电源线铁塔相连，并共同接地。为了形成一个统一的接地网，基地网和电线塔的接地网之间必须相距3～5 m，并至少2个网彼此相连。

目前，在电力铁塔上，除接地导线外，应采取相应的防雷措施。5G基站天线端设备简化后，无须考虑 RRU之间的雷电防护，只需在线路下面安装5G AAU，新增加的通讯设备和天线在受到雷击时，可以在避雷针的防护范围之内，不会出现过电流、过电压等问题。为了避免在遭受雷击时，基地电位的反弹会对基地网造成危害。若基地台天线含有 GPS卫星天馈系统，则可以从GPS接收到的卫星信号，并将其与时钟同步。GPS天线不上塔或上塔10 m以上，GPS馈线全绝缘，无须接地，仅设于 BBU一侧的 GPS避雷器，GPS避雷器可置于箱体上方，或将其系于箱体一侧。当 GPS上的塔顶大于10 m时，需要用地线接地或者用接地导线将其固定在1 m以内。

5 结 论

5G基站共享输电塔显著节约投资，缩短建设周期，节约社会资源，最大限度利用电网通道资源，提高电网运行效率和运行水平。初步测试表明，目前在电力铁塔上安装基站天线没有破坏性影响，技术方案可以实施。推进电力塔的共享，是一项利国利民互利的工作。5G通信技术正在寻求更高的频带，以便大大提高用户的吞吐量和系统能力。超密集网络的存在，一方面满足网络的覆盖范围和质量，另一方面存在网站密集，布局困难等问题。文章分析了5G的新结构和运营的可行性，并探讨了5G基站的建设模式。同时，介绍了有关工程建设的供电、接地、防雷的具体方法和注意事项。