孤立通信铁塔周边雷电特征对比分析

郭翔 黄中根

江西省九江市气象局 江西九江 332000

[摘 要] 利用雷电监测系统的历史数据，对孤立通信铁塔及周边雷电数据进行统计，采用铁塔建立前后相同时间长度的闪电数据进行研究，即铁塔建立前8年和后8年的雷电数据进行对比研究，得出铁塔建立前、后闪电变化大，以铁塔为中心50~500m的范围内，根据选取8个铁塔的闪电数据对比，建立后比建立前闪电增加67.21%，还提炼出越靠近铁塔闪电概率越高。另外通过拟合法得出闪电次数与铁塔距离成反比关系。

[关键词] 孤立通信铁塔 雷电特征 闪电数据 对比分析

1、引言

移动通信就是无线通信，移动终端与移动基站的连接是通过无线信号实现的。近20年来，随着我国移动通信事业的飞速发展，三大通信运营商为扩大覆盖面，大大增加移动基站数量，特别是村村通工程的实施，农村地区到处都有移动站（通信铁塔）。一般而言位于周围空旷场所的铁塔能起到避雷作用，所谓避雷，但实际上是起引雷的作用，是将雷云中的电荷通过铁塔这个良导通道泄放到大地，从而起到保护周围设施或人员生命安全。

但是近几年来，经常收到通信运营商反应通信铁塔周围发生雷击事故，大多数都是反应铁塔周边雷击损坏家电现象，有的是成片居民的家电损坏，经济损失不小，所以经常出现居民上访，要求通信运营商把通信铁塔搬迁或将铁塔拆除等，造成严重的负面影响。针对这一现象，本课题组与移动运营商共同开展研究，研究孤立铁塔周边雷电具有什么特征,本研究所使用的闪电数据均来源于江西省气象局雷电监测系统。

2、研究对象的选择

由于本研究所使用的雷击闪电数据来源于江西省雷电监测系统，考虑到该雷电监测系统投入使用时间为2003年,雷电监测数据从2003年开始有记录。研究时间为2003~2018年共16年。要使研究更科学、更准确,应当采用“相同时间长度”的数据进行对比和分析，即铁塔建立前与建立后的时间长度完全相等，均为8年。

根据铁塔公司提供的数据（孤立通信铁塔数据），按照研究要求，采用建站时间从2010年下半年至2011年上半年，且基站附近50m以内有村庄。符合上述条件的仅8座，如下表1所示。

表

1—通信铁塔基本信息表

序号	站点名称	东经度	北纬度	铁塔高m	建站时间	备注
1	修水1#站	114.2251	29.1125	40	2010年10月
2	修水2#站	114.5481	29.0095	50	2011年2月
3	武宁1#站	114.7888	29.1728	50	2010年12月
4	武宁2#站	114.9073	29.4027	35	2010年12月
5	瑞昌1#站	115.1475	29.6440	35	2011年3月
6	湖口1#站	116.2747	29.7587	50	2011年2月
7	九江1#站	115.8853	29.5793	45	2011年1月
8	九江2#站	115.7707	29.6246	40	2011年3月

3、雷电监测数据的采集

3.1修水1站闪电数据

若以通信铁塔为中心50m-500m为半径的范围内进行闪电数据的统计（中心点坐标为E114.2251;N29.1125）,2003年~2018年16年间修水黄1站闪电数据所示。建站前8年仅落雷4次，而后8年则共落雷19次。我们以建站前后落雷次数和为基数,则建站前落雷占比为17.39%，而建站后落雷占比为82.61%,这前后对比,建站后落雷占比增加了65.21%。

根据修水1站建站前后闪电数可统计该闪电次数如下曲线如下图1所示。

图1—修水1站建站前后闪电数曲线图

2.3.2 修水2站闪电数据

2003年~2018年16年间修水2站闪电数据统计。建站前8年仅落雷1次，而后8年则共落雷13次。则建站前雷击占比为7.14%%，而建站后雷击占比为92.86%,这前后对比,建站后雷击占比增加了85.72%。

根据修水2站前后闪电数可统计良塘基站闪电对比曲线下图2所示。

图2—修水2站前后闪电数曲线图

3.3 武宁1站闪电数据

2003年~2018年16年间武宁1站闪电数据统计。建站前8年无落雷，而后8年则共落雷15次。则建站前闪电占比为0，而建站后闪电占比为100%。

根据武宁1站建站后闪电数可统计该站闪电对比曲线如下图3所示。

图3—武宁1站建站后闪电数曲线图

2.3.4 武宁2站闪电数据

2003年~2018年16年间武宁2站闪电数据统计。建站前8年落雷2次，而后8年则共落雷10次。则建站前雷击占比为16.67%，而建站后雷击占比为83.33%,这前后对比,建站后雷击占比增加了66.66%。

根据武宁2站前后闪电数可统计该站闪电对比曲线如下图4所示。

图4—武宁2站前后闪电数曲线图

3.5 瑞昌1站闪电数据

2003年~2018年16年间瑞昌1站闪电数据统计。建站前8年落雷3次，而后8年则共落雷10次。则建站前雷击占比为23.08%，而建站后雷击占比为76.92%,这前后对比,建站后雷击占比增加了56.84%。

根据瑞昌1站前后闪电数统计，该站闪电对比曲线如下图5所示。

图5—瑞昌1站前后闪电数曲线图

2.3.6 湖口1站闪电数据

2003年~2018年16年间湖口1站闪电数据统计。建站前8年落雷2次,而后8年则共落雷8次。则建站前闪电占比为20%，而建站后闪电占比为80%,这前后对比,建站后雷击占比增加了60%。

根据海山站建站前后闪电数统计，该站闪电对比曲线如下图6所示。

图6—海山站建站前后闪电数曲线图

3.7 九江1站闪电数据

2003年~2018年16年间沙通基站闪电数据统计。建站前8年落雷3次,而后8年则共落雷8次。则建站前闪电占比为27.27%，而建站后闪电占比为72.73%,这前后对比,建站后雷击占比增加了45.45%。

根据沙通站建站前后闪电数统计，沙通基站闪电对比曲线如下图7所示。

图7—沙通站建站前后闪电数曲线图

3.8 九江2站闪电数据

2003年~2018年16年该基站闪电数据统计。建站前8年落雷2次,而后8年则共落雷7次。则建站前闪电占比为22.22%，而建站后闪电占比为77.78%,这前后对比,建站后雷击占比增加了55.56%。

根据九江2站建站前后闪电数统计，该站闪电对比曲线如下图8所示。

图8—九江2站建站前后闪电数曲线图

3.9 各站数据对比

集合上述8基站闪电变化数据，下表2为各站在建站前后出现闪电的对比数据。

表2—闪电变化率对比

序号	站 名	闪电数		百分比		提高率%	平均提高率
		前8年	后8年	前8年	后8年
1	修水1站（总22）	4.0	22.0	18.18%	81.82%	63.64%	67.21%
2	修水2站（总14）	1.0	13.0	7.69%	92.31%	84.62%
3	武宁1站（总15）	0.0	15.0	0.0	100%	100.00%
4	武宁2站（总12）	2.0	10.0	12.7%	87.3%	74.60%
5	瑞昌1站（总13）	3.0	10.0	23.07%	76.93%	53.86%
6	湖口1站（总11）	2.0	8.0	20.0%	80.0%	60.0%
7	九江1站（总11）	3.0	8.0	27.27%	72.73%	45.46%
8	九江2站（总10）	2.0	7.0	22.22%	77.78%	55.56%
合 计		17	93

图9—建站前后闪电变化率

从移动通信的质量来考虑，当无线通信信号无遮挡，其衰减就越小，通信效果也就越好，因此通信铁塔往往建站在地势相对高的场所，所以它是孤立的存在。从历史闪电数据的统计来看，通信铁塔周边闪电占比平均高出67.21%。

2.5 建站前、后闪电变化图

集合上述8基站闪电变化数据，下表10为建站前后出现闪电的对比数据。闪电落点数据对比，以铁塔高度50m的距离为单位，水平距离用1倍铁塔高度、2倍、3倍、4倍、…10倍的距离进行比较，下表10为数据表。

表10—近8年闪电落点（区）对比数据表

	1倍距离	2倍距离	3倍距离	4倍距离	5倍距离	6倍距离	7-10倍距离
闪电数次	50	21	11	6	3	1	1
以17为基数，计算铁塔安装后的闪电增加率
增加率	2.94	1.2	0.64	0.35	0.18	0.059	0.059

根据上表10的数据，绘制的闪电变化率曲线如下图10所示，图中的蓝色曲线为闪电变化的几何模型。

图10—铁塔周边闪电次数曲线图

根据图10的蓝色曲线，利用拟合法，拟合后代数式如下：

上术代数式中：a—铁塔高度,

x—闪电点与铁塔的距离，

y—闪电次数。

由上述衍生成图10中的红色曲线，与统计数值绘制的曲线基本一致。

4、原因分析

4.1 通信铁塔周边雷电增多的原因分析

一般而言，当积雨云随着温度和气流的变化会不停地运动，运动中摩擦生电，就形成了带电荷的云层。某些云层带有正电荷,另一些云层带有负电荷。由于静电感应的作用,常常会使云层下面的构筑物、树木等带有异性电荷。通常是在一次闪电中破坏的场强约3～4kV/cm,晴空中击穿空气的场强则高达30kV/cm,随着电荷的积累,雷云的电压逐渐升高,当带有不同电荷的雷云与大地凸出物相互接近到一定程度时,其间的电场超过25～30kv/cm,这个高电位将云层与地面或凸出物之间的空气击穿,形成泄放通道而发生激烈的放电,同时出现强烈的闪光。由于放电时温度高达2千度，空气受热急剧膨胀,随之发生爆炸的轰鸣声,这个过程就能看到电弧同时发出急剧的响声,这就是闪电与雷鸣。

但

L1

是，由于通信铁塔自身的高度缩短了带电云层与地面物体间的距离，可理解为减少了放电通道的距离。即原本带电云层运动到无安装铁塔位置的上空时，没有达到放电的电位差，此处就不会发生闪电并听到雷声。

如

E₁

右图所示，当带电云层的电荷向地面泄

放

通信铁塔

E₂

时，有U=(L₁+L₂)(dl/ds)

当

L2

L1+L2

带电云层的电荷向铁 塔放电时，U =L₁×(dl/ds)，

(L₁+L₂)(dl₁/ds) =L₁×(dl₂/ds)

因：L₁+L₂＞L₁ 故有：dl₁＜dl₂

从 上述计算不难得出：雷云对通信铁塔放电时的单位空间电位差比对地面放电的大。

一方面：雷云对地面放电电流I1比对通信铁塔放电电流小，即雷云与地面间的电场强度E1比与通信铁塔间电场强度E2小。因此在原先空旷的地面上安装铁塔，当相同的雷云强度出现时，由于缩短了放电通道的距离，击穿空气的电场强度相对要小，对铁塔放电（闪击）增多就不难理解了。另一方面：由于尖端放电效应,同样通信铁塔顶端的尖端接闪也会增加雷击闪电的可能，可以理解为通信铁塔对雷电的“吸引”作用，也就是我们常说的避雷针实际上是引雷针。

根据前面8个铁塔附近落雷的统计结果，相比无铁塔吸引作用下增加67.21%的闪电次数。

4.2 通信铁塔周边电器设备损坏的原因分析

既然铁塔起到引雷作用，铁塔自身的闪击次数增多，按理说雷击事故应该减少，但从前面表3的统计数据表明：通信铁塔周边100m范围内的雷击故事增加，为什么？

首先，由于在铁塔的保护范围内遭受直接雷击的概率为10^-3即为0.1%。但雷云对铁塔尖端放电时，放电通道周围会产生强大的电磁脉冲、感应过电压、静电过电压等，当放电产生的电磁脉冲或过电压进入附近的电器线路时，即使是在铁塔的保护范围内，电器设备被瞬间击坏是很好理解的。

其次，根据本报告3.1的结论，铁塔周边的雷击破坏提高了67.21%，但是铁塔的保护范围是有限的，当电器线路刚好处在铁塔保护的临界点时，与无铁塔对比所遭受雷击的可能性同样增加67.21%。

按照规范GB 50057-2010附录D的滚球法进行计算。现以铁塔高50m、滚球半径为60m，来计算以铁塔为中心距离地面4m高处上的保护半径，如下画出了铁塔保护范围图。

式中：r_x—避雷针在h_x高度平面上的保护半径（m）

h_r—滚球半径（取值60m）

h_x—被保护物的高度（这里为线路高度，取值为4m）

经过计算得r_x=48.2（m）

由此可见，以铁塔为中心48.2m为半径、且高度4m处的所有线路（包括电力、电话、宽带、有线电视等线路）遭受直接雷击、雷击电磁脉冲的过电压、受雷电波侵入等原因而造成电器设备损坏的比率与没有铁塔存在的环境下高出67.21%。

参考文献和资料

1. 闪电数据均来源于江西省气象局雷电监测网

2. 《建筑物防雷设计规范》GB 50057-2010

3. 王红、张永军、陈金根等;基于闪电定位监测数据的雷暴特征分析《沙漠与绿洲气象》2014(4)

4. 钟结彪;通信基站对周围雷击环境影响 《通信世界》2020(01)

5. 钟颖颖,束建,董喜春;通信基站对周围雷击环境影响 《气象水文海洋仪器》2013(4)

作者姓名：郭翔（1989.11），汉族，江西九江市人，本科学历，助理工程师，从事气象灾害防御技术研究工作。

通讯作者：黄中根