淺談電力架空線路ADSS光纜防覆冰應(yīng)用

傅壽熹

（福建永福電力設(shè)計(jì)股份有限公司，福建 福州 350108）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，電力通信網(wǎng)作為智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，是作為“兩網(wǎng)”安全、可靠、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。目前國(guó)家電網(wǎng)通信網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)架，特別是主干線路均以光纖通信為首選。而ADSS 更是電力特有的光纜，因其具有自承式、質(zhì)量輕、直徑小、全絕緣的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于10kV～500kV 各個(gè)電壓等級(jí)的線路中。

存在問(wèn)題：1）由于我國(guó)地域廣闊，橫跨多個(gè)緯度和經(jīng)度，從南至北跨熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶5 個(gè)氣候帶，除熱帶鮮有出現(xiàn)ADSS 覆冰的情況，其余4 個(gè)氣候帶的ADSS 光纜每年均受到不同程度的覆冰影響，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致光纜斷芯甚至斷纜，造成信息中斷、道路阻礙等問(wèn)題。而現(xiàn)有的光纜融冰方法多數(shù)應(yīng)用于OPGW，且推廣度不強(qiáng)。2）ADSS 為全絕緣非金屬光纜，其本身作為絕緣的光纜，通過(guò)自身特點(diǎn)架設(shè)于電力線路上，不會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流，因此無(wú)法與OPGW 一樣加入金屬管作為通電的發(fā)熱導(dǎo)體。

1 解決方案

1.1 ADSS 光纜架設(shè)工況條件下考慮因素

1.1.1 ADSS 光纜結(jié)構(gòu)

目前在市面上ADSS 的光纜結(jié)構(gòu)主要有2 種，中心束管型及層絞束管型，中心束管類型多數(shù)不用于架空線路。常規(guī)工況下均采用層絞束管型ADSS。ADSS 光纜中放置的光纖并非拉直的穿入，而是存在一定的曲折度，即光纖在束管內(nèi)是以波浪狀放置的，同時(shí)由于層絞型光纜存在絞合余長(zhǎng)，而光纜受到溫度、外力等條件均會(huì)產(chǎn)生拉升和形變，因此必須根據(jù)不同工況條件選擇相應(yīng)纖芯余長(zhǎng)的ADSS，確保ADSS 在運(yùn)行時(shí)承受的荷載，不會(huì)拉斷束管內(nèi)的光纖。

1.1.2 ADSS 電氣性能

首先電氣性能是ADSS 類型選擇的第一因素，即光纜安全運(yùn)行情況下的導(dǎo)線感應(yīng)電場(chǎng)的數(shù)值，原因是ADSS 本身工作于10kV～1000kV 的高壓線路導(dǎo)線附近，導(dǎo)線通電以后就會(huì)相應(yīng)地產(chǎn)生電磁場(chǎng)，即會(huì)導(dǎo)致ADSS 位于一個(gè)空間電位某一點(diǎn)中，當(dāng)空氣過(guò)于潮濕時(shí)，水珠或者空氣中存在的潮濕的雜質(zhì)就會(huì)圍繞ADSS 的外護(hù)套表面產(chǎn)生一個(gè)電阻層。由于空間電位的作用，就會(huì)導(dǎo)致桿路上的ADSS 接地線和ADSS 間產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流本身會(huì)產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致ADSS 外護(hù)套干裂受到損傷。而干燥帶的電位差達(dá)到相應(yīng)數(shù)值時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生干帶電弧。隨之發(fā)出的熱量能夠?qū)⒐饫|外護(hù)層慢慢地分解，從而導(dǎo)致其被腐蝕[1]。該情況就是ADSS 外護(hù)層電腐蝕，容易引發(fā)日后運(yùn)行中的ADSS 斷纜現(xiàn)象。

ADSS 須選用什么樣類型的外護(hù)層材質(zhì)決定性因素在ADSS 桿位掛設(shè)點(diǎn)的空間電位值，其和所在運(yùn)行的高壓線路的電壓等級(jí)、鐵塔荷載能力、電線電場(chǎng)強(qiáng)分布、相位排列等息息相關(guān)。

1.1.3 ADSS 機(jī)械性能

1.1.3.1 力學(xué)特性

ADSS 的機(jī)械強(qiáng)度取決于多個(gè)方面：芳綸紗材質(zhì)、芳綸紗荷載能力、芳綸紗覆蓋面積、密度都是ADSS 的破斷力即RTS 關(guān)鍵因素，破斷力單位：kN 或N。ADSS 的最大允許張力即MAT取決于最嚴(yán)峻工況下，ADSS 自身能夠承受的最大荷載即張力，單位：kN 或N/mm2[2]。ADSS 的年平均運(yùn)行力即EDS，取決于架設(shè)運(yùn)行線路地區(qū)的常溫?zé)o風(fēng)、無(wú)冰工況下和該地區(qū)的年平均溫度工況下光纜的張力，單位：kN 或N/mm2。ADSS 自身的極限運(yùn)行張力即UOS，又稱為光纜的負(fù)荷過(guò)載運(yùn)行能力，取決于瞬時(shí)或者在某一較為短暫的時(shí)間內(nèi)，光纜運(yùn)行狀態(tài)下，超過(guò)規(guī)劃工況下最大應(yīng)力時(shí)ADSS 承受的張力，單位：kN 或N/mm2。以上幾個(gè)力相互間密切相關(guān)，成為“光纖應(yīng)變窗”或ADSS 的“應(yīng)力應(yīng)變”特性[3]。

1.1.3.2 ADSS 運(yùn)行弧垂特性

與光纜的放線或運(yùn)行弧垂值相關(guān)的光纜機(jī)械特性：光纜的截面積、內(nèi)外直徑、光纜單重、光纜蠕變率、束管內(nèi)纖芯余長(zhǎng)、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)。ADSS 本身是一種自承式結(jié)構(gòu)光纜，其特性決定了它本身可以根據(jù)運(yùn)行工況、架線弧垂值等因素改變自身允許架設(shè)的最大水平檔檔距值。因此ADSS 是一種可變跨距特性的光纜結(jié)構(gòu)。基于須架線、運(yùn)行ADSS 的高壓線路桿塔明細(xì)及線路工況條件等概況，須根據(jù)鐵塔或者電力水泥桿、鋼管桿的結(jié)構(gòu)荷載情況，鐵塔的呼稱高、交叉跨越、高差角、線路內(nèi)角、外角度數(shù)等情況，選擇合適的光纜參數(shù)及機(jī)械性能。常規(guī)是將桿塔線路明細(xì)、氣象工況條件值以及光纜的機(jī)械特性作為ADSS 弧垂應(yīng)力放線的基礎(chǔ)值。在檢驗(yàn)鐵塔及電力桿的荷載的同時(shí)，還需檢驗(yàn)光纜放線后其距離跨越段的高、低壓線的安全距離，最終選取相應(yīng)滿足架線及運(yùn)行條件的ADSS 光纜參數(shù)。

1.1.4 控制條件的確定

控制條件（ADSS 光纜的電氣性能或機(jī)械性能）的確定作為光纜選型、放線應(yīng)力設(shè)計(jì)及日常運(yùn)行的控制因素之一，關(guān)乎ADSS 的日后運(yùn)行、使用壽命及安全懸掛。其不僅和所架設(shè)高壓線以及氣象工況有關(guān)，而且和光纜自身的參數(shù)以及機(jī)械性能息息相關(guān)，決定了光纜參數(shù)的選擇、光纜架設(shè)點(diǎn)、對(duì)地距離、跨越間距以及滿足桿路荷載的光纜應(yīng)力以及放線弧垂值。

1.1.4.1 桿塔明細(xì)及電場(chǎng)強(qiáng)分布

桿塔明細(xì)方面：桿路鐵塔或電力桿的類型、塔身高度、呼稱高、荷載等。電場(chǎng)強(qiáng)方面：導(dǎo)線類型、弧垂、掛設(shè)鐵塔位置和相間距、電壓電流、短路電流、截面積、回路數(shù)、分裂數(shù)、兩道題地線或OPGW 型號(hào)、弧垂、導(dǎo)地線間距等。

1.1.4.2 光纜最大允許弧垂的確定

除了以上介紹的光纜弧垂值涉及控制條件外，光纜的最大運(yùn)行弧垂（即最低點(diǎn)光纜弧垂值）還關(guān)乎常規(guī)檔距下光纜的最低點(diǎn)弧垂同交叉跨越物或地面、屋頂、鐵道、河流等之間的間距。并且光纜位于鐵塔或電路桿的掛設(shè)點(diǎn)還需考慮桿路電場(chǎng)強(qiáng)分布。按照電力線路及ADSS 光纜對(duì)交叉跨域和對(duì)地距離要求的有關(guān)規(guī)程規(guī)定及不同地區(qū)的反措要求文件，設(shè)計(jì)出ADSS 的張力放線弧垂值。其最嚴(yán)峻工況下的弧垂值所對(duì)應(yīng)的安全系數(shù)關(guān)乎選擇不同參數(shù)的光纜，該情況也是選擇ADSS 光纜類型的主要因素之一。

1.1.4.3 ADSS 的放線應(yīng)力及運(yùn)行弧垂特性

設(shè)計(jì)ADSS 的放線應(yīng)力和運(yùn)行弧垂值特性必須以氣象工況表以及ADSS 的初伸長(zhǎng)架線弧垂值作為首要條件。

1.1.5 最大使用架線應(yīng)力

ADSS最大使用架線應(yīng)力要以所需架設(shè)的高壓線鐵塔以及鋼管桿、水泥桿等自身荷載能力作為依托進(jìn)行計(jì)算。在電力桿或鐵塔荷載承受范圍內(nèi)，收緊光纜的放線弧垂值及增加放線應(yīng)力、張力則可以加大對(duì)光纜的交叉跨越及對(duì)地間距，保障光纜日后的運(yùn)行安全，但是也會(huì)導(dǎo)致ADSS 的有效使用跨距減少。設(shè)計(jì)時(shí)，須根據(jù)各種類型的檔間交叉跨越間距及切地線值，設(shè)計(jì)每個(gè)檔距的放線弧垂值，計(jì)算出安全系數(shù)和最大使用架線應(yīng)力。當(dāng)線路的鐵塔結(jié)構(gòu)、高度或者對(duì)地間距等情況限制了光纜掛設(shè)點(diǎn)的位置時(shí)，光纜的芳綸紗材質(zhì)選擇和外護(hù)層材質(zhì)的選擇就會(huì)提高要求，出現(xiàn)該類型的情況時(shí)，光纜選型還需結(jié)合檔間檔距和工況條件來(lái)確定。當(dāng)架設(shè)線路過(guò)長(zhǎng)時(shí)，須綜合考慮并分析經(jīng)濟(jì)因素，采用不同應(yīng)力、材質(zhì)類型的ADSS，以單條線不同路段為一個(gè)單位，選擇不同類型ADSS 按耐張段進(jìn)行架設(shè)。

1.1.6 ADSS 的防振和金具

ADSS 的光纜弧垂安全系數(shù)，須根據(jù)其架線運(yùn)行高壓線的氣象工況和桿路明細(xì)進(jìn)行設(shè)定。根據(jù)作者多年的ADSS 設(shè)計(jì)項(xiàng)目和作者收集國(guó)內(nèi)各大設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)的相關(guān)高壓線架設(shè)ADSS工程情況分析，ADSS 的設(shè)計(jì)安全系數(shù)遠(yuǎn)大于導(dǎo)線及地線的最小安全系數(shù)值2.5。ADSS 光纜本身和OPGW 等鋁包鋼地線性質(zhì)相似，在大風(fēng)的工況下，會(huì)導(dǎo)致光纜的鞭擊現(xiàn)象，經(jīng)常地鞭擊能夠?qū)е翧DSS 光纜損壞。鑒于此，ADSS 光纜的年平均運(yùn)行應(yīng)力須按照小于光纜最大破斷力值的20%設(shè)計(jì)，同時(shí)須采取防振鞭進(jìn)行防振。

1.1.7 總結(jié)

根據(jù)以上小結(jié)分析，在ADSS 光纜設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)師須從架設(shè)光纜的高壓線實(shí)際條件出發(fā)，選擇適合對(duì)應(yīng)線路架線條件的ADSS 光纜類型，從而保障光纜架設(shè)安全，使ADSS 光纜的安裝設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)、安全、合理。

1.2 發(fā)明防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結(jié)構(gòu)

結(jié)合以上常用ADSS 的架線條件要求及ADSS 參數(shù)的選擇范圍，綜合利弊，發(fā)明一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜。解決方案如下：須選用自主研發(fā)的一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜，該ADSS 包括第一絕緣內(nèi)護(hù)套層，內(nèi)護(hù)套層內(nèi)中心位置設(shè)置非金屬加強(qiáng)件，以非金屬加強(qiáng)件圓心為中心環(huán)形陣列設(shè)置多個(gè)纖芯套管，套管內(nèi)設(shè)置測(cè)溫光纖。第一絕緣內(nèi)護(hù)套層外表面設(shè)有碳纖維網(wǎng)層，將碳纖維網(wǎng)層制作成閉合回路形式，覆蓋于全介質(zhì)自承式光纜的第一絕緣內(nèi)護(hù)套層上，再將芳綸紗加強(qiáng)層覆蓋于第二絕緣內(nèi)護(hù)套層上，最外層使用絕緣抗電痕外護(hù)套，ADSS 套管中放置2 芯測(cè)溫光纖形成一個(gè)防覆冰ADSS 光纜結(jié)構(gòu)。由于ADSS 外護(hù)套層普遍為聚氯烯或抗電痕護(hù)套，其最高可耐受溫度為70℃，同時(shí)ADSS 作為全介質(zhì)自承式光纜不適宜加入金屬器件作為發(fā)熱導(dǎo)體，以免金屬器件在線路運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大的感應(yīng)電流，導(dǎo)致安全事故。通過(guò)廣泛試驗(yàn)，尋找碳纖維作為發(fā)熱導(dǎo)體，其具有導(dǎo)電低、發(fā)熱高、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)，本次將其整合進(jìn)ADSS 的光纜整體結(jié)構(gòu)中。防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結(jié)構(gòu)示意圖

1.3 應(yīng)用方法

在高壓電力線上須通過(guò)以下5 個(gè)步驟進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。1）將防覆冰全介質(zhì)自承式光纜架設(shè)在送電線路上，平時(shí)作為電力通信的光纖通信通道。2）在光纜接續(xù)盒旁掛置供電測(cè)控裝置，將碳纖維網(wǎng)層零線和火線經(jīng)光纜接續(xù)盒引出后接入交流220V供電測(cè)控裝置中，從而供電進(jìn)行加熱升溫。3）在光纜接續(xù)盒內(nèi)的防覆冰全介質(zhì)自承式光纜上分離出測(cè)溫光纖，通過(guò)測(cè)溫光纖連接至供電測(cè)控裝置，利用測(cè)溫光纖對(duì)溫度的感知，從而設(shè)置供電測(cè)控裝置啟停的溫度范圍區(qū)間。4）當(dāng)架設(shè)于送電線路上的防覆冰全介質(zhì)自承式光纜產(chǎn)生覆冰時(shí)，啟動(dòng)供電測(cè)控裝置，對(duì)碳纖維網(wǎng)層進(jìn)行供電，從而產(chǎn)生熱能，利用碳纖維高阻的特性可以迅速產(chǎn)生高熱量，實(shí)現(xiàn)防覆冰全介質(zhì)自承式光纜的融冰操作。5）預(yù)先將供電測(cè)控裝置通過(guò)對(duì)應(yīng)的溫度，設(shè)置對(duì)應(yīng)的加熱時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)融冰完成時(shí)，測(cè)溫光纖感知溫度到達(dá)設(shè)定值，則自動(dòng)關(guān)閉供電測(cè)控裝置，停止碳纖維網(wǎng)層的供電，從而停止對(duì)光纜的加溫。同時(shí)，加入極限溫度保護(hù)功能，ADSS外護(hù)套層普遍為聚氯烯或抗電痕護(hù)套，其最高可耐受溫度為70℃，加溫過(guò)程中若測(cè)溫光纖測(cè)得溫度超過(guò)ADSS 外護(hù)層最高承受溫度，測(cè)控裝置自動(dòng)停止加溫。

防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用狀態(tài)示意圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用狀態(tài)示意圖

2 融冰原理及控制方法

本次須加熱的溫度和控制范圍采用融冰公式：Q吸=CM（t終-t初）進(jìn)行計(jì)算所需加熱溫度，再由焦耳定律公式：Q=I2RT計(jì)算加熱至融冰的溫度所需時(shí)長(zhǎng)，從而預(yù)先將供電測(cè)控裝置通過(guò)對(duì)應(yīng)的溫度，設(shè)置對(duì)應(yīng)的加熱時(shí)長(zhǎng)。當(dāng)融冰完成時(shí)，通過(guò)測(cè)控裝置停止加電從而停止加溫。

由于冰的融點(diǎn)是0℃，因此根據(jù)融冰公式Q吸=CM（t終-t初），已知冰的質(zhì)量C和比熱M，初始溫度即當(dāng)前冰的溫度（由測(cè)溫光纖測(cè)出）為t初，最終溫度為t終=0℃，因此可計(jì)算出需要的熱量Q；通過(guò)焦耳定律公式Q=I2RT，已知電流I、炭纖維電阻R、發(fā)熱量Q，即可計(jì)算出加熱時(shí)長(zhǎng)T；因此可預(yù)先將供電測(cè)控裝置通過(guò)對(duì)應(yīng)的溫度，設(shè)置對(duì)應(yīng)的加熱時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行融冰，當(dāng)融冰完成時(shí)，通過(guò)供電測(cè)控裝置停止供電從而停止加溫。

要強(qiáng)調(diào)的是本次對(duì)裝置設(shè)定極限溫度保護(hù)功能，在加溫過(guò)程中，如果測(cè)溫光纖測(cè)得溫度超過(guò)ADSS 外護(hù)層最高承受溫度，測(cè)控裝置就會(huì)自動(dòng)停止加溫，設(shè)定極限溫度保護(hù)功能方法為ADSS 外護(hù)套層普遍為聚氯烯或抗電痕護(hù)套，其最高可耐受溫度為70℃，加溫過(guò)程中若測(cè)溫光纖測(cè)得溫度即將達(dá)到ADSS外護(hù)層最高承受溫度，設(shè)定測(cè)控裝置自動(dòng)停止加溫，避免防覆冰全介質(zhì)自承式光纜損壞。防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用細(xì)節(jié)示意圖如圖3 所示。

圖3 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用細(xì)節(jié)示意圖

3 該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和貢獻(xiàn)

該技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)如下：1）解決了ADSS 光纜在低溫季節(jié)預(yù)防覆冰，以及對(duì)覆冰進(jìn)行融冰操作。2）選用碳纖維層做發(fā)熱導(dǎo)體，解決ADSS 不適合選用金屬作為發(fā)熱導(dǎo)體的難題。3）選用測(cè)溫光纖配合供電測(cè)控裝置，對(duì)ADSS 進(jìn)行全實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和自動(dòng)啟停防冰、融冰操作。4）根據(jù)測(cè)溫光纖可以感應(yīng)溫度變化，對(duì)光纜起到高溫保護(hù)作用。

通過(guò)上述4 點(diǎn)解決了ADSS 覆冰的情況下造成的斷芯斷纜的情況，對(duì)ADSS 的廣泛應(yīng)用是質(zhì)的飛躍，使ADSS 的使用更加廣域、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)結(jié)合目前電力線路上ADSS 光纜常年受到不同程度的覆冰影響，導(dǎo)致發(fā)生事故的情況，對(duì)光纜結(jié)構(gòu)及防覆冰技術(shù)進(jìn)行研究。首先根據(jù)ADSS 架設(shè)于電力線路的特點(diǎn)，選用碳纖維作為發(fā)熱導(dǎo)體，研發(fā)出一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜。再利用測(cè)溫光纖測(cè)溫，從而設(shè)定供電測(cè)控裝置的啟停時(shí)間和極限保護(hù)溫度控制，對(duì)整體ADSS 光纜進(jìn)行融冰操作。

該方案安全可靠，既解決了多年來(lái)ADSS 不適合選用金屬作為發(fā)熱導(dǎo)體的難題，也可對(duì)ADSS 光纜進(jìn)行全實(shí)時(shí)溫控監(jiān)測(cè)，為“十四五”期間物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下的智慧線路發(fā)展走出至關(guān)重要的一步，使ADSS 的運(yùn)行工況條件更加廣域，同時(shí)也使電力通信更智能、更安全，為國(guó)家電力通信網(wǎng)絡(luò)及光纜網(wǎng)架全面、快速地發(fā)展提供專業(yè)的強(qiáng)力支撐。