ADSS电力特种光缆应用分析

作 者：吉林省电力有限公司通信分公司 李晓东 张洪义 姜克志 
    光纤通信已成为电网建设和电网改造的一个重要组成部分。光纤通信容量大，抗干扰性能好，不但可以满足电力系统中通信及自动化的需要，而且可以将富余的容量提供给社会。光纤通信既可以提高电网的供电可靠性，也可以取得良好的经济效益。
    利用架空电力线路走廊，在线路杆塔上进行架设，是一种非常经济的光缆敷设方式。目前，在架空输电线路上架设光缆主要有两种形式：光纤复合架空地线（OPGW）和全介质自承式光缆（ADSS）。新建的电力线路上通常选用OPGW，ADSS常用于已建成的电力线路上。ADSS光缆相对OPGW投资较小，可在电力线路不停电状态下架设，设计施工、维护等也较方便，已在建成的电力线路上得到广泛的应用。

    ADSS光缆的适用范围
    对于新建或已建成的220kV及以上的高压输电线路，且作为通讯干线走廊的，为保证通讯线路与输电线路运行寿命（30年以上）的匹配性，从光纤通信的可靠性、施工和维护等方面考虑，工程人员应选择OPGW，220kV及以上的干线输电线路不宜选用ADSS光缆。
    对于已建成的220kV及以下的输电线路，特别是区域变电所间的通信，可以考虑选用ADSS光缆。工程人员首先应考虑现有电力线路上架设ADSS光缆的可靠性，对电力线路已运行时间、杆塔的老化程度、原设计标准等条件来进行评估，从而确定架设的可行性。

        

    由于电力线路的设计技术规程多年来已进行过修改、调整和补充，所以对已运行多年的电力线路杆塔强度的校核难度大，成为架设ADSS光缆的关键问题。总的原则是在不影响电力线路安全运行、不降低可靠性的前提下，方可架设ADSS光缆。因此，笔者建议架设ADSS光缆，应尽量选择线路杆塔条件较好的电力线路。
    在产品方面，国内目前有ADSS光缆的产品和检验标准，如国家标准GB/T18899《全介质自承式光缆》和电力行业标准DL/T788《全介质自承式光缆》，国际上主要有IEEE-P1222《用于架空输电线路的全介质自承式光缆IEEE标准（草案）》和IEC60794-4《光缆第4部分：分规范-沿电力线架设的光缆》。在工程方面，国内有电力行业标准DL/T5344《电力光纤通信工程验收规范》和DL/T767《全介质自承式光缆（ADSS）用预绞丝金具技术条件和试验方法》，但至今没有成熟有效的针对ADSS光缆的线路工程设计规定/规程和规范，所以ADSS光缆安装设计，只能参照现行的电力行业标准DL/T5092《110－500kV架空送电线路设计技术规程》。

    ADSS光缆选择
    1.ADSS光缆结构
    ADSS光缆的结构分为中心束管和层绞束管两大类，除了一些各方面条件较好的电力线路，一般情况下宜选用层绞束管结构的ADSS光缆。
    ADSS光缆中的光纤是以波状导入束管内，然后束管进行绞合，产生绞合余长，光纤具有适当的余长，保证了光缆承受正常工作的机械负荷时光纤不受力（即光纤零张力设计），也不会增加光纤的损耗。
    2.ADSS电气性能
    ADSS光缆的类型选择首先要考虑电气性能要求，即ADSS所能承受的空间感应电场（电位）的大小，原因是ADSS光缆工作在高压线路导线附近，导线周围空间存在电磁场，光缆对导线和地之间的电容耦合使光缆处于一个空间电位的位置，因雾、露或下小雨时，潮湿的污秽在光缆外护套表面形成一个电阻层。在空间电位的作用下，护套表面对铁塔上的光缆接地金具之间流有电流，电流发热造成水分蒸发，使光缆外护套表面形成小段的干燥地带，阻断了电流，当干燥带的电位差达到一定高度时，便发生放电形成电弧，这就是干带电弧。它产生的热可以使交联聚合物逐步失去结合力而形成腐蚀，护套会熔成洞。这种现象或故障称为护套电腐蚀或电痕，严重时会导致断缆。
    ADSS采用何种类型的外护套取决于光缆安装位置的空间电位的大小，与电力线路的电压等级、杆塔结构、导线布置及相位排列等多因素相关。
    3.ADSS机械性能
   （1）力学特性
    ADSS光缆的机械强度方面，纺纶承载、缆内纺纶的数量决定了光缆的额定抗拉强度（RTS），单位为kN。
    ADSS光缆最大允许张（应）力（MAT）对应于在最恶劣的设计气象条件下光缆所受到的最大张（应）力，单位为kN或N/mm2。
    ADSS光缆的年（日）平均张（应）力（EDS）对应于在无风、无冰及年平均气温下的张（应）力，单位为kN或N/mm2。
    ADSS光缆的极限运行张（应）力（UOS）可视作缆的过载能力，对应于在短时超过设计气象荷载时缆所承受的张（应）力，单位为kN或N/mm2。
    这四个力值之间存在一定的关系且与光缆结构有关，相关标准做出了规定如表1所示。
    它们之间的关系又被称为“光纤应变窗”或缆的“应力应变”性能。
   （2）张力—弧垂特性
    与该特性有关的光缆的机械性能主要包括缆径、缆重、弹性模量和热膨胀系数等。
    ADSS光缆具有可变跨距特性，对于同一条光缆，如果气象条件和弧垂不同，它的允许使用档距是不同的，如图1所示。
 
         
                     图1  ADSS光缆可变跨距示意图

    根据要架设光缆的电力线路设计气象条件、档距、跨越情况，杆塔的设计运行状况，线路转角、高差等情况，工程人员来确定ADSS光缆的机械性能。通常以电力线路的设计气象条件计算的ADSS光缆张力弧垂表为依据。校核杆塔的强度，增加的负荷主要有风荷载、复冰荷载及不平衡张力；还应校核交叉跨越，根据校核情况，最终确定ADSS光缆本身的机械性能。

    控制条件的确定
    控制条件（ADSS光缆的电气性能或机械性能）确定是ADSS安装设计中的一个重要环节，关系到线路的安全运行和光缆的使用寿命。它不但与电力线路的运行状况、气象条件有关，还与ADSS本身的机械性能有关，影响到ADSS类型、ADSS的悬挂位置确定（电气性能）、交叉跨越和杆塔负荷所要求的ADSS的张力和弧垂的选取（机械性能）。
    1.杆塔条件和空间电位分布
    杆塔条件主要包括：杆塔型号和尺寸、系统电压、导线型号或外径、导线回路、导线分裂数及分裂间距、地线型号或外径、相位排列（双回或同塔多回很重要）。
    2.光缆最大允许弧垂的确定
    除了机械强度，ADSS光缆的最大允许弧垂取决于光缆弧垂最低点与地面（或交越物）的最小间距与悬挂点位置（或高度），悬挂点位置设计与该点的空间电位直接相关。
   根据相关规程或工程对光缆弧垂最低点与地面的最小间距的要求，可以求得光缆的最大允许弧垂。工程人员应该明确：这是工程重要的控制条件之一。
    3.光缆的张力—弧垂—跨距特性
    计算张力—弧垂—跨距特性需要有设计气象组合条件和光缆的初始安装弧垂两个前提。表2给出某一规格的缆当初始安装弧垂为1%时在两个气象条件下的计算实例。
    根据表2，可有如下结果。
    （1）单从年平均均应力受限（即EDS控制）来考虑，该缆的最大跨距小于500m，因它在500m时的应力为540.2kN/mm2，超过了光缆本身的指标512.5kN/mm2。
    （2）同理，单从MAT控制来考虑：气象条件A（覆冰15mm）时最大使用跨距小于450m；气象条件B（覆冰10mm）时最大使用跨距可达550m。
    （3）若同时以最大允许弧垂分别为12m或16m控制，则在气象条件A下分别小于350m或小于450m；在气象条件B下分别小于450m或600m。这样，就引出了一个ADSS光缆的“实际使用档距”的概念。
    用相同的计算方法，改变初始安装弧垂可以得出如表3所示的某一规格ADSS光缆的实际使用档距表。
    从表2和表3可知，ADSS光缆的安装设计要考虑多个因素。ADSS的弧垂及张力取决于线路的重要交叉跨越和杆塔结构的强度，两者互相制约。当跨越或杆塔结构要求ADSS挂点时，电场强度的分布就可能对ADSS光缆不利，根据电场分布确定的挂点位置，可能又不利于杆塔的强度和跨越及线间距离要求的确定。

        

    4.ADSS最大使用张力
    ADSS的最大使用张力要根据原电力线路杆塔的设计荷载来确定，在杆塔负荷允许的条件下，提高张力有利于交叉跨越的实现，但可能使缆的有效使用跨距减小（控制条件转变为缆的EDS受限）。
    工程人员应依据不同耐张段内各档距的跨越情况，确定各耐张段内的最大使用张力。当ADSS根据杆塔结构或跨越等因素要求必须挂在某个位置时，如110kV线路选在空间感应电场为20kV的地方时，ADSS光缆就不能按惯例选择PE护套。这种情况要根据线路中各耐张段内跨越，杆塔情况确定。
    必要时，工程人员通过经济比较，在一条线路上以耐张段为单位，选用不同张力和护套类型的ADSS光缆。
    总之，在实际工程设计中，工程人员要结合已建电力线路的实际情况，当上述条件同时出现时，就要正确选定控制条件，使ADSS光缆的安装设计经济、安全、合理。

    ADSS的防振和金具
    ADSS光缆的强度设计安全系数，应在与所架设的电力线路设计气象条件相一致的条件下确定，根据我国送电线路成熟的运行经验，ADSS光缆的设计安全系数不应小于2.5。ADSS光缆与金属绞线一样，受风等环境影响，会发生振动，长期的振动会导致光缆本身和金具的疲劳损坏。因此，ADSS光缆的年平均运行张力应按不大于ADSS光缆极限拉断力的20%选取，并采取相应的防振措施。
    1.防振措施
    目前，防振措施有两种：加装防振锤和螺旋式防振鞭（SVD）。如采用加装防振锤措施，应在安装处缠绕一定长度的预绞丝护线条分散应力。SVD施工方便，因此得到广泛使用，现场和实验室试验表明防振鞭对降低振动水平非常有效。
    SVD应根据设计要求安装，2根及以上的SVD并联或串联均可，通常用并联，一般最大时可并联4根。
    业界通常认为，SVD的安装位置对防振效果不敏感，为了避免防振鞭与金具预绞丝末端过近产生电弧，振鞭距金具预绞丝末端的距离越大越安全。
    2.ADSS光缆金具
    ADSS光缆金具主要有耐张金具、悬垂金具和接头盒，通常由ADSS光缆厂家配套供货。近年来，国产配套金具已得到了广泛使用，运行情况良好。

来源：通信世界周刊