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电力通信用全介质自承式光缆(ADSS)的应用研究

2/14/2005来源:光纤通信人气:12940

电力通信用全介质自承式光缆(ADSS)的应用研究(杜柏林 李苏明) [摘要] 本文提出了“ADSS光缆应用技术”这一概念,认为ADSS光缆的实用化与 其他光缆略有不同,ADSS光缆的应用成功与否,不仅取决于光缆本身的制造品质,而 且更大程序上依赖于ADSS光缆线路的架设设计和敷设方法、铁塔场强分析和光缆最佳 挂点选择、光缆与全具的配用等应用技术,只有完善了应用技术,才能确保品质优良 的ADSS光缆能在线路上更合理、经济、安全、有效地长期可靠运行。 关键词:ADSS光缆应用技术、铁塔场强分析、线路架设设计和施工、ADSS金具配 用。 一、前言 近年来,随着我国电力网建设的迅猛发展,全介质自承式光缆(All-DieleCtric SelfSupporting OptiC Fiber Cable,简称ADSS光缆)在电力通信系统中得到了广泛 的应用。ADSS光缆以其重量轻、价格适中和ADSS光缆在线路架设时不需停电等优点, 受到了用户的一致欢迎,但是就国内ADSS光缆应用的相关技术来看,目前还尚未完善, 例如在护套耐电腐蚀、线路架设设计、敷设方法、金具配用等方面都还存在一定的问 题。ADSS光缆的使用有着其特殊性,它与普通光缆不同,不能简单地以规格型号光缆 去配用在某线路上,而是应该根据使用线路的运行条件、线路电压等级、当地气象情 况等来进行线路架设设计和光缆的设计及制造,并且光缆的敷设施工方法和与金具的 配合情况也直接影响光缆的运行结果。因此,掌握和合理运用ADSS光缆应用技术,在 用好、用活、用巧、用省光缆,如何最大程度地发挥ADSS光缆的最佳性能和确保光缆 长期安全可靠运行等方面显得格外重要。 本文针对ADSS光缆的诸多应用技术展开了研究讨论,希望能以此来共同提高我们 的ADSS光缆应用技术水平。 二、护套电腐蚀、铁塔场强分布分析和光缆最佳挂设点选择 在电力通信系统中,光缆常采用OPGW、ADSS和缠绕式光缆。一般在新建的电力线 路或更换架空地线时采用OPGW,而老线路改造时考虑到OPGW架设时需线路停电等原因, 则采用ADSS光缆作简易替代方法。至今为止,全世界除英国和我国外,在欧美和日本, ADSS光缆用量都很少,但各类试验却频繁。目前绝大多数的ADSS光缆都运行在220KV以 下线路上,这是由于光缆护套受电腐蚀现象的限制。 光缆处于高压导线和地线之间,光缆护套表面存在感应电压。当光缆表面受污染 且又遇潮湿时;光缆表面形成一电阻层,在感应电压的作用下,通过光缆表面电阻向 金具、铁塔产生接地电流,在该电流的作用下,光缆表面局部受热水份失去,形成干 燥带,阻碍了电流继续流动。当干燥带处的感应电场足够强的情况下,电流击穿周围 的空气形成对地端的放电电弧,这样反复放电,放电电弧产生的热量使护套材料老化、 烧焦形成炭化通道,出现腐蚀电痕。护套材料在电腐蚀的作用,开始变得表面粗糙, 失去憎水性,以后由于电腐蚀作用的加强,接着护套出现树状电痕,更严重时,材料 机械物理性能遭到破坏或熔化成洞状,现露出光缆缆芯。 一般电腐蚀现象发生在线路场强分布变化最迅速处的光缆表面,即光缆铁塔控设 点附近。并且由实验得知,当光缆表面的感应电压小于15KV,接地漏电流小于0.5mA 情况下几乎不发生电痕腐蚀现象。为了保险起见,通常设计ADSS光缆运行在12KV以下 的空间电视和0.3mA以下的接地漏电流情况下。一般在110KV以下线路,光缆表面所受 的感应电压设计在低于10KV,因此不会发生电痕腐蚀危害,所以通常采用HDPE护套即 可。而运行在110KV或110KV以上的线路,由于光缆表面的感应电压大约为12KV-30KV 范围,甚至更高,所以光缆的护会则必须采用耐电腐蚀材料。目前的耐电腐蚀材料大 约有以下几类:(1)以金属水合物掺入HDPE的配方料(ATH)。(2)交联HDPE料。 (3)半导体护套料,其表面电阻控制在10(7)Ω/M左右,能有效防止电弧产生, 又使光缆护套不严重发热。(4)阻燃材料。阻燃材料的阻燃机理不外乎材料自身具 备耐氧化性或破坏燃烧(剧列氧化)的条件等,例如:纯PVC的自身阻燃;材料燃烧 时释放吸热物质降低表面温度;材料燃烧时形成表面膜隔绝氧气或释放不助燃气体局 部降低氧气含量等。而电腐蚀机理实际上也是一个剧烈的电弧高温氧化过程,因此阻 燃与耐电腐蚀从原理上来看是有共性之处的。据报道,AT&T Fitel公司从阻燃着手, 已成功开发了通过IEEE P1222草案中建议的盐雾情况下25KV、1000h耐电腐蚀试验的 护套材料。 为了进一步有效控制光缆表面电弧产生,还可采取以下一些别类措施:(1)在 铁塔安装处附近的光缆上设置若干放电针。(2)对铁塔安装处附近的光缆设置防雨 罩。(3)采用防尘绝缘子隔离金具与铁塔(但必须解决接头盒处和光缆终端的电弧 放电问题)。 ADSS光缆护会耐电腐蚀试验一般可按照IEEE P1222草案附录A中规定的耐电腐蚀 试验进行。在该标准中明确规定ADSS光缆的护套应分成A、B二类,分别适用于光缆敷 设在电场分布中其空间电势小于12KV或大于12KV的场合。试验时应将光缆试样用张紧 金具水平拉紧,并置于盐雾箱中。施加的张紧力一般为光缆正常运行张力,施加的电 压、电极间距离应根据需要的试验电场强度而定。试验中采用的盐雾液含NaC1浓度为 10Kg/M3,盐雾滴大小尺寸为5-20uM,试验温度为15-25℃,整个试验时间规定为 1000小时,试验中允许有数次用于监视目的的间断,但每次间断的时间不得超过15分 钟,允许在100小时持续之后有一个间断发生,但它不得计入持续时间。1000小时试 验完毕后,光缆护会不得击穿,若有电腐蚀坑其深度不得超过护套厚度的50%。除此 以外,关于塑料材料耐电腐蚀试验,还有国际上最早公认的权威标准试验方法JIS- C3005。在该试验中,将4KV电压施加到100毫米光缆护会的表面,在通电条件下将浓 度为每升含2g盐(NaC1)和1毫升硝酸纤维的溶液以雾状物喷洒到试样表面,盐雾溶 液的导电率约为300uΩ/CM,经100次喷雾后,若在材料表面未形成炭化的放电痕迹 通道,即可判为合格。据报道,目前国内已有采用英国北欧化工生产的ME6080作外护 套料的ADSS光缆,先按照ASTMG53-84的规定,经过2000小时加速老化后,再按照IE EE P1222草案附录A的规定进行了空间电视为60KV,频率为50HZ,时间为1000小时的 盐雾情况下的耐电腐蚀试验,试验结果完全符合该附录的要求。 铁塔周围的电场场强分布分析图~般可利用场强分布分析软件来进行计算得出, 对于110KV以上的线路安装ADSS光缆,该分析计算显得更为重要,可用它的分析结果 来直接指导选取光缆在铁塔上的最佳安全控设点,目前该类软件中已有1024点的高 精度分析软件出现。但仅拥有电场场强分布分析软件是远远不够的,还必须正确、 合理地来运用好该软件程序才行,在实际场强分析过程中,应充分考虑影响场强分 布的因素,例如:铁塔结构、绝缘子长度、全具尺寸、相线截面、环境污秽等级等, 以提高软件计算分析结果的精度。对于多回路线路场合,还必须考虑各回路相线相 序排列不同对周围场强分布的影响,考虑到其中有某些回路停电情况下的场强分布 变化情况等。根据我们的经验,在做多回路线路铁塔场强分布分析时,应首先作出 各种部分回路停电情况下的场强分布分析图,然后再按照最安全的场强分布参数来 选取光缆的实际控设点。在实际选取光缆最佳挂设点过程中,除考虑了上述的铁塔 周围电场场强分布外,还必须考虑线路场强的分布及变化情况,即必须考虑相线挂 设弧垂与ADSS光缆弧垂间的距离关系、不同季节温度变化所引起的相线弧垂变化、 ADSS光缆发生舞动等因素,当光缆距相线距离过近,引起光缆表面感应电压过高, 若超出护套材料的耐受范围,则会引起ADSS光缆遭受电腐蚀,相距距离更近时,甚 至还会发生碰线事故。因此,在确定光缆挂点时,应充分全面考虑全线路的断面情 况,ADSS光缆与相线间距应留有足够余度,确保在各种运行条件和环境条件下光缆 长期安全、可靠运行。具体操作时可能会碰到一个与上述要求相矛盾的难题,那就 是ADSS光缆控设距地面高度,我们通常的做法为把光缆挂设点设计在铁塔内,尽管 这样做对光缆架设施工造成了一些麻烦,但却可有效避免了光缆与相线处于同一个 垂直平面,错开了相线与光缆的弧垂,增加了它们的间距。在特殊情况下,有时还 需要调整设计光缆的运行张力和弧垂或增设光缆架设杆塔来满足要求。另外,由于 种种原因,软件程序计算出的场强分布分析结果并不是完全符合实际情况的。因此, 为了安全稳妥起见,在实际光缆挂设施工中,我们通常采用便携式电场场强计对AD SS光缆挂点处的场强强度进行再次实际测定,作一验证。 三、ADSS光缆的线路架设设计和敷设施工 ADSS光缆线路架设设计不仅对光缆线路敷设施工具有指导意义,而且对ADSS光 缆设计、制造也起着重要作用。ADSS光缆因是与输电线路同杆架设,所以通常我们 可根据架设线路的路由图、输电线路杆塔明细表、杆塔一览表、线路断面图、特别 跨越、当地气象资料等来确定线路各耐张段的长度、代表跨距、挂设点高低差和当 地最大风速及最大覆冰等多数。虽然一定规格型号的ADSS光缆对于一定代表跨距的 线路存在其一定的张力、孤垂对应关系,但我们不主张对于各种不同的架设线路实 情套用现成规格型号的ADSS光缆。为了更合理地用好、用巧ADSS光缆,我们建议应 根据线路各耐张段的代表跨距、光缆挂点高低差、当地最大风速、最大覆冰时的光 缆负荷,结合ADSS光缆缆径、单位缆重,采用试差法来分别求得光缆的常年运行张 力和弧垂关系、最大风载荷和最大覆冰载荷时的光缆最大运行张力和最大弧垂。根 据我们的经验,一般在最大风裁行情况下光缆承受的张力和弧垂最大,至于最高风 温度环境下的光缆运行张力和弧垂,因ADSS光缆的综合热膨胀系数非常小,从而显 得没有实际意义。最后,还得把光缆的最大运行张力和最大弧垂返回到杆堪负荷、 控设点高度、弧垂距地面高度等参数中去验证,直至完全吻合,该项工作才算完成。 在得知了光缆的最大运行张力后,我们一般取3-4倍的安全系数来确定光缆的破断 强度,然后再进一步根据所要求的光缆断裂强度、缆径、缆重、耐电腐蚀要求来设 计光缆的模量、光缆各元件的结构尺寸和选用护委材料等。 线路各耐张段光缆的运行张力和弧垂,可利用专门的光缆架设设计计算软件来 完成。该软件的基本设计计算原理是以二挂设点不等高的一段悬挂光缆为代表设立 光缆悬挂方程式,从而导出悬挂光缆上各点的内力水平分量和垂直分量,并解出悬 挂光缆的长度、应力与弧垂关系,然后再根据光缆的模量,利用光缆各点应力应变 的计算,求得光缆在风、覆冰载荷等环境条件下的拉伸伸长和最大弧垂。 ADSS光缆的生产盘长一般是根据耐张段线路杯搭档距和光缆弧垂长度,光缆接 头余长,光缆施工余长来确定的。光缆的弧垂长度系数一般取线路杆塔档距的4%, 光缆接头长度取光缆二端接头杆塔的呼称高,光缆的施工余量,考虑到架设时二端 光缆的损失,一般取30米左右。 在ADSS光缆线路架设设计中,为了减小光纤熔接对光缆线路传输损耗的影响, 可采取跨多个耐张段安装~根大长度连续光缆的做法,安装的单报光缆长度最大可 达6KM左右,但在实际线路架设设计时应根据架设的路由情况、光缆安装操作的难 易程度来确定。 ADSS光缆的架设施工,一般采用张力放线机、多个滑轮、牵引机等工具来进行。 放线机放缆时保持一定的张力,使光缆在架设施工过程中保持张力在3000N-5000N 范围和放线速度平稳。滑轮挂设在杯塔上今后光缆的安装位置,二端耐张塔上二个 滑轮的直径应为500mm以上,中间直线搭上过渡滑轮的直径可取250mm左右,避免光 缆弯曲半径过小。光缆牵引端以网套并通过万向旋转器连接牵引绳,让光缆保持自 然位置,防止光缆在牵引过程中过度被迫扭转而造成内部光纤受损。牵引机则牵引 牵引绳。牵弓吨工时,每个杆塔上都应有人照看好滑轮,防止光缆从滑轮槽里脱落 出来,以致损坏光缆。光缆在架设施工过程中不允许光缆在地面、铁塔等处拖曳磨 擦,甚至要求所有滑轮的轮槽都具有橡胶内衬层,不产生对光缆的任何磨损,若光 缆表面被磨损变得粗糙,失去了僧水性,那么事实上通过机械磨损途径,相当于第 一阶段的电腐蚀效果已经发生。耐张段光缆被牵引到位后,可采用棘轮来仔细调节 紧线。通过测量达到静平衡后的观察档弧垂,就可谁知该耐张段光缆的运行张力。 在满足了线路架设设计要求后,再依次紧固安装静瑞金具、悬挂金具、引下线夹、 消振器等。ADSS光缆架设施工中,光缆接续点一般设置在耐张塔处,光纤熔接和接 头盒装配工作应在地面进行,光缆接续完成后再把接头盒固定到塔杆构件较高处, 使闲人接触不到。ADSS光缆与普通架空光缆不同,因是与电力输电线路同杆且不停 电架设,所以特别要求注意不在雨雪中施工,确保施工安全。 在ADSS光缆架设线路中,当光缆跨越公路、铁路及与输电线路交叉等时,有时 需要增设水泥杆对光缆作特殊的升降。当光缆穿越输电线路时,应充分考虑输电线 路的弧垂随温度变化因素,因此对光缆与输电线路之间的垂直净距留有充分余度。 当光缆跨越10KV以上输电线路时,施工时应考虑被跨越输电线路停电,以确保施工 安全。另外,在光缆架设线路中还应注意架空光缆与建筑物、树木等最小垂直净距, 例如:一般对居民区应有6米高度,对非居民区应有5米高度,越过房屋时应有1米高 度,对10KV电力线交叉跨越应有2米,对35KV电力线交叉跨越应有3米,对铁路跨越 应有7.5米高度,对公路跨越应有6米高度等等,详细可参见电力部颁发的电力系统 光纤通信运行管理规程(DL/T547-94)。至于重大跨越,例如大跨度跨越河流等, 应由设计人员赴现场进行测量,再提出架设设计方案和施工注意事项。 四、ADSS光缆的全具配用 光缆载荷是通过静端金具或悬挂金具传递给塔杆的,光缆护会在强电场下的电 腐蚀劣化也常常发生在全具与光缆的连接处,因此ADSS光缆金具的选择配用和安装 非常重要。目前市售金具的型号很多,大多采用传统的预绞式结构,其中以PLP公司 和石家庄华能电气公司的产品应用最广泛。 ADSS光缆依靠各类金具支撑并安装在杯塔上,常用的金具有静端金具、悬垂金 具、螺旋消振器、引下线夹等。一般情况下,静端全具在每个终端杆搭配用一套, 在每个转角或俯仰角大于15的耐张塔配用二套,成套使用;悬挂金具用于直线搭上, 每塔一套;螺旋消振器是根据线路档距来配置的,一般100米以下档距不用,100- 300米档距每端配置一根,300-600米档距每端配置二根,600—800米档距每端配置 三根。引下线夹是在终端杆塔和光缆接续杆塔将光缆引下并固定在塔架上时使用, ~般每隔2米左右一只。另外,当选用的金具与杆塔不能直接连接时,需采用过渡金 具转接,但应注意不要因此而改变光缆的安装位置,从而改变光缆在电场中的感应 电势。 金具与光缆之间的握力取决于预绞丝的长度,预绞丝的直径也必须精确以保证 最大抗张强度。一般内,外预绞丝的长度与握力的关系表示如下: 握紧力(KN)30 41 50 65 80 内预绞丝长度(MM)2100 2400 2700 3000 3300 外预绞丝长度(MM)1500 1800 2000 2400 2700 金具握力与线路档距配合关系表示如下: 档距(M) 400 500 600 800 1000 金具紧握力(KN)30 41 50 65 80 五、结束语 ADSS光缆护套耐电腐蚀能力和机械强度的长期可靠性是我们共同关心的问题。最 近一段时期先后在广东、上海等地发生ADSS光缆运行断裂事故,究其原因不外乎光缆 护会遭电腐蚀击穿和光缆受强台风袭击。对于防止光缆护套遭受电腐蚀,我们认为除 了进行耐电腐蚀性能长期良好的护套材料研究之外,还可以通过选取光缆挂点和设计 弧垂,确保光缆运行在低场强空间来解决。而对于ADSS光缆的机械特性,特别是关于 风报和舞动方面的研究,国内以往开展得甚少,光缆在平滑微风中激励谐振和在强风 中由于光缆质量不均匀或覆冰产生的舞动都会引起光缆支承点(波节点)材料的疲劳 受损。这些损伤将直接影响到光缆的机械强度。因此,我们认为在光缆抗张元件材料 老化寿命足够长的前提下,风振和舞动是影响光缆机械特性劣化的主要原因。当然, 光缆中苦纶纤维和FRP抗张元件的材料老化寿命及材料蠕变对材料机械特性的影响也 将是我们要研究的课题。