ADSS光缆悬挂点选择的仿真研究

杨承矩 李瀚儒 王学良 刘志全 杨军华

（1.广州供电局有限公司，广州 510630；2.广东安恒铁塔钢构有限公司，广东 佛山 528000）

在电力系统通信中，架设ADSS 光缆是当前非常经济的方法之一，其架设时一般不需要电力线路停电，同时投资较少。但是因为ADSS 光缆运行于高压强电场中，电腐蚀的影响会极大地缩短ADSS光缆的使用寿命。针对这个问题，一方面可以采用防电腐蚀涂料提高光缆护套的抗电蚀能力。另一方面，优化ADSS 光缆的悬挂点也是有效的解决办 法[1]。

合理地选择光缆悬挂点位置，应尽量使ADSS光缆处于较小的电场环境中。对于挂点的选择，一般采用电位高低（12kV，25kV）确定ADSS 光缆悬挂位置。而综合国内外研究，影响电腐蚀的主要因素在于光缆挂点处的电场强度。目前，通常采用电场强度小于10kV/m 作为悬挂ADSS 光缆的电场标准[2]。

本文通过对典型杆塔进行三维建模仿真，计算ADSS 光缆挂点位置的电场强度及沿线方向电场强度分布，对影响挂点处电场强度的因素进行分 析。

1 仿真原理与方法

输电线路常规的空间电场二维计算方法是对仿真模型做相应的简化，即将输电线路抽象成无限长直导线。而实际工况中ADSS 光缆，存在不同电压等级线路的交叉，跨越河道等电场环境，在这种混合因素的影响下，出现腐蚀的概率有较大的差异。根据事故经验总结得出：光缆和导线的交叉位置以及光缆的挂点附近发生电腐蚀事故的情况较多。三维建模仿真相对于二维电场计算涉及条件多，计算复杂。不过，三维电场计算能够充分考虑模杆塔、金具、跳线等条件对光缆的影响，并可以计算出不同ADSS 光缆挂点处的电场值[3]。在三维建模中，将导线及地线看作电荷的分布的均匀长直导体。这样，所需要求解的问题就是由空间按规律排列的有限长直线的电荷产生的电场强度的问题。

2 仿真模型

本文采用三维有限元计算模型（如图1所示）。按照全部杆塔尺寸1∶1 模型建立，建模过程中，分别对导线、杆塔和空气部分单独建模。为了减少计算，对于模型做以下简化：

1）边界选取。以有限距离的边界代替无限远边界，因为ADSS 光缆相对杆塔尺寸很小，所以选取适当边界使电场线不至于过于稀疏。

2）对称建模。根据杆塔及导线的对称性，可以建立1/2 模型通过旋转法建模。

3）导线和金具简化。导线通过圆滑圆柱来代替，直径选取16mm。因为金具相对于杆塔来说尺寸很小，这将导致剖分时错误增多，计算时间增长，所以将杆塔上部分金具作简化处理。

直接以杆塔尺寸作为基准进行剖分，将导致得到的有限元尺寸较大。虽然可以直接对整体模型进行一次剖分，但是这样划分的网格粗糙，大大降低了计算结果的精确度。如果以导线尺寸作为基准又会使得剖分尺寸过于精密，计算量大、耗用内存多，计算机无法完成剖分。所以，在此对杆塔和导线建立细化小模型，加强网格划分的细化程度以提高计算的精确度。在各个小模型处首先进行小范围网格划分，之后在进行全局划分。

图1 杆塔模型示意图

完整的模型包含杆塔，导线以及空气。如图2所示，建立好模型后，对其进行网格划分。剖分主要分为自由剖分和手动剖分。空气层对计算结果影响小，采用自由剖分方式。而导线及ADSS 光缆挂点因为建立了小模型，则通过手动剖分获取更加细化的网格（如图3所示），这样的电场计算结果将更精确。

本文中模型空间的静电场计算所需要的是VOLT（电压载荷），来定义模型在边界上的已知电压。

图2 整体模型剖分图

图3 导线周围作细致剖分

对于模型计算中的边界问题，一般采用的为截断法：取无限远处作为边界，即认定此处的电磁场已经衰减为0。通过计算对比，当超过一定距离后计算结果差异很小。本文中选取3 倍于杆塔高度距离作为空气边界。

3 仿真结果

3.1 典型杆塔挂点处的电场强度

选取广州地区220kV 单回棠碧乙线GJ2A 和双回广芳甲线 220Z2J002 两基事故杆塔作为研究对象。

1）单回220kV 棠碧乙线GJ2A 杆塔

杆塔全高24m，导线为LGJX-300/40 普通导线，地线LGJX-70/40。ADSS 光缆距A 相线路3m，位于杆塔上。杆塔分布从左向右依次为C、A、B 三相线路。

通过考虑导线形状和铁塔的三维仿真计算， 我们得到了杆塔模型的三维电场强度分布图，为了更加直观地看到杆塔不同挂点位置的电场强度，我们截取线路走向杆塔所在平面的电场强度分布如图4。从图中可以看出，距离导线较近处电场强度较大。因为杆塔零电位的存在，越靠近杆塔处电场线越密集。上下两塔臂及塔身形成的封闭区域电场突变大，电场线密集。根据杆塔附近平面等电场强度线分布 图，光缆挂点处位于电场强度较大一侧，电场线较密集。依据电场强度判断，GJ2A 杆塔的ADSS 光缆挂点处电场较高，空间电场值为12.833kV/m（如图5），光缆悬挂位置处的电场强度大于10kV/m，处于电腐蚀最易产生的电场区间内。

图4 等电场强度分布图

图5 挂点处电场强度

2）双回220kV 广芳甲线220Z2J002 杆塔

杆塔全高42.9m，导线为2×LGJ-630/45，地线LGJ-95/55。ADSS 光缆距杆塔轴线2.265m。杆塔左右侧线路对阵分布，由下向上依次为C、B、A 三相线路。

220Z2J002 杆塔所在平面的电场强度分布如图所示。由图6中电场线分布可知，导线周围的电场线较密集。而在挂点处，可以明显看出，电场向靠近杆塔处扩散且变化很大。根据杆塔附近平面等电场强度线分布图，220Z2J002 杆塔的ADSS 光缆挂点处电场较高，空间电场值达到了11.406kV/m。挂点位置处于电场强度大于10kV/m 一侧，在实际线路中加之悬挂金具的影响，势必会大于12kV/m，造成强烈的电腐蚀。

图6 等电场强度分布图

图7 挂点处电场强度

3.2 ADSS 光缆沿线电场强度分布

因为杆塔和悬挂金具的屏蔽作用，光缆在杆塔附近的电位比其他地方要小。所以相对于光缆沿线电位的变化，电场强度能更准确地判断电腐蚀。在金具的屏蔽作用下，被包裹于金具内部的光缆上承受很小的电场强度。根据电场强度沿光缆走向分布图（如图8所示），距离杆塔中心处的电场强度仅为10.097kV/m。然而，在金具两端出口处，有一个电场强度的尖峰分布，靠近杆塔两侧处电场强度达到15kV/m，已经超过电场强度的安全上限，极易对光缆造成电腐蚀。

图8 GJ2A 杆塔沿光缆走向电场分布

图9中表明，距离杆塔中心处的电场强度较低，而在两侧由于杆塔的屏蔽效果减弱，空间电场达到极大值，容易形成电腐蚀。由于金具接地，其中的光缆电位为零，但在金具出口外，电位陡升，造成该处的电场强度出现极大值，其情况类似于尖端放电[4]。

图9 220Z2J002 杆塔沿光缆走向电场分布

因为光缆表面会受污秽附着，当空气潮湿时，污秽加重时即污秽电阻变小。在感应电压作用下，泄漏电流增幅较大，而且衰减缓慢。在塔端附近感应场强会达到很大的数值，而且污秽电阻越小时，塔端感应场强可达到很高的数值，也越容易引发电晕放电。离塔端距离越远，电流越小，接近档距中央时泄漏电流接近于零，所以处于档距中央附近的光缆一般不会发生干带电弧放电现象[5]。相关研究得出，泄漏电流的最大值总是出现在悬挂光缆的金具预绞丝末端，这也是引起干带电弧放电电痕出现在光缆金具附近的主要原因，这也说明了悬挂光缆的金具预绞丝附近的电应力损伤最为严重的原因。

3.3 ADSS 光缆悬挂处电场强度的影响因素

1）光缆挂点位置

ADSS 光缆在杆塔上的挂点选择问题尤为重要，因为这直接决定了光缆表面的感应电势的大小。所以就电腐蚀的预防来讲，理论上悬挂点处的空间电势越小越好。但在实际工况中，限制光缆悬挂点位置选择的因素很多，这取决于线路状况、输电杆塔的类型，当然也跟光缆本身的机械性能有关。一般认为，应选择所允许的挂点中电位较低的位置悬挂。

当ADSS 光缆表面的泄漏电流小于1mA，感应电压小于12kV 时，几乎不会出现电腐蚀现象。通过对发生事故的110kV 线路分析，光缆表面产生的感应电压小于10kV 时极少出现电腐蚀现象[6]。

2）金具的影响

通过大量实验和相关资料数据，总结出220kV线路发生电腐蚀事故的电场强度与杆塔位置关系如图10 所示。

由于金具末端接地，所以包裹于金具内部中的光缆电场强度很小。但是，在金具两端出口处，电场强度的极大值接近10kV/m，最容易为电腐蚀创造条件。

图10 电场强度沿光缆走向分布图

建立金具出口小模型，对其进行仿真分析结果如图11 所示。金具出口处的电场线分布，出口处10～20cm 处的变化最大。金具出口处18cm 的电场强度为 12.066kV/m，12cm 处的电场强度为24.87kV/m，是ADSS 光缆最容易产生电腐蚀的电势区间，所以，由于金具的影响，在靠近杆塔的位置，存在一个电场强度的峰值。

图11 光缆出口位置电场强度

ADSS 光缆为全介质结构，高分子的外护套是形成感应电场的主要部件。所以，选择电势差较小处作为挂点（即电场强度小于10kV/m），光缆外护套也就不会形成干带电弧造成断缆事故。

3）光缆着污程度

光缆表面的污秽附着程度也是影响ADSS 光缆电腐蚀的重要因素。ADSS 光缆发生电腐蚀的一个重要原因就是当ADSS 光缆外表皮积压可溶性盐或者污秽时，就会形成半导电层，使得光缆表面的泄漏电流增大，使得表面温度升高，水分蒸发，形成一定区域的干燥带，而在干燥带处其局部电流密度过大，发生电弧放电，导致光缆表面降解、开裂，最终断缆[7-8]。

广东大部分地区存在气温较高、空气湿度大，盐雾、环境污染等很多不利因素。这就为灰尘或者污秽的附着创造了条件，加速了电腐蚀的过程。当光缆发生电腐蚀后，其表皮开裂面逐渐增大，使得潮气和雨水从开裂部位渗入光缆内部，导致其膨胀、受损，加速了纺纶丝的老化使得拉力降低[9]。由于光缆自身存在重力，并且有线路两端的张力共同作用，间接造成了断缆事故。

经过事故经验分析及研究得出，当光缆表面的电流超过1mA 时就有可能出现电腐蚀。若光缆外表面的污秽电阻值为1×107Ω·m，可以计算出其相应的电场强度大约为10kV/m[10]。

通过以上分析，广州光缆线路盐密度较大，其导致污秽物大量附着于光缆外护套表面，也是电腐蚀的主要原因之一。而金具绞丝外端尤为严重，这是预绞丝端部出现尖端放电对该部位电腐蚀起到了催化作用或者加剧了该处电腐蚀的进程。

4 结论

如果以电场强度（＜10kV/m）作为衡量标准，结合光缆运行地区的情况，用电压判据（12kV，25kV）作为辅助判据，作为悬挂ADSS 光缆位置是否安全的标准将更为合理。另外，气温较高、空气湿度大，盐雾、环境污染等很多不利因素，同样会使光缆表面污秽电阻值增大，造成电场强度升高。一般情况下光缆表面感应电场强度尽可能控制在12kV/m 以内，对于沿海、污染较重的地区更必须保证控制在10kV/m 以内。

针对频繁发生的ADSS 光缆电腐蚀问题，本文选取了广州地区的两基220kV 典型杆塔作为分析对象。首先对事故杆塔进行了三维仿真建模计算，通过对杆塔剖面悬挂点和光缆沿线电场强度变化两方面相结合，验证了ADSS 光缆断缆位置的电场强度 超出（12kV，25kV）范围，从而引发电腐蚀断缆事故。因此，在线路设计阶段，我们必须针对不同的线路参数考虑ADSS 光缆的合理悬挂点，本文提出的三维建模仿真研究方法，可以准确分析计算出不同杆塔各部位的电场强度分布，为设计人员选择合适悬挂点提供有效的解决办法。

[1] 赵建宇.ADSS 光缆线路设计的启示[J].农村电气化,2009(11): 41-42.

[2] 周一峰,陈清美.电场强度对ADSS 光缆的影响[J].电力系统通信,2001(11): 16-18,21.

[3] 王晓燕,赵建国,邬雄,等,交流输电线路交叉跨越区域空间电场计算方法[J].高电压技术,2011(2): 411-415.

[4] 周一峰,曹志彤.ADSS 光缆悬挂方式的探讨[J].电力系统通信,2004(5): 21-23.

[5] 丁道齐.电应力作用下ADSS 光缆损伤机理及对策(上)[J].电力系统通信,2001(9): 1-12,21.

[6] 常宗波.ADSS 光缆表面干带电弧的形成机制及控制[J].高电压技术,2007(11): 24-27.

[7] 刘江,张捷.ADSS 光缆腐蚀断裂原因分析[J].内蒙古电力技术,2009(6): 39-40.

[8] 周俊礼,赵渂,严亚琦,等.ADSS 光缆电腐蚀问题的浅析[J].光钎与电缆及其应用技术,2009(2): 44-46.

[9] 胡绍勇.ADSS 光缆防电腐蚀的探讨[J].机电信息,2010(12): 82,102,

[10] 邹相国,杨新华,高维忠.新乡 220kV 输电线路ADSS 断缆事故分析[J].电力系统通信,2005(8): 34-37.