全介质自承式光缆电腐蚀机理研究

罗洋，钟佳萌，唐小力，龙震泽，杨森，谢茜

(1.国网四川省电力公司电力科学研究院，四川 成都610042；2.国网四川省电力公司物资分公司，四川 成都610052)

全介质自承式光缆(All Dielectric Self-Supporting，ADSS)是一种不含任何金属材料的电力特种光缆，通常直接架设在220 kV及以下的高压输电线路杆塔上，具有可不停电安装、不新立杆塔、维护方便和造价低等独特优势，广泛应用于我国电力通信系统中[1-3]。

然而，ADSS光缆在实际运行中面临着电腐蚀引发断缆故障这一难题[4-7]，严重制约了ADSS光缆的持续发展和应用。因此，国内外专家学者在ADSS光缆的电腐蚀产生机理方面做了大量的研究，基本上认为有两种因素：一是主要由英国专家Rowland S.M.提出的外护套表面因污秽引起“干带电弧”放电导致[8-11]，其较好地解释了ADSS光缆断缆位置的不确定性；二是由荷兰专家Berkers提出的预绞丝末端的电晕放电导致[12]，其主要针对预绞丝末端断缆的问题，但不能解释远离预绞丝末端断缆的情况。

美国电气和电子工程师协会依据ADSS光缆表面因污秽引起“干带电弧”放电的理论，在IEEE 1222《IEEE Standard for All Dielectric Self-Supporting Fiber Optic Cable》技术标准中提出了ADSS光缆外护套的耐电痕性能试验。我国也参考了IEEE 1222技术标准制定了ADSS光缆相应的国家标准GB/T 18899和电力行业标准DL/T 788。同时，我国ADSS光缆制造厂商在外护套材料和杆塔标准挂接位上的深入研究，使得ADSS光缆电腐蚀断缆问题得到较大的改进。

但在220 kV高压输电系统中，ADSS光缆所处的电场环境相比低电压等级系统更加复杂、恶劣，即便按技术标准选用抗电痕外护套，但仍然极易遭受电腐蚀危害引起断缆，严重威胁到电力通信网的安全运行。因此，有必要研究ADSS光缆结构，分析220 kV输电系统中ADSS光缆的空间电场分布，并通过模拟试验，发现ADSS光缆的薄弱点。

本文针对220 kV输电系统中抗电痕外护套的ADSS光缆电腐蚀问题，介绍了ADSS光缆常用结构和金具，建立了ADSS光缆在高压输电系统中的电场仿真模型，在实验室内开展了抗电痕外护套的ADSS光缆的高电压模拟试验和检测。

1ADSS光缆介绍

1.1ADSS光缆基本结构

ADSS光缆主要由光纤、松套管、中心加强件、内护套、芳纶纱、外护套等组成。通常，由光纤和松套管组成的缆芯被覆以内护套，再均匀缠绕芳纶纱，最后被覆以黑色聚烯烃外护套。

1.1.1缆芯结构

ADSS光缆的缆芯结构主要分为中心管式和层绞式两种。

1)中心管式缆芯。中心管式缆芯为含多根光纤或光纤带的充油松套管，再根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱，如图1所示。

图1中心管式ADSS光缆结构示意图

2)层绞式结构。层绞式缆芯由含多根光纤或光纤带的充油松套管及可能有的塑料填充绳，再绕中心加强件绞合而成。最后，根据所需要的抗拉强度绕包合适的芳纶纱，如图2所示。

图2层绞式ADSS光缆结构示意图

与中心管型相比，层绞式结构的芯数大、光纤在层绞式缆芯中的绞合更长，更适合于中大跨距场合。因此，在220 kV输电系统中，基本上选用层绞式ADSS光缆。

1.1.2主要部件

1)外护套。基于ADSS光缆的“干带电弧”放电理论，ADSS光缆的外护套分为普通聚乙烯护套(PE)和抗电痕护套(AT)两种。PE护套适用于敷设区空间电位不大于12 kV的区域；AT护套采用交联耐电痕聚烯烃材料制造而成，具有良好的电气性能，适用于敷设区空间电位大于12 kV的区域。

2)芳纶纱。芳纶纱是ADSS光缆最主要的承力单元，在架空条件下的承载能力由芳纶纱的型号和数量决定。芳纶纱包覆在内护套外表面与外护套内表面之间，并与外护套内表面紧密粘合，且每一层芳纶纱以一定的节距包覆，以便在承受张力时确保转矩平衡和张力的有效传递。

3)松套管。ADSS光缆的松套管材料一般采用聚对苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或其他合适的塑料，光纤以波状方式或螺旋方式分布于管内。为了防止水和潮气的浸入而侵蚀光纤，束管内部填充满不会滴流的胶质化合物。层绞式结构是将光纤松套管绕包在中心加强件上，而中心管式结构是将光纤松套管置于光缆中心。

4)扎纱和包带。为了保证光缆结构的稳定性，应在松套管绞层外交叉扎纱或包带。扎纱应是强度足够的非吸湿性和非吸油性纱束。包带应具有足够的隔热和耐电压性能。

5)阻水材料。为了使得ADSS光缆全截面阻水，需要在缆芯间隙采取有效的阻水措施，包括应在松套管内、松套管间的间隙处，连续填充复合物或其他干式缆芯阻水材料，且阻水材料应不损害光纤传输特性和使用寿命。

1.2ADSS光缆的金具

ADSS光缆金具类型主要有悬垂线夹、耐张线夹和防振器等。

1.2.1悬垂线夹

悬垂线夹一般为预绞丝式，通常应用于直线塔上。由于线夹体与ADSS光缆线体之间装有一层橡胶夹块，对ADSS光缆具有良好的阻尼特性，如图3所。

图3悬垂线夹

1.2.2耐张线夹

耐张线夹一般为预绞丝式，安装时是直接将预绞丝包缠在ADSS光缆上，主要是利用了预绞丝与ADSS光缆之间的摩擦力，优点是ADSS光缆不受挤压、受力均匀，适合于山区大档距、大高差的地形，如图4所示。

图4耐张线夹

1.2.3防振器

目前，ADSS光缆常用的防振器主要有螺旋型阻尼条和防震锤，如图5(a)、(b)所示。螺旋型阻尼条是用阻尼材料压成螺旋形状，重量轻安装方便。防振锤分紧固部分和阻尼部分，紧固部分靠近线夹端，为防止防振器与金具端头之间产生电腐蚀，防振器要与线夹结构加固条之间留有适当的距离。

图5防振器

2ADSS光缆电场仿真

2.1电场计算原理

以有限元计算软件为平台，建立了ADSS光缆的二维有限元仿真模型，对220 kV直线塔下ADSS光缆的电场分布进行了分析计算，从电场角度对ADSS光缆的电腐蚀机理的进行了分析与探讨。其中，设ADSS光缆距最下方输电导线为5 m，且该相导线的静态电压值为127 kV。同时，为简化ADSS光缆空间电场分析，将ADSS光缆的复杂结构等效为一个聚乙烯材料构成的整体。

对于任一二维电场问题，如用电位函数φ=φ(x,y)描述场的分布，则电位φ通常应满足如下边值问题：

(1)

式中：φ为电位；φ(x,y)为电荷密度；ε为介电常数；f0(S)为面积S上的边界条件。

根据有限元方法的基本原理，式(1)所对应的等价变分问题为：

(2)

由于ADSS光缆计算场域S内的自由电荷密度φ(x,y)，则场方程式归结为拉普拉斯方程，其等价变分问题为：

(3)

有限元法用三角形剖分单元将待求解的二维场域离散化，通过构造相应的插值函数，进行单元与总体能量泛函的离散化分析，获得待求二维电场的有限元方程，最终求得待求场域S内的电压、电场等参数的分布矩阵[13-14]。

2.2ADSS光缆的空间电场分布

根据ANSOFT仿真结果，在220 kV输电系统中，ADSS光缆预绞丝端部处的15 cm内电场较强，超过电力行业标准耐电痕试验值40 kV/m，即该区间为ADSS光缆的易断缆段，其中预绞丝处的电场强度最大为281.97 kV/m，如图6所示。

图6ADSS光缆电场分布云图

图7为220 kV输电系统中ADSS光缆的电场矢量图。由图7可见，电场方向均由高压输电线指向预绞丝处，电场强度矢量在靠近预绞丝端头处的最为集中，密集的电场强度矢量直接通过ADSS光缆汇入预绞丝。因此，ADSS光缆的易断缆段主要承受着沿ADSS光缆轴向方向的电场。

3试验与分析

3.1高电压模拟试验

为了分析ADSS光缆断缆原因，在实验室内采用工频交流耐压试验装置和钢芯铝导线模拟高压输电系统，最高施加50 Hz交流电压70 kV。然后，再将一端接有预绞丝的ADSS光缆置于导线正下方，其中ADSS光缆和导线间采用50 cm的空气绝缘，且预绞丝通过接地铜线接地，模拟现场ADSS光缆挂接在杆塔一端的情况。

1)感应电流测量。调节电压由10 kV至70 kV变化，使用高精度毫安表测量通过ADSS光缆预绞丝的电流，其测量值见表1。

由表1可知，随着施加电压的增大，感应电流也随之增大。当电压达70 kV时，感应电流为0.358 mA，该电流值远大于实验人员在现场的测量值0.124 mA，即实验室模拟情况比现场运行情况更加严苛，更易出现“干带电弧”放电现象。

表1感应电流

2)场强测量。调节电压由10 kV至70 kV变化，使用场强仪测量ADSS光缆预绞丝端头处的电场强度，同时考虑到精确测量电场的难度性，实验室测量值仅用于模拟现场情况验证，其测量值见表2。

表2预绞丝处电场强度

由表2可知，随着施加电压的增大，预绞丝端头处的场强逐渐升高，当电压达到70 kV时，场强值为60.87 kV/m，该测量值与现场实测值相当。因此，实验室的电场环境与现场情况类似。

3)温度测量。根据电流测量情况，选择施加电压为70 kV，使用红外成像仪测量ADSS光缆温度表面温度变化情况。在测量过程中，发现ADSS光缆表面存在异常的局部发热点，如图8所示，且该点的温度随着加压时间的增加逐渐增大，其测量值见表3。

由图8和表3可知，在室温25℃情况下，ADSS光缆局部发热点的温度快速增大，15 min后温度达43.3℃，超过室温18.3℃。该异常发热现象在ADSS光缆的现有研究成果中从未提及，尚属首次发现。因此，须判断该异常发热点是表面“干带电弧”放电，还是局部绝缘电阻大或者内部局部放电。

图8ADSS光缆表面红外成像图

表3表面最大温度

4)放电测量。针对ADSS光缆局部发热的异常情况，采用紫外成像仪对预绞丝末端和ADSS光缆表面进行观测，未见电晕放电和“干带电弧”放电现象。随后对ADSS光缆进行解剖，逐层进行试验，发现ADSS光缆扎纱层存在放电现象，如图9所示。同时，利用红外成像仪确认该发热点与放电点对应，证实是内部局部放电引起发热，如图10所示。

图9ADSS光缆紫外成像图

图10ADSS光缆内部红外成像图

由图9和10可见，在高压电场环境中，ADSS光缆并未出现电晕放电和“干带电弧”放电现象，而是内部出现材料的局部放电。并且，该局部放电引起ADSS光缆局部发热、温度升高，长时间作用下必将加速引起ADSS光缆其他材料的老化，诱发断缆。

3.2ADSS光缆材质分析

针对试验中发现的放电现象，对ADSS光缆外护套和内部扎纱进行了电镜扫描检测，以进一步判定局部放电的位置。

图11为ADSS光缆外护套放大50倍和200倍的电镜扫描图，可见ADSS外护套表面未见放电引起的变化。

图11ADSS光缆外护套电镜扫描图

图12为ADSS光缆扎纱放大50倍和200倍的电镜扫描图，可见ADSS扎纱中的纤维结构杂乱无章，且表面附着不明杂质，极可能是诱发局部放电的因素。

图12ADSS光缆扎纱电镜扫描图

4结语

本文建立了ADSS光缆在220 kV高压输电线路下的电场仿真模型，并由ADSS光缆的电场分布云图和电场矢量图，确定了ADSS光缆的易断缆段长约15 cm。同时，在实验室内开展了抗电痕外护套的ADSS光缆的高电压模拟试验和检测，首次观测到ADSS光缆存在因内部扎纱的局部放电引起异常快速发热的现象。并且，利用电镜扫描仪观察到ADSS光缆外护套未见放电痕迹，仅扎纱的纤维结构排列杂乱无章且附着有不明杂质，从而证实了抗电痕外护套的ADSS光缆不能有效抑制这种内部局放引发的断缆。