在运ADSS光缆断裂原因分析

2021-12-29郑建军史贤达

黑龙江电力 2021年5期

郑建军，刘俊，史贤达，田峰

(内蒙古电力科学研究院，呼和浩特 010020)

0 引言

ADSS(all-dielectric self-supporting)电力通信光缆是一种具有无金属、耐张力、无感性、高绝缘等特点的全介质自承式光缆，通常应用在35 kV及以上电压等级的输电线路。ADSS光缆的优点是安装简易、传输损耗低、外径尺寸小，且重量很轻，其应用为电力系统的高效安全运行提供了有力保证。但是，ADSS光缆在运行过程中，特别是在雨季等空气湿度较大的情况下，会受到干带电弧、电晕放电等因素的作用而引发电腐蚀断裂事故，严重影响电力通信系统的稳定运行[1-3]。

运行过程中，ADSS光缆外绝缘表面会在附近高压输电导线与大地电容耦合的作用下形成感应电势，若护套轻微老化且表面无污秽，则整根ADSS光缆可视为一个等势体，不会形成电位差，因此不会发生放电现象[4-6]。然而，随着运行年限的增加，外层绝缘材料的逐渐老化将导致护套表面变得越来越粗糙，从而促进污秽层的形成。在较湿的环境下，特别是在雾天或雨季，光缆表面潮湿的污秽层会在感应电压的作用下形成干带泄漏电流，从而在护套表面形成树枝状碳化通道，即电腐蚀[7-8]。

1 光缆断裂故障概况

2020年5月，蒙西电网某220 kV输电线路ADSS光缆发生断裂故障，断裂位置靠近杆塔挂点处。该光缆全长31.481 8 km，型号为CYFSCY-24B1，于1999年12月7日投运，现已运行近21年。ADSS光缆断裂前，该线路运行正常，且相关站点光信号传输设备均运行正常。事发地点当天天气晴朗，微风。

2 断裂部位试验分析

2.1 宏观形貌观察与分析

根据现场照片可以看出，ADSS光缆断裂部位靠近杆塔挂点处，断口呈抽丝状。另一侧ADSS光缆(未断裂)近挂点处缠有螺旋防震鞭，防震鞭与ADSS光缆间的缝隙较大，且在防震鞭附近的护套表面可以观察到明显的白色放电斑痕。此外，在ADSS光缆护套表面还发现了一处破损痕迹及少量鸟粪。近距离对ADSS光缆断口形貌进行观察后可以看出，断口附近的外绝缘护套减薄严重，呈明显塑性变形特征，护套表面未见明显炭化通道；内层护套断口处的塑性变形不明显，边缘存在一定的放电特征；芳纶纱断口尖端存在炭化现象。剖开内护套层后，可以发现两根绿色和蓝色的套管断口处存在明显的放电烧伤痕迹；此外，还可以观察到ADSS光缆内部的阻水膏已经结块失效，表明该ADSS光缆在断裂前存在长期积水现象，现场照片及各部位宏观形貌如图1所示。

图1 ADSS光缆现场照片及各部位宏观形貌Fig.1 Site photos and macro morphology of ADSS optical cable

2.2 断口微观形貌观察与分析

利用HITACHI S-3700N型扫描电子显微镜对ADSS光缆套管及加强芯(环氧树脂玻璃纤维)断口的微观形貌进行观察，如图2所示。由图2(a)可见，套管断口附近的表面存在许多电蚀熔坑，表明该部位的断裂主要由电弧放电引发。从ADSS光缆加强芯的断口形貌(图2(b))可以看出，断口附近玻璃纤维的长短不一，且大多数纤维表面附着的环氧树脂已明显脱落，表明界面间的黏结质量变差，这主要与电弧放电产生的高温及长期的水解作用有关。此外，在环氧树脂层还可以观察到明显的高温熔坑及疲劳裂纹，如图2(c)所示。

图2 ADSS光缆加强芯断口微观形貌Fig.2 Fracture micro morphology of ADSS optical cable reinforcing core

2.3 热重曲线分析

应用TGA55型热重分析仪对断裂ADSS光缆内外层绝缘护套材料的热分解过程进行分析，结果如图3所示。试验时，测试样品质量为5～10 mg，采用10 ℃/min的加热速率将试样由25 ℃加热至750 ℃，整个试验过程均在N2气氛下进行。常规ADSS光缆的护套通常为低密度聚乙烯材料，该材料在N2气氛下会发生一步降解反应，几乎无剩余热分解产物[9]。从图3中可以看出，经过700 ℃加热后，外层护套材料(远离断口)发生了一步降解，基本完全分解，残留物的质量分数仅为0.07%。外层护套断口材料经过加热后，残留物的质量分数为1.33%，而内层护套断口材料的残留物质量分数为3.38%，表明断口附近的内外层护套均发生了一定程度的电腐蚀，并在空气中O2的作用下形成了一定的高温碳化产物；此外，内层护套断口材料的热分解产物明显高于外层护套断口材料，表明内层护套材料受到电腐蚀的影响更严重。

图3 断裂ADSS光缆不同部位护套材料的热失重曲线Fig.3 Thermogravimetric curves of sheath materials in different parts of the broken ADSS optical cable

综上分析，ADSS光缆的断裂主要与外层护套破损后的电腐蚀作用有关。通常情况下，输电导线与零电位的大地之间会形成一个大电容，使得ADSS光缆在网运行一直处于由高压输电导线产生的较强空间电磁场中，并且越靠近杆塔，局部场强越高。正常运行条件下，ADSS光缆外护套具有较高电阻值，因此不会受到电弧放电的影响。若ADSS光缆外层护套因受到机械磨损、鸟啄等外力作用发生破损，空气中的水蒸气或雨水将由破损处渗入芳纶纱层及内层护套表面，并在空间电磁场的作用下，形成场强畸变并引发电弧放电。

电腐蚀的作用将导致芳纶纱不断炭化，使ADSS光缆的抗拉强度降低；此外，长期的放电过程还将加速内层护套材料的老化行为，进而引发内层护套开裂及阻水层失效。

水分子将进一步侵入至环氧树脂玻璃纤维表面，水分子的水解作用及电弧放电产生的高温导致环氧树脂分子链断裂，使环氧树脂与玻璃纤维的粘接强度降低,并引发界面脱粘，导致玻璃纤维的弯曲强度和剪切强度下降。在拉应力的作用下，应力集中将出现在黏结能力较弱的界面，导致该处的玻璃纤维被率先拉断。

最先断裂的纤维将干扰附近基体的应力场，并增加玻璃纤维-环氧树脂基体界面的剪应力，剪应力通过界面不断传递载荷，又将引起相邻玻璃纤维相继发生断裂。随着断裂玻璃纤维的数量逐渐增多，加强芯的应力截面积越来越小，进一步降低了ADSS光缆的抗拉强度，并最终引发断裂。