全介質(zhì)自承式光纜電腐蝕機理研究

羅洋，鐘佳萌，唐小力，龍震澤，楊森，謝茜

(1.國網(wǎng)四川省電力公司電力科學研究院，四川 成都610042；2.國網(wǎng)四川省電力公司物資分公司，四川 成都610052)

全介質(zhì)自承式光纜(All Dielectric Self-Supporting，ADSS)是一種不含任何金屬材料的電力特種光纜，通常直接架設(shè)在220 kV及以下的高壓輸電線路桿塔上，具有可不停電安裝、不新立桿塔、維護方便和造價低等獨特優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于我國電力通信系統(tǒng)中[1-3]。

然而，ADSS光纜在實際運行中面臨著電腐蝕引發(fā)斷纜故障這一難題[4-7]，嚴重制約了ADSS光纜的持續(xù)發(fā)展和應(yīng)用。因此，國內(nèi)外專家學者在ADSS光纜的電腐蝕產(chǎn)生機理方面做了大量的研究，基本上認為有兩種因素：一是主要由英國專家Rowland S.M.提出的外護套表面因污穢引起“干帶電弧”放電導(dǎo)致[8-11]，其較好地解釋了ADSS光纜斷纜位置的不確定性；二是由荷蘭專家Berkers提出的預(yù)絞絲末端的電暈放電導(dǎo)致[12]，其主要針對預(yù)絞絲末端斷纜的問題，但不能解釋遠離預(yù)絞絲末端斷纜的情況。

美國電氣和電子工程師協(xié)會依據(jù)ADSS光纜表面因污穢引起“干帶電弧”放電的理論，在IEEE 1222《IEEE Standard for All Dielectric Self-Supporting Fiber Optic Cable》技術(shù)標準中提出了ADSS光纜外護套的耐電痕性能試驗。我國也參考了IEEE 1222技術(shù)標準制定了ADSS光纜相應(yīng)的國家標準GB/T 18899和電力行業(yè)標準DL/T 788。同時，我國ADSS光纜制造廠商在外護套材料和桿塔標準掛接位上的深入研究，使得ADSS光纜電腐蝕斷纜問題得到較大的改進。

但在220 kV高壓輸電系統(tǒng)中，ADSS光纜所處的電場環(huán)境相比低電壓等級系統(tǒng)更加復(fù)雜、惡劣，即便按技術(shù)標準選用抗電痕外護套，但仍然極易遭受電腐蝕危害引起斷纜，嚴重威脅到電力通信網(wǎng)的安全運行。因此，有必要研究ADSS光纜結(jié)構(gòu)，分析220 kV輸電系統(tǒng)中ADSS光纜的空間電場分布，并通過模擬試驗，發(fā)現(xiàn)ADSS光纜的薄弱點。

本文針對220 kV輸電系統(tǒng)中抗電痕外護套的ADSS光纜電腐蝕問題，介紹了ADSS光纜常用結(jié)構(gòu)和金具，建立了ADSS光纜在高壓輸電系統(tǒng)中的電場仿真模型，在實驗室內(nèi)開展了抗電痕外護套的ADSS光纜的高電壓模擬試驗和檢測。

1ADSS光纜介紹

1.1ADSS光纜基本結(jié)構(gòu)

ADSS光纜主要由光纖、松套管、中心加強件、內(nèi)護套、芳綸紗、外護套等組成。通常，由光纖和松套管組成的纜芯被覆以內(nèi)護套，再均勻纏繞芳綸紗，最后被覆以黑色聚烯烴外護套。

1.1.1纜芯結(jié)構(gòu)

ADSS光纜的纜芯結(jié)構(gòu)主要分為中心管式和層絞式兩種。

1)中心管式纜芯。中心管式纜芯為含多根光纖或光纖帶的充油松套管，再根據(jù)所需要的抗拉強度繞包合適的芳綸紗，如圖1所示。

圖1中心管式ADSS光纜結(jié)構(gòu)示意圖

2)層絞式結(jié)構(gòu)。層絞式纜芯由含多根光纖或光纖帶的充油松套管及可能有的塑料填充繩，再繞中心加強件絞合而成。最后，根據(jù)所需要的抗拉強度繞包合適的芳綸紗，如圖2所示。

圖2層絞式ADSS光纜結(jié)構(gòu)示意圖

與中心管型相比，層絞式結(jié)構(gòu)的芯數(shù)大、光纖在層絞式纜芯中的絞合更長，更適合于中大跨距場合。因此，在220 kV輸電系統(tǒng)中，基本上選用層絞式ADSS光纜。

1.1.2主要部件

1)外護套。基于ADSS光纜的“干帶電弧”放電理論，ADSS光纜的外護套分為普通聚乙烯護套(PE)和抗電痕護套(AT)兩種。PE護套適用于敷設(shè)區(qū)空間電位不大于12 kV的區(qū)域；AT護套采用交聯(lián)耐電痕聚烯烴材料制造而成，具有良好的電氣性能，適用于敷設(shè)區(qū)空間電位大于12 kV的區(qū)域。

2)芳綸紗。芳綸紗是ADSS光纜最主要的承力單元，在架空條件下的承載能力由芳綸紗的型號和數(shù)量決定。芳綸紗包覆在內(nèi)護套外表面與外護套內(nèi)表面之間，并與外護套內(nèi)表面緊密粘合，且每一層芳綸紗以一定的節(jié)距包覆，以便在承受張力時確保轉(zhuǎn)矩平衡和張力的有效傳遞。

3)松套管。ADSS光纜的松套管材料一般采用聚對苯二甲酸丁二醇酯(PBT)或其他合適的塑料，光纖以波狀方式或螺旋方式分布于管內(nèi)。為了防止水和潮氣的浸入而侵蝕光纖，束管內(nèi)部填充滿不會滴流的膠質(zhì)化合物。層絞式結(jié)構(gòu)是將光纖松套管繞包在中心加強件上，而中心管式結(jié)構(gòu)是將光纖松套管置于光纜中心。

4)扎紗和包帶。為了保證光纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，應(yīng)在松套管絞層外交叉扎紗或包帶。扎紗應(yīng)是強度足夠的非吸濕性和非吸油性紗束。包帶應(yīng)具有足夠的隔熱和耐電壓性能。

5)阻水材料。為了使得ADSS光纜全截面阻水，需要在纜芯間隙采取有效的阻水措施，包括應(yīng)在松套管內(nèi)、松套管間的間隙處，連續(xù)填充復(fù)合物或其他干式纜芯阻水材料，且阻水材料應(yīng)不損害光纖傳輸特性和使用壽命。

1.2ADSS光纜的金具

ADSS光纜金具類型主要有懸垂線夾、耐張線夾和防振器等。

1.2.1懸垂線夾

懸垂線夾一般為預(yù)絞絲式，通常應(yīng)用于直線塔上。由于線夾體與ADSS光纜線體之間裝有一層橡膠夾塊，對ADSS光纜具有良好的阻尼特性，如圖3所。

圖3懸垂線夾

1.2.2耐張線夾

耐張線夾一般為預(yù)絞絲式，安裝時是直接將預(yù)絞絲包纏在ADSS光纜上，主要是利用了預(yù)絞絲與ADSS光纜之間的摩擦力，優(yōu)點是ADSS光纜不受擠壓、受力均勻，適合于山區(qū)大檔距、大高差的地形，如圖4所示。

圖4耐張線夾

1.2.3防振器

目前，ADSS光纜常用的防振器主要有螺旋型阻尼條和防震錘，如圖5(a)、(b)所示。螺旋型阻尼條是用阻尼材料壓成螺旋形狀，重量輕安裝方便。防振錘分緊固部分和阻尼部分，緊固部分靠近線夾端，為防止防振器與金具端頭之間產(chǎn)生電腐蝕，防振器要與線夾結(jié)構(gòu)加固條之間留有適當?shù)木嚯x。

圖5防振器

2ADSS光纜電場仿真

2.1電場計算原理

以有限元計算軟件為平臺，建立了ADSS光纜的二維有限元仿真模型，對220 kV直線塔下ADSS光纜的電場分布進行了分析計算，從電場角度對ADSS光纜的電腐蝕機理的進行了分析與探討。其中，設(shè)ADSS光纜距最下方輸電導(dǎo)線為5 m，且該相導(dǎo)線的靜態(tài)電壓值為127 kV。同時，為簡化ADSS光纜空間電場分析，將ADSS光纜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)等效為一個聚乙烯材料構(gòu)成的整體。

對于任一二維電場問題，如用電位函數(shù)φ=φ(x,y)描述場的分布，則電位φ通常應(yīng)滿足如下邊值問題：

(1)

式中：φ為電位；φ(x,y)為電荷密度；ε為介電常數(shù)；f0(S)為面積S上的邊界條件。

根據(jù)有限元方法的基本原理，式(1)所對應(yīng)的等價變分問題為：

(2)

由于ADSS光纜計算場域S內(nèi)的自由電荷密度φ(x,y)，則場方程式歸結(jié)為拉普拉斯方程，其等價變分問題為：

(3)

有限元法用三角形剖分單元將待求解的二維場域離散化，通過構(gòu)造相應(yīng)的插值函數(shù)，進行單元與總體能量泛函的離散化分析，獲得待求二維電場的有限元方程，最終求得待求場域S內(nèi)的電壓、電場等參數(shù)的分布矩陣[13-14]。

2.2ADSS光纜的空間電場分布

根據(jù)ANSOFT仿真結(jié)果，在220 kV輸電系統(tǒng)中，ADSS光纜預(yù)絞絲端部處的15 cm內(nèi)電場較強，超過電力行業(yè)標準耐電痕試驗值40 kV/m，即該區(qū)間為ADSS光纜的易斷纜段，其中預(yù)絞絲處的電場強度最大為281.97 kV/m，如圖6所示。

圖6ADSS光纜電場分布云圖

圖7為220 kV輸電系統(tǒng)中ADSS光纜的電場矢量圖。由圖7可見，電場方向均由高壓輸電線指向預(yù)絞絲處，電場強度矢量在靠近預(yù)絞絲端頭處的最為集中，密集的電場強度矢量直接通過ADSS光纜匯入預(yù)絞絲。因此，ADSS光纜的易斷纜段主要承受著沿ADSS光纜軸向方向的電場。

3試驗與分析

3.1高電壓模擬試驗

為了分析ADSS光纜斷纜原因，在實驗室內(nèi)采用工頻交流耐壓試驗裝置和鋼芯鋁導(dǎo)線模擬高壓輸電系統(tǒng)，最高施加50 Hz交流電壓70 kV。然后，再將一端接有預(yù)絞絲的ADSS光纜置于導(dǎo)線正下方，其中ADSS光纜和導(dǎo)線間采用50 cm的空氣絕緣，且預(yù)絞絲通過接地銅線接地，模擬現(xiàn)場ADSS光纜掛接在桿塔一端的情況。

1)感應(yīng)電流測量。調(diào)節(jié)電壓由10 kV至70 kV變化，使用高精度毫安表測量通過ADSS光纜預(yù)絞絲的電流，其測量值見表1。

由表1可知，隨著施加電壓的增大，感應(yīng)電流也隨之增大。當電壓達70 kV時，感應(yīng)電流為0.358 mA，該電流值遠大于實驗人員在現(xiàn)場的測量值0.124 mA，即實驗室模擬情況比現(xiàn)場運行情況更加嚴苛，更易出現(xiàn)“干帶電弧”放電現(xiàn)象。

表1感應(yīng)電流

2)場強測量。調(diào)節(jié)電壓由10 kV至70 kV變化，使用場強儀測量ADSS光纜預(yù)絞絲端頭處的電場強度，同時考慮到精確測量電場的難度性，實驗室測量值僅用于模擬現(xiàn)場情況驗證，其測量值見表2。

表2預(yù)絞絲處電場強度

由表2可知，隨著施加電壓的增大，預(yù)絞絲端頭處的場強逐漸升高，當電壓達到70 kV時，場強值為60.87 kV/m，該測量值與現(xiàn)場實測值相當。因此，實驗室的電場環(huán)境與現(xiàn)場情況類似。

3)溫度測量。根據(jù)電流測量情況，選擇施加電壓為70 kV，使用紅外成像儀測量ADSS光纜溫度表面溫度變化情況。在測量過程中，發(fā)現(xiàn)ADSS光纜表面存在異常的局部發(fā)熱點，如圖8所示，且該點的溫度隨著加壓時間的增加逐漸增大，其測量值見表3。

由圖8和表3可知，在室溫25℃情況下，ADSS光纜局部發(fā)熱點的溫度快速增大，15 min后溫度達43.3℃，超過室溫18.3℃。該異常發(fā)熱現(xiàn)象在ADSS光纜的現(xiàn)有研究成果中從未提及，尚屬首次發(fā)現(xiàn)。因此，須判斷該異常發(fā)熱點是表面“干帶電弧”放電，還是局部絕緣電阻大或者內(nèi)部局部放電。

圖8ADSS光纜表面紅外成像圖

表3表面最大溫度

4)放電測量。針對ADSS光纜局部發(fā)熱的異常情況，采用紫外成像儀對預(yù)絞絲末端和ADSS光纜表面進行觀測，未見電暈放電和“干帶電弧”放電現(xiàn)象。隨后對ADSS光纜進行解剖，逐層進行試驗，發(fā)現(xiàn)ADSS光纜扎紗層存在放電現(xiàn)象，如圖9所示。同時，利用紅外成像儀確認該發(fā)熱點與放電點對應(yīng)，證實是內(nèi)部局部放電引起發(fā)熱，如圖10所示。

圖9ADSS光纜紫外成像圖

圖10ADSS光纜內(nèi)部紅外成像圖

由圖9和10可見，在高壓電場環(huán)境中，ADSS光纜并未出現(xiàn)電暈放電和“干帶電弧”放電現(xiàn)象，而是內(nèi)部出現(xiàn)材料的局部放電。并且，該局部放電引起ADSS光纜局部發(fā)熱、溫度升高，長時間作用下必將加速引起ADSS光纜其他材料的老化，誘發(fā)斷纜。

3.2ADSS光纜材質(zhì)分析

針對試驗中發(fā)現(xiàn)的放電現(xiàn)象，對ADSS光纜外護套和內(nèi)部扎紗進行了電鏡掃描檢測，以進一步判定局部放電的位置。

圖11為ADSS光纜外護套放大50倍和200倍的電鏡掃描圖，可見ADSS外護套表面未見放電引起的變化。

圖11ADSS光纜外護套電鏡掃描圖

圖12為ADSS光纜扎紗放大50倍和200倍的電鏡掃描圖，可見ADSS扎紗中的纖維結(jié)構(gòu)雜亂無章，且表面附著不明雜質(zhì)，極可能是誘發(fā)局部放電的因素。

圖12ADSS光纜扎紗電鏡掃描圖

4結(jié)語

本文建立了ADSS光纜在220 kV高壓輸電線路下的電場仿真模型，并由ADSS光纜的電場分布云圖和電場矢量圖，確定了ADSS光纜的易斷纜段長約15 cm。同時，在實驗室內(nèi)開展了抗電痕外護套的ADSS光纜的高電壓模擬試驗和檢測，首次觀測到ADSS光纜存在因內(nèi)部扎紗的局部放電引起異常快速發(fā)熱的現(xiàn)象。并且，利用電鏡掃描儀觀察到ADSS光纜外護套未見放電痕跡，僅扎紗的纖維結(jié)構(gòu)排列雜亂無章且附著有不明雜質(zhì)，從而證實了抗電痕外護套的ADSS光纜不能有效抑制這種內(nèi)部局放引發(fā)的斷纜。