220 kV線路ADSS光纜斷裂原因分析及防范措施

安凱月，張 躍

（內(nèi)蒙古電力信息通信公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

電力通信網(wǎng)是發(fā)電、輸電、變電以及配電等電網(wǎng)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)支撐平臺(tái)，在保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行和現(xiàn)代化管理等方面發(fā)揮著重要作用[1,2]。光纜和傳輸設(shè)備作為電力通信網(wǎng)的重要組成部分，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)故障都對(duì)電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響[3-5]。

本文針對(duì)220 kV線路ADSS光纜斷裂故障，利用宏觀形貌觀察、SEM斷口微觀形貌觀察以及熱重分析等方法對(duì)斷裂的ADSS光纜取樣并進(jìn)行綜合性研究分析，提出防范及改進(jìn)措施，以提高光纜運(yùn)行的可靠性。

1 故障概況

蒙西地區(qū)某220 kV線路ADSS光纜于2002年投運(yùn)，作為區(qū)域內(nèi)重要光纜之一，承載著多條繼電保護(hù)、安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)及調(diào)度自動(dòng)化等關(guān)系電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的業(yè)務(wù)。故障發(fā)生前，線路運(yùn)行正常，相關(guān)站點(diǎn)光信號(hào)傳輸設(shè)備運(yùn)行正常，天氣晴朗，微風(fēng)，斷裂位置周圍為開(kāi)闊田地，運(yùn)行環(huán)境良好。2020年5月25日，220 kV線路發(fā)生光纜斷裂故障（見(jiàn)圖1），繼電保護(hù)和安全穩(wěn)定控制系統(tǒng)等業(yè)務(wù)通道告警，部分站點(diǎn)信息無(wú)法及時(shí)上傳，對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響。

圖1 斷裂ADSS光纜現(xiàn)場(chǎng)

2 原因分析

為查找本次光纜斷裂的原因，防范此類事故再次發(fā)生，對(duì)故障ADSS光纜進(jìn)行宏觀形貌檢查，判斷其護(hù)套有無(wú)開(kāi)裂、表面有無(wú)燒蝕、漏電起痕或機(jī)械磨損等痕跡，并結(jié)合其他實(shí)驗(yàn)手段進(jìn)一步分析ADSS光纜的斷裂原因。

2.1 宏觀形貌觀察與分析

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)來(lái)看，ADSS光纜斷裂部位靠近40#桿塔前掛點(diǎn)處，斷口呈抽絲狀，另一側(cè)ADSS光纜（未斷裂）纏有螺旋防震鞭，護(hù)套表面可以觀察到明顯的破損痕跡及少量鳥(niǎo)糞。近距離觀察ADSS光纜斷口形貌后可以看出，斷口附近的外層護(hù)套減薄嚴(yán)重，呈明顯塑性變形特征，護(hù)套表面未見(jiàn)明顯炭化通道，內(nèi)層護(hù)套斷口處的塑性變形程度不明顯，邊緣存在一定的放電特征，芳綸紗斷裂處存在炭化現(xiàn)象。剖開(kāi)護(hù)套層后可以發(fā)現(xiàn)兩根綠色和藍(lán)色的套管斷口處存在明顯的放電痕跡，且光纜內(nèi)部的阻水膏已經(jīng)結(jié)塊失效，如圖2所示。

圖2 斷裂ADSS光纜各部位宏觀形貌

2.2 SEM斷口微觀形貌觀察與分析

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采樣的斷裂光纜，利用HITACHIS-3700N型掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）觀察ADSS光纜套管及加強(qiáng)芯（環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維）斷口的微觀形貌，可以發(fā)現(xiàn)套管斷口附近的表面存在許多電蝕熔坑，加強(qiáng)芯斷口中的玻璃纖維長(zhǎng)短不一，且纖維表面上附著的環(huán)氧樹(shù)脂明顯減少，界面的黏結(jié)狀況變差。此外，在環(huán)氧樹(shù)脂層還可以觀察到明顯的高溫熔坑及疲勞裂紋，如圖3所示。

圖3 ADSS光纜加強(qiáng)芯斷口微觀形貌

2.3 DTA熱重曲線分析

根據(jù)熱穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)要求，利用TGA55型熱重分析儀對(duì)斷裂ADSS光纜護(hù)套和內(nèi)層護(hù)套材料進(jìn)行熱分解分析，結(jié)果如圖4所示[6]。從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)700 ℃加熱后，外層護(hù)套材料（遠(yuǎn)離斷口）已經(jīng)完全分解，殘留物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.07%，而斷口處的外層護(hù)套材料經(jīng)過(guò)加熱后，殘留物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.33%，表明斷口處的外層護(hù)套受到了一定程度的電腐蝕。經(jīng)過(guò)加熱后，遠(yuǎn)離斷口和斷口處內(nèi)層護(hù)套材料的殘留物質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.93%和3.38%，均高于外層護(hù)套材料，表明內(nèi)層護(hù)套材料受到的電腐蝕程度較高。

圖4 斷裂ADSS光纜護(hù)套材料熱失重曲線

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

從宏觀形貌分析，ADSS光纜斷裂于40#桿塔支撐點(diǎn)附近，斷口呈抽絲狀，具有明顯的塑性變形特征，內(nèi)層護(hù)套及兩根套管斷口處有明顯的放電痕跡，芳綸紗斷裂處存在炭化現(xiàn)象。此外，在另一側(cè)ADSS光纜（未斷裂）護(hù)套表面可以觀察到鳥(niǎo)啄損傷痕跡。從斷口微觀形貌分析可知斷口中的玻璃纖維長(zhǎng)短不一，且纖維表面上附著的環(huán)氧樹(shù)脂明顯減少，表明玻璃纖維—環(huán)氧樹(shù)脂界面的黏結(jié)狀況變差。從熱重曲線分析可知內(nèi)層護(hù)套材料受電腐蝕程度高于外層護(hù)套。

通過(guò)上述分析可以得出，ADSS光纜的斷裂主要與外層護(hù)套破損后的電腐蝕作用有關(guān)。通常情況下，輸電導(dǎo)線與零電位的大地之間會(huì)形成一個(gè)大電容，使得ADSS光纜在網(wǎng)運(yùn)行一直處于由高壓輸電導(dǎo)線產(chǎn)生的較強(qiáng)空間電磁場(chǎng)中，并且越靠近桿塔，局部場(chǎng)強(qiáng)越高。然而，正常運(yùn)行條件下，ADSS光纜外護(hù)套具有較高的電阻值，不會(huì)受到電弧放電的影響。一旦ADSS光纜外層護(hù)套受到機(jī)械磨損或鳥(niǎo)啄等外力因素作用發(fā)生破損后，空氣中的水蒸氣或雨水將由破損處滲入至芳綸紗層及內(nèi)層護(hù)套表面，并在空間電磁場(chǎng)的作用下形成場(chǎng)強(qiáng)畸變，引發(fā)電弧放電。電腐蝕導(dǎo)致芳綸紗不斷炭化，使ADSS光纜的抗拉強(qiáng)度降低，此外長(zhǎng)期的放電過(guò)程還將加速內(nèi)層護(hù)套材料的老化，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)層護(hù)套開(kāi)裂及阻水層的失效。隨后，水分子將進(jìn)一步侵入至環(huán)氧樹(shù)脂玻璃纖維表面，水分子的水解作用及電弧放電產(chǎn)生的高溫將導(dǎo)致環(huán)氧樹(shù)脂分子鏈斷裂，使環(huán)氧樹(shù)脂與玻璃纖維的粘接強(qiáng)度降低,并引發(fā)界面脫粘，進(jìn)而導(dǎo)致玻璃纖維的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度下降。在拉應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中將出現(xiàn)在粘結(jié)能力較弱的界面，導(dǎo)致該處的玻璃纖維被率先拉斷。最先斷裂的纖維將干擾附近基體的應(yīng)力場(chǎng)，并增加玻璃纖維-環(huán)氧樹(shù)脂基體界面的剪應(yīng)力。剪應(yīng)力通過(guò)界面不斷傳遞載荷，引起相鄰玻璃纖維相繼發(fā)生斷裂，隨著斷裂玻璃纖維的數(shù)量逐漸增多，加強(qiáng)芯的應(yīng)力截面積越來(lái)越小，進(jìn)一步降低了ADSS光纜的抗拉強(qiáng)度，最終引發(fā)光纜斷裂。

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，ADSS光纜在運(yùn)行過(guò)程中，外層護(hù)套因表面受損導(dǎo)致護(hù)套破損處在水分子和周圍電場(chǎng)的共同作用下引發(fā)電弧放電。在電腐蝕的作用下，逐漸導(dǎo)致芳綸紗炭化，內(nèi)層護(hù)套開(kāi)裂，加強(qiáng)芯被拉斷，并最終引發(fā)光纜斷裂。實(shí)際生活中可以在光纜掛點(diǎn)上方安裝有效的防鳥(niǎo)裝置，防止外層護(hù)套表面受損，同時(shí)要加強(qiáng)ADSS光纜的日常運(yùn)行維護(hù)，重點(diǎn)巡查ADSS光纜護(hù)套、支承金具以及防振鞭等易發(fā)生電腐蝕的部件，特別注意光纜兩端靠近桿塔的護(hù)套是否存在放電痕跡、裂紋乃至破裂等情況，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)處理，避免類似情況再次發(fā)生。