在運ADSS光纜斷裂原因分析

2021-12-29 07:46:50鄭建軍史賢達

黑龍江電力 2021年5期

鄭建軍，劉俊，史賢達，田峰

(內蒙古電力科學研究院，呼和浩特 010020)

0 引言

ADSS(all-dielectric self-supporting)電力通信光纜是一種具有無金屬、耐張力、無感性、高絕緣等特點的全介質自承式光纜，通常應用在35 kV及以上電壓等級的輸電線路。ADSS光纜的優點是安裝簡易、傳輸損耗低、外徑尺寸小，且重量很輕，其應用為電力系統的高效安全運行提供了有力保證。但是，ADSS光纜在運行過程中，特別是在雨季等空氣濕度較大的情況下，會受到干帶電弧、電暈放電等因素的作用而引發電腐蝕斷裂事故，嚴重影響電力通信系統的穩定運行[1-3]。

運行過程中，ADSS光纜外絕緣表面會在附近高壓輸電導線與大地電容耦合的作用下形成感應電勢，若護套輕微老化且表面無污穢，則整根ADSS光纜可視為一個等勢體，不會形成電位差，因此不會發生放電現象[4-6]。然而，隨著運行年限的增加，外層絕緣材料的逐漸老化將導致護套表面變得越來越粗糙，從而促進污穢層的形成。在較濕的環境下，特別是在霧天或雨季，光纜表面潮濕的污穢層會在感應電壓的作用下形成干帶泄漏電流，從而在護套表面形成樹枝狀碳化通道，即電腐蝕[7-8]。

1 光纜斷裂故障概況

2020年5月，蒙西電網某220 kV輸電線路ADSS光纜發生斷裂故障，斷裂位置靠近桿塔掛點處。該光纜全長31.481 8 km，型號為CYFSCY-24B1，于1999年12月7日投運，現已運行近21年。ADSS光纜斷裂前，該線路運行正常，且相關站點光信號傳輸設備均運行正常。事發地點當天天氣晴朗，微風。

2 斷裂部位試驗分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

根據現場照片可以看出，ADSS光纜斷裂部位靠近桿塔掛點處，斷口呈抽絲狀。另一側ADSS光纜(未斷裂)近掛點處纏有螺旋防震鞭，防震鞭與ADSS光纜間的縫隙較大，且在防震鞭附近的護套表面可以觀察到明顯的白色放電斑痕。此外，在ADSS光纜護套表面還發現了一處破損痕跡及少量鳥糞。近距離對ADSS光纜斷口形貌進行觀察后可以看出，斷口附近的外絕緣護套減薄嚴重，呈明顯塑性變形特征，護套表面未見明顯炭化通道；內層護套斷口處的塑性變形不明顯，邊緣存在一定的放電特征；芳綸紗斷口尖端存在炭化現象。剖開內護套層后，可以發現兩根綠色和藍色的套管斷口處存在明顯的放電燒傷痕跡；此外，還可以觀察到ADSS光纜內部的阻水膏已經結塊失效，表明該ADSS光纜在斷裂前存在長期積水現象，現場照片及各部位宏觀形貌如圖1所示。

圖1 ADSS光纜現場照片及各部位宏觀形貌Fig.1 Site photos and macro morphology of ADSS optical cable

2.2 斷口微觀形貌觀察與分析

利用HITACHI S-3700N型掃描電子顯微鏡對ADSS光纜套管及加強芯(環氧樹脂玻璃纖維)斷口的微觀形貌進行觀察，如圖2所示。由圖2(a)可見，套管斷口附近的表面存在許多電蝕熔坑，表明該部位的斷裂主要由電弧放電引發。從ADSS光纜加強芯的斷口形貌(圖2(b))可以看出，斷口附近玻璃纖維的長短不一，且大多數纖維表面附著的環氧樹脂已明顯脫落，表明界面間的黏結質量變差，這主要與電弧放電產生的高溫及長期的水解作用有關。此外，在環氧樹脂層還可以觀察到明顯的高溫熔坑及疲勞裂紋，如圖2(c)所示。

圖2 ADSS光纜加強芯斷口微觀形貌Fig.2 Fracture micro morphology of ADSS optical cable reinforcing core

2.3 熱重曲線分析

應用TGA55型熱重分析儀對斷裂ADSS光纜內外層絕緣護套材料的熱分解過程進行分析，結果如圖3所示。試驗時，測試樣品質量為5～10 mg，采用10 ℃/min的加熱速率將試樣由25 ℃加熱至750 ℃，整個試驗過程均在N2氣氛下進行。常規ADSS光纜的護套通常為低密度聚乙烯材料，該材料在N2氣氛下會發生一步降解反應，幾乎無剩余熱分解產物[9]。從圖3中可以看出，經過700 ℃加熱后，外層護套材料(遠離斷口)發生了一步降解，基本完全分解，殘留物的質量分數僅為0.07%。外層護套斷口材料經過加熱后，殘留物的質量分數為1.33%，而內層護套斷口材料的殘留物質量分數為3.38%，表明斷口附近的內外層護套均發生了一定程度的電腐蝕，并在空氣中O2的作用下形成了一定的高溫碳化產物；此外，內層護套斷口材料的熱分解產物明顯高于外層護套斷口材料，表明內層護套材料受到電腐蝕的影響更嚴重。

圖3 斷裂ADSS光纜不同部位護套材料的熱失重曲線Fig.3 Thermogravimetric curves of sheath materials in different parts of the broken ADSS optical cable

綜上分析，ADSS光纜的斷裂主要與外層護套破損后的電腐蝕作用有關。通常情況下，輸電導線與零電位的大地之間會形成一個大電容，使得ADSS光纜在網運行一直處于由高壓輸電導線產生的較強空間電磁場中，并且越靠近桿塔，局部場強越高。正常運行條件下，ADSS光纜外護套具有較高電阻值，因此不會受到電弧放電的影響。若ADSS光纜外層護套因受到機械磨損、鳥啄等外力作用發生破損，空氣中的水蒸氣或雨水將由破損處滲入芳綸紗層及內層護套表面，并在空間電磁場的作用下，形成場強畸變并引發電弧放電。

電腐蝕的作用將導致芳綸紗不斷炭化，使ADSS光纜的抗拉強度降低；此外，長期的放電過程還將加速內層護套材料的老化行為，進而引發內層護套開裂及阻水層失效。

水分子將進一步侵入至環氧樹脂玻璃纖維表面，水分子的水解作用及電弧放電產生的高溫導致環氧樹脂分子鏈斷裂，使環氧樹脂與玻璃纖維的粘接強度降低,并引發界面脫粘，導致玻璃纖維的彎曲強度和剪切強度下降。在拉應力的作用下，應力集中將出現在黏結能力較弱的界面，導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力場，并增加玻璃纖維-環氧樹脂基體界面的剪應力，剪應力通過界面不斷傳遞載荷，又將引起相鄰玻璃纖維相繼發生斷裂。隨著斷裂玻璃纖維的數量逐漸增多，加強芯的應力截面積越來越小，進一步降低了ADSS光纜的抗拉強度，并最終引發斷裂。