楊承矩 李瀚儒 王學良 劉志全 楊軍華

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510630；2.廣東安恒鐵塔鋼構有限公司，廣東 佛山 528000）

在電力系統(tǒng)通信中，架設ADSS 光纜是當前非常經濟的方法之一，其架設時一般不需要電力線路停電，同時投資較少。但是因為ADSS 光纜運行于高壓強電場中，電腐蝕的影響會極大地縮短ADSS光纜的使用壽命。針對這個問題，一方面可以采用防電腐蝕涂料提高光纜護套的抗電蝕能力。另一方面，優(yōu)化ADSS 光纜的懸掛點也是有效的解決辦 法[1]。

合理地選擇光纜懸掛點位置，應盡量使ADSS光纜處于較小的電場環(huán)境中。對于掛點的選擇，一般采用電位高低（12kV，25kV）確定ADSS 光纜懸掛位置。而綜合國內外研究，影響電腐蝕的主要因素在于光纜掛點處的電場強度。目前，通常采用電場強度小于10kV/m 作為懸掛ADSS 光纜的電場標準[2]。

本文通過對典型桿塔進行三維建模仿真，計算ADSS 光纜掛點位置的電場強度及沿線方向電場強度分布，對影響掛點處電場強度的因素進行分 析。

1 仿真原理與方法

輸電線路常規(guī)的空間電場二維計算方法是對仿真模型做相應的簡化，即將輸電線路抽象成無限長直導線。而實際工況中ADSS 光纜，存在不同電壓等級線路的交叉，跨越河道等電場環(huán)境，在這種混合因素的影響下，出現(xiàn)腐蝕的概率有較大的差異。根據事故經驗總結得出：光纜和導線的交叉位置以及光纜的掛點附近發(fā)生電腐蝕事故的情況較多。三維建模仿真相對于二維電場計算涉及條件多，計算復雜。不過，三維電場計算能夠充分考慮模桿塔、金具、跳線等條件對光纜的影響，并可以計算出不同ADSS 光纜掛點處的電場值[3]。在三維建模中，將導線及地線看作電荷的分布的均勻長直導體。這樣，所需要求解的問題就是由空間按規(guī)律排列的有限長直線的電荷產生的電場強度的問題。

2 仿真模型

本文采用三維有限元計算模型（如圖1所示）。按照全部桿塔尺寸1∶1 模型建立，建模過程中，分別對導線、桿塔和空氣部分單獨建模。為了減少計算，對于模型做以下簡化：

1）邊界選取。以有限距離的邊界代替無限遠邊界，因為ADSS 光纜相對桿塔尺寸很小，所以選取適當邊界使電場線不至于過于稀疏。

2）對稱建模。根據桿塔及導線的對稱性，可以建立1/2 模型通過旋轉法建模。

3）導線和金具簡化。導線通過圓滑圓柱來代替，直徑選取16mm。因為金具相對于桿塔來說尺寸很小，這將導致剖分時錯誤增多，計算時間增長，所以將桿塔上部分金具作簡化處理。

直接以桿塔尺寸作為基準進行剖分，將導致得到的有限元尺寸較大。雖然可以直接對整體模型進行一次剖分，但是這樣劃分的網格粗糙，大大降低了計算結果的精確度。如果以導線尺寸作為基準又會使得剖分尺寸過于精密，計算量大、耗用內存多，計算機無法完成剖分。所以，在此對桿塔和導線建立細化小模型，加強網格劃分的細化程度以提高計算的精確度。在各個小模型處首先進行小范圍網格劃分，之后在進行全局劃分。

圖1 桿塔模型示意圖

完整的模型包含桿塔，導線以及空氣。如圖2所示，建立好模型后，對其進行網格劃分。剖分主要分為自由剖分和手動剖分。空氣層對計算結果影響小，采用自由剖分方式。而導線及ADSS 光纜掛點因為建立了小模型，則通過手動剖分獲取更加細化的網格（如圖3所示），這樣的電場計算結果將更精確。

本文中模型空間的靜電場計算所需要的是VOLT（電壓載荷），來定義模型在邊界上的已知電壓。

圖2 整體模型剖分圖

圖3 導線周圍作細致剖分

對于模型計算中的邊界問題，一般采用的為截斷法：取無限遠處作為邊界，即認定此處的電磁場已經衰減為0。通過計算對比，當超過一定距離后計算結果差異很小。本文中選取3 倍于桿塔高度距離作為空氣邊界。

3 仿真結果

3.1 典型桿塔掛點處的電場強度

選取廣州地區(qū)220kV 單回棠碧乙線GJ2A 和雙回廣芳甲線 220Z2J002 兩基事故桿塔作為研究對象。

1）單回220kV 棠碧乙線GJ2A 桿塔

桿塔全高24m，導線為LGJX-300/40 普通導線，地線LGJX-70/40。ADSS 光纜距A 相線路3m，位于桿塔上。桿塔分布從左向右依次為C、A、B 三相線路。

通過考慮導線形狀和鐵塔的三維仿真計算， 我們得到了桿塔模型的三維電場強度分布圖，為了更加直觀地看到桿塔不同掛點位置的電場強度，我們截取線路走向桿塔所在平面的電場強度分布如圖4。從圖中可以看出，距離導線較近處電場強度較大。因為桿塔零電位的存在，越靠近桿塔處電場線越密集。上下兩塔臂及塔身形成的封閉區(qū)域電場突變大，電場線密集。根據桿塔附近平面等電場強度線分布 圖，光纜掛點處位于電場強度較大一側，電場線較密集。依據電場強度判斷，GJ2A 桿塔的ADSS 光纜掛點處電場較高，空間電場值為12.833kV/m（如圖5），光纜懸掛位置處的電場強度大于10kV/m，處于電腐蝕最易產生的電場區(qū)間內。

圖4 等電場強度分布圖

圖5 掛點處電場強度

2）雙回220kV 廣芳甲線220Z2J002 桿塔

桿塔全高42.9m，導線為2×LGJ-630/45，地線LGJ-95/55。ADSS 光纜距桿塔軸線2.265m。桿塔左右側線路對陣分布，由下向上依次為C、B、A 三相線路。

220Z2J002 桿塔所在平面的電場強度分布如圖所示。由圖6中電場線分布可知，導線周圍的電場線較密集。而在掛點處，可以明顯看出，電場向靠近桿塔處擴散且變化很大。根據桿塔附近平面等電場強度線分布圖，220Z2J002 桿塔的ADSS 光纜掛點處電場較高，空間電場值達到了11.406kV/m。掛點位置處于電場強度大于10kV/m 一側，在實際線路中加之懸掛金具的影響，勢必會大于12kV/m，造成強烈的電腐蝕。

圖6 等電場強度分布圖

圖7 掛點處電場強度

3.2 ADSS 光纜沿線電場強度分布

因為桿塔和懸掛金具的屏蔽作用，光纜在桿塔附近的電位比其他地方要小。所以相對于光纜沿線電位的變化，電場強度能更準確地判斷電腐蝕。在金具的屏蔽作用下，被包裹于金具內部的光纜上承受很小的電場強度。根據電場強度沿光纜走向分布圖（如圖8所示），距離桿塔中心處的電場強度僅為10.097kV/m。然而，在金具兩端出口處，有一個電場強度的尖峰分布，靠近桿塔兩側處電場強度達到15kV/m，已經超過電場強度的安全上限，極易對光纜造成電腐蝕。

圖8 GJ2A 桿塔沿光纜走向電場分布

圖9中表明，距離桿塔中心處的電場強度較低，而在兩側由于桿塔的屏蔽效果減弱，空間電場達到極大值，容易形成電腐蝕。由于金具接地，其中的光纜電位為零，但在金具出口外，電位陡升，造成該處的電場強度出現(xiàn)極大值，其情況類似于尖端放電[4]。

圖9 220Z2J002 桿塔沿光纜走向電場分布

因為光纜表面會受污穢附著，當空氣潮濕時，污穢加重時即污穢電阻變小。在感應電壓作用下，泄漏電流增幅較大，而且衰減緩慢。在塔端附近感應場強會達到很大的數值，而且污穢電阻越小時，塔端感應場強可達到很高的數值，也越容易引發(fā)電暈放電。離塔端距離越遠，電流越小，接近檔距中央時泄漏電流接近于零，所以處于檔距中央附近的光纜一般不會發(fā)生干帶電弧放電現(xiàn)象[5]。相關研究得出，泄漏電流的最大值總是出現(xiàn)在懸掛光纜的金具預絞絲末端，這也是引起干帶電弧放電電痕出現(xiàn)在光纜金具附近的主要原因，這也說明了懸掛光纜的金具預絞絲附近的電應力損傷最為嚴重的原因。

3.3 ADSS 光纜懸掛處電場強度的影響因素

1）光纜掛點位置

ADSS 光纜在桿塔上的掛點選擇問題尤為重要，因為這直接決定了光纜表面的感應電勢的大小。所以就電腐蝕的預防來講，理論上懸掛點處的空間電勢越小越好。但在實際工況中，限制光纜懸掛點位置選擇的因素很多，這取決于線路狀況、輸電桿塔的類型，當然也跟光纜本身的機械性能有關。一般認為，應選擇所允許的掛點中電位較低的位置懸掛。

當ADSS 光纜表面的泄漏電流小于1mA，感應電壓小于12kV 時，幾乎不會出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象。通過對發(fā)生事故的110kV 線路分析，光纜表面產生的感應電壓小于10kV 時極少出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象[6]。

2）金具的影響

通過大量實驗和相關資料數據，總結出220kV線路發(fā)生電腐蝕事故的電場強度與桿塔位置關系如圖10 所示。

由于金具末端接地，所以包裹于金具內部中的光纜電場強度很小。但是，在金具兩端出口處，電場強度的極大值接近10kV/m，最容易為電腐蝕創(chuàng)造條件。

圖10 電場強度沿光纜走向分布圖

建立金具出口小模型，對其進行仿真分析結果如圖11 所示。金具出口處的電場線分布，出口處10～20cm 處的變化最大。金具出口處18cm 的電場強度為 12.066kV/m，12cm 處的電場強度為24.87kV/m，是ADSS 光纜最容易產生電腐蝕的電勢區(qū)間，所以，由于金具的影響，在靠近桿塔的位置，存在一個電場強度的峰值。

圖11 光纜出口位置電場強度

ADSS 光纜為全介質結構，高分子的外護套是形成感應電場的主要部件。所以，選擇電勢差較小處作為掛點（即電場強度小于10kV/m），光纜外護套也就不會形成干帶電弧造成斷纜事故。

3）光纜著污程度

光纜表面的污穢附著程度也是影響ADSS 光纜電腐蝕的重要因素。ADSS 光纜發(fā)生電腐蝕的一個重要原因就是當ADSS 光纜外表皮積壓可溶性鹽或者污穢時，就會形成半導電層，使得光纜表面的泄漏電流增大，使得表面溫度升高，水分蒸發(fā)，形成一定區(qū)域的干燥帶，而在干燥帶處其局部電流密度過大，發(fā)生電弧放電，導致光纜表面降解、開裂，最終斷纜[7-8]。

廣東大部分地區(qū)存在氣溫較高、空氣濕度大，鹽霧、環(huán)境污染等很多不利因素。這就為灰塵或者污穢的附著創(chuàng)造了條件，加速了電腐蝕的過程。當光纜發(fā)生電腐蝕后，其表皮開裂面逐漸增大，使得潮氣和雨水從開裂部位滲入光纜內部，導致其膨脹、受損，加速了紡綸絲的老化使得拉力降低[9]。由于光纜自身存在重力，并且有線路兩端的張力共同作用，間接造成了斷纜事故。

經過事故經驗分析及研究得出，當光纜表面的電流超過1mA 時就有可能出現(xiàn)電腐蝕。若光纜外表面的污穢電阻值為1×107Ω·m，可以計算出其相應的電場強度大約為10kV/m[10]。

通過以上分析，廣州光纜線路鹽密度較大，其導致污穢物大量附著于光纜外護套表面，也是電腐蝕的主要原因之一。而金具絞絲外端尤為嚴重，這是預絞絲端部出現(xiàn)尖端放電對該部位電腐蝕起到了催化作用或者加劇了該處電腐蝕的進程。

4 結論

如果以電場強度（＜10kV/m）作為衡量標準，結合光纜運行地區(qū)的情況，用電壓判據（12kV，25kV）作為輔助判據，作為懸掛ADSS 光纜位置是否安全的標準將更為合理。另外，氣溫較高、空氣濕度大，鹽霧、環(huán)境污染等很多不利因素，同樣會使光纜表面污穢電阻值增大，造成電場強度升高。一般情況下光纜表面感應電場強度盡可能控制在12kV/m 以內，對于沿海、污染較重的地區(qū)更必須保證控制在10kV/m 以內。

針對頻繁發(fā)生的ADSS 光纜電腐蝕問題，本文選取了廣州地區(qū)的兩基220kV 典型桿塔作為分析對象。首先對事故桿塔進行了三維仿真建模計算，通過對桿塔剖面懸掛點和光纜沿線電場強度變化兩方面相結合，驗證了ADSS 光纜斷纜位置的電場強度 超出（12kV，25kV）范圍，從而引發(fā)電腐蝕斷纜事故。因此，在線路設計階段，我們必須針對不同的線路參數考慮ADSS 光纜的合理懸掛點，本文提出的三維建模仿真研究方法，可以準確分析計算出不同桿塔各部位的電場強度分布，為設計人員選擇合適懸掛點提供有效的解決辦法。

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