傅壽熹

（福建永福電力設計股份有限公司，福建 福州 350108）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展，電力通信網(wǎng)作為智能電網(wǎng)和電力物聯(lián)網(wǎng)的基礎，是作為“兩網(wǎng)”安全、可靠、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟運行的重要保障。目前國家電網(wǎng)通信網(wǎng)絡網(wǎng)架，特別是主干線路均以光纖通信為首選。而ADSS 更是電力特有的光纜，因其具有自承式、質(zhì)量輕、直徑小、全絕緣的特點，廣泛應用于10kV～500kV 各個電壓等級的線路中。

存在問題：1）由于我國地域廣闊，橫跨多個緯度和經(jīng)度，從南至北跨熱帶、亞熱帶、暖溫帶、中溫帶、寒溫帶5 個氣候帶，除熱帶鮮有出現(xiàn)ADSS 覆冰的情況，其余4 個氣候帶的ADSS 光纜每年均受到不同程度的覆冰影響，嚴重的會導致光纜斷芯甚至斷纜，造成信息中斷、道路阻礙等問題。而現(xiàn)有的光纜融冰方法多數(shù)應用于OPGW，且推廣度不強。2）ADSS 為全絕緣非金屬光纜，其本身作為絕緣的光纜，通過自身特點架設于電力線路上，不會產(chǎn)生感應電流，因此無法與OPGW 一樣加入金屬管作為通電的發(fā)熱導體。

1 解決方案

1.1 ADSS 光纜架設工況條件下考慮因素

1.1.1 ADSS 光纜結構

目前在市面上ADSS 的光纜結構主要有2 種，中心束管型及層絞束管型，中心束管類型多數(shù)不用于架空線路。常規(guī)工況下均采用層絞束管型ADSS。ADSS 光纜中放置的光纖并非拉直的穿入，而是存在一定的曲折度，即光纖在束管內(nèi)是以波浪狀放置的，同時由于層絞型光纜存在絞合余長，而光纜受到溫度、外力等條件均會產(chǎn)生拉升和形變，因此必須根據(jù)不同工況條件選擇相應纖芯余長的ADSS，確保ADSS 在運行時承受的荷載，不會拉斷束管內(nèi)的光纖。

1.1.2 ADSS 電氣性能

首先電氣性能是ADSS 類型選擇的第一因素，即光纜安全運行情況下的導線感應電場的數(shù)值，原因是ADSS 本身工作于10kV～1000kV 的高壓線路導線附近，導線通電以后就會相應地產(chǎn)生電磁場，即會導致ADSS 位于一個空間電位某一點中，當空氣過于潮濕時，水珠或者空氣中存在的潮濕的雜質(zhì)就會圍繞ADSS 的外護套表面產(chǎn)生一個電阻層。由于空間電位的作用，就會導致桿路上的ADSS 接地線和ADSS 間產(chǎn)生感應電流，感應電流本身會產(chǎn)生熱量，從而導致ADSS 外護套干裂受到損傷。而干燥帶的電位差達到相應數(shù)值時，就會產(chǎn)生干帶電弧。隨之發(fā)出的熱量能夠?qū)⒐饫|外護層慢慢地分解，從而導致其被腐蝕[1]。該情況就是ADSS 外護層電腐蝕，容易引發(fā)日后運行中的ADSS 斷纜現(xiàn)象。

ADSS 須選用什么樣類型的外護層材質(zhì)決定性因素在ADSS 桿位掛設點的空間電位值，其和所在運行的高壓線路的電壓等級、鐵塔荷載能力、電線電場強分布、相位排列等息息相關。

1.1.3 ADSS 機械性能

1.1.3.1 力學特性

ADSS 的機械強度取決于多個方面：芳綸紗材質(zhì)、芳綸紗荷載能力、芳綸紗覆蓋面積、密度都是ADSS 的破斷力即RTS 關鍵因素，破斷力單位：kN 或N。ADSS 的最大允許張力即MAT取決于最嚴峻工況下，ADSS 自身能夠承受的最大荷載即張力，單位：kN 或N/mm2[2]。ADSS 的年平均運行力即EDS，取決于架設運行線路地區(qū)的常溫無風、無冰工況下和該地區(qū)的年平均溫度工況下光纜的張力，單位：kN 或N/mm2。ADSS 自身的極限運行張力即UOS，又稱為光纜的負荷過載運行能力，取決于瞬時或者在某一較為短暫的時間內(nèi)，光纜運行狀態(tài)下，超過規(guī)劃工況下最大應力時ADSS 承受的張力，單位：kN 或N/mm2。以上幾個力相互間密切相關，成為“光纖應變窗”或ADSS 的“應力應變”特性[3]。

1.1.3.2 ADSS 運行弧垂特性

與光纜的放線或運行弧垂值相關的光纜機械特性：光纜的截面積、內(nèi)外直徑、光纜單重、光纜蠕變率、束管內(nèi)纖芯余長、楊氏模量、熱膨脹系數(shù)。ADSS 本身是一種自承式結構光纜，其特性決定了它本身可以根據(jù)運行工況、架線弧垂值等因素改變自身允許架設的最大水平檔檔距值。因此ADSS 是一種可變跨距特性的光纜結構?；陧毤芫€、運行ADSS 的高壓線路桿塔明細及線路工況條件等概況，須根據(jù)鐵塔或者電力水泥桿、鋼管桿的結構荷載情況，鐵塔的呼稱高、交叉跨越、高差角、線路內(nèi)角、外角度數(shù)等情況，選擇合適的光纜參數(shù)及機械性能。常規(guī)是將桿塔線路明細、氣象工況條件值以及光纜的機械特性作為ADSS 弧垂應力放線的基礎值。在檢驗鐵塔及電力桿的荷載的同時，還需檢驗光纜放線后其距離跨越段的高、低壓線的安全距離，最終選取相應滿足架線及運行條件的ADSS 光纜參數(shù)。

1.1.4 控制條件的確定

控制條件（ADSS 光纜的電氣性能或機械性能）的確定作為光纜選型、放線應力設計及日常運行的控制因素之一，關乎ADSS 的日后運行、使用壽命及安全懸掛。其不僅和所架設高壓線以及氣象工況有關，而且和光纜自身的參數(shù)以及機械性能息息相關，決定了光纜參數(shù)的選擇、光纜架設點、對地距離、跨越間距以及滿足桿路荷載的光纜應力以及放線弧垂值。

1.1.4.1 桿塔明細及電場強分布

桿塔明細方面：桿路鐵塔或電力桿的類型、塔身高度、呼稱高、荷載等。電場強方面：導線類型、弧垂、掛設鐵塔位置和相間距、電壓電流、短路電流、截面積、回路數(shù)、分裂數(shù)、兩道題地線或OPGW 型號、弧垂、導地線間距等。

1.1.4.2 光纜最大允許弧垂的確定

除了以上介紹的光纜弧垂值涉及控制條件外，光纜的最大運行弧垂（即最低點光纜弧垂值）還關乎常規(guī)檔距下光纜的最低點弧垂同交叉跨越物或地面、屋頂、鐵道、河流等之間的間距。并且光纜位于鐵塔或電路桿的掛設點還需考慮桿路電場強分布。按照電力線路及ADSS 光纜對交叉跨域和對地距離要求的有關規(guī)程規(guī)定及不同地區(qū)的反措要求文件，設計出ADSS 的張力放線弧垂值。其最嚴峻工況下的弧垂值所對應的安全系數(shù)關乎選擇不同參數(shù)的光纜，該情況也是選擇ADSS 光纜類型的主要因素之一。

1.1.4.3 ADSS 的放線應力及運行弧垂特性

設計ADSS 的放線應力和運行弧垂值特性必須以氣象工況表以及ADSS 的初伸長架線弧垂值作為首要條件。

1.1.5 最大使用架線應力

ADSS最大使用架線應力要以所需架設的高壓線鐵塔以及鋼管桿、水泥桿等自身荷載能力作為依托進行計算。在電力桿或鐵塔荷載承受范圍內(nèi)，收緊光纜的放線弧垂值及增加放線應力、張力則可以加大對光纜的交叉跨越及對地間距，保障光纜日后的運行安全，但是也會導致ADSS 的有效使用跨距減少。設計時，須根據(jù)各種類型的檔間交叉跨越間距及切地線值，設計每個檔距的放線弧垂值，計算出安全系數(shù)和最大使用架線應力。當線路的鐵塔結構、高度或者對地間距等情況限制了光纜掛設點的位置時，光纜的芳綸紗材質(zhì)選擇和外護層材質(zhì)的選擇就會提高要求，出現(xiàn)該類型的情況時，光纜選型還需結合檔間檔距和工況條件來確定。當架設線路過長時，須綜合考慮并分析經(jīng)濟因素，采用不同應力、材質(zhì)類型的ADSS，以單條線不同路段為一個單位，選擇不同類型ADSS 按耐張段進行架設。

1.1.6 ADSS 的防振和金具

ADSS 的光纜弧垂安全系數(shù)，須根據(jù)其架線運行高壓線的氣象工況和桿路明細進行設定。根據(jù)作者多年的ADSS 設計項目和作者收集國內(nèi)各大設計院設計的相關高壓線架設ADSS工程情況分析，ADSS 的設計安全系數(shù)遠大于導線及地線的最小安全系數(shù)值2.5。ADSS 光纜本身和OPGW 等鋁包鋼地線性質(zhì)相似，在大風的工況下，會導致光纜的鞭擊現(xiàn)象，經(jīng)常地鞭擊能夠?qū)е翧DSS 光纜損壞。鑒于此，ADSS 光纜的年平均運行應力須按照小于光纜最大破斷力值的20%設計，同時須采取防振鞭進行防振。

1.1.7 總結

根據(jù)以上小結分析，在ADSS 光纜設計過程中，設計師須從架設光纜的高壓線實際條件出發(fā)，選擇適合對應線路架線條件的ADSS 光纜類型，從而保障光纜架設安全，使ADSS 光纜的安裝設計經(jīng)濟、安全、合理。

1.2 發(fā)明防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結構

結合以上常用ADSS 的架線條件要求及ADSS 參數(shù)的選擇范圍，綜合利弊，發(fā)明一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜。解決方案如下：須選用自主研發(fā)的一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜，該ADSS 包括第一絕緣內(nèi)護套層，內(nèi)護套層內(nèi)中心位置設置非金屬加強件，以非金屬加強件圓心為中心環(huán)形陣列設置多個纖芯套管，套管內(nèi)設置測溫光纖。第一絕緣內(nèi)護套層外表面設有碳纖維網(wǎng)層，將碳纖維網(wǎng)層制作成閉合回路形式，覆蓋于全介質(zhì)自承式光纜的第一絕緣內(nèi)護套層上，再將芳綸紗加強層覆蓋于第二絕緣內(nèi)護套層上，最外層使用絕緣抗電痕外護套，ADSS 套管中放置2 芯測溫光纖形成一個防覆冰ADSS 光纜結構。由于ADSS 外護套層普遍為聚氯烯或抗電痕護套，其最高可耐受溫度為70℃，同時ADSS 作為全介質(zhì)自承式光纜不適宜加入金屬器件作為發(fā)熱導體，以免金屬器件在線路運行時產(chǎn)生較大的感應電流，導致安全事故。通過廣泛試驗，尋找碳纖維作為發(fā)熱導體，其具有導電低、發(fā)熱高、安全性強等特點，本次將其整合進ADSS 的光纜整體結構中。防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結構示意圖如圖1 所示。

圖1 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜結構示意圖

1.3 應用方法

在高壓電力線上須通過以下5 個步驟進行實現(xiàn)。1）將防覆冰全介質(zhì)自承式光纜架設在送電線路上，平時作為電力通信的光纖通信通道。2）在光纜接續(xù)盒旁掛置供電測控裝置，將碳纖維網(wǎng)層零線和火線經(jīng)光纜接續(xù)盒引出后接入交流220V供電測控裝置中，從而供電進行加熱升溫。3）在光纜接續(xù)盒內(nèi)的防覆冰全介質(zhì)自承式光纜上分離出測溫光纖，通過測溫光纖連接至供電測控裝置，利用測溫光纖對溫度的感知，從而設置供電測控裝置啟停的溫度范圍區(qū)間。4）當架設于送電線路上的防覆冰全介質(zhì)自承式光纜產(chǎn)生覆冰時，啟動供電測控裝置，對碳纖維網(wǎng)層進行供電，從而產(chǎn)生熱能，利用碳纖維高阻的特性可以迅速產(chǎn)生高熱量，實現(xiàn)防覆冰全介質(zhì)自承式光纜的融冰操作。5）預先將供電測控裝置通過對應的溫度，設置對應的加熱時長，當融冰完成時，測溫光纖感知溫度到達設定值，則自動關閉供電測控裝置，停止碳纖維網(wǎng)層的供電，從而停止對光纜的加溫。同時，加入極限溫度保護功能，ADSS外護套層普遍為聚氯烯或抗電痕護套，其最高可耐受溫度為70℃，加溫過程中若測溫光纖測得溫度超過ADSS 外護層最高承受溫度，測控裝置自動停止加溫。

防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用狀態(tài)示意圖詳見圖2。

圖2 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用狀態(tài)示意圖

2 融冰原理及控制方法

本次須加熱的溫度和控制范圍采用融冰公式：Q吸=CM（t終-t初）進行計算所需加熱溫度，再由焦耳定律公式：Q=I2RT計算加熱至融冰的溫度所需時長，從而預先將供電測控裝置通過對應的溫度，設置對應的加熱時長。當融冰完成時，通過測控裝置停止加電從而停止加溫。

由于冰的融點是0℃，因此根據(jù)融冰公式Q吸=CM（t終-t初），已知冰的質(zhì)量C和比熱M，初始溫度即當前冰的溫度（由測溫光纖測出）為t初，最終溫度為t終=0℃，因此可計算出需要的熱量Q；通過焦耳定律公式Q=I2RT，已知電流I、炭纖維電阻R、發(fā)熱量Q，即可計算出加熱時長T；因此可預先將供電測控裝置通過對應的溫度，設置對應的加熱時長，進行融冰，當融冰完成時，通過供電測控裝置停止供電從而停止加溫。

要強調(diào)的是本次對裝置設定極限溫度保護功能，在加溫過程中，如果測溫光纖測得溫度超過ADSS 外護層最高承受溫度，測控裝置就會自動停止加溫，設定極限溫度保護功能方法為ADSS 外護套層普遍為聚氯烯或抗電痕護套，其最高可耐受溫度為70℃，加溫過程中若測溫光纖測得溫度即將達到ADSS外護層最高承受溫度，設定測控裝置自動停止加溫，避免防覆冰全介質(zhì)自承式光纜損壞。防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用細節(jié)示意圖如圖3 所示。

圖3 防覆冰全介質(zhì)自承式光纜使用細節(jié)示意圖

3 該技術的優(yōu)點和貢獻

該技術的主要優(yōu)點如下：1）解決了ADSS 光纜在低溫季節(jié)預防覆冰，以及對覆冰進行融冰操作。2）選用碳纖維層做發(fā)熱導體，解決ADSS 不適合選用金屬作為發(fā)熱導體的難題。3）選用測溫光纖配合供電測控裝置，對ADSS 進行全實時監(jiān)測溫度和自動啟停防冰、融冰操作。4）根據(jù)測溫光纖可以感應溫度變化，對光纜起到高溫保護作用。

通過上述4 點解決了ADSS 覆冰的情況下造成的斷芯斷纜的情況，對ADSS 的廣泛應用是質(zhì)的飛躍，使ADSS 的使用更加廣域、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟、先進。

4 結語

該文通過結合目前電力線路上ADSS 光纜常年受到不同程度的覆冰影響，導致發(fā)生事故的情況，對光纜結構及防覆冰技術進行研究。首先根據(jù)ADSS 架設于電力線路的特點，選用碳纖維作為發(fā)熱導體，研發(fā)出一種防覆冰全介質(zhì)自承式光纜。再利用測溫光纖測溫，從而設定供電測控裝置的啟停時間和極限保護溫度控制，對整體ADSS 光纜進行融冰操作。

該方案安全可靠，既解決了多年來ADSS 不適合選用金屬作為發(fā)熱導體的難題，也可對ADSS 光纜進行全實時溫控監(jiān)測，為“十四五”期間物聯(lián)網(wǎng)時代下的智慧線路發(fā)展走出至關重要的一步，使ADSS 的運行工況條件更加廣域，同時也使電力通信更智能、更安全，為國家電力通信網(wǎng)絡及光纜網(wǎng)架全面、快速地發(fā)展提供專業(yè)的強力支撐。