ADSS光缆力学计算探讨

摘要：ADSS光缆与导线在温度和外荷载方面的弧垂特性截然相反，是ADSS光缆应用中的一大问题。针对这一情况，分析了ADSS光缆的弧垂特性，并对ADSS光缆平均运行应力的确定、安全系数的选取、最大垂直弧垂气象条件的判定、塑性伸长处理等几方面问题分别进行了探讨，提出了自己的观点。同时，归纳总结了“倒推法”这种具体可行的ADSS光缆应力弧垂计算方法。

关键词：ADSS；力学；应力；设计

作者简介：吴奕（1975-），男，云南开远人，昆明云电信息通信设计有限公司副经理，工程师。（云南 昆明 650041）

中图分类号：TM73  文献标识码：A  文章编号：1007-0079（2011）36-0150-02

电力通信已成为电网安全生产和管理现代化的重要手段，电力系统安全稳定和电网管理现代化对电力通信的要求越来越高。其中ADSS光缆作为电力通信重要的信息载体，能够满足传输信息高速化、高容量、低误码、安全化的需要。

ADSS光缆具有在220kV及以下线路架设方便快捷、节约大量时间及费用，不需要主线路停电，可以短距离的管道直埋，不涉及防雷等优点。目前在电网中已经大规模推广使用。

但ADSS光缆在电网普遍应用毕竟只有十几年的时间，目前对ADSS光缆设计中存在的问题认识不足，积累的经验不多。为此，笔者针对ADSS光缆设计中存在争议较多的应力弧垂计算问题，将积累的一些经验在此分享，以期抛砖引玉，共同提高ADSS光缆的应用水准。

一、ADSS光缆的弧垂特性

ADSS光缆与金属导线相比较，具有两个不同的特性：由于ADSS光缆为整体无金属结构，特别是由于芳纶的使用，导致ADSS具有对温度变化不敏感的特性；另外，与金属导线相比，由于自重很轻，而外径却相对较大，导致ADSS光缆具有对外负荷特别敏感的特性。ADSS光缆与导线在温度和外荷载方面的弧垂特性截然相反。也就是说导线的弧垂对温度变化较为敏感，对外荷载变化较为迟钝；而ADSS的弧垂对温度变化极为迟钝，对外荷载变化极为敏感。

从弹性模量及热膨胀系数等差异导致的ADSS光缆与导线弧垂特性不一致，是ADSS光缆应用中的一大问题。下面我们谈谈在这种情况下ADSS光缆的应力弧垂如何计算。

二、ADSS光缆的力学计算

ADSS光缆由于悬挂于杆塔身部，因此ADSS的弧垂和应力的选择应根据光缆对地距离的要求，以及弧垂不小于杆塔上导线弧垂的原则来确定，同时ADSS的设计安全系数应大于导线的设计安全系数。

1.ADSS光缆平均运行应力的确定

为了防止光缆振动的危害，需要对光缆的平均运行应力有一个限制。根据送电线路设计规程规定，当有防振措施的情况下，光缆的平均应力不得超过瞬时破坏应力的25%。

同时，光纤的寿命与安装时的张力值是成反比关系的。我们在ADSS光缆的平均运行应力（也可等效于安装张力）的选取时，考虑到安装后的张力与光缆寿命的反比，为更有效的提高ADSS光缆的使用年限，降低光缆的疲劳系数，可以适当把光缆的安全系数增大，光缆的安装张力取值在合适的范围。目前有相当的ADSS光缆设计中，只考虑不恰当的跨越指标，光缆设计的安装弧垂小，光缆的安装张力超过光缆额定抗拉强度的20%以上，这是没有考虑光缆的特性及材料，殊不知会降低光缆的使用寿命。在这里，建议平均运行应力取ADSS光缆瞬时破坏应力的16%为宜（ADSS光缆受平均运行应力控制时的弧垂远小于导线，对跨越物的安全距离完全能够满足）。

2.ADSS光缆安全系数的选取

参照《110-500kV架空送电线路设计技术规程》规定：导线和地线的设计安全系数不应小于2.5。

ADSS的力值指标中，最大允许抗拉强度（MOTS）与极限特殊应力（UES）的意义要远大于标称抗拉强度（RTS）的意义：最大允许抗拉强度（MOTS）是指在设计极限恶劣气象条件下，光缆中的光纤余长开始被吃掉并有应变值，光纤的衰减也开始急剧增加时的张力值，MOTS约为RTS的40%；极限特殊应力（UES）是指光纤受力，但在解除应力后光纤可恢复，不影响光缆使用寿命的极限值，UES约为RTS的70%。光缆受力超过UES，光缆中的光纤即有可能发生断裂。

ADSS光缆不同于OPGW在电力线路上还有地线功能，光纤断裂ADSS也失去了的功能；因此ADSS光缆安全系数选取时要充分考虑MOTS和UES这两个参数的重要性。首先，我们要保证ADSS光缆在极限恶劣气象条件下的最大受力不超过MOTS，即保证安全系数k>RTS/MOTS=2.5；其次，当安全系数取值为2.5时，对于ADSS而言，由于光缆受力超过UES（70%RTS）光纤即有可能断裂，因此此时ADSS的实际安全系数（相对于ADSS的功能而言）只有2.5×70%=1.75。要保证ADSS的实际安全系数（相对于ADSS的功能而言）大于2.5，安全系数的取值应为2.5/0.7=3.57。

因此，在ADSS光缆安全系数的选取时，应适当把的安全系数适当增大。以上论述只是说明ADSS与导线安全系数意义上的不同，实际设计中并不要求ADSS安全系数的取值必须大于3.57，只要大于2.5就可以了。由于各厂家生产的ADSS光缆物理力学特性差异较大，需进行具体分析后分别选用不同的安全系数及最大设计应力。

3.ADSS最大垂直弧垂气象条件的判定

为计算光缆对地或跨越物间距，往往需要知道光缆可能发生的最大弧垂。由于ADSS光缆具有对外荷载变化极为敏感的特性（在5mm覆冰气象条件时弧垂比运行工况时增加130.3%，在10mm覆冰气象条件时弧垂比运行工况时增加241.4%）。因此，校验ADSS的对地和交叉跨越间距须用覆冰工况时的弧垂；而导线则用高温工况时的弧垂。

同时，ADSS的风偏角远大于导线（最大风速时风偏角甚至可达到80°以上），极小的风速就有可能导致ADSS发生较大的风偏角。因此，无论何种型号的ADSS光缆，其最大垂直弧垂都发生在覆冰无风气象条件下。我们在进行ADSS弧垂计算时，需加入覆冰无风这一气象条件用于校验ADSS的对地和交叉跨越间距。当ADSS光缆线路通过重冰区时，必须特别重视ADSS对外负荷十分敏感的特性，详细校验覆冰情况下光缆对地及交叉跨越距离。由于ADSS光缆在覆重冰时的弧垂增幅太大，建议一般情况下ADSS光缆只宜在5mm、10mm轻冰区采用，20mm及以上重冰区不建议使用，对于20mm及以上重冰区需建设光缆线路的，新建线路建议采用OPPC光缆，原有线路尽量采用更换导线为OPPC光缆的方式建设。

4.ADSS光缆应力弧垂计算

ADSS光缆承挂在已建的送电线路杆塔上，架设ADSS光缆的应力和弧垂，除了要满足自身的技术指标和对地距离及交叉跨越要求外，还要光缆和同杆塔上的输电导线在运行工况下的弧垂尽可能一致，以使其与导线保持足够的安全距离，同时也使外型整齐美观（这里的运行工况，由于ADSS的风偏角远大于导线，我们一般选取平均气温气象条件）。

ADSS光缆应力弧垂计算可采用“倒推法”。首先，根据ADSS光缆悬挂的线路导线的型号与安全系数，我们可以用设计软件计算出导线的应力弧垂特性（已建线路导线弧垂可以从该线路施工图设计上查到），取每个耐张段导线平均气温时的弧垂值，再根据选定型号ADSS光缆的物理力学特性，尝试取不同的安全系数，使该耐张段ADSS在平均气温时的弧垂值与导线在平均气温时的弧垂值尽量相等，这时就可以得出ADSS的应力弧垂特性。按此方法，依次对各耐张段进行计算，得出各耐张段ADSS的应力弧垂特性。也就是说在一条线路中，导线的安全系数K是不变的，而每个耐张段相对应的ADSS的安全系数K是可以不同的。

经过以上计算得出各耐张段ADSS的应力弧垂特性后，再取各耐张段ADSS在覆冰无风气象条件时的弧垂值，对照各杆塔ADSS光缆悬挂点位置图和送电线路平断面图校验ADSS对地及交叉跨越距离，如不能满足，可逐步采用以下方法：（1）在满足杆塔强度与空间电场强度的前提下，抬高ADSS光缆悬挂点；（2）在满足杆塔强度的前提下，选用“适用档距”更大的ADSS光缆，这样的ADSS光缆RTS等参数更大，在平均气温气象条件下与导线弧垂相等时，在覆冰无风气象条件时弧垂增幅值较小，可以满足对地及交叉跨越距离的要求。

需要注意的是，校验ADSS对地及交叉跨越距离不能满足时，不要任意减小ADSS光缆的弧垂值，使其在平均气温时的弧垂小于导线平均气温时的弧垂。因为ADSS的风偏角远大于导线，二者没有同步性，ADSS光缆悬挂在导线下方，当其弧垂小于导线弧垂时，这就使得二者发生鞭击成为可能。如确实需要这样做，应校验最大风速气象条件下ADSS光缆与导线是否可能发生鞭击。

5.ADSS光缆的塑性伸长处理

当ADSS承受拉力后，便产生塑性伸长，从而引起档内弧垂增大，以致使ADSS对地及其他跨越物的安全距离减小，所以在光缆施工中必须考虑补偿。

《110-500kV架空送电线路设计技术规程》规定：导线塑性伸长对弧垂的影响宜采用降温法补偿。但对于ADSS光缆究竟降低多少度？目前没有规章可循，仍处于探索之中。云南省电力设计院编写的《电力系统光纤通信线路设计》中考虑到输电导线系由多股绞扭而成，而ADSS系层绞式无金属线，其架线后的塑性伸长不受绞扭的影响，故ADSS塑性伸长的影响，暂按降低20℃考虑。

但实际设计中发现，由于芳纶的使用，ADSS的弧垂对温度变化极为迟钝，部分适用于大档距的ADSS光缆热膨胀系数甚至是负的，这时采用降温补偿法只能起到反效果。由于采用降低温度的方法来补偿初伸长，效果不明显，因此，建议采取降弧垂法来补偿ADSS光缆的初伸长，但具体降低多少，还需要进一步的探索。一般来说，ADSS具体降低的弧垂值，可以上方导线使用降温补偿法降低的弧垂值为依据，相应降低相同或略小的百分比。

三、结束语

ADSS光缆一般使用于原有的杆塔线路，对杆塔而言是一种“添加物”，原有的杆塔设计并没有考虑其他物体的“添加”，所以ADSS光缆在杆塔上没有足够的“空间”。“空间”包括：杆塔强度、与导线距离（空间电场强度）、净空及与交越物的距离等。ADSS光缆只能尽量去适应原有的杆塔。

通过以上探讨，我们可以了解在ADSS光缆与导线弧垂特性不一致的情况下，如何进行ADSS光缆的力学计算，从而为ADSS光缆在杆塔上争取更大的“空间”。

参考文献：

[1]王守礼,严永新,等.电力系统光纤通信线路设计[M].北京:中国电力出版社,2003.