ADSS电力特种光缆在电力线路架设中的应用分析

摘要:利用架空电力线路走廊,在线路杆塔上进行架设,是一种非常经济的光缆敷设方式。作为电力通信用的ADSS光缆受到青睐的原因是它加挂在已建成的高压输电线路杆塔上,有效地利用了电力部门的高压杆塔资源、节省了大量工程施工费用。本文是对目前国内电力线路架设中使用ADSS光缆的一个应用技术分析。

Abstract: The use of the overhead power line corridors and towers were set up in line is a very economical way of cable lying. As with the ADSS cable power communication are preferred,because it has been built to add a high-voltage transmission line tower, the effective use of resources in the electricity sector, high-voltage towers, saves a lot of construction costs. This article is a domestic power lines erected analysis in an application using the ADSS cable technology.

关键词:ADSS OPEG;电位;悬挂点

Key words: ADSS;OPEG;potential;hanging points

中图分类号:TN91 文献标识码:A文章编号:1006-4311(2010)27-0242-02

1ADSS光缆简介及其应用背景

ADSS是All Dielectric Self-Supporting(全介质自承式)的缩写。全介质即光缆所用的是全介质材料,自承式是指光缆自身加强构件能承受自重及外界负荷。这一名称就点明了这种光缆的使用环境及其关键技术:因为是自承式,所以其机械强度举足轻重;使用全介质材料是因为光缆处于高压强电环境中,必须能耐受强电的影响;由于是在电力杆塔上架空使用,所以必须有配套的挂件将光缆固定在杆塔上。

目前,在架空输电线路上架设光缆主要有两种形式:光纤复合架空地线(OPGW)和全介质自承式光缆(ADSS)。新建的电力线路上通常选用OPGW,ADSS常用于已建成的电力线路上。ADSS光缆相对OPGW投资较小,可在电力线路不停电状态下架设,设计施工、维护等也较方便,已在建成的电力线路上得到广泛的应用。

2ADSS光缆的适用范围

对于新建或已建成的220kV及以上的高压输电线路,且作为通讯干线走廊的,为保证通讯线路与输电线路运行寿命(30年以上)的匹配性,从光纤通信的可靠性、施工和维护等方面考虑,工程人员应选择OPGW,220kV及以上的干线输电线路不宜选用ADSS光缆。

对于已建成的220kV及以下的输电线路,特别是区域变电所间的通信,可以考虑选用ADSS光缆。工程人员首先应考虑现有电力线路上架设ADSS光缆的可靠性,对电力线路已运行时间、杆塔的老化程度、原设计标准等条件来进行评估,从而确定架设的可行性。

在产品方面,国内目前有ADSS光缆的产品和检验标准,如国家标准GB/T18899《全介质自承式光缆》和电力行业标准DL/T788《全介质自承式光缆》,国际上主要有IEEE-P1222《用于架空输电线路的全介质自承式光缆IEEE标准(草案)》和IEC60794-4《光缆第4部分:分规范-沿电力线架设的光缆》。在工程方面,国内有电力行业标准DL/T5344《电力光纤通信工程验收规范》和DL/T767《全介质自承式光缆(ADSS)用预绞丝金具技术条件和试验方法》,但至今没有成熟有效的针对ADSS光缆的线路工程设计规定/规程和规范,所以ADSS光缆安装设计,只能参照现行的电力行业标准DL/T5092《110-500kV架空送电线路设计技术规程》。

3ADSS光缆选择

3.1 ADSS光缆结构。ADSS光缆的结构分为中心束管和层绞束管两大类,除了一些各方面条件较好的电力线路,一般情况下宜选用层绞束管结构的ADSS光缆。

ADSS光缆中的光纤是以波状导入束管内,然后束管进行绞合,产生绞合余长,光纤具有适当的余长,保证了光缆承受正常工作的机械负荷时光纤不受力(即光纤零张力设计),也不会增加光纤的损耗。

3.2 ADSS电气性能。ADSS光缆的类型选择首先要考虑电气性能要求,即ADSS所能承受的空间感应电场(电位)的大小,原因是ADSS光缆工作在高压线路导线附近,导线周围空间存在电磁场,光缆对导线和地之间的电容耦合使光缆处于一个空间电位的位置,因雾、露或下小雨时,潮湿的污秽在光缆外护套表面形成一个电阻层。在空间电位的作用下,护套表面对铁塔上的光缆接地金具之间流有电流,电流发热造成水分蒸发,使光缆外护套表面形成小段的干燥地带,阻断了电流,当干燥带的电位差达到一定高度时,便发生放电形成电弧,这就是干带电弧。它产生的热可以使交联聚合物逐步失去结合力而形成腐蚀,护套会熔成洞。这种现象或故障称为护套电腐蚀或电痕,严重时会导致断缆。

ADSS采用何种类型的外护套取决于光缆安装位置的空间电位的大小,与电力线路的电压等级、杆塔结构、导线布置及相位排列等多因素相关。

3.3 ADSS机械性能。

3.3.1 力学特性。ADSS光缆的机械强度方面,纺纶承载、缆内纺纶的数量决定了光缆的额定抗拉强度(RTS),单位为kN。

ADSS光缆最大允许张(应)力(MAT)对应于在最恶劣的设计气象条件下光缆所受到的最大张(应)力,单位为kN或N/mm2。ADSS光缆的年(日)平均张(应)力(EDS)对应于在无风、无冰及年平均气温下的张(应)力,单位为kN或N/mm2。ADSS光缆的极限运行张(应)力(UOS)可视作缆的过载能力,对应于在短时超过设计气象荷载时缆所承受的张(应)力,单位为kN或N/mm2。

这四个力值之间存在一定的关系且与光缆结构有关,相关标准做出了规定。

它们之间的关系又被称为“光纤应变窗”或缆的“应力应变”性能。

3.3.2 张力-弧垂特性。与该特性有关的光缆的机械性能主要包括缆径、缆重、弹性模量和热膨胀系数等。

ADSS光缆具有可变跨距特性,对于同一条光缆,如果气象条件和弧垂不同,它的允许使用档距是不同的。

根据要架设光缆的电力线路设计气象条件、档距、跨越情况,杆塔的设计运行状况,线路转角、高差等情况,工程人员来确定ADSS光缆的机械性能。通常以电力线路的设计气象条件计算的ADSS光缆张力弧垂表为依据。校核杆塔的强度,增加的负荷主要有风荷载、复冰荷载及不平衡张力;还应校核交叉跨越,根据校核情况,最终确定ADSS光缆本身的机械性能。

4控制条件的确定

控制条件(ADSS光缆的电气性能或机械性能)确定是ADSS安装设计中的一个重要环节,关系到线路的安全运行和光缆的使用寿命。它不但与电力线路的运行状况、气象条件有关,还与ADSS本身的机械性能有关,影响到ADSS类型、ADSS的悬挂位置确定(电气性能)、交叉跨越和杆塔负荷所要求的ADSS的张力和弧垂的选取(机械性能)。

4.1 杆塔条件和空间电位分布。杆塔条件主要包括:杆塔型号和尺寸、系统电压、导线型号或外径、导线回路、导线分裂数及分裂间距、地线型号或外径、相位排列(双回或同塔多回很重要)。

4.2 光缆最大允许弧垂的确定。除了机械强度,ADSS光缆的最大允许弧垂取决于光缆弧垂最低点与地面(或交越物)的最小间距与悬挂点位置(或高度),悬挂点位置设计与该点的空间电位直接相关。

根据相关规程或工程对光缆弧垂最低点与地面的最小间距的要求,可以求得光缆的最大允许弧垂。工程人员应该明确:这是工程重要的控制条件之一。

4.3 光缆的张力―弧垂―跨距特性。计算张力-弧垂-跨距特性需要有设计气象组合条件和光缆的初始安装弧垂两个前提。根据某一规格的缆当初始安装弧垂为1%时在两个气象条件下的计算实例。

可有如下结果。

①单从年平均均应力受限(即EDS控制)来考虑,该缆的最大跨距小于500m,因它在500m时的应力为540.2kN/mm2,超过了光缆本身的指标512.5kN/mm2。

②同理,单从MAT控制来考虑:气象条件A(覆冰15mm)时最大使用跨距小于450m;气象条件B(覆冰10mm)时最大使用跨距可达550m。

③若同时以最大允许弧垂分别为12m或16m控制,则在气象条件A下分别小于350m或小于450m;在气象条件B下分别小于450m或600m。这样,就引出了一个ADSS光缆的"实际使用档距"的概念。

用相同的计算方法,改变初始安装弧垂可以得出实际使用档距表。

ADSS光缆的安装设计要考虑多个因素。ADSS的弧垂及张力取决于线路的重要交叉跨越和杆塔结构的强度,两者互相制约。当跨越或杆塔结构要求ADSS挂点时,电场强度的分布就可能对ADSS光缆不利,根据电场分布确定的挂点位置,可能又不利于杆塔的强度和跨越及线间距离要求的确定。

4.4 ADSS最大使用张力。ADSS的最大使用张力要根据原电力线路杆塔的设计荷载来确定,在杆塔负荷允许的条件下,提高张力有利于交叉跨越的实现,但可能使缆的有效使用跨距减小(控制条件转变为缆的EDS受限)。

工程人员应依据不同耐张段内各档距的跨越情况,确定各耐张段内的最大使用张力。当ADSS根据杆塔结构或跨越等因素要求必须挂在某个位置时,如110kV线路选在空间感应电场为20kV的地方时,ADSS光缆就不能按惯例选择PE护套。这种情况要根据线路中各耐张段内跨越,杆塔情况确定。

必要时,工程人员通过经济比较,在一条线路上以耐张段为单位,选用不同张力和护套类型的ADSS光缆。

总之,在实际工程设计中,工程人员要结合已建电力线路的实际情况,当上述条件同时出现时,就要正确选定控制条件,使ADSS光缆的安装设计经济、安全、合理。

5ADSS的防振和金具

ADSS光缆的强度设计安全系数,应在与所架设的电力线路设计气象条件相一致的条件下确定,根据我国送电线路成熟的运行经验,ADSS光缆的设计安全系数不应小于2.5。ADSS光缆与金属绞线一样,受风等环境影响,会发生振动,长期的振动会导致光缆本身和金具的疲劳损坏。因此,ADSS光缆的年平均运行张力应按不大于ADSS光缆极限拉断力的20%选取,并采取相应的防振措施。

5.1 防振措施。目前,防振措施有两种:加装防振锤和螺旋式防振鞭(SVD)。如采用加装防振锤措施,应在安装处缠绕一定长度的预绞丝护线条分散应力。SVD施工方便,因此得到广泛使用,现场和实验室试验表明防振鞭对降低振动水平非常有效。

SVD应根据设计要求安装,2根及以上的SVD并联或串联均可,通常用并联,一般最大时可并联4根。

业界通常认为,SVD的安装位置对防振效果不敏感,为了避免防振鞭与金具预绞丝末端过近产生电弧,振鞭距金具预绞丝末端的距离越大越安全。

5.2 ADSS光缆金具。ADSS光缆金具主要有耐张金具、悬垂金具和接头盒,通常由ADSS光缆厂家配套供货。近年来,国产配套金具已得到了广泛使用,运行情况良好。

6总结

由于电力线路的设计技术规程多年来已进行过修改、调整和补充,所以对已运行多年的电力线路杆塔强度的校核难度大,成为架设ADSS光缆的关键问题。总的原则是在不影响电力线路安全运行、不降低可靠性的前提下,方可架设ADSS光缆。因此,架设ADSS光缆,应尽量选择线路杆塔条件较好的电力线路。