ADSS光缆的电腐蚀故障和控制
作者：江苏通光电子线缆股份有限公司时间：2016-08-10 我要发布
| 摘要 简要分析了ADSS光缆电腐蚀故障的机理，提出了用静态和动态的概念来控制电腐蚀的条件及措施 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 关键词 ADSS光缆 电腐蚀 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1. 前言 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| ADSS光缆在我国大面积使用的过程中，无论是进口还是国内生产的产品，在安装和运行中出现了一些故障案例甚至发生了断缆，不免令人担忧并产生了困惑和疑虑。 大部分的ADSS光缆用于老线路通信改造，安装在原有的杆塔上。显而易见的是：ADSS光缆对原有的杆塔是一种“添加物”，而原有的杆塔在设计时并不考虑有任何其他物体的添加。因此，ADSS光缆只能适应原有的杆塔条件，尽量去寻找有限的安装空间。 这些“空间”主要包括：杆塔强度、空间电位强度（与导线的间距和位置）和与地面或交越物的间距。 一旦这些相互关系失配，ADSS光缆就容易出现各类故障，其中最主要的是电腐蚀故障。 |
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| 2. 电腐蚀的主要模式 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 统称为电腐蚀的现象主要包含三种基本模式，分别为击穿、电痕和腐蚀。这三种模式往往与金具同时发生综合故障，要严格区分有时候是不容易的。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 2.1 击穿 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 由于各种原因，在ADSS光缆表面发生了足够能量的电弧、产生了足够大的热量，使光缆护套发生击穿。产生的击穿通常有熔融状边缘的穿孔，常伴有同时烧断纺纶而使光缆强度急剧下降，到维持不了张力的那一刻致使断缆。击穿是一种故障，在安装后发生的时间较短，见图1［1］。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图1 击穿故障 |
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| 2.2 电痕 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 电弧在护套表面形成放射（电树枝）状碳化通道称为电痕，然后不断加深，在张力的作用下开裂并露出纺纶，有时转换成击穿模式。电痕是一种故障，在安装后发生的时间比击穿模式要长，见图2［2］。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图2 电痕故障 |
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| 2.3 腐蚀 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 由于通过护套的泄漏电流产生了热量，使聚合物慢慢失去结合力并最终失效。表现在表面粗糙、护套减薄，这种现象称为腐蚀。腐蚀是缓慢发生的，见图3［1］。在光缆寿命期间是正常现象。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图3 正常腐蚀［1］ |
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| 3. 形成电腐蚀故障的主要因素 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在工作时受到张力的ADSS光缆处于导线周围空间存在的强大电磁场中，光缆对导线和大地之间的电容耦合使之处于一个空间电位的位置。在空间电位的作用下，污秽的光缆表面（不可避免的）对接地的金具产生一个接地漏电流并发热，热量使光缆表面水份蒸发，随机（不可控）地形成干燥带，阻断了表面漏电流。当干燥带两端的电位足够高时就产生了放电形成电弧。 电腐蚀发生的基本条件是要有一定的漏电流和足够高的空间电位。 |
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| 3.1 接地漏电流 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 根据苏格兰Hanterstor西海岸的数据：接地漏电流小于0.3mA时不发生电弧。因此0.3mA被公认是不发生电弧的门槛值；当接地漏电流超过门槛约0.5mA时，将产生电弧；随着接地漏电流超过1mA，电孤随之严重；但当接地漏电流更大（约超过5mA）时，电弧活动将停止，即大电流不产生电弧。 试验结果还表明（图4），电腐蚀的程度与光缆承受的张力有关。 |
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图4 腐蚀深度与施加张力的关系示意图 |
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| 3.2 光缆承受空间电位的标准 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 根据相应标准和规范，ADSS光缆外护套能承受的空间电位分两档。 A级：PE护套≤12KV； B级：AT护套≥12KV。 B级护套的上限在相关标准和规范中未作规定，通常的提法为20-25KV。 |
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| 3.3 等值电路 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 接地漏电流是由空间电位驱动的。图5所示的处于导线和地之间一小段光缆的等值电路。光缆的空间电位是C1和C2两个电容的分压，R为污秽的光缆表面潮湿时的表面电阻［1］。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图5 等值电路示意图［1］ |
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| 在输电线路的某一档距上，假设光缆与导线间距不变（弧垂一致）并与大地间距不变（事实上不可能、仅是假设），光缆表面各个点与接地的金具末端距离变化很大，在档距中央的感应电压虽然很高，但充电常数很大，充电电流极小，光缆表面无漏电流；随着接近安装在杆塔的金具末端，感应电压急剧趋于零同时接地漏电流变大，在金具末端达到最大值（见图6）， 如满足起弧条件，电腐蚀就发生了。在一个档距内存在两个“活动长度”［3］ 。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图6 某档距中感应电压和接地漏电流及活动长度示意图［3］ |
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| 3.4 双回路相位的影响 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 图5所示的V点若在档距中央，是光缆与导线和大地间的相对位置；在杆塔侧即是光缆悬挂点。该悬挂点上的空间电位受三相导线相位排列的影响，单回路相位变化几乎无影响，双回路导线的相位变化影响较大。 在双回路系统中，就ADSS的安装“空间”而言：ABC-ABC相位是最小的，其他相位均有不同程度的扩大，尤以ABC-CBA相位的“空间”为最大［5］。 对某一悬挂点而言：双回线单回运行时较复杂，空间电位有可能变小，也可能变大。 |
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| 3.5 其他影响 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 当某光缆的悬挂点一定，其空间电位还会受导线和地线的直径、导线的分裂、金具和光缆的风摆等情况的影响。如图7所示的直线塔，其结果列于表1；如图8所示的耐张转角塔，其结果列于表2。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
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图7 直线塔 |
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图8 耐张转角塔 |
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| 表1和表2的计算结果表明： （1）在ABC-CBA相位的标准220KV双回系统中，图7和图8所示直线塔和耐张塔的设计挂点的空间电位为10KV左右，是合理和安全的。 （2）随着导线直径增大和导线分裂，设计挂点的空间电位均有上升，但仍是安全的。 （3）当金具串或光缆发生风摆，单导线线路中设计挂点的空间电位将上升到18-23KV，仍属安全范围。但在双分裂线路中，空间电位将上升到危险的29-32kv。 （4）一旦相位变为ABC-ABC，该设计挂点不但马上变为不合理，因风摆后的空间电位为危险的27-47KV。 （5）该设计挂点在单回路运行时，是不合理和危险的。 |
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| 4. 案例 4.1 故障案例 |
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| 某ADSS光缆，工作在220KV双回路系统中约1年，发生断缆事故。经检查，断缆处AT 外护套明显呈融溶状，纺纶外露有明火痕迹，防振鞭明显龟裂炭化。再检查未断缆处，多处发现孔洞和防振鞭对光缆造成的烫伤压痕并己碳化。 经核对，光缆悬挂点的空间电位较高，静态设计挂点约23KV, 动态挂点超过了30KV，防振鞭离金具予绞丝末端约10Cm。 |
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| 4.2 成功案例 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 某ADSS光缆，工作在220KV双回路垂直分裂系统中近5年，静态设计挂点的空间电位约15-18KV。经历了多次台风袭击，工作始终正常。在例行检查中，打开防振鞭，对防振鞭和光缆进行仔细检查。结果表明：防振鞭表面光洁如新，厂家商品号清晰可见（图9）。光缆表面光滑，除防振鞭夹紧处光缆外护套颜色稍深（原始色）外，无电腐蚀故障痕迹（图10）。防振鞭离金具予绞丝末端约50 Cm。 又如某工作在110KV系统中己超过6年的ADSS光缆，防振鞭离金具予绞丝仅为10-20cm，至今工作正常，没有发生任何电腐蚀故障（图11）。 |
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图9 在220KV系统中运行约5年的防振鞭 |
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图10 在220KV系统中运行约5年的光缆表面 |
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图11 在110KV系统中运行超过6年的光缆和防振鞭 |
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| 5. 电腐蚀的控制 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 就目前所知，所有的电蚀故障都发生在“活动长度”区内，因此要控制的范围也集中在活动长度区间。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 5.1 静态控制 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在静态条件下，工作在220KV系统中的AT护套ADSS光缆，其挂点的空间电位应控制在不大于20KV；工作在110KV及以下系统中的PE护套ADSS光缆，其挂点的空间电位应控制在不大干8KV。静态挂点的空间电位设计应考虑到： （1） 系统电压和相位排列（双回路及多回路很重要）； （2） 杆塔型状（包括塔头和呼称高） （3） 绝缘子串的长度（根据污移等级其长度有变化） （4） 导/地线的直径和导线的分裂； （5） 与导线和地面及交越物的安全限距； （6） 张力/弧垂/跨距的控制（在设计气象条件下，其负荷不大于光缆的MAT即40%RTS）； （7） 应对跳线（耐张杆塔）和接地体（如水泥杆拉线）加以研究并考虑其影响。 |
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| 5.2 动态控制 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 在动态条件，工作在220KV系统中的AT护套ADSS光缆，其挂点的空间电位应控制在不大于25KV；工作在110KV及以下系统中的PE护套ADSS光缆，其挂点的空间电位应控制在不大于12KV。动态条件至少应考虑到 （1） 系统电压是标称电压，在某种情况下会有+/-（10～15）%的误差，取正公差； （2） 金具串（主要是悬垂串）和光缆的风摆； （3） 原相位换位的可能性； （4） 双回路系统单回路运行的可能性； （5） 本地区的污移实际情况； （6） 可能会有的新的交越线和物； （7） 沿线的市政建设和开发计划状况（有可能垫高地面）； （8） 其他对光缆会发生影响的情况。 |
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| 5.3 其他控制方法的探索 （1）憎水剂 |
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| 引起干带电弧的主要原因是受潮的光缆表面的局部干燥。如果护套的憎水性很好，形不成干燥带，理论上电弧将不会发生。 应当承认：目前用于ADSS光缆外护套的AT商品原料的憎水性能并不理想，即使初始具有的憎水性也会随着运行时间而逐渐失去。 我们曾采用了目前国际上最先进的憎水剂(该憎水剂确能做到“滴水不沾”)喷涂在光缆和防振鞭表面，能非常有效地通过规定的（1000小时）盐雾试验。虽然如此，目前还不能证明憎水剂的工作寿命和当涂有憎水剂的光缆表面在污秽后仍继续有憎水效果。 |
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| （2） 绝缘剂 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 喷涂云母粉基和/或陶瓷粉基等各种绝缘剂的光缆和防振鞭，同样能非常有效地通过规定的（1000小时）盐雾试验。但与使用憎水剂的情况类似，目前还需继续证实其（包括在振动等各种条件下）工作寿命和表面污秽后仍能对小于1至数mA的接地漏电流保持足够的绝缘。 在某一等级的空间电位和相同的“干带”宽度条件下，表面绝缘等级越高则“干带”两侧的电势越高，意味着越易起弧。 |
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| （3） 电子辐照交连护套 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 我们用经过电子辐照的交联护套材料作为光缆的护套，己证明其耐温性能将明显提高，但还需进一步研究和验证其耐电腐蚀等综合性能。即使可用，采用该种护套的光缆成本将大为增加。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （4） 半导体护套 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 半导体护套能泄漏危险的接地漏电流，在ADSS光缆开发早期就有过研究，但至今未有实用的报导，有可能是成本问题，也可能有其他问题。例如，半导体护套的光缆己不是标准的“全介质（ADSS）光缆”，在带电施工时光缆本体也会带电。既然可以允许半导体护套，那么用金属光缆（MASS）可能成本更低。这也许是某些国家和地区应用MASS比ADSS多的原因之一。 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 6. 结论 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| （1）运行中受到张力的ADSS光缆护套的电腐蚀是由通过电容耦合的空间电位（或电场强度）造成大致为0.5～5mA的接地漏电流和干带电弧引起。如果采取措施使接地漏电流控制在0.3mA以下，形不成连续电弧则护套的电腐蚀原则上不会发生。用憎水剂、绝缘剂、电子辐照交连护套和半导体护套等技术尚在研究中，目前最现实有效的方法仍是控制光缆的张力和空间电位。 （2）AT或PE护套ADSS光缆的静态空间电位设计应分别不大于20KV或8KV，在最恶劣的动态条件下应分别不大于25KV或12KV。光缆是可以安全运行的。 （3）静态空间电位为20KV（多为220KV系统）或8KV（多为110KV系统）系统中的防振鞭离金具予绞丝末端分别为不小于（1～3）m或0.5m是改善ADSS光缆电腐蚀的有效措施之一。同时应对ADSS光缆的振动损害和其他防振方法（如适用的防振锤）进行研究。 （4）尽管近几年屡有ADSS光缆电腐蚀故障发生，但大量的实践己证明，ADSS光缆在110KV系统中可以继续推广应用；用于220KV系统的ADSS光缆在充分考虑到静态和动态工况后，也可以继续推广应用。 （5）在确保ADSS光缆质量的前提下，规范工程设计、施工和运行条件，ADSS光缆的电腐蚀是可以控制的建议抓紧制订和实施相应规范/规程。 |
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| 参考文献 1.王爱国，ADSS光缆电腐蚀分析，2002电力特种光缆应用技术学术会议论文集：27-31 北京 2.孙德栋，ADSS光缆电腐蚀分析，2003广东省电力特种光缆技术研讨会论文集：1-30 广东新会 3. 徐乃英，ADSS光缆外护套抗干带飞弧能力的新试验方法，中国通信学会2003年光缆电缆学术年会：特邀报告 上海 4.张强、张忠、李万盟，ADSS光缆设计、制造、施工问题综述，2001电力特种光缆应用技术学术会议论文集： 191-196 北京 5.黄俊华，ADSS光缆受电蚀的探讨，广东电力通信： 2001（1） 26-30 广州 6.黄俊华、张建明，光通信中继站引入光缆和非开挖地埋方案,2003电力特种光缆应用技术学术会议论文集：7-11 北京 |
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| 作者简介 黄俊华 通光集团有限公司副总经理 |
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