浅谈电力架空线路ADSS光缆防覆冰应用

傅寿熹

（福建永福电力设计股份有限公司，福建 福州 350108）

0 引言

随着电力系统的高速发展，电力通信网作为智能电网和电力物联网的基础，是作为“两网”安全、可靠、稳定、高效、经济运行的重要保障。目前国家电网通信网络网架，特别是主干线路均以光纤通信为首选。而ADSS 更是电力特有的光缆，因其具有自承式、质量轻、直径小、全绝缘的特点，广泛应用于10kV～500kV 各个电压等级的线路中。

存在问题：1）由于我国地域广阔，横跨多个纬度和经度，从南至北跨热带、亚热带、暖温带、中温带、寒温带5 个气候带，除热带鲜有出现ADSS 覆冰的情况，其余4 个气候带的ADSS 光缆每年均受到不同程度的覆冰影响，严重的会导致光缆断芯甚至断缆，造成信息中断、道路阻碍等问题。而现有的光缆融冰方法多数应用于OPGW，且推广度不强。2）ADSS 为全绝缘非金属光缆，其本身作为绝缘的光缆，通过自身特点架设于电力线路上，不会产生感应电流，因此无法与OPGW 一样加入金属管作为通电的发热导体。

1 解决方案

1.1 ADSS 光缆架设工况条件下考虑因素

1.1.1 ADSS 光缆结构

目前在市面上ADSS 的光缆结构主要有2 种，中心束管型及层绞束管型，中心束管类型多数不用于架空线路。常规工况下均采用层绞束管型ADSS。ADSS 光缆中放置的光纤并非拉直的穿入，而是存在一定的曲折度，即光纤在束管内是以波浪状放置的，同时由于层绞型光缆存在绞合余长，而光缆受到温度、外力等条件均会产生拉升和形变，因此必须根据不同工况条件选择相应纤芯余长的ADSS，确保ADSS 在运行时承受的荷载，不会拉断束管内的光纤。

1.1.2 ADSS 电气性能

首先电气性能是ADSS 类型选择的第一因素，即光缆安全运行情况下的导线感应电场的数值，原因是ADSS 本身工作于10kV～1000kV 的高压线路导线附近，导线通电以后就会相应地产生电磁场，即会导致ADSS 位于一个空间电位某一点中，当空气过于潮湿时，水珠或者空气中存在的潮湿的杂质就会围绕ADSS 的外护套表面产生一个电阻层。由于空间电位的作用，就会导致杆路上的ADSS 接地线和ADSS 间产生感应电流，感应电流本身会产生热量，从而导致ADSS 外护套干裂受到损伤。而干燥带的电位差达到相应数值时，就会产生干带电弧。随之发出的热量能够将光缆外护层慢慢地分解，从而导致其被腐蚀[1]。该情况就是ADSS 外护层电腐蚀，容易引发日后运行中的ADSS 断缆现象。

ADSS 须选用什么样类型的外护层材质决定性因素在ADSS 杆位挂设点的空间电位值，其和所在运行的高压线路的电压等级、铁塔荷载能力、电线电场强分布、相位排列等息息相关。

1.1.3 ADSS 机械性能

1.1.3.1 力学特性

ADSS 的机械强度取决于多个方面：芳纶纱材质、芳纶纱荷载能力、芳纶纱覆盖面积、密度都是ADSS 的破断力即RTS 关键因素，破断力单位：kN 或N。ADSS 的最大允许张力即MAT取决于最严峻工况下，ADSS 自身能够承受的最大荷载即张力，单位：kN 或N/mm2[2]。ADSS 的年平均运行力即EDS，取决于架设运行线路地区的常温无风、无冰工况下和该地区的年平均温度工况下光缆的张力，单位：kN 或N/mm2。ADSS 自身的极限运行张力即UOS，又称为光缆的负荷过载运行能力，取决于瞬时或者在某一较为短暂的时间内，光缆运行状态下，超过规划工况下最大应力时ADSS 承受的张力，单位：kN 或N/mm2。以上几个力相互间密切相关，成为“光纤应变窗”或ADSS 的“应力应变”特性[3]。

1.1.3.2 ADSS 运行弧垂特性

与光缆的放线或运行弧垂值相关的光缆机械特性：光缆的截面积、内外直径、光缆单重、光缆蠕变率、束管内纤芯余长、杨氏模量、热膨胀系数。ADSS 本身是一种自承式结构光缆，其特性决定了它本身可以根据运行工况、架线弧垂值等因素改变自身允许架设的最大水平档档距值。因此ADSS 是一种可变跨距特性的光缆结构。基于须架线、运行ADSS 的高压线路杆塔明细及线路工况条件等概况，须根据铁塔或者电力水泥杆、钢管杆的结构荷载情况，铁塔的呼称高、交叉跨越、高差角、线路内角、外角度数等情况，选择合适的光缆参数及机械性能。常规是将杆塔线路明细、气象工况条件值以及光缆的机械特性作为ADSS 弧垂应力放线的基础值。在检验铁塔及电力杆的荷载的同时，还需检验光缆放线后其距离跨越段的高、低压线的安全距离，最终选取相应满足架线及运行条件的ADSS 光缆参数。

1.1.4 控制条件的确定

控制条件（ADSS 光缆的电气性能或机械性能）的确定作为光缆选型、放线应力设计及日常运行的控制因素之一，关乎ADSS 的日后运行、使用寿命及安全悬挂。其不仅和所架设高压线以及气象工况有关，而且和光缆自身的参数以及机械性能息息相关，决定了光缆参数的选择、光缆架设点、对地距离、跨越间距以及满足杆路荷载的光缆应力以及放线弧垂值。

1.1.4.1 杆塔明细及电场强分布

杆塔明细方面：杆路铁塔或电力杆的类型、塔身高度、呼称高、荷载等。电场强方面：导线类型、弧垂、挂设铁塔位置和相间距、电压电流、短路电流、截面积、回路数、分裂数、两道题地线或OPGW 型号、弧垂、导地线间距等。

1.1.4.2 光缆最大允许弧垂的确定

除了以上介绍的光缆弧垂值涉及控制条件外，光缆的最大运行弧垂（即最低点光缆弧垂值）还关乎常规档距下光缆的最低点弧垂同交叉跨越物或地面、屋顶、铁道、河流等之间的间距。并且光缆位于铁塔或电路杆的挂设点还需考虑杆路电场强分布。按照电力线路及ADSS 光缆对交叉跨域和对地距离要求的有关规程规定及不同地区的反措要求文件，设计出ADSS 的张力放线弧垂值。其最严峻工况下的弧垂值所对应的安全系数关乎选择不同参数的光缆，该情况也是选择ADSS 光缆类型的主要因素之一。

1.1.4.3 ADSS 的放线应力及运行弧垂特性

设计ADSS 的放线应力和运行弧垂值特性必须以气象工况表以及ADSS 的初伸长架线弧垂值作为首要条件。

1.1.5 最大使用架线应力

ADSS最大使用架线应力要以所需架设的高压线铁塔以及钢管杆、水泥杆等自身荷载能力作为依托进行计算。在电力杆或铁塔荷载承受范围内，收紧光缆的放线弧垂值及增加放线应力、张力则可以加大对光缆的交叉跨越及对地间距，保障光缆日后的运行安全，但是也会导致ADSS 的有效使用跨距减少。设计时，须根据各种类型的档间交叉跨越间距及切地线值，设计每个档距的放线弧垂值，计算出安全系数和最大使用架线应力。当线路的铁塔结构、高度或者对地间距等情况限制了光缆挂设点的位置时，光缆的芳纶纱材质选择和外护层材质的选择就会提高要求，出现该类型的情况时，光缆选型还需结合档间档距和工况条件来确定。当架设线路过长时，须综合考虑并分析经济因素，采用不同应力、材质类型的ADSS，以单条线不同路段为一个单位，选择不同类型ADSS 按耐张段进行架设。

1.1.6 ADSS 的防振和金具

ADSS 的光缆弧垂安全系数，须根据其架线运行高压线的气象工况和杆路明细进行设定。根据作者多年的ADSS 设计项目和作者收集国内各大设计院设计的相关高压线架设ADSS工程情况分析，ADSS 的设计安全系数远大于导线及地线的最小安全系数值2.5。ADSS 光缆本身和OPGW 等铝包钢地线性质相似，在大风的工况下，会导致光缆的鞭击现象，经常地鞭击能够导致ADSS 光缆损坏。鉴于此，ADSS 光缆的年平均运行应力须按照小于光缆最大破断力值的20%设计，同时须采取防振鞭进行防振。

1.1.7 总结

根据以上小结分析，在ADSS 光缆设计过程中，设计师须从架设光缆的高压线实际条件出发，选择适合对应线路架线条件的ADSS 光缆类型，从而保障光缆架设安全，使ADSS 光缆的安装设计经济、安全、合理。

1.2 发明防覆冰全介质自承式光缆结构

结合以上常用ADSS 的架线条件要求及ADSS 参数的选择范围，综合利弊，发明一种防覆冰全介质自承式光缆。解决方案如下：须选用自主研发的一种防覆冰全介质自承式光缆，该ADSS 包括第一绝缘内护套层，内护套层内中心位置设置非金属加强件，以非金属加强件圆心为中心环形阵列设置多个纤芯套管，套管内设置测温光纤。第一绝缘内护套层外表面设有碳纤维网层，将碳纤维网层制作成闭合回路形式，覆盖于全介质自承式光缆的第一绝缘内护套层上，再将芳纶纱加强层覆盖于第二绝缘内护套层上，最外层使用绝缘抗电痕外护套，ADSS 套管中放置2 芯测温光纤形成一个防覆冰ADSS 光缆结构。由于ADSS 外护套层普遍为聚氯烯或抗电痕护套，其最高可耐受温度为70℃，同时ADSS 作为全介质自承式光缆不适宜加入金属器件作为发热导体，以免金属器件在线路运行时产生较大的感应电流，导致安全事故。通过广泛试验，寻找碳纤维作为发热导体，其具有导电低、发热高、安全性强等特点，本次将其整合进ADSS 的光缆整体结构中。防覆冰全介质自承式光缆结构示意图如图1 所示。

图1 防覆冰全介质自承式光缆结构示意图

1.3 应用方法

在高压电力线上须通过以下5 个步骤进行实现。1）将防覆冰全介质自承式光缆架设在送电线路上，平时作为电力通信的光纤通信通道。2）在光缆接续盒旁挂置供电测控装置，将碳纤维网层零线和火线经光缆接续盒引出后接入交流220V供电测控装置中，从而供电进行加热升温。3）在光缆接续盒内的防覆冰全介质自承式光缆上分离出测温光纤，通过测温光纤连接至供电测控装置，利用测温光纤对温度的感知，从而设置供电测控装置启停的温度范围区间。4）当架设于送电线路上的防覆冰全介质自承式光缆产生覆冰时，启动供电测控装置，对碳纤维网层进行供电，从而产生热能，利用碳纤维高阻的特性可以迅速产生高热量，实现防覆冰全介质自承式光缆的融冰操作。5）预先将供电测控装置通过对应的温度，设置对应的加热时长，当融冰完成时，测温光纤感知温度到达设定值，则自动关闭供电测控装置，停止碳纤维网层的供电，从而停止对光缆的加温。同时，加入极限温度保护功能，ADSS外护套层普遍为聚氯烯或抗电痕护套，其最高可耐受温度为70℃，加温过程中若测温光纤测得温度超过ADSS 外护层最高承受温度，测控装置自动停止加温。

防覆冰全介质自承式光缆使用状态示意图详见图2。

图2 防覆冰全介质自承式光缆使用状态示意图

2 融冰原理及控制方法

本次须加热的温度和控制范围采用融冰公式：Q吸=CM（t终-t初）进行计算所需加热温度，再由焦耳定律公式：Q=I2RT计算加热至融冰的温度所需时长，从而预先将供电测控装置通过对应的温度，设置对应的加热时长。当融冰完成时，通过测控装置停止加电从而停止加温。

由于冰的融点是0℃，因此根据融冰公式Q吸=CM（t终-t初），已知冰的质量C和比热M，初始温度即当前冰的温度（由测温光纤测出）为t初，最终温度为t终=0℃，因此可计算出需要的热量Q；通过焦耳定律公式Q=I2RT，已知电流I、炭纤维电阻R、发热量Q，即可计算出加热时长T；因此可预先将供电测控装置通过对应的温度，设置对应的加热时长，进行融冰，当融冰完成时，通过供电测控装置停止供电从而停止加温。

要强调的是本次对装置设定极限温度保护功能，在加温过程中，如果测温光纤测得温度超过ADSS 外护层最高承受温度，测控装置就会自动停止加温，设定极限温度保护功能方法为ADSS 外护套层普遍为聚氯烯或抗电痕护套，其最高可耐受温度为70℃，加温过程中若测温光纤测得温度即将达到ADSS外护层最高承受温度，设定测控装置自动停止加温，避免防覆冰全介质自承式光缆损坏。防覆冰全介质自承式光缆使用细节示意图如图3 所示。

图3 防覆冰全介质自承式光缆使用细节示意图

3 该技术的优点和贡献

该技术的主要优点如下：1）解决了ADSS 光缆在低温季节预防覆冰，以及对覆冰进行融冰操作。2）选用碳纤维层做发热导体，解决ADSS 不适合选用金属作为发热导体的难题。3）选用测温光纤配合供电测控装置，对ADSS 进行全实时监测温度和自动启停防冰、融冰操作。4）根据测温光纤可以感应温度变化，对光缆起到高温保护作用。

通过上述4 点解决了ADSS 覆冰的情况下造成的断芯断缆的情况，对ADSS 的广泛应用是质的飞跃，使ADSS 的使用更加广域、安全、稳定、经济、先进。

4 结语

该文通过结合目前电力线路上ADSS 光缆常年受到不同程度的覆冰影响，导致发生事故的情况，对光缆结构及防覆冰技术进行研究。首先根据ADSS 架设于电力线路的特点，选用碳纤维作为发热导体，研发出一种防覆冰全介质自承式光缆。再利用测温光纤测温，从而设定供电测控装置的启停时间和极限保护温度控制，对整体ADSS 光缆进行融冰操作。

该方案安全可靠，既解决了多年来ADSS 不适合选用金属作为发热导体的难题，也可对ADSS 光缆进行全实时温控监测，为“十四五”期间物联网时代下的智慧线路发展走出至关重要的一步，使ADSS 的运行工况条件更加广域，同时也使电力通信更智能、更安全，为国家电力通信网络及光缆网架全面、快速地发展提供专业的强力支撑。