ADSS光纜與電力線路

2019-11-03 10:05:05

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上海阿爾卡特光纜有限公司　　　黃俊華　　我國從90年代中期引進安裝了ADSS光纜。從那時至今，在各種電壓等級的線路上架設的ADSS光纜（包括進口、合資、國產）估計已達上萬公里，其中用于110kV及以上的約占一半。據報道，目前我國ADSS光纜用于最高電壓等級為220kV,最大跨距為1228~1420m，最大芯數64~108芯。無論從數量、應用的范圍，使用的電壓等級、跨距和芯數來看，我國已成為ADSS光纜的“大戶”。

一、ADSS光纜與桿塔的關系

　　事實上，原有的桿塔在設計時根本沒有考慮過允許設計外的任何物體的附加，更不會給ADSS光纜留下足夠的“空間”，所謂“空間”不僅包括光纜的安裝掛點，還包括桿塔的機械強度和其它相關的因素。換言之，ADSS光纜只能盡量去“適應”原有的桿塔。

　　按受力和用途，桿塔可分為承力桿塔和直線桿塔兩大類。這兩類桿塔可以是鋼筋混凝土制成的“水泥桿”，也可以是角鋼制成的“鐵塔”。

　　1. 承力桿塔

　　這類桿塔承受線路的正常縱向張力和事故時的斷線張力，根據用途還可分為耐張、轉角、終端、分支等桿塔。

　　通常，ADSS光纜線路在這些桿塔上配置耐張（也有稱“靜端”）金具。承力桿塔是光纜配盤和接頭位置的重要依據。附加光纜的承力桿塔須經強度校核，確認在極端氣象條件下光纜的附加張力對桿塔仍是安全的。

　　2. 直線桿塔

　　這是輸電線路中數量最多的桿塔，它們用于線路的直線段上，支撐線路的垂直（如重力）和水平荷載（如風荷）。根據用途，還可分為轉角、換位、跨越等桿塔。

　　ADSS光纜線路通常不在直線桿塔上安排作光纜接頭，原則上采用直線（或稱“懸垂”）金具。在特殊情況下，如必須在直線桿塔上接頭，須采用經特殊設計的金具。

　　3. 桿塔型式

　　桿塔型式與輸電線路的電壓等級、線路回數和導線結構、氣象條件、地形地質條件等因素相關。我國的桿塔型式很多，很復雜。光纜與塔型直接相關的是掛點選擇并直接影響到使用壽命。ADSS光纜離開相導線一定的距離即可安裝的觀點是錯誤的，至少是不嚴格的。

　　塔身將決定光纜的架設高度，必須滿足在極端氣候條件下光纜弧垂最低點與地面或構筑物的安全距離。塔頭將決定光纜的掛點位置，在該點上電場強度應最小或相對較小，并符合光纜外護套抗電痕等級的要求。

　　二、ADSS光纜與電線力學的關系

　　1. 氣象條件與組合

　　ADSS光纜的機械強度乃至纜內光纖的傳輸性能必須能適應自然界的氣象變化。因此必須了解和掌握沿線的氣象資料，例如，最高氣溫、最低氣溫、年平均氣溫、最大風速和最大覆冰等。

　　把風速、覆冰、氣溫都取極值計算是沒有必要的。根據氣象規律，這三個條件的極值不會同時發生。因此，必須要根據氣象條件的重現期和線路的重要性及實際情況概括出合理的“氣象條件組合”。

　　一般原則為：

⑴．最大風速時不覆冰，氣溫取發生大風月的平均氣溫（或稍低一些）；

⑵．最大覆冰時，風速一般取10m/s或15m/s，溫度取-5℃；

⑶．最低溫度時，不出現覆冰和風。

　　ADSS光纜線路通常都不是新建線路，應注意ADSS光纜在選型時用的條件氣象組合應與原線路設計條件相一致。

　　2. 應力 ----- 弧垂 ----- 跨距

　　相鄰桿塔兩端架空線或光纜懸掛點連線的中點與架空線的垂直距離稱為中點弛度，也稱弧垂、垂度、弛度。當兩端懸掛點等高時，弧垂與應力的關系為：

　　f= (gl2 )/ (8δ0 ) (1)

　　1：檔距（也稱桿距、塔距、跨距），（m）

　　δ0：架空線最低點應力，（N/mm2）

　　g：架空線比載（N/m.mm2），與自重和氣象條件相關

　　f：架空線弧垂（m）

　　光纜的應力一弧垂特性與架空線一致，與金屬導地線不同的是截面參數A的取值，導地線中每一根金屬單絲都承受張力，故A取全截面。

　　δ0 =T0 /A (2)

　　T0：光纜最低點的張力　　（N）

　　A：光纜的截面（mm2），應取光纜的承載元件截面而非全截面。

　　很明顯，當跨距一定時，弧垂越大，應力越小；當弧垂一定時，跨距增大，應力隨之增大；若使光纜應力保持一個安全控制值，可以調節弧垂（如有足夠大的“空間”）來調節跨距。因此，ADSS光纜或配用的金具僅用“跨距”來表達，盡管很直觀卻是非常不嚴格的，脫離氣象條件，弧垂和應力的跨距不具有特別的意義并導致誤入歧途。事實是，對某一允許使用張力恒定的ADSS光纜，在不同的氣象條件和不同的初始弧垂，跨距的變化可很大。

　　鑒于ADSS光纜的“可變跨距”特性，用應力或張力值比用跨距定義光纜更可信。

　　3. 連續檔的代表檔距

　　代表檔距也稱規律檔距。

　　相鄰兩直線桿塔的中心水平距離稱檔距，相鄰兩個耐張塔中間的水平距離稱耐張段長，在一個耐張段內可以有若干直線桿塔，也即有許多檔距，這些檔距連在一起稱連續檔。雖然各檔的檔距、高差、弧垂不一定相同，但在架設時，其水平應力是一致的，這個應力稱為耐張段內的“代表應力”。

　　連續檔的弧垂應力用代表檔距計算，常用的代表檔距不考慮掛點高差時：

　　Lr＝［(L13＋L23＋L33＋□＋Ln3) / (L1+L2+L3+□+Ln)］1/2 =(ΣL3/ΣL)1/2 (3)

　　Lr：常用的代表檔距，m

　　L1、L2、□..Ln：耐張段內各檔的檔距，m

　　一般設計圖紙給出的弧垂是代表檔距弧垂，ADSS光纜在選型及配盤時可參考最大檔距，但宜以代表檔距和代表弧垂及代表應力為主要依據，從而保證光纜在安裝及運行的安全可靠的前提下獲得較佳的技術經濟性能。

　　三、ADSS光纜的機械參數

　　由于ADSS光纜工作在大跨度的架空狀態下，光纖的安全成了問題的焦點。從結構設計、原材料的選擇到工藝參數的設置、修正和改進等技術措施，無不為了增加光纖的“余長”，即開辟所謂的“光纖應變窗”。

　　早期的松套層絞結構ADSS光纜注重和強調光纖的“零應力”狀態，并設置了對應的機械參數。但是，“零應力”是一個相對模糊的概念，不能成為控制指標，與輸電線路的相關規范產生了諸多矛盾。

　　現代的ADSS光纜設計，其機械參數與輸電線路的適用規范已經近似統一，可以用最經典的方法來設計和計算光纜線路。當然，由于光纖的存在，它仍具有一定的特殊性。

　　1. ADSS光纜的應力應變特性

　　眾所周知，光纜的應變特性取決于光纜的彈性模量，彈性模量主要由光纜的加強件決定。就ADSS光纜而言，彈性模量主要取決于所用紡綸的模量和數量。

　　ADSS光纜的設計負載分為光纖受力和不受力兩種。光纖應變窗的定義為：對光纖不受力纜型，在光纖受力前或光纖在伸長前，光纜被允許拉伸的最大值及以下的區間。對光纖受力纜型，在光纖受力或拉伸達到預定限度的最大值及以下的區間。光纖應變窗在很大程度上與結構參數相關，以典型的松套管層絞設計為例，它主要取決于中心加強件FRP的尺寸，松套管尺寸（主要是內徑），管內光纖束的直徑（芯數）和管子的節距。

　　目前較直觀的方法是測量光纜應力應變特性。大量的測試數據告訴我們：在同一根光纜內，不同的管子（或槽）里的光纖甚至同一根管子（或槽）內的不同光纖，其曲線形狀會有一些變化，即數據有一定的離散性。這就提示我們：對于多芯數的光纜必須小心從事，為了保證光纖安全，必須留有余地。

　　應力應變曲線使模糊的“零應力”和不容易測量的“余長”或“光纖允許被拉伸的預定值”成為清晰直觀的結果，從而得出明確的控制指標。

　　ADSS光纜必須有合適的光纖余長，但過大的余長不僅無必要甚至是有害的。

　　2. 極限抗拉強度 ----- UTS（Ultimate Tensile Strength）

　　導線的計算拉斷力稱為UTS，也稱破壞強度，綜合破斷力。以全截面計算，UTS是導線常用的重要技術參數。

　　ADSS光纜的強度計算與金屬導線不同，一般以承載元件截面而非全截面計算，因為除承載元件外其它元件對強度的貢獻已微小到可忽略。ADSS光纜一般不強調UTS參數。

　　3. 標稱抗拉強度 ----- RTS（Rated Tensile Strength）

　　金屬線材在絞合以后，強度略有下降，光纜在成纜后，彈性模量也會下降，在扣除了下降部分后纜的計算強度稱RTS。更由于紡綸這種特殊材料的抗拉強度有一定的離散性，所以ADSS光纜更偏重于RTS，可以通俗地將RTS理解為ADSS光纜的保證抗拉指標，即拉伸試驗時必須達到或超過該標稱值。

　　ADSS光纜的RTS參數是金具配置（尤其指耐張金具）和安全系數計算控制的重要依據。

　　4. 最大允許抗拉強度 ----- MOTS（Maximun Operating Tension Strength）或者最大允許工作應力MWS（Maximum Working Stress）

　　該參數對應于導線的最大許用應力，導線的MOTS是指在設計的極端氣候條件下發生最大應力時對應于UTS還留有一定的安全系數的值。

　　MOTS（導線）＝UTS（導線）/　K（安全系數）　K≥2.5 （4）

　　導線的MOTS是計算臨界檔距的依據之一。

　　光纜的MOTS的意義是：光纜在被拉伸到MOTS值時，纜內的光纖開始伸長（光纖不受力纜型），或光纖開始達到預定受力限度值（光纖受力纜型），光纖衰耗變化在允許合理范圍內，判據是光纜的應力應變特性。根據氣象條件和弧垂，計算光纜的跨距，在此跨距下，光纜所受的綜合負載應不大于MOTS。

　　可見，光纜的MOTS強調的是光纖的安全。

　　5. ADSS光纜的安全系數

　　雖然導線與ADSS光纜的MOTS有不同的含義，但使用的條件（氣象條件、弧垂、跨距等）是相同的。所以，ADSS光纜的安全系數(K)是客觀存在的。

　　K（光纜）＝RTS（光纜）/　MOTS（光纜）（5）

　　ADSS光纜的K系數不是隨意制定的，也不能簡單地套用電力規范。這是因為即使用了相同數量的紡綸，不同的工藝設計和不同的工藝實現能力，實際能達到的RTS和MOTS差異是相當大的。

　　有時候，用戶還會提出光纜工作時的安全系數，ADSS光纜在工作時的安全系數為：

　　K（工作）＝RTS（光纜）/G（工作）（6）

　　G：光纜在設計氣象條件下的綜合負載

　　6. 每日平均應力 ----- EDS（Everyday Stress）或者稱為平均運行應力

　　ADSS光纜與導線的EDS含義幾乎完全一致。

　　EDS是一個疲勞老化參數。所不同的是，導線疲勞后往往出現斷股而光纜疲勞后多出現護套開裂，更嚴重的是光纖斷裂。

　　光纜應該常年工作在EDS值附近（不考慮外負載及在年平均氣溫下），相當于耐張段的代表應力（按代表檔距和代表弧垂考慮）。

　　EDS與RTS有一個適當的比值，各國有不同的標準，一般為（16％~25％）RTS，在給定的EDS（IEEE－P1222定義為最大安裝張力）下按規范進行振動試驗，光纜外護套應無損傷，光纖衰耗的變化應在控制指標內。

　　7. 極限特殊應力 ----- UES（Ultimate Exceptional Stress）或極限特殊強度UETS（Ultimate Exceptional Tensile Strength）

　　這是光纖不受力纜型（松套層絞結構）ADSS光纜特有的參數。一般UES應大于60%RTS。

　　當光纖的余長釋放完，即張力超過MOTS后的一定范圍內，光纖開始受力的同時附加衰減也開始增加，但在張力解除后，光纜仍可恢復到初始狀態。該范圍的最大控制值即是UES。

　　UES意味著該光纜可短時過載使用，比如偶然的大風或覆冰（超過設計條件），在消失以后，光纜可恢復正常運行且不影響使用壽命。

　　可以理解為：假設使用的氣象條件為30年一遇，用該條件以MOTS計算跨距、弧垂；而UES則對應于光纜在30年壽命期內經受可能發生的50年一遇的氣象條件。通常，MOTS作為計算參數，UES作為校驗參數。雖然容易混淆，但必須區分。

摘自《通信時代》

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