2014年05月21日

ADSS光缆与电力线

  我国从90年代中期引进安装了ADSS光缆。从那时至今,在各种电压等级的线上架设的ADSS光缆(包括进口、合资、国产)估计已达上万公里,其中用于110kV及以上的约占一半。据报道,目前我国ADSS光缆用于最高电压等级为220kV,最大跨距为1228~1420m,最大芯数64~108芯。无论从数量、应用的范围,使用的电压等级、跨距和芯数来看,我国已成为ADSS光缆的“大户”。

  事实上,原有的杆塔在设计时根本没有考虑过允许设计外的任何物体的附加,更不会给ADSS光缆留下足够的“空间”,所谓“空间”不仅包括光缆的安装挂点,还包括杆塔的机械强度和其它相关的因素。换言之,ADSS光缆只能尽量去“适应”原有的杆塔。

  按受力和用途,杆塔可分为承力杆塔和直线杆塔两大类。这两类杆塔可以是钢筋混凝土制成的“水泥杆”,也可以是角钢制成的“铁塔”。

  这类杆塔承受线的正常纵向张力和事故时的断线张力,根据用途还可分为耐张、转角、终端、分支等杆塔。

  通常,ADSS光缆线在这些杆塔上配置耐张(也有称“静端”)金具。承力杆塔是光缆配盘和接头的重要依据。附加光缆的承力杆塔须经强度校核,确认在极端气象条件下光缆的附加张力对杆塔仍是安全的。

  这是输电线中数量最多的杆塔,它们用于线的直线段上,支撑线的垂直(如重力)和水平荷载(如风荷)。根据用途,还可分为转角、换位、跨越等杆塔。

  ADSS光缆线通常不在直线杆塔上安排作光缆接头,原则上采用直线(或称“悬垂”)金具。在特殊情况下,如必须在直线杆塔上接头,须采用经特殊设计的金具。

  杆塔型式与输电线的电压等级、线回数和导线结构、气象条件、地形地质条件等因素相关。我国的杆塔型式很多,很复杂。光缆与塔型直接相关的是挂点选择并直接影响到使用寿命。ADSS光缆离开相导线一定的距离即可安装的观点是错误的,至少是不严格的。

  塔身将决定光缆的架设高度,必须满足在极端气候条件下光缆弧垂最低点与地面或构筑物的安全距离。塔头将决定光缆的挂点,在该点上电场强度应最小或相对较小,并符合光缆外护套抗电痕等级的要求。

  ADSS光缆的机械强度乃至缆内光纤的传输性能必须能适应自然界的气象变化。因此必须了解和掌握沿线的气象资料,例如,最高气温、最低气温、年平均气温、最大风速和最大覆冰等。

  把风速、覆冰、气温都取极值计算是没有必要的。根据气象规律,这三个条件的极值不会同时发生。因此,必须要根据气象条件的重现期和线的重要性及实际情况概括出合理的“气象条件组合”。

  ADSS光缆线通常都不是新建线,应注意ADSS光缆在选型时用的条件气象组合应与原线设计条件相一致。

  相邻杆塔两端架空线或光缆悬挂点连线的中点与架空线的垂直距离称为中点弛度,也称弧垂、垂度、弛度。当两端悬挂点等高时,弧垂与应力的关系为:

  光缆的应力一弧垂特性与架空线一致,与金属导地线不同的是截面参数A的取值,导地线中每一根金属单丝都承受张力,故A取全截面。

  很明显,当跨距一定时,弧垂越大,应力越小;当弧垂一定时,跨距增大,应力随之增大;若使光缆应力保持一个安全控制值,可以调节弧垂(如有足够大的“空间”)来调节跨距。因此,ADSS光缆或配用的金具仅用“跨距”来表达,尽管很直观却常不严格的,脱离气象条件,弧垂和应力的跨距不具有特别的意义并导致误入。事实是,对某一允许使用张力恒定的ADSS光缆,在不同的气象条件和不同的初始弧垂,跨距的变化可很大。

  鉴于ADSS光缆的“可变跨距”特性,用应力或张力值比用跨距定义光缆更可信。

  相邻两直线杆塔的中心水平距离称档距,相邻两个耐张塔中间的水平距离称耐张段长,在一个耐张段内可以有若干直线杆塔,也即有许多档距,这些档距连在一起称连续档。虽然各档的档距、高差、弧垂不一定相同,但在架设时,其水平应力是一致的,这个应力称为耐张段内的“代表应力”。

  一般设计图纸给出的弧垂是代表档距弧垂,ADSS光缆在选型及配盘时可参考最大档距,但宜以代表档距和代表弧垂及代表应力为主要依据,从而光缆在安装及运行的安全可靠的前提下获得较佳的技术经济性能。

  由于ADSS光缆工作在大跨度的架空状态下,光纤的安全成了问题的焦点。从结构设计、原材料的选择到工艺参数的设置、修正和改进等技术措施,无不为了增加光纤的“余长”,即开辟所谓的“光纤应变窗”。

  早期的松套层绞结构ADSS光缆注重和强调光纤的“零应力”状态,并设置了对应的机械参数。但是,“零应力”是一个相对模糊的概念,不能成为控制指标,与输电线的相关规范产生了诸多矛盾。

  现代的ADSS光缆设计,其机械参数与输电线的适用规范已经近似统一,可以用最经典的方法来设计和计算光缆线。当然,由于光纤的存在,它仍具有一定的特殊性。

  众所周知,光缆的应变特性取决于光缆的弹性模量,弹性模量主要由光缆的加强件决定。就ADSS光缆而言,弹性模量主要取决于所用纺纶的模量和数量。

  ADSS光缆的设计负载分为光纤受力和不受力两种。光纤应变窗的定义为:对光纤不受力缆型,在光纤受力前或光纤在伸长前,光缆被允许拉伸的最大值及以下的区间。对光纤受力缆型,在光纤受力或拉伸达到预定限度的最大值及以下的区间。光纤应变窗在很大程度上与结构参数相关,以典型的松套管层绞设计为例,它主要取决于中心加强件FRP的尺寸,松套管尺寸(主要是内径),管内光纤束的直径(芯数)和管子的节距。

  目前较直观的方法是测量光缆应力应变特性。大量的测试数据告诉我们:在同一根光缆内,不同的管子(或槽)里的光纤甚至同一根管子(或槽)内的不同光纤,其曲线形状会有一些变化,即数据有一定的离散性。这就提示我们:对于多芯数的光缆必须小心从事,为了光纤安全,必须留有余地。

  应力应变曲线使模糊的“零应力”和不容易测量的“余长”或“光纤允许被拉伸的预定值”成为清晰直观的结果,从而得出明确的控制指标。

  导线的计算拉断力称为UTS,也称强度,综合破断力。以全截面计算,UTS是导线常用的重要技术参数。

  ADSS光缆的强度计算与金属导线不同,一般以承载元件截面而非全截面计算,因为除承载元件外其它元件对强度的贡献已微小到可忽略。ADSS光缆一般不强调UTS参数。

  金属线材在绞合以后,强度略有下降,光缆在成缆后,弹性模量也会下降,在扣除了下降部分后缆的计算强度称RTS。更由于纺纶这种特殊材料的抗拉强度有一定的离散性,所以ADSS光缆更偏重于RTS,可以通俗地将RTS理解为ADSS光缆的抗拉指标,即拉伸试验时必须达到或超过该标称值。

  ADSS光缆的RTS参数是金具配置(尤其指耐张金具)和安全系数计算控制的重要依据。

  该参数对应于导线的最大许用应力,导线的MOTS是指在设计的极端气候条件下发生最大应力时对应于UTS还留有一定的安全系数的值。

  光缆的MOTS的意义是:光缆在被拉伸到MOTS值时,缆内的光纤开始伸长(光纤不受力缆型),或光纤开始达到预定受力限度值(光纤受力缆型),光纤衰耗变化在允许合理范围内,判据是光缆的应力应变特性。根据气象条件和弧垂,计算光缆的跨距,在此跨距下,光缆所受的综合负载应不大于MOTS。

  虽然导线与ADSS光缆的MOTS有不同的含义,但使用的条件(气象条件、弧垂、跨距等)是相同的。所以,ADSS光缆的安全系数(K)是客观存在的。

  ADSS光缆的K系数不是随意制定的,也不能简单地套用电力规范。这是因为即使用了相同数量的纺纶,不同的工艺设计和不同的工艺实现能力,实际能达到的RTS和MOTS差异是相当大的。

  有时候,用户还会提出光缆工作时的安全系数,ADSS光缆在工作时的安全系数为:

  EDS是一个疲劳老化参数。所不同的是,导线疲劳后往往出现断股而光缆疲劳后多出现护套开裂,更严重的是光纤断裂。

  光缆应该常年工作在EDS值附近(不考虑外负载及在年平均气温下),相当于耐张段的代表应力(按代表档距和代表弧垂考虑)。

  EDS与RTS有一个适当的比值,有不同的标准,一般为(16%~25%)RTS,在给定的EDS(IEEE-P1222定义为最大安装张力)下按规范进行振动试验,光缆外护套应无损伤,光纤衰耗的变化应在控制指标内。

  这是光纤不受力缆型(松套层绞结构)ADSS光缆特有的参数。一般UES应大于60%RTS。

  当光纤的余长完,即张力超过MOTS后的一定范围内,光纤开始受力的同时附加衰减也开始增加,但在张力解除后,光缆仍可恢复到初始状态。该范围的最大控制值即是UES。

  UES意味着该光缆可短时过载使用,比如偶然的大风或覆冰(超过设计条件),在消失以后,光缆可恢复正常运行且不影响使用寿命。

  可以理解为:假设使用的气象条件为30年一遇,用该条件以MOTS计算跨距、弧垂;而UES则对应于光缆在30年寿命期内可能发生的50年一遇的气象条件。通常,MOTS作为计算参数,UES作为校验参数。虽然容易混淆,但必须区分。

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