在運(yùn)ADSS光纜斷裂原因分析

鄭建軍，劉 俊，史賢達(dá)，田 峰

(內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院，呼和浩特 010020)

0 引 言

ADSS(all-dielectric self-supporting)電力通信光纜是一種具有無金屬、耐張力、無感性、高絕緣等特點(diǎn)的全介質(zhì)自承式光纜，通常應(yīng)用在35 kV及以上電壓等級的輸電線路。ADSS光纜的優(yōu)點(diǎn)是安裝簡易、傳輸損耗低、外徑尺寸小，且重量很輕，其應(yīng)用為電力系統(tǒng)的高效安全運(yùn)行提供了有力保證。但是，ADSS光纜在運(yùn)行過程中，特別是在雨季等空氣濕度較大的情況下，會受到干帶電弧、電暈放電等因素的作用而引發(fā)電腐蝕斷裂事故，嚴(yán)重影響電力通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1-3]。

運(yùn)行過程中，ADSS光纜外絕緣表面會在附近高壓輸電導(dǎo)線與大地電容耦合的作用下形成感應(yīng)電勢，若護(hù)套輕微老化且表面無污穢，則整根ADSS光纜可視為一個(gè)等勢體，不會形成電位差，因此不會發(fā)生放電現(xiàn)象[4-6]。然而，隨著運(yùn)行年限的增加，外層絕緣材料的逐漸老化將導(dǎo)致護(hù)套表面變得越來越粗糙，從而促進(jìn)污穢層的形成。在較濕的環(huán)境下，特別是在霧天或雨季，光纜表面潮濕的污穢層會在感應(yīng)電壓的作用下形成干帶泄漏電流，從而在護(hù)套表面形成樹枝狀碳化通道，即電腐蝕[7-8]。

1 光纜斷裂故障概況

2020年5月，蒙西電網(wǎng)某220 kV輸電線路ADSS光纜發(fā)生斷裂故障，斷裂位置靠近桿塔掛點(diǎn)處。該光纜全長31.481 8 km，型號為CYFSCY-24B1，于1999年12月7日投運(yùn)，現(xiàn)已運(yùn)行近21年。ADSS光纜斷裂前，該線路運(yùn)行正常，且相關(guān)站點(diǎn)光信號傳輸設(shè)備均運(yùn)行正常。事發(fā)地點(diǎn)當(dāng)天天氣晴朗，微風(fēng)。

2 斷裂部位試驗(yàn)分析

2.1 宏觀形貌觀察與分析

根據(jù)現(xiàn)場照片可以看出，ADSS光纜斷裂部位靠近桿塔掛點(diǎn)處，斷口呈抽絲狀。另一側(cè)ADSS光纜(未斷裂)近掛點(diǎn)處纏有螺旋防震鞭，防震鞭與ADSS光纜間的縫隙較大，且在防震鞭附近的護(hù)套表面可以觀察到明顯的白色放電斑痕。此外，在ADSS光纜護(hù)套表面還發(fā)現(xiàn)了一處破損痕跡及少量鳥糞。近距離對ADSS光纜斷口形貌進(jìn)行觀察后可以看出，斷口附近的外絕緣護(hù)套減薄嚴(yán)重，呈明顯塑性變形特征，護(hù)套表面未見明顯炭化通道；內(nèi)層護(hù)套斷口處的塑性變形不明顯，邊緣存在一定的放電特征；芳綸紗斷口尖端存在炭化現(xiàn)象。剖開內(nèi)護(hù)套層后，可以發(fā)現(xiàn)兩根綠色和藍(lán)色的套管斷口處存在明顯的放電燒傷痕跡；此外，還可以觀察到ADSS光纜內(nèi)部的阻水膏已經(jīng)結(jié)塊失效，表明該ADSS光纜在斷裂前存在長期積水現(xiàn)象，現(xiàn)場照片及各部位宏觀形貌如圖1所示。

圖1 ADSS光纜現(xiàn)場照片及各部位宏觀形貌Fig.1 Site photos and macro morphology of ADSS optical cable

2.2 斷口微觀形貌觀察與分析

利用HITACHI S-3700N型掃描電子顯微鏡對ADSS光纜套管及加強(qiáng)芯(環(huán)氧樹脂玻璃纖維)斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察，如圖2所示。由圖2(a)可見，套管斷口附近的表面存在許多電蝕熔坑，表明該部位的斷裂主要由電弧放電引發(fā)。從ADSS光纜加強(qiáng)芯的斷口形貌(圖2(b))可以看出，斷口附近玻璃纖維的長短不一，且大多數(shù)纖維表面附著的環(huán)氧樹脂已明顯脫落，表明界面間的黏結(jié)質(zhì)量變差，這主要與電弧放電產(chǎn)生的高溫及長期的水解作用有關(guān)。此外，在環(huán)氧樹脂層還可以觀察到明顯的高溫熔坑及疲勞裂紋，如圖2(c)所示。

圖2 ADSS光纜加強(qiáng)芯斷口微觀形貌Fig.2 Fracture micro morphology of ADSS optical cable reinforcing core

2.3 熱重曲線分析

應(yīng)用TGA55型熱重分析儀對斷裂ADSS光纜內(nèi)外層絕緣護(hù)套材料的熱分解過程進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。試驗(yàn)時(shí)，測試樣品質(zhì)量為5～10 mg，采用10 ℃/min的加熱速率將試樣由25 ℃加熱至750 ℃，整個(gè)試驗(yàn)過程均在N2氣氛下進(jìn)行。常規(guī)ADSS光纜的護(hù)套通常為低密度聚乙烯材料，該材料在N2氣氛下會發(fā)生一步降解反應(yīng)，幾乎無剩余熱分解產(chǎn)物[9]。從圖3中可以看出，經(jīng)過700 ℃加熱后，外層護(hù)套材料(遠(yuǎn)離斷口)發(fā)生了一步降解，基本完全分解，殘留物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.07%。外層護(hù)套斷口材料經(jīng)過加熱后，殘留物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.33%，而內(nèi)層護(hù)套斷口材料的殘留物質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.38%，表明斷口附近的內(nèi)外層護(hù)套均發(fā)生了一定程度的電腐蝕，并在空氣中O2的作用下形成了一定的高溫碳化產(chǎn)物；此外，內(nèi)層護(hù)套斷口材料的熱分解產(chǎn)物明顯高于外層護(hù)套斷口材料，表明內(nèi)層護(hù)套材料受到電腐蝕的影響更嚴(yán)重。

圖3 斷裂ADSS光纜不同部位護(hù)套材料的熱失重曲線Fig.3 Thermogravimetric curves of sheath materials in different parts of the broken ADSS optical cable

綜上分析，ADSS光纜的斷裂主要與外層護(hù)套破損后的電腐蝕作用有關(guān)。通常情況下，輸電導(dǎo)線與零電位的大地之間會形成一個(gè)大電容，使得ADSS光纜在網(wǎng)運(yùn)行一直處于由高壓輸電導(dǎo)線產(chǎn)生的較強(qiáng)空間電磁場中，并且越靠近桿塔，局部場強(qiáng)越高。正常運(yùn)行條件下，ADSS光纜外護(hù)套具有較高電阻值，因此不會受到電弧放電的影響。若ADSS光纜外層護(hù)套因受到機(jī)械磨損、鳥啄等外力作用發(fā)生破損，空氣中的水蒸氣或雨水將由破損處滲入芳綸紗層及內(nèi)層護(hù)套表面，并在空間電磁場的作用下，形成場強(qiáng)畸變并引發(fā)電弧放電。

電腐蝕的作用將導(dǎo)致芳綸紗不斷炭化，使ADSS光纜的抗拉強(qiáng)度降低；此外，長期的放電過程還將加速內(nèi)層護(hù)套材料的老化行為，進(jìn)而引發(fā)內(nèi)層護(hù)套開裂及阻水層失效。

水分子將進(jìn)一步侵入至環(huán)氧樹脂玻璃纖維表面，水分子的水解作用及電弧放電產(chǎn)生的高溫導(dǎo)致環(huán)氧樹脂分子鏈斷裂，使環(huán)氧樹脂與玻璃纖維的粘接強(qiáng)度降低,并引發(fā)界面脫粘，導(dǎo)致玻璃纖維的彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度下降。在拉應(yīng)力的作用下，應(yīng)力集中將出現(xiàn)在黏結(jié)能力較弱的界面，導(dǎo)致該處的玻璃纖維被率先拉斷。

最先斷裂的纖維將干擾附近基體的應(yīng)力場，并增加玻璃纖維-環(huán)氧樹脂基體界面的剪應(yīng)力，剪應(yīng)力通過界面不斷傳遞載荷，又將引起相鄰玻璃纖維相繼發(fā)生斷裂。隨著斷裂玻璃纖維的數(shù)量逐漸增多，加強(qiáng)芯的應(yīng)力截面積越來越小，進(jìn)一步降低了ADSS光纜的抗拉強(qiáng)度，并最終引發(fā)斷裂。

3 結(jié) 語

通過對某220 kV輸電線路ADSS光纜在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂的原因進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)光纜護(hù)套受損問題，提出如下建議：

1)應(yīng)在光纜掛點(diǎn)上方安裝有效的防鳥裝置，降低輸電線路鳥害故障率，保障電網(wǎng)的安全運(yùn)行；

2)加強(qiáng)對ADSS光纜的日常運(yùn)行維護(hù)，并重點(diǎn)對ADSS光纜護(hù)套、支承金具、防振鞭等易發(fā)生電腐蝕的部件進(jìn)行巡查，特別是光纜兩端靠近桿塔的護(hù)套是否存在粗糙、裂紋乃至破裂等情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，避免類似事件再次發(fā)生。