ADSS光纜懸掛點(diǎn)選擇的仿真研究

楊承矩 李瀚儒 王學(xué)良 劉志全 楊軍華

（1.廣州供電局有限公司，廣州 510630；2.廣東安恒鐵塔鋼構(gòu)有限公司，廣東 佛山 528000）

在電力系統(tǒng)通信中，架設(shè)ADSS 光纜是當(dāng)前非常經(jīng)濟(jì)的方法之一，其架設(shè)時(shí)一般不需要電力線(xiàn)路停電，同時(shí)投資較少。但是因?yàn)锳DSS 光纜運(yùn)行于高壓強(qiáng)電場(chǎng)中，電腐蝕的影響會(huì)極大地縮短ADSS光纜的使用壽命。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，一方面可以采用防電腐蝕涂料提高光纜護(hù)套的抗電蝕能力。另一方面，優(yōu)化ADSS 光纜的懸掛點(diǎn)也是有效的解決辦 法[1]。

合理地選擇光纜懸掛點(diǎn)位置，應(yīng)盡量使ADSS光纜處于較小的電場(chǎng)環(huán)境中。對(duì)于掛點(diǎn)的選擇，一般采用電位高低（12kV，25kV）確定ADSS 光纜懸掛位置。而綜合國(guó)內(nèi)外研究，影響電腐蝕的主要因素在于光纜掛點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度。目前，通常采用電場(chǎng)強(qiáng)度小于10kV/m 作為懸掛ADSS 光纜的電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)[2]。

本文通過(guò)對(duì)典型桿塔進(jìn)行三維建模仿真，計(jì)算ADSS 光纜掛點(diǎn)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度及沿線(xiàn)方向電場(chǎng)強(qiáng)度分布，對(duì)影響掛點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度的因素進(jìn)行分 析。

1 仿真原理與方法

輸電線(xiàn)路常規(guī)的空間電場(chǎng)二維計(jì)算方法是對(duì)仿真模型做相應(yīng)的簡(jiǎn)化，即將輸電線(xiàn)路抽象成無(wú)限長(zhǎng)直導(dǎo)線(xiàn)。而實(shí)際工況中ADSS 光纜，存在不同電壓等級(jí)線(xiàn)路的交叉，跨越河道等電場(chǎng)環(huán)境，在這種混合因素的影響下，出現(xiàn)腐蝕的概率有較大的差異。根據(jù)事故經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出：光纜和導(dǎo)線(xiàn)的交叉位置以及光纜的掛點(diǎn)附近發(fā)生電腐蝕事故的情況較多。三維建模仿真相對(duì)于二維電場(chǎng)計(jì)算涉及條件多，計(jì)算復(fù)雜。不過(guò)，三維電場(chǎng)計(jì)算能夠充分考慮模桿塔、金具、跳線(xiàn)等條件對(duì)光纜的影響，并可以計(jì)算出不同ADSS 光纜掛點(diǎn)處的電場(chǎng)值[3]。在三維建模中，將導(dǎo)線(xiàn)及地線(xiàn)看作電荷的分布的均勻長(zhǎng)直導(dǎo)體。這樣，所需要求解的問(wèn)題就是由空間按規(guī)律排列的有限長(zhǎng)直線(xiàn)的電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度的問(wèn)題。

2 仿真模型

本文采用三維有限元計(jì)算模型（如圖1所示）。按照全部桿塔尺寸1∶1 模型建立，建模過(guò)程中，分別對(duì)導(dǎo)線(xiàn)、桿塔和空氣部分單獨(dú)建模。為了減少計(jì)算，對(duì)于模型做以下簡(jiǎn)化：

1）邊界選取。以有限距離的邊界代替無(wú)限遠(yuǎn)邊界，因?yàn)锳DSS 光纜相對(duì)桿塔尺寸很小，所以選取適當(dāng)邊界使電場(chǎng)線(xiàn)不至于過(guò)于稀疏。

2）對(duì)稱(chēng)建模。根據(jù)桿塔及導(dǎo)線(xiàn)的對(duì)稱(chēng)性，可以建立1/2 模型通過(guò)旋轉(zhuǎn)法建模。

3）導(dǎo)線(xiàn)和金具簡(jiǎn)化。導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)圓滑圓柱來(lái)代替，直徑選取16mm。因?yàn)榻鹁呦鄬?duì)于桿塔來(lái)說(shuō)尺寸很小，這將導(dǎo)致剖分時(shí)錯(cuò)誤增多，計(jì)算時(shí)間增長(zhǎng)，所以將桿塔上部分金具作簡(jiǎn)化處理。

直接以桿塔尺寸作為基準(zhǔn)進(jìn)行剖分，將導(dǎo)致得到的有限元尺寸較大。雖然可以直接對(duì)整體模型進(jìn)行一次剖分，但是這樣劃分的網(wǎng)格粗糙，大大降低了計(jì)算結(jié)果的精確度。如果以導(dǎo)線(xiàn)尺寸作為基準(zhǔn)又會(huì)使得剖分尺寸過(guò)于精密，計(jì)算量大、耗用內(nèi)存多，計(jì)算機(jī)無(wú)法完成剖分。所以，在此對(duì)桿塔和導(dǎo)線(xiàn)建立細(xì)化小模型，加強(qiáng)網(wǎng)格劃分的細(xì)化程度以提高計(jì)算的精確度。在各個(gè)小模型處首先進(jìn)行小范圍網(wǎng)格劃分，之后在進(jìn)行全局劃分。

圖1 桿塔模型示意圖

完整的模型包含桿塔，導(dǎo)線(xiàn)以及空氣。如圖2所示，建立好模型后，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分。剖分主要分為自由剖分和手動(dòng)剖分?？諝鈱訉?duì)計(jì)算結(jié)果影響小，采用自由剖分方式。而導(dǎo)線(xiàn)及ADSS 光纜掛點(diǎn)因?yàn)榻⒘诵∧Ｐ停瑒t通過(guò)手動(dòng)剖分獲取更加細(xì)化的網(wǎng)格（如圖3所示），這樣的電場(chǎng)計(jì)算結(jié)果將更精確。

本文中模型空間的靜電場(chǎng)計(jì)算所需要的是VOLT（電壓載荷），來(lái)定義模型在邊界上的已知電壓。

圖2 整體模型剖分圖

圖3 導(dǎo)線(xiàn)周?chē)骷?xì)致剖分

對(duì)于模型計(jì)算中的邊界問(wèn)題，一般采用的為截?cái)喾ǎ喝o(wú)限遠(yuǎn)處作為邊界，即認(rèn)定此處的電磁場(chǎng)已經(jīng)衰減為0。通過(guò)計(jì)算對(duì)比，當(dāng)超過(guò)一定距離后計(jì)算結(jié)果差異很小。本文中選取3 倍于桿塔高度距離作為空氣邊界。

3 仿真結(jié)果

3.1 典型桿塔掛點(diǎn)處的電場(chǎng)強(qiáng)度

選取廣州地區(qū)220kV 單回棠碧乙線(xiàn)GJ2A 和雙回廣芳甲線(xiàn) 220Z2J002 兩基事故桿塔作為研究對(duì)象。

1）單回220kV 棠碧乙線(xiàn)GJ2A 桿塔

桿塔全高24m，導(dǎo)線(xiàn)為L(zhǎng)GJX-300/40 普通導(dǎo)線(xiàn)，地線(xiàn)LGJX-70/40。ADSS 光纜距A 相線(xiàn)路3m，位于桿塔上。桿塔分布從左向右依次為C、A、B 三相線(xiàn)路。

通過(guò)考慮導(dǎo)線(xiàn)形狀和鐵塔的三維仿真計(jì)算， 我們得到了桿塔模型的三維電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖，為了更加直觀(guān)地看到桿塔不同掛點(diǎn)位置的電場(chǎng)強(qiáng)度，我們截取線(xiàn)路走向桿塔所在平面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖4。從圖中可以看出，距離導(dǎo)線(xiàn)較近處電場(chǎng)強(qiáng)度較大。因?yàn)闂U塔零電位的存在，越靠近桿塔處電場(chǎng)線(xiàn)越密集。上下兩塔臂及塔身形成的封閉區(qū)域電場(chǎng)突變大，電場(chǎng)線(xiàn)密集。根據(jù)桿塔附近平面等電場(chǎng)強(qiáng)度線(xiàn)分布 圖，光纜掛點(diǎn)處位于電場(chǎng)強(qiáng)度較大一側(cè)，電場(chǎng)線(xiàn)較密集。依據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度判斷，GJ2A 桿塔的ADSS 光纜掛點(diǎn)處電場(chǎng)較高，空間電場(chǎng)值為12.833kV/m（如圖5），光纜懸掛位置處的電場(chǎng)強(qiáng)度大于10kV/m，處于電腐蝕最易產(chǎn)生的電場(chǎng)區(qū)間內(nèi)。

圖4 等電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

圖5 掛點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度

2）雙回220kV 廣芳甲線(xiàn)220Z2J002 桿塔

桿塔全高42.9m，導(dǎo)線(xiàn)為2×LGJ-630/45，地線(xiàn)LGJ-95/55。ADSS 光纜距桿塔軸線(xiàn)2.265m。桿塔左右側(cè)線(xiàn)路對(duì)陣分布，由下向上依次為C、B、A 三相線(xiàn)路。

220Z2J002 桿塔所在平面的電場(chǎng)強(qiáng)度分布如圖所示。由圖6中電場(chǎng)線(xiàn)分布可知，導(dǎo)線(xiàn)周?chē)碾妶?chǎng)線(xiàn)較密集。而在掛點(diǎn)處，可以明顯看出，電場(chǎng)向靠近桿塔處擴(kuò)散且變化很大。根據(jù)桿塔附近平面等電場(chǎng)強(qiáng)度線(xiàn)分布圖，220Z2J002 桿塔的ADSS 光纜掛點(diǎn)處電場(chǎng)較高，空間電場(chǎng)值達(dá)到了11.406kV/m。掛點(diǎn)位置處于電場(chǎng)強(qiáng)度大于10kV/m 一側(cè)，在實(shí)際線(xiàn)路中加之懸掛金具的影響，勢(shì)必會(huì)大于12kV/m，造成強(qiáng)烈的電腐蝕。

圖6 等電場(chǎng)強(qiáng)度分布圖

圖7 掛點(diǎn)處電場(chǎng)強(qiáng)度

3.2 ADSS 光纜沿線(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度分布

因?yàn)闂U塔和懸掛金具的屏蔽作用，光纜在桿塔附近的電位比其他地方要小。所以相對(duì)于光纜沿線(xiàn)電位的變化，電場(chǎng)強(qiáng)度能更準(zhǔn)確地判斷電腐蝕。在金具的屏蔽作用下，被包裹于金具內(nèi)部的光纜上承受很小的電場(chǎng)強(qiáng)度。根據(jù)電場(chǎng)強(qiáng)度沿光纜走向分布圖（如圖8所示），距離桿塔中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度僅為10.097kV/m。然而，在金具兩端出口處，有一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度的尖峰分布，靠近桿塔兩側(cè)處電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到15kV/m，已經(jīng)超過(guò)電場(chǎng)強(qiáng)度的安全上限，極易對(duì)光纜造成電腐蝕。

圖8 GJ2A 桿塔沿光纜走向電場(chǎng)分布

圖9中表明，距離桿塔中心處的電場(chǎng)強(qiáng)度較低，而在兩側(cè)由于桿塔的屏蔽效果減弱，空間電場(chǎng)達(dá)到極大值，容易形成電腐蝕。由于金具接地，其中的光纜電位為零，但在金具出口外，電位陡升，造成該處的電場(chǎng)強(qiáng)度出現(xiàn)極大值，其情況類(lèi)似于尖端放電[4]。

圖9 220Z2J002 桿塔沿光纜走向電場(chǎng)分布

因?yàn)楣饫|表面會(huì)受污穢附著，當(dāng)空氣潮濕時(shí)，污穢加重時(shí)即污穢電阻變小。在感應(yīng)電壓作用下，泄漏電流增幅較大，而且衰減緩慢。在塔端附近感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)會(huì)達(dá)到很大的數(shù)值，而且污穢電阻越小時(shí)，塔端感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)可達(dá)到很高的數(shù)值，也越容易引發(fā)電暈放電。離塔端距離越遠(yuǎn)，電流越小，接近檔距中央時(shí)泄漏電流接近于零，所以處于檔距中央附近的光纜一般不會(huì)發(fā)生干帶電弧放電現(xiàn)象[5]。相關(guān)研究得出，泄漏電流的最大值總是出現(xiàn)在懸掛光纜的金具預(yù)絞絲末端，這也是引起干帶電弧放電電痕出現(xiàn)在光纜金具附近的主要原因，這也說(shuō)明了懸掛光纜的金具預(yù)絞絲附近的電應(yīng)力損傷最為嚴(yán)重的原因。

3.3 ADSS 光纜懸掛處電場(chǎng)強(qiáng)度的影響因素

1）光纜掛點(diǎn)位置

ADSS 光纜在桿塔上的掛點(diǎn)選擇問(wèn)題尤為重要，因?yàn)檫@直接決定了光纜表面的感應(yīng)電勢(shì)的大小。所以就電腐蝕的預(yù)防來(lái)講，理論上懸掛點(diǎn)處的空間電勢(shì)越小越好。但在實(shí)際工況中，限制光纜懸掛點(diǎn)位置選擇的因素很多，這取決于線(xiàn)路狀況、輸電桿塔的類(lèi)型，當(dāng)然也跟光纜本身的機(jī)械性能有關(guān)。一般認(rèn)為，應(yīng)選擇所允許的掛點(diǎn)中電位較低的位置懸掛。

當(dāng)ADSS 光纜表面的泄漏電流小于1mA，感應(yīng)電壓小于12kV 時(shí)，幾乎不會(huì)出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象。通過(guò)對(duì)發(fā)生事故的110kV 線(xiàn)路分析，光纜表面產(chǎn)生的感應(yīng)電壓小于10kV 時(shí)極少出現(xiàn)電腐蝕現(xiàn)象[6]。

2）金具的影響

通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)和相關(guān)資料數(shù)據(jù)，總結(jié)出220kV線(xiàn)路發(fā)生電腐蝕事故的電場(chǎng)強(qiáng)度與桿塔位置關(guān)系如圖10 所示。

由于金具末端接地，所以包裹于金具內(nèi)部中的光纜電場(chǎng)強(qiáng)度很小。但是，在金具兩端出口處，電場(chǎng)強(qiáng)度的極大值接近10kV/m，最容易為電腐蝕創(chuàng)造條件。

圖10 電場(chǎng)強(qiáng)度沿光纜走向分布圖

建立金具出口小模型，對(duì)其進(jìn)行仿真分析結(jié)果如圖11 所示。金具出口處的電場(chǎng)線(xiàn)分布，出口處10～20cm 處的變化最大。金具出口處18cm 的電場(chǎng)強(qiáng)度為 12.066kV/m，12cm 處的電場(chǎng)強(qiáng)度為24.87kV/m，是ADSS 光纜最容易產(chǎn)生電腐蝕的電勢(shì)區(qū)間，所以，由于金具的影響，在靠近桿塔的位置，存在一個(gè)電場(chǎng)強(qiáng)度的峰值。

圖11 光纜出口位置電場(chǎng)強(qiáng)度

ADSS 光纜為全介質(zhì)結(jié)構(gòu)，高分子的外護(hù)套是形成感應(yīng)電場(chǎng)的主要部件。所以，選擇電勢(shì)差較小處作為掛點(diǎn)（即電場(chǎng)強(qiáng)度小于10kV/m），光纜外護(hù)套也就不會(huì)形成干帶電弧造成斷纜事故。

3）光纜著污程度

光纜表面的污穢附著程度也是影響ADSS 光纜電腐蝕的重要因素。ADSS 光纜發(fā)生電腐蝕的一個(gè)重要原因就是當(dāng)ADSS 光纜外表皮積壓可溶性鹽或者污穢時(shí)，就會(huì)形成半導(dǎo)電層，使得光纜表面的泄漏電流增大，使得表面溫度升高，水分蒸發(fā)，形成一定區(qū)域的干燥帶，而在干燥帶處其局部電流密度過(guò)大，發(fā)生電弧放電，導(dǎo)致光纜表面降解、開(kāi)裂，最終斷纜[7-8]。

廣東大部分地區(qū)存在氣溫較高、空氣濕度大，鹽霧、環(huán)境污染等很多不利因素。這就為灰塵或者污穢的附著創(chuàng)造了條件，加速了電腐蝕的過(guò)程。當(dāng)光纜發(fā)生電腐蝕后，其表皮開(kāi)裂面逐漸增大，使得潮氣和雨水從開(kāi)裂部位滲入光纜內(nèi)部，導(dǎo)致其膨脹、受損，加速了紡綸絲的老化使得拉力降低[9]。由于光纜自身存在重力，并且有線(xiàn)路兩端的張力共同作用，間接造成了斷纜事故。

經(jīng)過(guò)事故經(jīng)驗(yàn)分析及研究得出，當(dāng)光纜表面的電流超過(guò)1mA 時(shí)就有可能出現(xiàn)電腐蝕。若光纜外表面的污穢電阻值為1×107Ω·m，可以計(jì)算出其相應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度大約為10kV/m[10]。

通過(guò)以上分析，廣州光纜線(xiàn)路鹽密度較大，其導(dǎo)致污穢物大量附著于光纜外護(hù)套表面，也是電腐蝕的主要原因之一。而金具絞絲外端尤為嚴(yán)重，這是預(yù)絞絲端部出現(xiàn)尖端放電對(duì)該部位電腐蝕起到了催化作用或者加劇了該處電腐蝕的進(jìn)程。

4 結(jié)論

如果以電場(chǎng)強(qiáng)度（＜10kV/m）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合光纜運(yùn)行地區(qū)的情況，用電壓判據(jù)（12kV，25kV）作為輔助判據(jù)，作為懸掛ADSS 光纜位置是否安全的標(biāo)準(zhǔn)將更為合理。另外，氣溫較高、空氣濕度大，鹽霧、環(huán)境污染等很多不利因素，同樣會(huì)使光纜表面污穢電阻值增大，造成電場(chǎng)強(qiáng)度升高。一般情況下光纜表面感應(yīng)電場(chǎng)強(qiáng)度盡可能控制在12kV/m 以?xún)?nèi)，對(duì)于沿海、污染較重的地區(qū)更必須保證控制在10kV/m 以?xún)?nèi)。

針對(duì)頻繁發(fā)生的ADSS 光纜電腐蝕問(wèn)題，本文選取了廣州地區(qū)的兩基220kV 典型桿塔作為分析對(duì)象。首先對(duì)事故桿塔進(jìn)行了三維仿真建模計(jì)算，通過(guò)對(duì)桿塔剖面懸掛點(diǎn)和光纜沿線(xiàn)電場(chǎng)強(qiáng)度變化兩方面相結(jié)合，驗(yàn)證了ADSS 光纜斷纜位置的電場(chǎng)強(qiáng)度 超出（12kV，25kV）范圍，從而引發(fā)電腐蝕斷纜事故。因此，在線(xiàn)路設(shè)計(jì)階段，我們必須針對(duì)不同的線(xiàn)路參數(shù)考慮ADSS 光纜的合理懸掛點(diǎn)，本文提出的三維建模仿真研究方法，可以準(zhǔn)確分析計(jì)算出不同桿塔各部位的電場(chǎng)強(qiáng)度分布，為設(shè)計(jì)人員選擇合適懸掛點(diǎn)提供有效的解決辦法。

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