220 kV线路ADSS光缆断裂原因分析及防范措施

安凯月，张 跃

（内蒙古电力信息通信公司，内蒙古 呼和浩特 010020）

0 引 言

电力通信网是发电、输电、变电以及配电等电网环节的基础支撑平台，在保障电网安全稳定运行和现代化管理等方面发挥着重要作用[1,2]。光缆和传输设备作为电力通信网的重要组成部分，任何一个环节出现故障都对电网的安全稳定运行造成影响[3-5]。

本文针对220 kV线路ADSS光缆断裂故障，利用宏观形貌观察、SEM断口微观形貌观察以及热重分析等方法对断裂的ADSS光缆取样并进行综合性研究分析，提出防范及改进措施，以提高光缆运行的可靠性。

1 故障概况

蒙西地区某220 kV线路ADSS光缆于2002年投运，作为区域内重要光缆之一，承载着多条继电保护、安全稳定控制系统及调度自动化等关系电网安全稳定运行的业务。故障发生前，线路运行正常，相关站点光信号传输设备运行正常，天气晴朗，微风，断裂位置周围为开阔田地，运行环境良好。2020年5月25日，220 kV线路发生光缆断裂故障（见图1），继电保护和安全稳定控制系统等业务通道告警，部分站点信息无法及时上传，对电网安全稳定运行造成影响。

图1 断裂ADSS光缆现场

2 原因分析

为查找本次光缆断裂的原因，防范此类事故再次发生，对故障ADSS光缆进行宏观形貌检查，判断其护套有无开裂、表面有无烧蚀、漏电起痕或机械磨损等痕迹，并结合其他实验手段进一步分析ADSS光缆的断裂原因。

2.1 宏观形貌观察与分析

结合现场来看，ADSS光缆断裂部位靠近40#杆塔前挂点处，断口呈抽丝状，另一侧ADSS光缆（未断裂）缠有螺旋防震鞭，护套表面可以观察到明显的破损痕迹及少量鸟粪。近距离观察ADSS光缆断口形貌后可以看出，断口附近的外层护套减薄严重，呈明显塑性变形特征，护套表面未见明显炭化通道，内层护套断口处的塑性变形程度不明显，边缘存在一定的放电特征，芳纶纱断裂处存在炭化现象。剖开护套层后可以发现两根绿色和蓝色的套管断口处存在明显的放电痕迹，且光缆内部的阻水膏已经结块失效，如图2所示。

图2 断裂ADSS光缆各部位宏观形貌

2.2 SEM断口微观形貌观察与分析

对现场采样的断裂光缆，利用HITACHIS-3700N型扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）观察ADSS光缆套管及加强芯（环氧树脂玻璃纤维）断口的微观形貌，可以发现套管断口附近的表面存在许多电蚀熔坑，加强芯断口中的玻璃纤维长短不一，且纤维表面上附着的环氧树脂明显减少，界面的黏结状况变差。此外，在环氧树脂层还可以观察到明显的高温熔坑及疲劳裂纹，如图3所示。

图3 ADSS光缆加强芯断口微观形貌

2.3 DTA热重曲线分析

根据热稳定性实验要求，利用TGA55型热重分析仪对断裂ADSS光缆护套和内层护套材料进行热分解分析，结果如图4所示[6]。从图中可以看出，经过700 ℃加热后，外层护套材料（远离断口）已经完全分解，残留物的质量分数仅为0.07%，而断口处的外层护套材料经过加热后，残留物的质量分数为1.33%，表明断口处的外层护套受到了一定程度的电腐蚀。经过加热后，远离断口和断口处内层护套材料的残留物质量分数分别为1.93%和3.38%，均高于外层护套材料，表明内层护套材料受到的电腐蚀程度较高。

图4 断裂ADSS光缆护套材料热失重曲线

3 试验结果及分析

从宏观形貌分析，ADSS光缆断裂于40#杆塔支撑点附近，断口呈抽丝状，具有明显的塑性变形特征，内层护套及两根套管断口处有明显的放电痕迹，芳纶纱断裂处存在炭化现象。此外，在另一侧ADSS光缆（未断裂）护套表面可以观察到鸟啄损伤痕迹。从断口微观形貌分析可知断口中的玻璃纤维长短不一，且纤维表面上附着的环氧树脂明显减少，表明玻璃纤维—环氧树脂界面的黏结状况变差。从热重曲线分析可知内层护套材料受电腐蚀程度高于外层护套。

通过上述分析可以得出，ADSS光缆的断裂主要与外层护套破损后的电腐蚀作用有关。通常情况下，输电导线与零电位的大地之间会形成一个大电容，使得ADSS光缆在网运行一直处于由高压输电导线产生的较强空间电磁场中，并且越靠近杆塔，局部场强越高。然而，正常运行条件下，ADSS光缆外护套具有较高的电阻值，不会受到电弧放电的影响。一旦ADSS光缆外层护套受到机械磨损或鸟啄等外力因素作用发生破损后，空气中的水蒸气或雨水将由破损处渗入至芳纶纱层及内层护套表面，并在空间电磁场的作用下形成场强畸变，引发电弧放电。电腐蚀导致芳纶纱不断炭化，使ADSS光缆的抗拉强度降低，此外长期的放电过程还将加速内层护套材料的老化，进而引发内层护套开裂及阻水层的失效。随后，水分子将进一步侵入至环氧树脂玻璃纤维表面，水分子的水解作用及电弧放电产生的高温将导致环氧树脂分子链断裂，使环氧树脂与玻璃纤维的粘接强度降低,并引发界面脱粘，进而导致玻璃纤维的弯曲强度和剪切强度下降。在拉应力的作用下，应力集中将出现在粘结能力较弱的界面，导致该处的玻璃纤维被率先拉断。最先断裂的纤维将干扰附近基体的应力场，并增加玻璃纤维-环氧树脂基体界面的剪应力。剪应力通过界面不断传递载荷，引起相邻玻璃纤维相继发生断裂，随着断裂玻璃纤维的数量逐渐增多，加强芯的应力截面积越来越小，进一步降低了ADSS光缆的抗拉强度，最终引发光缆断裂。

4 结 论

结果表明，ADSS光缆在运行过程中，外层护套因表面受损导致护套破损处在水分子和周围电场的共同作用下引发电弧放电。在电腐蚀的作用下，逐渐导致芳纶纱炭化，内层护套开裂，加强芯被拉断，并最终引发光缆断裂。实际生活中可以在光缆挂点上方安装有效的防鸟装置，防止外层护套表面受损，同时要加强ADSS光缆的日常运行维护，重点巡查ADSS光缆护套、支承金具以及防振鞭等易发生电腐蚀的部件，特别注意光缆两端靠近杆塔的护套是否存在放电痕迹、裂纹乃至破裂等情况，发现问题及时处理，避免类似情况再次发生。