松套层绞式ADSS光缆的设计现代有线传输A4

松套层绞式ADSS光缆的设计张建军(侯马普天通信电缆有限公司山西侯马043015)【摘要】本文分析影响松套层绞式ADSS光缆结构设计的诸要素，探讨光缆结构设计方法，并给出了光缆设计实例。关键词：松套层绞全介质自承式ADSS光缆结构设计1引言在电力传输系统中，全介质自承式光缆(简称ADSS光缆)的应用已日趋广泛。在骨架式、中心束管式、松套层绞式三种缆芯结构的ADSS光缆中，拉伸应变性能好、工艺控制较易的松套层绞式缆芯结构的ADSS光缆是目前市场的主流。由于ADSS光缆的应用场合比较特殊，对光缆的要求较常规光缆而言，更为苛刻。因此，对光缆的结构设计也就提出了更高的要求。本文将以松套层绞式ADSS光缆为研究对象，探讨该类光缆结构设计方法。2ADSS光缆结构设计的特殊要求ADSS光缆的安装、运行条件和普通的架空光缆有很大的不同，其中大跨距、高电压是其主要特征，要求光缆抗拉强度高、护套有耐电痕性能。因此，设计光缆时必须考虑光缆运行的最恶劣环境条件，才能保证光缆正常安装和安全运行。TOC\o"1-5"\h\z2.1光缆的跨距和安装垂度 一-以 - [光缆的跨距和安装垂度的大小决定了 E ADSS光缆的主要抗张力。 \图1给出了ADSS光缆架设在电力杆塔上的 " 一••丁••••.：.....侦示意图。图中A、D和B、D分别是光缆不等高 ’’ 『敷设和等高敷设时的悬挂点(为了讨论的方便，下文均以等高敷设为例，不等高敷设的垂度可 图1架设在电力杆塔上的ADSS光缆示意图由等高敷设垂度计算出来⑴。)。光缆各点的张力为⑵：nWl2最低点：P=8/两端：P1=P+Wf (2)光缆在所受张力作用下，在一个跨距内的应变为⑵：Wl2_£+艾~ES{8f项式中：1：光缆等高敷设时光缆的跨距(m)W：光缆单位长度总负载(N/m)f：光缆等高、不等高敷设时的垂度(m)P、P1：光缆各点所受张力(N)E：光缆杨氏模量(N/mm2)S：光缆截面积(mm2)2.2风速和冰凌光缆运行时所承受的总负荷W由光缆重量W1、冰凌负荷可2、风力负荷W3三部分组成，且存在如下关系：TOC\o"1-5"\h\zw=血+W》+W2 (4)W2=0.0277xtx(D+1) (5)⑴W=6.743x10-4x(D+2t)v2 (6)⑴式中：t：覆冰厚度(mm)v：垂直作用于光缆上的水平风速(m/s)D：光缆外径(mm)当光缆承受的负载发生变化时，光缆的垂度也随之改变，变化后的垂度f'可由下列方程给出⑴：8(f丫Wl(l2f)— +3"l) ES"8f3l)式中：W’：变化后光缆单位长度总负载(N/m)2.3温度光缆在外界温度变化时产生应变，光缆的张力、垂度等会发生相应的变化，此时要保证光纤的余长应不会使光纤产生微弯，而引起光纤衰减的增加。由于ADSS光缆要使用较多的具有负线性膨胀系数的芳纶作加强元件，从而使光缆的线性膨胀系数较常规光缆而言比较低，温度变化对光缆的影响可以不予考虑，但输电导线的线性膨胀系数较大，会影响到光缆与邻近导线间的距离，必要时应加以核算。2.4电场ADSS光缆通常敷设在强电场环境中，光缆会因与大地、相线间的电容耦合而在光缆表面产生电势并导致电流。当光缆潮湿时，干燥点与潮湿点的表面电流就可造成干带区表面电痕漏电和滑闪，引起的热量会侵蚀外护套导致受损⑶。根据电力杆塔的结构、相线类型、导体上的电压、土壤导电率等条件，利用专用软件可计算出空间电场分布，结合其它相关情况，就可以确定比较合适的光缆安装位置。光缆外护套的类型，取决于光缆适用的环境电场强弱，对于敷设区电势W12kv的，采用普通的聚乙稀护套料，敷设区电势312kv的，采用耐电痕护套料。3光缆设计设计ADSS光缆时，除了要考虑上述几项特殊要求外，还有着和普通光缆设计时同样的基本准则，即充分保护光纤，使光纤在任何状态下的应变尽可能小，甚至趋于零。3.1光缆缆芯众所周知，松套层绞式结构的光缆有着其它缆芯结构无可比拟的光纤应变窗口，其内光纤的余长不仅可在光纤二次套塑工序获得，更能在成缆工序通过调节成缆节距等工艺参数加以灵活控制。ADSS光缆缆芯的设计和普通架空光缆基本相同，在此不作赘述。需要提出的是，为了满足光纤在光缆应变范围无明显应变的要求，应在弯曲半径允许的情况下(一般综合弯曲半径应大于50mm)，将光纤的余长做得大一些。文献⑷认为，若光缆允许最大拉力的应变窗口30.85%，考虑光缆蠕变及光纤余长的不均匀性，宜将光纤应变控制在30.9%为宜。由于ADSS光缆的余长较常规光缆大得多，松套管的绞合节距相应的也要小许多，一般在70〜100mm左右，对松套管的抗弯折性能提出了更高的要求。在光缆设计生产中应合理选择套塑料，相比较而言，以聚丙烯共聚物为基础的改性??材料似乎是一种值得考虑的选择。3.2加强元件要使光缆的拉伸窗口控制在一定范围内，就必须对加强元件做一定的要求。在ADSS光缆中，处于中心位置的非金属加强件FRP并不是主要的抗张元件，承担抗张的主要元件是芳纶纱。选用什么型号的芳纶，需要多少支，这是ADSS光缆设计的重点。芳纶是一种高强度、高弹性模量的芳香族聚酰胺纤维，具有耐拉伸性能好、蠕变性低、抗拉疲劳寿命长、使用温度范围广、非导电、耐腐蚀、不熔融等优点，非常适用于敷设环境比较复杂的ADSS光缆。目前，国内采用的芳纶主要为美国杜邦公司的Kevlar49和荷兰特威隆芳纶产品公司的TWARON1055。两种芳纶的主要性能参数如表1所示，都具有较好的加工性能，可根据实际情况选用。一般的金

属导辊会损伤芳纶纤维，最好使用陶瓷或消光铬制导辊。为使芳纶获得最高强度和最低应变，在设计时要合理选择芳纶纱的螺旋绞合节距和放线张力的大小，在生产中要特别注意芳纶纱放线张力的一致性，以TWARON1055为例，每根芳纶纱放线张力差一般应控制在所需张力的20%以内。表1芳纶的主要性能参数TWATON1055Kevlar49密度(g/cm3)1.451.44拉伸模量(Gpa)121124抗张强度(Mpa)31502800断裂伸长(％)2.02.55热膨胀系数(10-6/K)-3.5-5芳纶用量的计算比较复杂，与光缆的安装、运行有较大的关系，必须对光缆进行力学分析和计算。在实际计算中，不仅要考虑本文第2节所述的光缆的跨距、安装垂度、最恶劣环境条件下风速和冰凌等因素，还要对光缆缆芯的余长进行分析计算。借助计算机可以快速方便地求得所需的芳纶根数，程序流程如图4所示。3.3光缆外护套除了同普通光缆对外护套一样的要求外，ADSS光缆还必须考虑耐电痕问题。由于干带飞弧现象发生在电缆的外表面，选用耐电痕护套料挤制外护套是公认的解决这一问题的有效方法。耐电痕护套料的主要指标是耐电痕漏电性能、机械性能、耐环境性能和加工性能，一般要求能在25kv电压下能耐电痕，机械性能接近普通聚乙烯，并具有良好的加工性能。目前国内用户大多选择的是北欧化工生产的耐电痕护套料ME6080，汉纳威尔逊公司生产的耐电痕护套料TR-2000近来也得到了较多的应用。这两种护套料均以中密度聚乙烯为基础，熔体温度在200°C〜220°C之间，加工性能较好，能满足耐电痕等要求，可根据实际情况选用。在生产中应使护套与芳纶纱绕包层结合紧密，同时要确保护套的完整、表面光滑。输入光缆设计参数：①束管内/外径、芯数；②缆芯结构形式、成缆节距；③光缆跨距、安装垂度；④冰凌厚度、结冰时的最大风速；⑤芳纶的绞合节距选择芳纶的型号计算光缆结构尺寸和结构重量(先设所需芳纶截面积s0=一个比较小的数)计算光缆的余长(即二次套塑工序和成缆工序所能获得的实际余长)和一个跨距内所能承受的最大应变计算光缆在最恶劣气象条件下的负载W［用式(4)、(5)、(6)］计算光缆在最恶劣气象条件下的垂度fmax［用式(7)］计算所需芳纶的截面积Stemp［用式(3)，使工£=光缆在一个跨距内所能承受的最大应变］△=|Stemp-S|0S0=Stemp直到△〈所选芳纶的单根截面积为止打印计算结果图2芳纶纱用量计算程序N-S图

图3ADSS光缆结构端面图光纤图3ADSS光缆结构端面图光纤松套管FRP填充油膏包带层PE内护套芳纶加强层PE外护套设计松套层绞式ADSS光缆GYFTCY24B1.1。松套管外径2.4mm,内径1.6mm,FRP外径1.8mm，缆芯结构1+5，成缆节距77mm。芳纶采用TWARON1055DTEX3320，敷设区电场＜12KV，光缆跨距100m，安装垂距比0.5%，冰凌厚15mm，结冰时最大风速10m/s。光缆结构见如图3所示。1)光缆外径：D=13.8mm，假定芳纶用量为5kg/km，结构重量：W1=1.274N/m，光缆的杨氏模量E=7126N/mm2。光缆的结构余长：8=5.7%。，若束管内光纤余长设计为2%。，光缆总的余长为7.7%。。光缆在一个跨距内所能承受的最大应变为：100X7.7%o=0.77m。计算光缆在最恶劣气象条件下的负载W：W2=0.0277X15X(13.8+15)=11.966N/mW3=6.743X10-4X(13.8+2X15)X102=2.953N/mW=((1.274+11.966)2+2.9532)1/2=13.56N/m计算光缆在最恶劣气象条件下的垂度fmax：由式7可知，由最恶劣气象条件下的负载及其它相关参数的求出的f就是fmax。借助计算机求出fmax=2.91m。计算芳纶纱用量：由式3可推出S=黑2|。‘+2f|，由于ADSS光缆中芳纶是主要的承力元E乙8[8f 31)件，将E=121X103N/mm2及其它相关参数代入，则芳纶纱的截面积为:13.56x1002 /100 2x2.91、尸ooStemp= x( +-…)=6.28mm2121x103x0.77 8x2.913x100芳纶纱的重量为1.45Stemp=9.11kg/km，与假定的芳纶用量比较，若相差较大，重复1)—5)，使假定的芳纶用量与计算后的芳纶用量相差很小。考虑到芳纶绞合的不均匀性及其它因素，可根据实际情况将计算的芳纶用量适当增加些余量，一般为1.1—1.3。6)设计结果：光缆外径：13.8mm 芳纶用量：11.9kg/km 最大垂度：2.9m最大允许工作张力：6000N杨氏模量：8300N/mm2热膨胀系数：2.1X10-6/K依据上述参数设计的光缆在实践中得以应用，在试验中取得了比较好的结果，在实际运行中也经受了考验，比较满意。4结论松套层绞式结构的ADSS光缆具有较好的拉伸应变窗口，非金属材料FRP、芳纶及耐电痕护套料的采用，使其能在高电场的环境中稳定运行，在电力系统中有很好的发展前景。在ADSS光缆的设计中，必须考虑光