黃俊華
我國從90年代中期引進(jìn)安裝了ADSS光纜。從那時至今，在各種電壓等級的線路上架設(shè)的ADSS光纜（包括進(jìn)口、合資、國產(chǎn)）估計(jì)已達(dá)上萬公里，其中用于110kV及以上的約占一半。據(jù)報(bào)道，目前我國ADSS光纜用于最高電壓等級為220kV,最大跨距為1228~1420m，最大芯數(shù)64~108芯。無論從數(shù)量、應(yīng)用的范圍，使用的電壓等級、跨距和芯數(shù)來看，我國已成為ADSS光纜的“大戶”。
一、ADSS光纜與桿塔的關(guān)系
事實(shí)上，原有的桿塔在設(shè)計(jì)時根本沒有考慮過允許設(shè)計(jì)外的任何物體的附加，更不會給ADSS光纜留下足夠的“空間”，所謂“空間”不僅包括光纜的安裝掛點(diǎn)，還包括桿塔的機(jī)械強(qiáng)度和其它相關(guān)的因素。換言之，ADSS光纜只能盡量去“適應(yīng)”原有的桿塔。
按受力和用途，桿塔可分為承力桿塔和直線桿塔兩大類。這兩類桿塔可以是鋼筋混凝土制成的“水泥桿”，也可以是角鋼制成的“鐵塔”。
1. 承力桿塔
這類桿塔承受線路的正�？v向張力和事故時的斷線張力，根據(jù)用途還可分為耐張、轉(zhuǎn)角、終端、分支等桿塔。
通常，ADSS光纜線路在這些桿塔上配置耐張（也有稱“靜端”）金具。承力桿塔是光纜配盤和接頭位置的重要依據(jù)。附加光纜的承力桿塔須經(jīng)強(qiáng)度校核，確認(rèn)在極端氣象條件下光纜的附加張力對桿塔仍是安全的。
2. 直線桿塔
這是輸電線路中數(shù)量最多的桿塔，它們用于線路的直線段上，支撐線路的垂直（如重力）和水平荷載（如風(fēng)荷）。根據(jù)用途，還可分為轉(zhuǎn)角、換位、跨越等桿塔。
ADSS光纜線路通常不在直線桿塔上安排作光纜接頭，原則上采用直線（或稱“懸垂”）金具。在特殊情況下，如必須在直線桿塔上接頭，須采用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的金具。
3. 桿塔型式
桿塔型式與輸電線路的電壓等級、線路回?cái)?shù)和導(dǎo)線結(jié)構(gòu)、氣象條件、地形地質(zhì)條件等因素相關(guān)。我國的桿塔型式很多，很復(fù)雜。光纜與塔型直接相關(guān)的是掛點(diǎn)選擇并直接影響到使用壽命。ADSS光纜離開相導(dǎo)線一定的距離即可安裝的觀點(diǎn)是錯誤的，至少是不嚴(yán)格的。
塔身將決定光纜的架設(shè)高度，必須滿足在極端氣候條件下光纜弧垂最低點(diǎn)與地面或構(gòu)筑物的安全距離。塔頭將決定光纜的掛點(diǎn)位置，在該點(diǎn)上電場強(qiáng)度應(yīng)最小或相對較小，并符合光纜外護(hù)套抗電痕等級的要求。
二、ADSS光纜與電線力學(xué)的關(guān)系
1. 氣象條件與組合
ADSS光纜的機(jī)械強(qiáng)度乃至纜內(nèi)光纖的傳輸性能必須能適應(yīng)自然界的氣象變化。因此必須了解和掌握沿線的氣象資料，例如，最高氣溫、最低氣溫、年平均氣溫、最大風(fēng)速和最大覆冰等。
把風(fēng)速、覆冰、氣溫都取極值計(jì)算是沒有必要的。根據(jù)氣象規(guī)律，這三個條件的極值不會同時發(fā)生。因此，必須要根據(jù)氣象條件的重現(xiàn)期和線路的重要性及實(shí)際情況概括出合理的“氣象條件組合”。
一般原則為：
⑴． 最大風(fēng)速時不覆冰，氣溫取發(fā)生大風(fēng)月的平均氣溫（或稍低一些）；
⑵． 最大覆冰時，風(fēng)速一般取10m/s或15m/s，溫度取-5℃；
⑶． 最低溫度時，不出現(xiàn)覆冰和風(fēng)。
ADSS光纜線路通常都不是新建線路，應(yīng)注意ADSS光纜在選型時用的條件氣象組合應(yīng)與原線路設(shè)計(jì)條件相一致。
2. 應(yīng)力 ----- 弧垂 ----- 跨距
相鄰桿塔兩端架空線或光纜懸掛點(diǎn)連線的中點(diǎn)與架空線的垂直距離稱為中點(diǎn)弛度，也稱弧垂、垂度、弛度。當(dāng)兩端懸掛點(diǎn)等高時，弧垂與應(yīng)力的關(guān)系為：
f= (gl2 )/ (8δ0 ) (1)
1： 檔距（也稱桿距、塔距、跨距），（m）
δ0： 架空線最低點(diǎn)應(yīng)力，（N/mm2）
g： 架空線比載（N/m.mm2），與自重和氣象條件相關(guān)
f： 架空線弧垂（m）
光纜的應(yīng)力一弧垂特性與架空線一致，與金屬導(dǎo)地線不同的是截面參數(shù)A的取值，導(dǎo)地線中每一根金屬單絲都承受張力，故A取全截面。
δ0 =T0 /A (2)
T0： 光纜最低點(diǎn)的張力 （N）
A： 光纜的截面（mm2），應(yīng)取光纜的承載元件截面而非全截面。
很明顯，當(dāng)跨距一定時，弧垂越大，應(yīng)力越小；當(dāng)弧垂一定時，跨距增大，應(yīng)力隨之增大；若使光纜應(yīng)力保持一個安全控制值，可以調(diào)節(jié)弧垂（如有足夠大的“空間”）來調(diào)節(jié)跨距。因此，ADSS光纜或配用的金具僅用“跨距”來表達(dá)，盡管很直觀卻是非常不嚴(yán)格的，脫離氣象條件，弧垂和應(yīng)力的跨距不具有特別的意義并導(dǎo)致誤入歧途。事實(shí)是，對某一允許使用張力恒定的ADSS光纜，在不同的氣象條件和不同的初始弧垂，跨距的變化可很大。
鑒于ADSS光纜的“可變跨距”特性，用應(yīng)力或張力值比用跨距定義光纜更可信。
3. 連續(xù)檔的代表檔距
代表檔距也稱規(guī)律檔距。
相鄰兩直線桿塔的中心水平距離稱檔距，相鄰兩個耐張塔中間的水平距離稱耐張段長，在一個耐張段內(nèi)可以有若干直線桿塔，也即有許多檔距，這些檔距連在一起稱連續(xù)檔。雖然各檔的檔距、高差、弧垂不一定相同，但在架設(shè)時，其水平應(yīng)力是一致的，這個應(yīng)力稱為耐張段內(nèi)的“代表應(yīng)力”。
連續(xù)檔的弧垂應(yīng)力用代表檔距計(jì)算，常用的代表檔距不考慮掛點(diǎn)高差時：
Lr＝［(L13＋L23＋L33＋□＋Ln3) / (L1+L2+L3+□+Ln)］1/2 =(ΣL3/ΣL)1/2 (3)
Lr：常用的代表檔距，m
L1、L2、□..Ln：耐張段內(nèi)各檔的檔距，m
一般設(shè)計(jì)圖紙給出的弧垂是代表檔距弧垂，ADSS光纜在選型及配盤時可參考最大檔距，但宜以代表檔距和代表弧垂及代表應(yīng)力為主要依據(jù)，從而保證光纜在安裝及運(yùn)行的安全可靠的前提下獲得較佳的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。
三、ADSS光纜的機(jī)械參數(shù)
由于ADSS光纜工作在大跨度的架空狀態(tài)下，光纖的安全成了問題的焦點(diǎn)。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、原材料的選擇到工藝參數(shù)的設(shè)置、修正和改進(jìn)等技術(shù)措施，無不為了增加光纖的“余長”，即開辟所謂的“光纖應(yīng)變窗”。
早期的松套層絞結(jié)構(gòu)ADSS光纜注重和強(qiáng)調(diào)光纖的“零應(yīng)力”狀態(tài)，并設(shè)置了對應(yīng)的機(jī)械參數(shù)。但是，“零應(yīng)力”是一個相對模糊的概念，不能成為控制指標(biāo)，與輸電線路的相關(guān)規(guī)范產(chǎn)生了諸多矛盾。
現(xiàn)代的ADSS光纜設(shè)計(jì)，其機(jī)械參數(shù)與輸電線路的適用規(guī)范已經(jīng)近似統(tǒng)一，可以用最經(jīng)典的方法來設(shè)計(jì)和計(jì)算光纜線路。當(dāng)然，由于光纖的存在，它仍具有一定的特殊性。
1. ADSS光纜的應(yīng)力應(yīng)變特性
眾所周知，光纜的應(yīng)變特性取決于光纜的彈性模量，彈性模量主要由光纜的加強(qiáng)件決定。就ADSS光纜而言，彈性模量主要取決于所用紡綸的模量和數(shù)量。
ADSS光纜的設(shè)計(jì)負(fù)載分為光纖受力和不受力兩種。光纖應(yīng)變窗的定義為：對光纖不受力纜型，在光纖受力前或光纖在伸長前，光纜被允許拉伸的最大值及以下的區(qū)間。對光纖受力纜型，在光纖受力或拉伸達(dá)到預(yù)定限度的最大值及以下的區(qū)間。光纖應(yīng)變窗在很大程度上與結(jié)構(gòu)參數(shù)相關(guān)，以典型的松套管層絞設(shè)計(jì)為例，它主要取決于中心加強(qiáng)件FRP的尺寸，松套管尺寸（主要是內(nèi)徑），管內(nèi)光纖束的直徑（芯數(shù)）和管子的節(jié)距。
目前較直觀的方法是測量光纜應(yīng)力應(yīng)變特性。大量的測試數(shù)據(jù)告訴我們：在同一根光纜內(nèi)，不同的管子（或槽）里的光纖甚至同一根管子（或槽）內(nèi)的不同光纖，其曲線形狀會有一些變化，即數(shù)據(jù)有一定的離散性。這就提示我們：對于多芯數(shù)的光纜必須小心從事，為了保證光纖安全，必須留有余地。
應(yīng)力應(yīng)變曲線使模糊的“零應(yīng)力”和不容易測量的“余長”或“光纖允許被拉伸的預(yù)定值”成為清晰直觀的結(jié)果，從而得出明確的控制指標(biāo)。
ADSS光纜必須有合適的光纖余長，但過大的余長不僅無必要甚至是有害的。
2. 極限抗拉強(qiáng)度 ----- UTS（Ultimate Tensile Strength）
導(dǎo)線的計(jì)算拉斷力稱為UTS，也稱破壞強(qiáng)度，綜合破斷力。以全截面計(jì)算，UTS是導(dǎo)線常用的重要技術(shù)參數(shù)。
ADSS光纜的強(qiáng)度計(jì)算與金屬導(dǎo)線不同，一般以承載元件截面而非全截面計(jì)算，因?yàn)槌休d元件外其它元件對強(qiáng)度的貢獻(xiàn)已微小到可忽略。ADSS光纜一般不強(qiáng)調(diào)UTS參數(shù)。
3. 標(biāo)稱抗拉強(qiáng)度 ----- RTS（Rated Tensile Strength）
金屬線材在絞合以后，強(qiáng)度略有下降，光纜在成纜后，彈性模量也會下降，在扣除了下降部分后纜的計(jì)算強(qiáng)度稱RTS。更由于紡綸這種特殊材料的抗拉強(qiáng)度有一定的離散性，所以ADSS光纜更偏重于RTS，可以通俗地將RTS理解為ADSS光纜的保證抗拉指標(biāo)，即拉伸試驗(yàn)時必須達(dá)到或超過該標(biāo)稱值。
ADSS光纜的RTS參數(shù)是金具配置（尤其指耐張金具）和安全系數(shù)計(jì)算控制的重要依據(jù)。
4. 最大允許抗拉強(qiáng)度 ----- MOTS（Maximun Operating Tension Strength）或者最大允許工作應(yīng)力MWS（Maximum Working Stress）
該參數(shù)對應(yīng)于導(dǎo)線的最大許用應(yīng)力，導(dǎo)線的MOTS是指在設(shè)計(jì)的極端氣候條件下發(fā)生最大應(yīng)力時對應(yīng)于UTS還留有一定的安全系數(shù)的值。
MOTS（導(dǎo)線）＝UTS（導(dǎo)線）/ K（安全系數(shù)） K≥2.5 （4）
導(dǎo)線的MOTS是計(jì)算臨界檔距的依據(jù)之一。
光纜的MOTS的意義是：光纜在被拉伸到MOTS值時，纜內(nèi)的光纖開始伸長（光纖不受力纜型），或光纖開始達(dá)到預(yù)定受力限度值（光纖受力纜型），光纖衰耗變化在允許合理范圍內(nèi)，判據(jù)是光纜的應(yīng)力應(yīng)變特性。根據(jù)氣象條件和弧垂，計(jì)算光纜的跨距，在此跨距下，光纜所受的綜合負(fù)載應(yīng)不大于MOTS。
可見，光纜的MOTS強(qiáng)調(diào)的是光纖的安全。
5. ADSS光纜的安全系數(shù)
雖然導(dǎo)線與ADSS光纜的MOTS有不同的含義，但使用的條件（氣象條件、弧垂、跨距等）是相同的。所以，ADSS光纜的安全系數(shù)(K)是客觀存在的。
K（光纜）＝RTS（光纜）/ MOTS（光纜） （5）
ADSS光纜的K系數(shù)不是隨意制定的，也不能簡單地套用電力規(guī)范。這是因?yàn)榧词褂昧讼嗤瑪?shù)量的紡綸，不同的工藝設(shè)計(jì)和不同的工藝實(shí)現(xiàn)能力，實(shí)際能達(dá)到的RTS和MOTS差異是相當(dāng)大的。
有時候，用戶還會提出光纜工作時的安全系數(shù)，ADSS光纜在工作時的安全系數(shù)為：
K（工作）＝RTS（光纜）/G（工作） （6）
G：光纜在設(shè)計(jì)氣象條件下的綜合負(fù)載
6. 每日平均應(yīng)力 ----- EDS（Everyday Stress）或者稱為平均運(yùn)行應(yīng)力
ADSS光纜與導(dǎo)線的EDS含義幾乎完全一致。
EDS是一個疲勞老化參數(shù)。所不同的是，導(dǎo)線疲勞后往往出現(xiàn)斷股而光纜疲勞后多出現(xiàn)護(hù)套開裂，更嚴(yán)重的是光纖斷裂。
光纜應(yīng)該常年工作在EDS值附近（不考慮外負(fù)載及在年平均氣溫下），相當(dāng)于耐張段的代表應(yīng)力（按代表檔距和代表弧垂考慮）。
EDS與RTS有一個適當(dāng)?shù)谋戎�，各國有不同的�?biāo)準(zhǔn)，一般為（16％~25％）RTS，在給定的EDS（IEEE－P1222定義為最大安裝張力）下按規(guī)范進(jìn)行振動試驗(yàn)，光纜外護(hù)套應(yīng)無損傷，光纖衰耗的變化應(yīng)在控制指標(biāo)內(nèi)。
7. 極限特殊應(yīng)力 ----- UES（Ultimate Exceptional Stress）或極限特殊強(qiáng)度UETS（Ultimate Exceptional Tensile Strength）
這是光纖不受力纜型（松套層絞結(jié)構(gòu)）ADSS光纜特有的參數(shù)。一般UES應(yīng)大于60%RTS。
當(dāng)光纖的余長釋放完，即張力超過MOTS后的一定范圍內(nèi)，光纖開始受力的同時附加衰減也開始增加，但在張力解除后，光纜仍可恢復(fù)到初始狀態(tài)。該范圍的最大控制值即是UES。
UES意味著該光纜可短時過載使用，比如偶然的大風(fēng)或覆冰（超過設(shè)計(jì)條件），在消失以后，光纜可恢復(fù)正常運(yùn)行且不影響使用壽命。
可以理解為：假設(shè)使用的氣象條件為30年一遇，用該條件以MOTS計(jì)算跨距、弧垂；而UES則對應(yīng)于光纜在30年壽命期內(nèi)經(jīng)受可能發(fā)生的50年一遇的氣象條件。通常，MOTS作為計(jì)算參數(shù)，UES作為校驗(yàn)參數(shù)。雖然容易混淆，但必須區(qū)分。
