ADSS光缆外护套材料电腐蚀前后的理化性能分析

刘文波,杨绍哲,荣,伟,刘洪卫

（胜利油田电力分公司，山东省东营市257000）

摘要 为了研究ADSS光缆电腐蚀机理，本文首先介绍了引起ADSS光缆电腐蚀的原因，接着选取运行几年的ADSS光缆上已发生显著电腐蚀和未发生电腐蚀的部分，对其外护套材料进行理化分析。实验结果表明，电腐蚀后光缆表面的晶粒结构被破坏，出现漏电蚀痕，DSC曲线样品熔融温度降低，C元素含量增加，O元素减少。在1500-1700 cm-1波数范围内对应-CH3的特征吸收峰减弱，在3360cm-1处对应-OH伸缩振动的吸收峰增强，外护套发生氧化。由光缆电腐蚀机理及理化实验结果可知，ADSS光缆的电腐蚀现象主要由干带电弧机制和电晕放电导致。

关键词 ADSS光缆电腐蚀   理化分析     干带电弧     电晕放电

1 引言

全介质自承式光缆（All Dielectric Self-Supporting，ADSS）是一种不含任何金属材料的电

力特种光缆, 通常直接架设在220 kV 及以下的高压输电线路杆塔了ADSS光缆的可持续发展和应用。ADSS光缆故障除外力破坏、纤芯劣化外，光缆腐蚀已成为光缆故障的主要原因之一，对电网的安全生产和运行带来严峻挑战。如果是涉及跨越多个地段的ADSS光缆断缆事故，还会对交通运输及人员造成极大的安全威胁。因此，如何解决ADSS光缆烧蚀问题具有十分重要的工程意义。我们需要了解ADSS光缆的烧蚀机理，并针对不同的烧蚀原因提供相应的防控措施。

近几十年来，国内外许多研究人员针对ADSS光缆烧蚀的机理和影响因素进行一系列研究。

国网四川省电力公司的陈少磊等通过高电压模拟ADSS光缆现场运行所处的正常到极端电场环境试验，发现一种不同于“干带电弧放电”或“电晕放电”的电腐蚀成因，经分析是半干式结构ADSS光缆内部阻水纱放电发热导致ADSS光缆电腐蚀[1]。

国电通信中心的丁道齐全面分析了电应力作用下ADSS光缆损伤的机理，护套受到电击穿、热击穿和电化学击穿3种损伤形式，并且提出防止措施和对策[2]。

徐州供电公司的李正超等人根据ADSS光缆的腐蚀机理提出了ADSS光缆电腐蚀的预防措施：选择耐电腐蚀的ADSS光缆及金具、选择最佳光缆挂点、安装放电晕环等等[3]。

利桑那州立大学的George G. Karady等人对ADSS光缆腐蚀展开了系列研究，采用并设计了一个更符合实际环境的环境室开展试验研究，环境室可进行紫外线辐射、盐雾、清洁雨水和机械张力等循环，而ADSS电缆的污染程度采用电缆单位长度在潮湿条件下的电阻来量化[7-10]

张玲等人认为ADSS 光缆电腐蚀应综合依据空间电位和电场强度两个物理量进行判断。空间电位作为判断依据主要考虑影响因素是ADSS 光缆距离输电导线的距离、光缆外护套干湿程度、光缆表面的污秽程度和污染物类型等。电场强度作为判断依据，主要考虑影响因素是ADSS 光缆外护套位置电场强度、与光缆外护套接触的导线、塔材、金具的形状等[11]。

光缆电腐蚀的基本机理分为两类：干带电弧和电晕放电。运行环境较差时，会随着时间的积累在光缆的表面形成盐类物质或者灰尘等污拒的附着。这些附着物会在光缆外表皮形成污移半导电层，光  缆的表面电阻减小，这样就使得光缆外护套上的泄 漏电流逐渐增大，其产生的热量使光缆外表面的水分蒸发，出现干带区域。之后随着电流逐渐增大光缆表面温度升高，污池面产生气体电离，形成弧光放电，使外护套表面过热、局部炭化。同时弧光放电会释放出NO2 、NO、O3等活性气体，加速外护套劣化程度，形成漏电蚀痕[2]，还会对介质进行氧化作用而引起裂解以致平均分量降低[3]。

由于ADSS光缆末端金具连接在杆塔上接地，因此末端预绞丝包绕的部分电势近似为零，但是金具出口处的感应电压沿着光缆方向变化最快，且预绞丝容易造成电场的畸变，随着电场增大到超过空气电离强度时，绞丝末端会产生电晕放电，光缆外护套温度升高并产生灼烧，呈现粗糙、炭化变黑、烧焦的痕迹[8]。

目前对ADSS光缆腐蚀机理的解释大多停留在理论层面，并没有太多的研究人员对光缆护套的电腐蚀前后微观性能进行研究。因此，本文通过将ADSS光缆进行各种理化实验分析，从电腐蚀前后材料的微观性能变化来分析光缆的电腐蚀成因，并在最后提出预防措施。

2 实验对象及实验设备

本文选取选取某电力公司ADSS光缆在电腐蚀前后的样品进行理化实验，如图1、图2所示，通过观察样品宏观表面，可以看出电腐蚀之后的ADSS光缆表面出现了明显的电蚀痕迹。

图1 未腐蚀ADSS光缆

图2 电腐蚀后ADSS光缆

本文通过VE9800S扫描电子显微镜对电腐蚀前后ADSS光缆进行SEM显微结构分析来观察表面形貌变化以及EDS元素分析观察表面元素变化，通过IN10+IZ10型傅立叶显微红外光谱仪对电腐蚀前后ADSS光缆进行红外测试观察吸收峰变化，通过DSC822e型动态差热分析仪比较样品峰值熔融温度的变化。

3  实验结果分析

3.1 SEM显微结构分析

对比图3与图4腐蚀前后的显微结构照片，可以发现ADSS光缆未腐蚀时表面比较平整，没有大的沟壑或不规则排布，但在电腐蚀后，ADSS光缆表面出现较多层片状腐蚀结构，规则的表面被电腐蚀破坏。

图3 ADSS光缆未腐蚀显微结构

图4  ADSS光缆腐蚀后显微结构

ADSS光缆的微观形貌结果与之前肉眼观测到的宏观表现现象一致，推测是由于ADSS光缆表面出现弧光放电，释放出NO2 、NO、O3等活性气体，加速外护套劣化程度，形成漏电蚀痕。根据SEM显微结构分析可知，干带电弧引起了ADSS光缆电腐蚀。

3.2差示扫描量热仪分析

如图5、图6所示，ADSS光缆样品在电腐蚀前，熔融峰位置为128.52℃，发生电腐蚀后，其熔融峰位置为126.42℃，出现轻微下降的现象。样品的峰值熔融温度和样品的结晶度有关。样品的结晶度越高则峰值熔融温度越大，由SEM结果可知电腐蚀破坏了ADSS光缆表面规则排布，结晶度降低，从而使得样品的峰值熔融温度变低，这与之前ADSS光缆SEM实验结果十分稳合，印证了干带电弧放电在ADSS光缆表面形成了漏电蚀痕。

图5  ADSS光缆未腐蚀DSC曲线

图6  ADSS光缆未腐蚀DSC曲线

3.3 EDS元素成分分析

表1 ADSS光缆腐蚀前元素分析统计表

元素	表观浓度	K比值	Wt%	wt% Sigma	原子百分比
C	34.46	0.34458	60.14	0.46	67.01
O	48.26	0.16240	38.48	0.44	32.19
Na	1.52	0.00643	1.37	0.31	0.80
总量			100		100

表2 ADSS光缆腐蚀后元素分析统计表

元素	表观浓度	K比值	Wt%	wt% Sigma	原子百分比
C	45.91	0.45915	71.25	0.42	76.94
O	36.06	0.12135	27.73	0.38	22.48
Na	1.25	0.00529	1.02	0.27	0.57
总量			100		100

由表1、表2可知ADSS光缆外护套材料在腐蚀前后的主要元素成分均为C、O，电腐蚀未在材料中引入新的元素成分，腐蚀后材料中C元素含量占比增加，O元素含量占比降低，这说明ADSS光缆电腐蚀后发生了炭化以及燃烧反应，而干带电弧和电晕放电均会导致ADSS光缆外护套出现炭化，考虑到干带电弧会对介质进行氧化作用而引起裂解以致平均分量降低，这会在ADSS光缆外护套中引入O元素，说明干带电弧引起的氧化反应程度比起干带电弧和电晕放电导致的炭化程度要弱。

3.4红外光谱分析

如图7、图8所示， ADSS光缆的红外吸收光谱在2900cm-1附近表现出双峰特征，在1462cm-1和729cm-1附近出现肩峰，是聚烯烃材料典型的吸收行为。对比ADSS光缆样品腐蚀前后的红外光谱，发现其在1500-1700 cm-1波数范围内对应-CH3的特征吸收峰减弱，在3360cm-1处对应-OH伸缩振动的吸收峰增强，说明光缆在电腐蚀作用下和氧气发生反应，形成了新的官能团羟基-OH。

对比EDS实验分析结果可知，ADSS光缆外护套电腐蚀由干带电弧引起，被氧化引入了O元素，但炭化程度更明显，推测同时发生了干带电弧和电晕放电，考虑到电晕放电更容易在ADSS光缆末端金具发生，干带电弧导致的ADSS光缆电腐蚀应该占据主导地位，电晕放电次之。

图7 ADSS光缆未腐蚀红外光谱分析

图8 ADSS光缆腐蚀后红外光谱分析

3 ADSS光缆电腐蚀的预防措施

根据前文所述ADSS光缆电腐蚀基本原理，干带电弧发生的原因是外护套表面泄露电流增大导致水分蒸发出现干带区域，可以在外护套表面增设一层憎水性材料，表面不易潮湿，泄露电流不易增大，此外，通过理化实验结果分析，外护套表面选取的抗氧化以及耐电性能好的材料也能有效避免干带电弧的产生。而电晕放电发生的原因是预绞丝末端电场不均匀导致的空气击穿，可以在预绞丝末端增设均压环，优化ADSS光缆挂点位置[12，13]。

4结论：

本文首先分析了ADSS光缆电腐蚀基本原理，分析了引起光缆电腐蚀的原因。接着选取了架设于110 kV高压输电线路杆塔上ADSS光缆腐蚀和未腐蚀样品，进行显微结构测试、元素成分分析、差示扫描量热分析测试和红外光谱测试，分析ADSS光缆电腐蚀机理如下：

（1）样品的显微结构和差示扫描量热分析测试表明，样品表面规则结构被破坏，出现漏电蚀痕，峰熔融温度从腐蚀前的128.52℃降低至腐蚀后的126.42℃，降低2.1℃。说明ADSS光缆的电腐蚀由干带电弧引起。

（2）样品的元素成分分析和红外光谱测试表明，样品在电腐蚀后C元素含量占比增加，O元素含量占比降低，但是电腐蚀后出现了新的官能团-OH，说明样品电腐蚀由干带电弧引起，被氧化引入了O元素，但炭化程度更明显，推测同时发生了干带电弧和电晕放电，干带电弧导致的ADSS光缆电腐蚀应该占据主导地位，电晕放电次之。

(3)在外护套表面增设一层憎水性材料或选取的抗氧化以及耐电性能好的材料也能一定程度上有效避免干带电弧的产生。而在预绞丝末端增设均压环，优化ADSS光缆挂点位置也可以一定程度上有效避免电晕放电的产生。

参考文献：

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作者简介：

刘文波：男，1967年1月出生，正高级工程师，从事电力技术工作。

杨绍哲：男， 1978年2月出生，高级工程师，从事电力技术工作。

荣伟：男，1985年12月出生，高级工程师，从事电力技术工作。

刘洪卫：男，1970年3月出生，高级工程师，从事电力技术工作。