全介质自承式（ADSS）光缆的设计

一、前言
    随着信息高速公路的发展，沿高压输电线路同杆架设ADSS光缆成为最经济的架设方法之一。ADSS光缆具有重量轻、外径小、安装跨距长、抗雷击、不受电磁干扰、易于敷设施工等优点，它成为老线路通信改造的好方法之一，近年来在电力系统及其他相关系统中得到日益广泛的使用。
    ADSS光缆架设在电力部门电力线的杆塔上，与已建的高压输电线路同杆架设，但是，在这样特定环境中架设的ADSS光缆与普通的架空光缆有着不同的要求，需解决一系列的技术关键。其主要关键点在于：由于光缆的自重，架设所在地区的气象条件，架设的档距，架设的垂度等对光缆的受力影响非常复杂，必须要进行严格的精确计算来确定光缆的承力元件的强度要求。因此，需要编制一套完整的力学计算程序来计算每一张力段的光缆受力情况，确定承力元件的强度要求，确定需要多少芳纶纱。

二、设计理论
    ADSS光缆通常跨接在高压输电线路的铁塔上，当跨接点等高时，有如下关系：

ADSS光缆等高架设示意图

    A、C点张力：
   （kg/mm²）（1）
    B点张力：
   （kg/mm²）（2）
    A,C两点间光缆悬线长度：
  （3）
    光缆在内应力作用下伸长：
  （4）
    式中，W为单位长度光缆重量；
                为等高敷设跨距；
                为等高敷设垂度；
              E  为光缆抗张元件的弹性模量；
              S  为光缆抗张元件的横截面积。
    我们的ADSS光缆设计思路为：
    1、根据光缆结构和空载垂度f₀求EDS（每日平均应力）；
    2、根据空载垂度和负载垂度的关系方程，求出负载垂度f；
    3、由气象条件和负载垂度f，求出MOTS（最大允许抗张强度，即长期拉伸力）；
    4、由MOTS和光缆拉伸窗口求出芳纶纱根数；
    5、求芳纶纱绞合层厚度，修正光缆结构参数；
    6、验证设计是否符合安全运行条件。

三、设计过程
    下面给出24芯ADSS光缆的设计实例
1、根据光缆结构和空载垂度f₀求EDS（每日平均应力）
    光缆结构：φ2.0mmFRP,φ1.9mmPBT束管，内护套厚度1.0mm，外护套厚度1.6mm。气象条件：跨距100m，安装垂度（空载垂度）：1%，风速20m/s，冰厚5mm
 = =1376(N)
2、根据空载垂度和负载垂度的关系方程，求出负载垂度f
    ADSS光缆在架设时不考虑气象条件的影响，即只考虑缆重（W=W1），此时的垂度f0称为空载垂度；而在工作负载，即在计算气象条件下， ，相应的垂度f称为负载垂度，空载垂度和负载垂度之间的关系如下：
    ADSS光缆的悬线和跨距之间的关系为：
   
    负载和空载时悬线弧长差是由气象负载引起的光缆附加应变所造成的结果，所以有：
   
                         
    即：
    由此可推出f₀和f相互换算的公式：

    （5）

     （6）
    现已知f₀=1，带入（5）
    可得：f=1.76
3、由气象条件和负载垂度f，求出MOTS（最大允许抗张强度，即长期拉伸力）
    MOTS（最大允许抗拉强度）这是光缆在相应的常年极端气象条件下，（）的拉伸应力。当ADSS光缆在MOTS下工作时，光缆应变接近光缆的拉伸应变窗口。
式中，W₁为光缆单位长度质量（kg/m），
           W₂为光缆上覆冰层质量（kg/m）；
如冰层厚度为t（mm），光缆外径为D（mm），则：
    （7）
            W₃为水平风力负载（kg/m）,通常可由下式可求得 ：
     （8）
    式中，C₁为风载体型系数，他们是光缆直径受风面形状的函数，当光缆直径小于17mm时，C₁可取1.2，当光缆直径大于或等于17mm时，C₁可取1.1。当光缆覆冰时，不论光缆直径大小，C₁均可取为1.2。α为风速不均匀系数，不同风速时的α值如下表所示。

最大风速（m/s）	<20	20~30	30~35	>35
α	1.0	0.85	0.75	0.70

    代入已知参数，有W₁=0.110，W₂=0.234，W₃=0.549，W=0.648，
4、由MOTS和光缆拉伸窗口求出芳纶纱根数
    我们选用TWARON 8050的芳纶纱，其线密度为8350dtex，密度为1.45g/cm³，弹性模量为，抗张强度为2900MPa，单根纱芳纶纱的截面积为：
    
    我们仅考虑芳纶纱作为抗张元件，把FRP中心加强件作为强度安全系数来考虑。当ADSS光缆在MOTS下工作时，芳纶纱将发生不大于ε=0.8%（光缆拉伸窗口）的弹性形变，即：
    由此可计算光缆所需芳纶纱的根数
   

    芳纶纱取整数9根。
5、求芳纶纱绞合层厚度，修正光缆结构参数
    ADSS光缆的外径尺寸与内护套、外护套厚度及芳纶纱绞合层的厚度有关，在内护套和外护套厚度确定的情况下，我们需知道芳纶纱绞合层的厚度，这可以通过几何关系求得：
    
    式中，S‘为芳纶纱绞合层的有效面积，d为绞合层内径（即内护套外径），t为芳纶纱绞合层厚度，
    式中，n为芳纶纱根数，β为芳纶纱绞合层松散度，通常可取0.2~0.4，所以有：
    （9）
    芳纶纱绞合层松散度我们取中间值0.3，代入其他参数，可得芳纶纱绞合层厚度t=0.27，于是光缆外径为11.5mm。
6、验证设计是否符合安全运行条件
    当ADSS光缆的抗张元件参数确定以后，需要从下面两个验证条件来验证设计出的ADSS光缆是否符合安全运行条件，从而完成ADSS光缆的最总设计。
    （10）
    （11）
    式中，RTS为标称抗拉强度，RTS=0.9XUTS
    UTS=芳纶纱抗张强度X芳纶纱支数X单只芳纶纱横截面积=2900X10X0.58=16700N（12）
   
   
   只有同时满足以上两个验证条件的ADSS光缆，才算是设计合格的ADSS光缆，才能在实际环境中安全运行。
   在ADSS光缆设计中，很多计算都是循环迭代问题，比如求芳纶纱根数需要知道单位长度的光缆重量，但是单位长度的光缆重量又与芳纶纱根数有关系，导致设计过程中计算比较繁琐。选择合理的计算程序，能避免繁琐的计算过程。

四、其他应注意的问题
    1、为保证ADSS光缆的拉伸窗口达到0.8%，要选择合适的束管余长和成缆绞合节距。拉伸窗口达不到要求，会导致束管中的光纤受力，光纤衰减系数偏大，达不到额定的抗张力。
    2、芳纶纱绞合角在10°～15°之间为宜，绞合角太大则会产生抗张力下降和伸长的增加，而绞合角太小会使芳纶纱偏向一侧造成结构不稳定。芳纶纱的各放线架张力要保持一致，否则同样会造成结构不稳定。
   3、由于ADSS光缆是处于高压输电线附近的高电场下，还要承受风、冰、日晒等恶劣自然环境，所以当光缆受潮时，外护套表面因电痕漏电和滑闪会使护套材料降解，最终导致侵蚀破坏。因此ADSS光缆外护套需要采用特种抗电痕腐蚀材料，以适应恶劣气候环境，保证光缆寿命。

五、结论
    经过多年的实践证明，用我们的ADSS光缆设计程序设计出来的光缆是完全符合相关标准要求的，在实际环境中能正常工作运行，ADSS光缆设计程序不但能节省设计时间，而且能得出最优的ADSS光缆结构，从而节约成本，为公司创造良好的经济效益。