電纜敷設(shè)牽引力狀態(tài)評(píng)估方法研究

蔣 謙，黃志豪，陳 炯

(1. 華東送變電工程有限公司，上海 201803；2.上海電力大學(xué)，上海 200093)

電纜管道敷設(shè)是一種將電纜敷設(shè)于預(yù)先建好的地下管道中的安裝方式。在電纜敷設(shè)過(guò)程中，因電纜管道變形或彎曲半徑過(guò)小，導(dǎo)致電纜敷設(shè)過(guò)程中受力過(guò)大而受傷，如電纜護(hù)套擠扁、電纜絕緣受傷等，造成電纜壽命下降[1-2]。由此可見，實(shí)施對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中受力狀態(tài)監(jiān)測(cè)對(duì)于確保電纜安全敷設(shè)具有重要意義。

基于電纜敷設(shè)過(guò)程中管道狀態(tài)無(wú)法檢測(cè)的狀態(tài)，本文提出一種電纜敷設(shè)牽引力狀態(tài)的評(píng)估方法，達(dá)到提高電纜敷設(shè)質(zhì)量的目的。

1 電纜敷設(shè)牽引力計(jì)算原理

通過(guò)對(duì)GB 50217—1994《電力工程電纜設(shè)計(jì)規(guī)范》和《電力電纜運(yùn)行規(guī)程》等規(guī)范的分析可知，電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引力和側(cè)壓力受管道形狀和管道條件的制約[3-4]。在電力電纜敷設(shè)施工中，牽引力是指作用在電纜被牽引方向上的拉力，其大小決定了電纜敷設(shè)施工方案。如采用牽引端時(shí)，牽引力主要作用在電纜導(dǎo)體上，部分作用在電纜金屬護(hù)套和電纜鎧裝上。沿垂直方向敷設(shè)電纜時(shí)，如豎井和水底電纜敷設(shè)，牽引力主要作用在鎧裝上。敷設(shè)電纜時(shí)作用在電纜上的牽引力應(yīng)根據(jù)敷設(shè)路徑分段進(jìn)行計(jì)算，總牽引力等于各段牽引力之和。

幾種典型的敷設(shè)路徑有水平直線敷設(shè)、斜坡直線敷設(shè)和水平轉(zhuǎn)彎敷設(shè)等。

水平直線敷設(shè)：

T=μWL

(1)

傾斜直線敷設(shè)：

下行：T1=WL(μcosθ-sinθ)
上行：T2=WL(μcosθ+sinθ)

(2)

水平彎曲敷設(shè)：

布勒公式：

(3)

李芬堡公式：

(4)

簡(jiǎn)易公式：

T2=T1eμ θ

(5)

式中T——牽引力，N；T1——彎曲前的牽引力，N；T2——彎曲后的牽引力，N；μ——摩擦系數(shù)；W——電纜單位重量，(N/m)；L——電纜長(zhǎng)度，m；R——電纜的彎曲半徑，m；θ1——電纜作直線傾斜牽引時(shí)的傾斜角，(°)；θ——彎曲部分的圓心角，(°)。

電纜管道路徑示意圖如圖1所示?；陔娎|牽引力的計(jì)算公式，以圖1為電纜管道路徑為例對(duì)電纜敷設(shè)的牽引力進(jìn)行計(jì)算，A點(diǎn)為電纜盤，F(xiàn)點(diǎn)為敷設(shè)終點(diǎn)，具體的電纜受力計(jì)算如下。

圖1 電纜管道路徑示意圖

L1段電纜為從電纜盤1處引出，根據(jù)牽引力計(jì)算的基本原則，電纜盤孔和軸的摩擦力可折算成所敷設(shè)電纜15 m左右長(zhǎng)度的重力計(jì)算，可得對(duì)于L1段電纜的牽引力：

T1=15Wg+μL1Wg

(6)

L2段電纜的牽引力：

T2=T1eμ θ

(7)

L3段電纜的牽引力：

T3=μL3Wg

(8)

L4段電纜牽引力：

“還有一點(diǎn)是，魯西液體肥，能夠使農(nóng)作物植株健壯根系發(fā)達(dá)，增強(qiáng)抗旱、抗倒伏能力，增產(chǎn)效果明顯。另外，黃瓜的種植周期一般都是100天左右，早熟的是80天左右，晚熟的120天左右，魯西液體肥能夠提供黃瓜整個(gè)生長(zhǎng)周期所有的養(yǎng)分。”一旁的魏青松經(jīng)理補(bǔ)充說(shuō)道：“之前是因?yàn)椴恢烙敏斘饕后w肥到底效果怎么樣，所以今年只是幾個(gè)棚用了這個(gè)肥料來(lái)做實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)效果確實(shí)很好，下一年我準(zhǔn)備全部使用了魯西液體肥！”

T4=WL4(μcosθ+sinθ)

(9)

T5段電纜牽引力：

T5=μL5Wg

(10)

由此可見，整個(gè)電纜敷設(shè)過(guò)程中，牽引力：

T=T2+T3+T4+T5

(11)

L2段電纜的側(cè)壓力：

F=T2/R

(12)

2 拉力測(cè)試模塊設(shè)計(jì)

拉力傳感器根據(jù)力作用下變化量的不同分為電阻應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等[3-5]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引力的測(cè)量，本文設(shè)計(jì)了基于壓阻式壓力傳感器的牽引力監(jiān)測(cè)模塊。通常是將應(yīng)變片通過(guò)特殊的粘合劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時(shí)，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的電阻發(fā)生改變，導(dǎo)致加在電阻上的電壓發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。

金屬導(dǎo)體的電阻值可表示：

(13)

式中ρ——金屬導(dǎo)體的電阻率，(Ω·cm2·m-1)；S——導(dǎo)體的截面積，cm2；L——導(dǎo)體的長(zhǎng)度，m。

當(dāng)金屬絲受外力作用時(shí)，其長(zhǎng)度和截面積都會(huì)發(fā)生變化，如金屬絲受外力作用而伸長(zhǎng)時(shí)，其長(zhǎng)度增加，而截面積減少，電阻值便會(huì)增加。當(dāng)金屬絲受外力作用而壓縮時(shí)，長(zhǎng)度減小而截面增加，電阻值則會(huì)減小。

系統(tǒng)利用分壓器原理對(duì)應(yīng)變片的電阻進(jìn)行測(cè)量，結(jié)合電阻和拉力的關(guān)系實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引力的測(cè)量，整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 牽引力監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)及實(shí)物圖

3 復(fù)合纜的設(shè)計(jì)

根據(jù)需要上傳的拉力數(shù)據(jù)和圖像，同時(shí)滿足電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引強(qiáng)度，系統(tǒng)采用高強(qiáng)度鋼絲復(fù)合纜，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)牽引過(guò)程供電及數(shù)據(jù)上傳。凱夫拉復(fù)合電纜的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為了防止供電線纜和光纖在施工過(guò)程中受損，將光纖和線纜放置在中間，外圍采用高強(qiáng)度鋼絲承受電纜敷設(shè)牽引力。

圖2 凱夫拉復(fù)合電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

4 電纜牽引力診斷方法

基于電纜敷設(shè)受力分析和實(shí)際牽引力的監(jiān)測(cè)，對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中受力狀態(tài)的診斷方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，其診斷流程如圖3所示。由圖3可知，整個(gè)受力狀態(tài)的診斷流程具體如下。

第一步：根據(jù)電纜敷設(shè)路徑，結(jié)合電纜參數(shù)(自重、管道摩擦系數(shù)等)，分析電纜敷設(shè)過(guò)程中受力的狀態(tài)，評(píng)估電纜受力是否超過(guò)電纜最大承受力。

第二步：利用電纜敷設(shè)牽引力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中受力狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，記錄每個(gè)位置點(diǎn)的受力數(shù)據(jù)。

第三步：對(duì)比測(cè)量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，考慮到理論計(jì)算的誤差，留20%的裕度。當(dāng)超過(guò)理論計(jì)算值20%時(shí)，系統(tǒng)預(yù)警。當(dāng)超過(guò)電纜所能承受力90%時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，避免電纜拉傷。

圖3 電纜敷設(shè)受力狀態(tài)診斷流程圖

5 結(jié)語(yǔ)

(1)根據(jù)GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程_電纜線路施工及驗(yàn)收規(guī)范》，結(jié)合電纜管道敷設(shè)路徑，利用計(jì)算公式對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中受力狀態(tài)進(jìn)行核算，初步分析受力是否合格。

(2)基于拉力傳感器制成的牽引力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引力的監(jiān)測(cè)，測(cè)量范圍0～100 kV，測(cè)量精度0.1 kV，滿足牽引力監(jiān)測(cè)要求。

(3)通過(guò)對(duì)牽引力計(jì)算值和測(cè)量值的對(duì)比分析，及時(shí)對(duì)電纜敷設(shè)過(guò)程中牽引力異常狀態(tài)做出預(yù)警，避免牽引力過(guò)大導(dǎo)致電纜受損。