地埋電纜保護管受力分析及設計要點

國網杭州供電公司 夏 衍 杭州電力設備制造有限公司臨安恒信成套電氣制造分公司 張教練 國網杭州市臨安區供電公司 呂 華 金旻昊

1 電纜保護管敷設

1.1 電纜線路的敷設種類

直埋敷設。特點為施工簡易，不需要考慮太多其他因素，只需將管道直接埋進土壤，相對其它較多工藝手段的敷設方式而言，其散熱性更好，因為部件使用少消耗少，其投資也相對較少，但有利有弊，因為直埋敷設直接將管道埋于土壤，管道接受土壤的腐蝕和刺激也最為嚴重[1]，為后期檢修增加了很多困難，而且伴隨外界機械損傷的風險。

電纜隧道敷設。能夠容納大量的電纜，且在后期的敷設、檢修、更換電纜中更加方便，適用于長期使用電纜的工程中，如進出線電纜在20根以上的大型電廠、城市道路等場合，但相對應的，電纜隧道輻射投資大，需要大量金錢、人力、物力的投入，耗材耗物資較多，運輸不易且費用高，因為工程較大，尤其需要注意火、燃氣等方面的安全隱患，尤需加強安全措施。

穿管敷設。本文中著重論述的“電纜保護管敷設”，該方式集前兩種敷設方式所長，不僅具備施工操作簡單和投資消耗少方面的優勢，又兼具檢修方便、容易維修和保護的優勢，因此電纜保護管的需求量隨著電力的發展與日俱增，科研人員也在不斷探索不同電纜保護管之間的差異和所適用方向，以求更好的應用電纜保護管對電纜線路起到保護作用，為電力的發展提供有利的“后勤保障”。

1.2 電纜保護管的種類

從廣泛意義上劃分，電纜保護管依據適用場合分為A、B、C 三大類，其中A 類主要適用于城鄉中電力電纜的建設、工業園區電纜工程地下電纜保護管以及交通路橋；B 類主要適用于人行道河路畫袋等非機動車道的直埋敷設中，本文就以此為例展開調查研究實驗，當然也可用于重載車輛通過的機動車混凝土敷設中；而C 類的電纜保護管主要用于高速公路部分重載車輛通過的路段和一、二級公路。

依據材質劃分可分為以下幾大類，第一類是有機高分子材料電纜保護管——碳素波紋管、PVC 等，相較于其它普通的聚乙烯管材，碳素波紋管以高密度聚乙烯和改性碳素兩者為主要材料，在提升強度、耐腐蝕性、抗老化的同時，將密度控制在1.0g/cm3以下，與其名字相符合，它的質量較輕且呈現波紋狀結構，該構型特點使其能夠延展成任意長度，在不同工作件之間能夠做到無縫銜接，除了較高的熱膨脹系數外兼具良好的防水性能，但應當注意在長期高溫的狀態下，碳素波紋管的各個方面性能都會有所降低；PVC 管的主要原料與碳素波紋管不同，它是以聚氯乙烯為原材料，同時添加許多其它成分的填料，經過多道工序擠壓、鍛造而成的管材，根據管材的結構可以劃分為普通管和雙壁波紋管，但無論是哪種形式的PVC 管，均具有管壁外側光滑的特點，該特點使其在穿管敷設時很好地保護了電纜，當施工中需要多次穿管敷設時，或者大量穿管敷設任務時，可以采用質量輕便且易運輸的PVC 管[2]。

第二類是由金屬材料構成的電纜保護管——涂塑鋼管和鍍鋅鋼管等。以涂塑鋼管為例，涂塑鋼管的本質是一種由普通鋼管經過涂塑工藝而制成的新型管材，可謂是舊瓶裝新酒，在其“更新換代”的過程中保留了鋼管本身具有的優良機械性能，以及與熱有關的良好的耐熱、散熱性能，在提升長處的同時遏制了短處——不耐腐蝕，也因為涂塑鋼管的幾大優勢需要通過多道工序加成，它的造價稱得上是幾個中較高的，一般不被用于單芯電纜的穿管中。

第三類和第四類分別是由樹脂基纖維增強復合材料為主要原材料和以水泥基纖維增強復合材料為主要原材料的——玻璃鋼管、維綸水泥管、低摩擦纖維水泥管，其中玻璃鋼管綜合上述幾個鋼管的優點，是由多種成分組成的有機化合物，但主要的是，組成成分的種類或含量不同時，所形成的玻璃鋼管的性能也會有或多或少的區別，在制作時應當嚴格掌握好材料的成分和比例，使用時也應仔細閱讀玻璃鋼管的成分表，以免使用不適宜的玻璃鋼管造成不必要的工程隱患，尤其是制作失敗的玻璃鋼管會兼具無機和有機材料的共同缺點，對電纜的保護有著致命的打擊。而低摩擦纖維水泥管采用一種特殊的抄取工藝，經過加壓卷制而成，它的主要基材是一種無極水硬性水泥材料，介于水泥的特性，它能夠有效地防止不同程度酸、堿、鹽的腐蝕，大大減輕了后期復查維修的負擔，在耐熱、防火、防水等方面也表現優良，但由于它的本質仍屬于剛性材料，所以在運輸方面較為麻煩，又因其重量基數較大，工人在裝卸時也會是一個難題。

1.3 電纜保護管敷設要求

電纜保護管雖然主要起保護作用，但是對其外觀也是有著一定的要求的，因為電纜保護管作用的根本機理是通過減少電纜與管道內壁之間的摩擦起到良好的保護作用，所以其內外表面需要做到沒有粘塊和裂紋。不僅如此，還應當在一定程度上保證電纜保護管的內外表面沒有明顯的傷痕。此外，在電纜保護管的長度、橢圓度、抗外壓載荷、抗折載荷、彎曲長度等都有著明確的規定。由于鋪設不易的緣故，常規電纜保護管應當保證至少在100年期限中不會腐蝕或者出現變形、粉化等影響電纜正常操作的情況出現。考慮到地理因素，不同地域天氣的變化程度不同，選用電纜保護管規格時應當考慮到耐凍性和耐熱性，常見規格下應保持反復25次交替凍融無起層和龜裂，其他方面的指標嚴格參照國家設置的規定。

1.4 電纜保護管的性能參數

碳素波紋管、PVC 管、涂塑鋼管、玻璃鋼管、低磨擦纖維水泥管的主要性能參數為：密度（g·cm-3）0.96/1.40/7.85/1.8/2.0、線膨脹系數（10-6K-1）150/80/12/18/14、抗拉強度（MPa）21/55/560 /160/30、抗壓強度（MPa）10/80/410/80/100、熱變形溫度（℃）82/85/-/160/-、氧指數-/19/45/-/31、內壁滑動磨擦系數29.4/0.38/0.35/0.33/0.28、熱阻系數-/7.9/0.02/1.8/0.91、每米管能量消耗因子25/25/100/-/12。

1.5 電纜保護管的工作特點

電纜保護管采取抄取的工藝制成，以維綸纖維為原料，具備維綸纖維水泥電纜管的優良性能。由于電纜保護管管壁摩擦因數較小，在使用時與電纜間的摩擦系數低，方便電纜穿過，不易損壞電纜、造成不必要的摩擦損失。載流量高是電纜保護管的一大主要特征，同時絕大部分電纜保護管的熱阻系數都較低，使其工作效果保持良好的狀態，能夠維持較長工作時間。在使用電纜保護管后，隨著被加長的井距工井數量不斷減少，在很大程度上降低了工程所需成本。

2 地埋電纜保護管的受力分析

2.1 有限元分析模型

2.1.1 有限元分析法

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)，簡言之是一種數學近似的方法，取物理構型中的一元，借助個例及某一微小單元的實驗結果來推測出整體的檢驗結果，即從有限到無限，類似物理學習過程中用到的微元法思想[3]。該方法能夠有效的將復雜問題簡單化，可以適用以各種各樣看似復雜且無從下手的工程模型中，成為結構工程強度分析計算應用價值很高的一種計算手段，本文就運用“有限元分析法”的方式將電纜保護管微小化，截取電纜保護管的一個截面來對其進行受力分析，并結合生活中的實際應用場景和實物來加以說明，以求達到更好的論述效果，加深大家對地埋電纜保護管受力分析的理解。

2.1.2 有限元分析模型計算模板

通過有限元分析方法，對實際工程中不同規格的CPVC 電力保護管做力學分析：土壓力對比分析。《管道結構規范》中，對由設計地面開槽施工的管道，管頂豎向土壓力標準值Fsv,k 可按Fsv,k=CdγSHBC 計算，式中Cd為開槽施工土壓力系數，與開槽寬度有關，一般取1.2；γS為回填土的重力密度(kN/m3)；H 為管頂至設計地面的覆土高度(m)；BC 為管道的外緣寬度(m)。

對于圓管，應以管外徑D1替代BC，得出豎向土的壓力Fsv,k 的計算公式Fsv,k=CdγSHD1，但由于不同土層對電纜保護管的壓力不同，而且土與土之間存在較大的摩擦，根據上述公式計算出來的結果可能會略帶偏差，試驗者在計算時應將地理因素和其他外界因素考慮在內，除卻“土拱效應”外還應考慮到保護管實際受到的壓力小于以上兩個公式計算得到的理論值，并加于實際考慮。

2.2 有限元模型受力分析

根據試驗原則，現對三種不同規格的電纜保護管加以有限元受力分析，借助儀器檢測結果分別對電纜保護管和土體進行分析，得到土體的變形云圖、保護管的變形云圖、應力云圖，同時借助國家官方規定的不同規格的保護管分析，多次試驗尋求正確結果，通過對試驗結果的分析可得：

三種規格中的電纜保護管受力不同，現以品字形排列的電纜保護管分析為例，如對其描述“品”，該類型的電纜保護管有一個最高點，而這個最高點即該電纜保護管受力最大的部分，即最大變形處發生在上方保護管的最高處，使得不同保護管之間的接觸界面和最大變形處產生最大應力。

在電纜保護管制作過程中，所列規格均需滿足國家制定的最低標準，尤其是安全儲備，減少后期維修次數及因維修而產生的大量不必要的浪費。后期工作人員必須嚴加監管，隨著土壤、地形、天氣等外界因素的改變調整對電纜保護管的檢修次數以及間隔時長，進一步結合相關工程案例及運行監測數據對管壁的厚薄也做出相應的改變。

混凝土封包作為又一種典型代表，其最大變形為0.86×10-2mm，而混凝土封包的最大應力為0.83MPa，遠小于混凝土的破壞強度。因此當該類型的電纜保護管的上方土層承載量亦或是行車車輛的運荷量超載，會導致混凝土封包被擠壓從而導致變形，但其變形是在一定程度上的，不同土層深度的變形程度不盡相同，并且都遵循以下規律：隨著土層深度的增加，每個不同方向的電纜保護管的最大應力隨之減小。但施工需要考慮不同工程所需特征的電纜保護管，如混凝土封包作為電纜保護管的受力結構時，電纜保護管主要起到防水防滲的作用，適用于天氣較為潮濕的地區，也能夠在一定程度上減少電纜敷設阻力，符合電纜保護管的基本要求，但他的力學貢獻就相對較為微弱，并不建議將該類型的受力結構適用于高強度作業工程中去。

3 設計要點

3.1 保護管內徑及埋深

在設計地埋電纜保護管的敷設方式時除了參相關文獻做出方案，更重要的是要進行實地考察，看當地的情況是否存在變化，做出相應的調整，充分考慮到環境、天氣因素，并盡最大可能做到不影響居民的日常生活，因地制宜改進設計方案。

而為了電纜在敷設過程中能夠順利穿管，其保護管的內徑應當控制在電纜外徑的1.2～1.5倍，并且應當控制電纜、光纜的保護管內直徑在75mm 以內，電纜保護管的最小內直徑不能夠小于100mm。再考慮到運行問題，為了確保電纜能夠安全順利的運行，在人群分布密集的地方尤其應當提升其安全性能，常見的方式是通過將電纜地埋深度增加，但事不可無限度，即使加深地埋深度能夠增強其安全性能，也需要將加深地埋深度時產生的花銷考慮在內，按照規定，將土層深度控制在1000mm 是一種較為安全且施工較為容易的程度。在一般的地區敷設電纜保護管時要求敷設的保護管頂部距地面的距離不小于700mm，但對人行道的要求更為簡易一些，在不小于500mm 的土層處進行敷設即可。

3.2 電纜保護管的排列方式

按照國家相關部門的規定，每組電纜保護管的根數應設置為6～16根，具體適用于多少根數應當依據城市道路的特性為主，選擇適用的規格，同時選用適合的保護管的孔數，常用的電纜保護管的排列工程分為長方形和正方形兩類，分別為3×4、3×5、4×4、3×6幾大主要類型，也有部分工程適用于上文提及的“品”字形排列方式。但需要注意的是，即使為了施工方便，電纜保護管的散熱性能應相對較高，因為在電纜保護管敷設時，不可避免中間由于許多組件的參與使得其散熱性能偏差。為了保證地埋式電纜保護管的正常運行，中間電纜保護管應采用控制電纜或光纜的敷設方式來彌補散熱性能的削減。

3.3 電纜保護管的選材

各大常見的電纜保護管類型在話題一中已經進行了詳細的介紹，如玻璃鋼保護管、纖維水泥保護管等，此處主要介紹在外界因素干擾情況下的選材。在一項工程開展前，在保證工程能夠正常進行的前提下，應當選擇滿足工程需求的電纜保護管，其中考慮的主要因素分為敷設的難易程度、耐腐蝕性、耐高溫性，如果長期保持高強度作業時還應當考慮電纜保護管的機械強度，根據工程需要做成合適的選材方案。