電纜敷設牽引力狀態(tài)評估方法研究

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，上海 200093)

電纜管道敷設是一種將電纜敷設于預先建好的地下管道中的安裝方式。在電纜敷設過程中，因電纜管道變形或彎曲半徑過小，導致電纜敷設過程中受力過大而受傷，如電纜護套擠扁、電纜絕緣受傷等，造成電纜壽命下降[1-2]。由此可見，實施對電纜敷設過程中受力狀態(tài)監(jiān)測對于確保電纜安全敷設具有重要意義。

基于電纜敷設過程中管道狀態(tài)無法檢測的狀態(tài)，本文提出一種電纜敷設牽引力狀態(tài)的評估方法，達到提高電纜敷設質(zhì)量的目的。

1 電纜敷設牽引力計算原理

通過對GB 50217—1994《電力工程電纜設計規(guī)范》和《電力電纜運行規(guī)程》等規(guī)范的分析可知，電纜敷設過程中牽引力和側(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施工方案。如采用牽引端時，牽引力主要作用在電纜導體上，部分作用在電纜金屬護套和電纜鎧裝上。沿垂直方向敷設電纜時，如豎井和水底電纜敷設，牽引力主要作用在鎧裝上。敷設電纜時作用在電纜上的牽引力應根據(jù)敷設路徑分段進行計算，總牽引力等于各段牽引力之和。

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

水平直線敷設：

T=μWL

(1)

傾斜直線敷設：

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

(2)

水平彎曲敷設：

布勒公式：

(3)

李芬堡公式：

(4)

簡易公式：

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——電纜長度，m；R——電纜的彎曲半徑，m；θ1——電纜作直線傾斜牽引時的傾斜角，(°)；θ——彎曲部分的圓心角，(°)。

電纜管道路徑示意圖如圖1所示。基于電纜牽引力的計算公式，以圖1為電纜管道路徑為例對電纜敷設的牽引力進行計算，A點為電纜盤，F(xiàn)點為敷設終點，具體的電纜受力計算如下。

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)牽引力計算的基本原則，電纜盤孔和軸的摩擦力可折算成所敷設電纜15 m左右長度的重力計算，可得對于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：

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T4=WL4(μcosθ+sinθ)

(9)

T5段電纜牽引力：

T5=μL5Wg

(10)

由此可見，整個電纜敷設過程中，牽引力：

T=T2+T3+T4+T5

(11)

L2段電纜的側(cè)壓力：

F=T2/R

(12)

2 拉力測試模塊設計

拉力傳感器根據(jù)力作用下變化量的不同分為電阻應變片壓力傳感器、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]。為了實現(xiàn)對電纜敷設過程中牽引力的測量，本文設計了基于壓阻式壓力傳感器的牽引力監(jiān)測模塊。通常是將應變片通過特殊的粘合劑緊密地粘合在產(chǎn)生力學應變基體上，當基體受力發(fā)生應力變化時，電阻應變片也一起產(chǎn)生形變，使應變片的電阻發(fā)生改變，導致加在電阻上的電壓發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對壓力的測量。

金屬導體的電阻值可表示：

(13)

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

當金屬絲受外力作用時，其長度和截面積都會發(fā)生變化，如金屬絲受外力作用而伸長時，其長度增加，而截面積減少，電阻值便會增加。當金屬絲受外力作用而壓縮時，長度減小而截面增加，電阻值則會減小。

系統(tǒng)利用分壓器原理對應變片的電阻進行測量，結(jié)合電阻和拉力的關系實現(xiàn)對電纜敷設過程中牽引力的測量，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 牽引力監(jiān)測結(jié)構(gòu)及實物圖

3 復合纜的設計

根據(jù)需要上傳的拉力數(shù)據(jù)和圖像，同時滿足電纜敷設過程中牽引強度，系統(tǒng)采用高強度鋼絲復合纜，實現(xiàn)對系統(tǒng)牽引過程供電及數(shù)據(jù)上傳。凱夫拉復合電纜的結(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程中受損，將光纖和線纜放置在中間，外圍采用高強度鋼絲承受電纜敷設牽引力。

圖2 凱夫拉復合電纜的結(jié)構(gòu)示意圖

4 電纜牽引力診斷方法

基于電纜敷設受力分析和實際牽引力的監(jiān)測，對電纜敷設過程中受力狀態(tài)的診斷方法進行設計，其診斷流程如圖3所示。由圖3可知，整個受力狀態(tài)的診斷流程具體如下。

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

第二步：利用電纜敷設牽引力監(jiān)測系統(tǒng)對電纜敷設過程中受力狀態(tài)進行監(jiān)測，記錄每個位置點的受力數(shù)據(jù)。

第三步：對比測量數(shù)據(jù)和理論數(shù)據(jù)，考慮到理論計算的誤差，留20%的裕度。當超過理論計算值20%時，系統(tǒng)預警。當超過電纜所能承受力90%時，發(fā)出報警信息，避免電纜拉傷。

圖3 電纜敷設受力狀態(tài)診斷流程圖

5 結(jié)語

(1)根據(jù)GB 50168—2006《電氣裝置安裝工程_電纜線路施工及驗收規(guī)范》，結(jié)合電纜管道敷設路徑，利用計算公式對電纜敷設過程中受力狀態(tài)進行核算，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)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對電纜敷設過程中牽引力的監(jiān)測，測量范圍0～100 kV，測量精度0.1 kV，滿足牽引力監(jiān)測要求。

(3)通過對牽引力計算值和測量值的對比分析，及時對電纜敷設過程中牽引力異常狀態(tài)做出預警，避免牽引力過大導致電纜受損。