淺談多功能模塊化的電纜支架的研制和開(kāi)發(fā)

周磊

（國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓(xùn)中心，江蘇 蘇州 215000）

電纜接頭的制作為新投運(yùn)電纜線路施工或者電纜線路檢修中最常見(jiàn)的工作，因?yàn)殡娎|線路敷設(shè)方式大部分都是直埋、槽盒、電纜溝等，限制了工位，而且大部分電纜直接和大地接觸，在電纜接頭制作過(guò)程中出現(xiàn)難站位、難支撐、質(zhì)量低、慢速等問(wèn)題，導(dǎo)致檢修與施工過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，從而對(duì)電纜接頭制作工藝造成影響。

1 新型電纜支架的功能和使用

針對(duì)傳統(tǒng)電纜接頭的制作方式，存在多種問(wèn)題，比如，耗時(shí)長(zhǎng)、人員操作不方便、效率低等。所以，要設(shè)計(jì)針對(duì)性應(yīng)用產(chǎn)品，添加多種裝置使其具備多用途功能。本項(xiàng)目需開(kāi)發(fā)一移動(dòng)支架工具，以期望能夠針對(duì)性解決電纜支撐、固定難題。同時(shí)，能夠引入教學(xué)指導(dǎo)系統(tǒng)，能夠讓使用者快速查找、引出中壓電力電纜附件制作工要求。方便在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)或日常練習(xí)使用中使用中，進(jìn)行作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)度對(duì)比。方案設(shè)計(jì)包括：

（1）設(shè)計(jì)電纜固定裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)須更換抱箍而固定各種截面電纜，便于快速對(duì)培訓(xùn)用電纜安裝固定。（2）設(shè)計(jì)支架垂直面旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，能將面向地面的電纜轉(zhuǎn)動(dòng)到側(cè)面，實(shí)現(xiàn)全方位作業(yè)。（3）設(shè)計(jì)支架高度調(diào)節(jié)模塊，可自由調(diào)整高度。（4）應(yīng)具備可移動(dòng)式設(shè)計(jì)，便于推拉移動(dòng)，更改工位布置。（5）制定支架移動(dòng)式固定方案，固定方式方便單人操作，與地面連接牢靠。（6）設(shè)計(jì)附件安裝場(chǎng)景模塊，可模擬環(huán)網(wǎng)柜、分支箱安裝場(chǎng)景。（7）在進(jìn)行大截面電纜附件制作培訓(xùn)時(shí)，支架具備拼接功能，保證附件制作進(jìn)行。（8）制定培訓(xùn)、評(píng)價(jià)、競(jìng)賽等多場(chǎng)景應(yīng)用方案。（9）支架材料輕量化設(shè)計(jì)，機(jī)械強(qiáng)度符合要求，各部件模塊化設(shè)計(jì)，適應(yīng)不同培訓(xùn)需求，模塊便于組裝（1人即可完成），同時(shí)，應(yīng)具備預(yù)留設(shè)計(jì)，能夠添加后續(xù)設(shè)計(jì)、部件、功能模塊。

2 不同電纜支架的優(yōu)缺點(diǎn)

2.1 角鋼電纜支架

角鋼電纜支架取材比較方便，成本低，并且承載力比較大，被廣泛應(yīng)用到變電站中。在電纜溝壁預(yù)埋兩條5～60mm扁鋼；扁鋼每隔500mm焊接尾部帶鉤的鋼筋，在電纜溝壁嵌入起固定作用；鍍鋅角鋼支架和預(yù)埋在溝壁中的扁鋼焊接，使用爆炸螺絲在電纜溝壁固定。

角鋼電纜支架的成本比較低，就要有良好的經(jīng)濟(jì)性；利用膨脹螺栓在溝壁固定，并且和預(yù)埋扁鋼焊接，穩(wěn)定可靠。缺點(diǎn)是要對(duì)焊接部位防腐，假如防腐不到位，會(huì)出現(xiàn)腐蝕。

2.2 圓鋼電纜支架

此支架制作比較簡(jiǎn)單，安裝方法為：使直徑16mm的鍍鋅圓鋼根據(jù)圖紙做成U型結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)要求在電纜溝壁預(yù)埋。此支架的優(yōu)點(diǎn)為制作簡(jiǎn)單，圓鋼直徑為16mm，使用直接預(yù)埋方式承載力大；鍍鋅圓鋼防腐能力良好，能夠預(yù)埋在溝壁并且不需要維護(hù)，使用年限比較久。缺點(diǎn)為支架安裝不整齊，美觀性比較差。

2.3 鋁合金電纜支架

鋁合金電纜支架主要特點(diǎn)為難銹蝕，備受使用者喜歡，安裝方法為：使鋁合金托臂利用不銹鋼螺栓在立柱中固定，使鋁合金立柱通過(guò)爆炸螺絲固定在電纜溝壁中。主要優(yōu)點(diǎn)就是具有良好耐腐蝕性，并且安裝維護(hù)比較方便，承載力比較大；缺點(diǎn)為價(jià)格高，經(jīng)濟(jì)性差。

2.4 復(fù)合材料電纜支架

目前，使用高分子負(fù)荷材料電纜支架都是使用SMC復(fù)合材料支架，其屬于固性熱負(fù)荷材料，其是通過(guò)樹(shù)脂糊浸漬玻璃纖維制作的片狀模塑料。對(duì)比同金屬材質(zhì)支架，重量比較輕、電絕緣、耐腐蝕，備受重視。但是，因?yàn)镾MC復(fù)合材料強(qiáng)度來(lái)源于合成樹(shù)脂粘結(jié)力，對(duì)工廠生產(chǎn)工藝依賴性比較強(qiáng)，所以在使用過(guò)程中存在剛度與強(qiáng)度低、長(zhǎng)期耐溫性差、熱膨脹系數(shù)大等缺點(diǎn)，支架出現(xiàn)裂紋后容易斷裂。

3 新型電纜支架的研制

3.1 支架的開(kāi)發(fā)

電纜支架使用樹(shù)脂基復(fù)合材料也稱為纖維增強(qiáng)塑料，為目前技術(shù)比較成熟并且使用比較廣泛的復(fù)合材料。利用短切或者連續(xù)纖維、織物增強(qiáng)熱塑性樹(shù)脂基體與熱固性基體復(fù)合構(gòu)成。常見(jiàn)的為玻璃纖維作為增強(qiáng)體的樹(shù)脂基復(fù)合材料，也稱為玻璃鋼。復(fù)合材料為新型結(jié)構(gòu)物，保證組分材料自身原本優(yōu)良性能，還能夠彼此補(bǔ)償，對(duì)特殊性能進(jìn)行改善。其根本特性就是可設(shè)計(jì)性，利用改變組分材料比例與品種，得出各個(gè)材料組分優(yōu)良性能組合，比如，防腐、高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐磨、絕緣等。

3.2 支架的類型

根據(jù)支架適用場(chǎng)所和裝配方式，支架類型主要包括整體型與分體型兩種。分體型支架通過(guò)多個(gè)部件構(gòu)成，部件之間利用卡槽或者連接件方式進(jìn)行連接，一般使用拉擠工藝。就是在加熱條件下將浸漬樹(shù)脂的連續(xù)長(zhǎng)纖維，通過(guò)模具連續(xù)拉擠型材，以需求切割和組裝，主要特點(diǎn)就是運(yùn)輸與安裝方便，標(biāo)準(zhǔn)化比較高，但是形狀單一。圖1為卡槽式分體型復(fù)合材料支架，能夠靈活調(diào)整托臂數(shù)量與高度，部分相互使用，能夠在矩形安裝斷面中使用。

圖1 卡槽式分體型復(fù)合材料支架

整體型支架各部件固化成為一體，大部分使用壓模工藝。將樹(shù)脂、玻璃纖維、各種添加劑等混合物放到模具中，通過(guò)加熱、加壓后固化成型。以不同使用需求，使模具設(shè)計(jì)成為不同形狀。尤其是一次成型，同一型號(hào)具有較高的強(qiáng)度，但是，工藝比較復(fù)雜。除了適用于標(biāo)準(zhǔn)型支架外，還能夠在各種異型支架中使用。

3.3 支架的構(gòu)成部件

研制多功能模塊化電纜支架調(diào)用自撐式組合電纜支架，主要包括頂管、支撐座、立支架、下沉式連體品字形線夾、品字形線夾、層架抱箍、電纜層架、螺栓等配件。兩個(gè)支撐座對(duì)稱布置，在箱體內(nèi)底角固定，立支架放置到支撐座定位凸臺(tái)中；立支架和頂管利用調(diào)節(jié)塊通過(guò)螺栓連接擰緊方式使立體支架鎖緊隧道箱體兩側(cè)，貼緊箱體墻壁。電纜層架和層架抱箍利用螺栓在立支架中固定，兩個(gè)拉桿利用拉桿調(diào)節(jié)栓在立支架中固定。

3.4 支架的布置和固定

隧道斷面為2.4m×2.4m，為了保證在隧道中設(shè)置通風(fēng)與照明設(shè)施，對(duì)運(yùn)維人員工作環(huán)境進(jìn)行改善，要求空間過(guò)道大于0.85m，在布置支架過(guò)程中要充分考慮通風(fēng)設(shè)施、照明設(shè)施的敷設(shè)等因素。在水平敷設(shè)過(guò)程中，為了避免電纜沿線熱脹冷縮蠕形變位，兩個(gè)支架間距小于3m，電纜接頭位置設(shè)置連續(xù)固定，對(duì)軸向力危害進(jìn)行抑制。在斜坡敷設(shè)時(shí)，斜坡高位在兩處剛性固定處設(shè)置，支架間距小于2.5m。電纜利用轉(zhuǎn)彎處、端部井、投料井設(shè)置電纜過(guò)渡支撐架，使電纜彎曲半徑需求得到滿足。

因?yàn)樗淼酪话愣际撬囝A(yù)制件型，為了保證電纜支架在安裝后的隧道結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不會(huì)受到影響，在隧道電纜支架固定過(guò)程中避免使用膨脹式螺栓等有損隧道強(qiáng)度方式，可以使用高強(qiáng)鋁合金和不銹鋼可調(diào)型自撐式組合支架，設(shè)置電纜支架高度可調(diào)范圍為-100～200mm。為了滿足蛇形敷設(shè)和斜坡敷設(shè)的需求，要求電纜臂式支架可旋轉(zhuǎn)0～20°。

3.5 電纜抱箍

使用高強(qiáng)度鋁合金制作電纜抱箍，使用不銹鋼螺栓在電纜臂式支架中固定，螺栓強(qiáng)度滿足線路短路電動(dòng)力條件需求。抱箍和電纜接觸面要求光滑無(wú)刺，抱箍出口設(shè)置弧度，避免增加電纜局部應(yīng)力。在環(huán)境溫度改變的過(guò)程中，電纜自身長(zhǎng)度會(huì)出現(xiàn)熱脹冷縮的情況。因?yàn)殡娎|自身存在剛性，所以在受熱受冷的時(shí)候末端會(huì)累計(jì)熱機(jī)械力。假如此熱機(jī)械力無(wú)法釋放，電纜出現(xiàn)移位和起拱等情況，嚴(yán)重的時(shí)候電纜局部部位彎曲度超過(guò)允許最大彎曲半徑，長(zhǎng)期運(yùn)行導(dǎo)致電纜金屬護(hù)套出現(xiàn)損壞，無(wú)法實(shí)現(xiàn)阻水效果，對(duì)電纜壽命造成影響。根據(jù)全波形垂直方向蛇形敷設(shè)電纜的時(shí)候，220kV電壓等級(jí)2500mm2截面電纜在現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中，因?yàn)楹椭Ъ芙嵌冗^(guò)大，無(wú)法精準(zhǔn)調(diào)整到同個(gè)角度，所以無(wú)法固定支架橫檔，無(wú)法在全波形垂直方向蛇形敷設(shè)6m波長(zhǎng)。假如電纜使用半波長(zhǎng)垂直蛇形敷設(shè)，降低施工難度，并且保證蛇形裕度。

以蛇形敷設(shè)具體需求，對(duì)支架位置進(jìn)行調(diào)整，之后在最上層支架電纜中敷設(shè)，在下層預(yù)留回路。在電纜敷設(shè)過(guò)程中，牽引頭放置到手推平板車中，以輸送機(jī)推進(jìn)速度根據(jù)人力牽引超前行進(jìn)。將橡膠墊襯放置到電纜夾具中，避免電纜刮傷。電纜從牽引頭一端上支架，以蛇形敷設(shè)增加長(zhǎng)度配合輸送機(jī)輸送電纜，使蛇形需求得到滿足。

3.6 主要性能分析

（1）剛度。支架剛度通過(guò)增強(qiáng)材料取向、組分材料性質(zhì)與占據(jù)體積分?jǐn)?shù)所決定，對(duì)比鋼材，能夠降低彈性模量。大尺寸產(chǎn)品的剛度比較小、容易變形，要加強(qiáng)措施。但是，針對(duì)荷載輕、尺寸小的電纜支架，剛度需求無(wú)法滿足；（2）層間性能。復(fù)合材料層間剪切強(qiáng)度與拉伸強(qiáng)度比較低，比如樹(shù)脂強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，避免使用低層間強(qiáng)度；（3）強(qiáng)度。增強(qiáng)體長(zhǎng)度、含量和敷設(shè)方式與復(fù)合材料強(qiáng)度具有密切關(guān)系，利用合理設(shè)計(jì)能夠使復(fù)合材料強(qiáng)度滿足30～1000MPa需求。另外，樹(shù)脂和玻璃纖維物理性能能夠使復(fù)合材料電纜支架具備良好絕緣性，還具備耐油、耐水、耐酸堿等非金屬特性。

4 支架的安裝步驟和順序

在隧道完工后，要清理隧道，測(cè)量放線隧道每環(huán)管片垂直中心線，利用垂直中心線對(duì)鋼環(huán)片接頭位置進(jìn)行定位，打墨線標(biāo)志。以測(cè)量標(biāo)志從上到小安裝內(nèi)支架鋼環(huán)片，先安裝A型鋼環(huán)片，使用螺栓定板對(duì)A型鋼環(huán)片進(jìn)行固定；之后安裝B型鋼環(huán)片，利用扣件鎖住B型鋼環(huán)片，并且安裝鋼環(huán)片連接件，將兩個(gè)A型鋼環(huán)片和B型鋼環(huán)片構(gòu)成內(nèi)支架鋼環(huán)片。

隧道垂直中心線定位精度對(duì)于鋼立柱安裝精度尤為重要，在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)只是測(cè)量隧道中心線，安裝部分立柱歪斜，會(huì)對(duì)下一步安裝造成影響。除了放線定位，安裝立柱后對(duì)立柱垂直偏差進(jìn)行測(cè)量校正。安裝立柱后，要對(duì)立柱和鋼環(huán)片橫梁進(jìn)行安裝，橫梁連接螺栓垂直與鋼環(huán)片連接件和立柱連接件。要求每個(gè)橫梁保持水平，沒(méi)有明顯的傾斜和扭曲；對(duì)隧道底部混凝土平臺(tái)澆筑，將錨入混凝土內(nèi)支架鋼環(huán)片與立柱連接件嵌固，使內(nèi)支架鋼環(huán)片整體鋼度得到加強(qiáng)。在混凝土平臺(tái)澆筑前做好坡度定位放線工作，根據(jù)設(shè)計(jì)圖實(shí)現(xiàn)隧道縱坡與橫斷面斜坡精確方面，在混凝土澆筑過(guò)程中關(guān)注結(jié)構(gòu)找坡工作。立柱底部預(yù)埋螺栓在混凝土中直接錨入，對(duì)預(yù)埋精度進(jìn)行檢查。

在電纜支架安裝過(guò)程中，需要注意的問(wèn)題包括：（1）在開(kāi)始過(guò)程中施工隊(duì)忽視測(cè)量放線工作，導(dǎo)致出現(xiàn)測(cè)量誤差累計(jì)。在鋼環(huán)片安裝后，發(fā)現(xiàn)無(wú)法安裝連接梁和立柱。總結(jié)教訓(xùn)后，加強(qiáng)隧道AB鋼環(huán)片接頭和垂直中心線位置精確放線之后施工。（2）在圖紙中實(shí)現(xiàn)橫梁長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為等寬尺寸，實(shí)際隧道管片拼裝使用楔形環(huán)。楔形環(huán)最大和最小寬度的差為41mm。K塊位置不同，所以管片也有不同的寬度，無(wú)法按圖施工。所以，工程技術(shù)要對(duì)隧道相鄰環(huán)管片預(yù)埋螺栓孔中心線距離進(jìn)行測(cè)量，實(shí)際測(cè)量確定每根環(huán)梁的尺寸。（3）工程鋼環(huán)片支架單體100斤，一塊預(yù)制板600斤。受到空間限制，無(wú)法使用機(jī)械對(duì)隧道材料進(jìn)行運(yùn)輸，工程隧道長(zhǎng)度為1.2km，材料人工運(yùn)輸比較麻煩。為了使施工人員體力勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低，充分使用500m過(guò)井設(shè)計(jì)，預(yù)制混凝土和鋼環(huán)片通過(guò)兩個(gè)井口對(duì)隧道中間運(yùn)輸推進(jìn)。

5 結(jié)語(yǔ)

復(fù)合材料的機(jī)械性能比較強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、耐腐蝕等，逐漸替代木材、金屬等傳統(tǒng)材料，在通信、電子、航天、核能等高新科技產(chǎn)業(yè)中使用，逐漸成為新世紀(jì)不可或缺的可持續(xù)發(fā)展高新技術(shù)材料。本文所設(shè)計(jì)的電纜支架技術(shù)先進(jìn)，具有較高的綜合效益，能夠在腐蝕性運(yùn)行環(huán)境中使用，使用前景廣闊。