电缆敷设牵引力状态评估方法研究

蒋 谦，黄志豪，陈 炯

(1. 华东送变电工程有限公司，上海 201803；2.上海电力大学，上海 200093)

电缆管道敷设是一种将电缆敷设于预先建好的地下管道中的安装方式。在电缆敷设过程中，因电缆管道变形或弯曲半径过小，导致电缆敷设过程中受力过大而受伤，如电缆护套挤扁、电缆绝缘受伤等，造成电缆寿命下降[1-2]。由此可见，实施对电缆敷设过程中受力状态监测对于确保电缆安全敷设具有重要意义。

基于电缆敷设过程中管道状态无法检测的状态，本文提出一种电缆敷设牵引力状态的评估方法，达到提高电缆敷设质量的目的。

1 电缆敷设牵引力计算原理

通过对GB 50217—1994《电力工程电缆设计规范》和《电力电缆运行规程》等规范的分析可知，电缆敷设过程中牵引力和侧压力受管道形状和管道条件的制约[3-4]。在电力电缆敷设施工中，牵引力是指作用在电缆被牵引方向上的拉力，其大小决定了电缆敷设施工方案。如采用牵引端时，牵引力主要作用在电缆导体上，部分作用在电缆金属护套和电缆铠装上。沿垂直方向敷设电缆时，如竖井和水底电缆敷设，牵引力主要作用在铠装上。敷设电缆时作用在电缆上的牵引力应根据敷设路径分段进行计算，总牵引力等于各段牵引力之和。

几种典型的敷设路径有水平直线敷设、斜坡直线敷设和水平转弯敷设等。

水平直线敷设：

T=μWL

(1)

倾斜直线敷设：

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

(2)

水平弯曲敷设：

布勒公式：

(3)

李芬堡公式：

(4)

简易公式：

T2=T1eμ θ

(5)

式中T——牵引力，N；T1——弯曲前的牵引力，N；T2——弯曲后的牵引力，N；μ——摩擦系数；W——电缆单位重量，(N/m)；L——电缆长度，m；R——电缆的弯曲半径，m；θ1——电缆作直线倾斜牵引时的倾斜角，(°)；θ——弯曲部分的圆心角，(°)。

电缆管道路径示意图如图1所示。基于电缆牵引力的计算公式，以图1为电缆管道路径为例对电缆敷设的牵引力进行计算，A点为电缆盘，F点为敷设终点，具体的电缆受力计算如下。

图1 电缆管道路径示意图

L1段电缆为从电缆盘1处引出，根据牵引力计算的基本原则，电缆盘孔和轴的摩擦力可折算成所敷设电缆15 m左右长度的重力计算，可得对于L1段电缆的牵引力：

T1=15Wg+μL1Wg

(6)

L2段电缆的牵引力：

T2=T1eμ θ

(7)

L3段电缆的牵引力：

T3=μL3Wg

(8)

L4段电缆牵引力：

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T4=WL4(μcosθ+sinθ)

(9)

T5段电缆牵引力：

T5=μL5Wg

(10)

由此可见，整个电缆敷设过程中，牵引力：

T=T2+T3+T4+T5

(11)

L2段电缆的侧压力：

F=T2/R

(12)

2 拉力测试模块设计

拉力传感器根据力作用下变化量的不同分为电阻应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等[3-5]。为了实现对电缆敷设过程中牵引力的测量，本文设计了基于压阻式压力传感器的牵引力监测模块。通常是将应变片通过特殊的粘合剂紧密地粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的电阻发生改变，导致加在电阻上的电压发生变化，从而实现对压力的测量。

金属导体的电阻值可表示：

(13)

式中ρ——金属导体的电阻率，(Ω·cm2·m-1)；S——导体的截面积，cm2；L——导体的长度，m。

当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值便会增加。当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小而截面增加，电阻值则会减小。

系统利用分压器原理对应变片的电阻进行测量，结合电阻和拉力的关系实现对电缆敷设过程中牵引力的测量，整个系统的结构示意图如图1所示。

图1 牵引力监测结构及实物图

3 复合缆的设计

根据需要上传的拉力数据和图像，同时满足电缆敷设过程中牵引强度，系统采用高强度钢丝复合缆，实现对系统牵引过程供电及数据上传。凯夫拉复合电缆的结构示意图如图2所示。为了防止供电线缆和光纤在施工过程中受损，将光纤和线缆放置在中间，外围采用高强度钢丝承受电缆敷设牵引力。

图2 凯夫拉复合电缆的结构示意图

4 电缆牵引力诊断方法

基于电缆敷设受力分析和实际牵引力的监测，对电缆敷设过程中受力状态的诊断方法进行设计，其诊断流程如图3所示。由图3可知，整个受力状态的诊断流程具体如下。

第一步：根据电缆敷设路径，结合电缆参数(自重、管道摩擦系数等)，分析电缆敷设过程中受力的状态，评估电缆受力是否超过电缆最大承受力。

第二步：利用电缆敷设牵引力监测系统对电缆敷设过程中受力状态进行监测，记录每个位置点的受力数据。

第三步：对比测量数据和理论数据，考虑到理论计算的误差，留20%的裕度。当超过理论计算值20%时，系统预警。当超过电缆所能承受力90%时，发出报警信息，避免电缆拉伤。

图3 电缆敷设受力状态诊断流程图

5 结语

(1)根据GB 50168—2006《电气装置安装工程_电缆线路施工及验收规范》，结合电缆管道敷设路径，利用计算公式对电缆敷设过程中受力状态进行核算，初步分析受力是否合格。

(2)基于拉力传感器制成的牵引力监测系统可实现对电缆敷设过程中牵引力的监测，测量范围0～100 kV，测量精度0.1 kV，满足牵引力监测要求。

(3)通过对牵引力计算值和测量值的对比分析，及时对电缆敷设过程中牵引力异常状态做出预警，避免牵引力过大导致电缆受损。