高压电力电缆输送能力的计算研究

王凯

国网山西省电力公司太原供电公司山西太原030024

摘要：近年来，我国的电力行业有了很大进展，电力电缆在电网中的应用比重与日俱增，准确计算电缆温度场、确定电缆的输送能力对工程应用有着至关重要的影响。实际电缆的负荷情况和运行环境都是十分复杂的，在运输和敷设的过程中，还会遇到金属护套变形的问题，特别是外力因素作用造成电缆的金属护套发生永久性变形凹陷，会对电缆运行造成不良影响。为了在特定工况准确而效率地计算电缆输送能力，挖掘电缆潜在传输能力及保障安全运行，本论文结合有限元数值方法、解析计算法和电缆试验对电力电缆不同运行状态下的输送能力进行了计算分析，对电力电缆的安全经济运行有非常积极的意义。

关键词：电力电缆;有限元分析;解析计算;载流量;金属护套变形;试验

引言

电缆输送机作为高压大截面电缆敷设时的一种电动机械，可与电缆牵引机和其他电缆敷设机具配套使用，达到施工方便、快捷，节省人力物力的效果，从而有效地降低了施工成本，很好地控制了高压大截面电缆敷设的工艺质量。

1传统电缆输送机的组成及原理

电动机驱动的对置履带结构电缆输送机是当前电缆输送机应用的基本形态。就常规电缆输送机而言，电缆敷设机、单台控制箱、滑轮、导向滑轮和电气总控制箱等都是其重要的组成内容。实践过程中，针对大截面电缆敷设或多层桥架电缆敷设等施工内容，电力输送机是主要的动力设施。

2电缆输送机长距离敷设电缆问题

（1）因电源线路远近不同产生电压降造成各台电动机运转不同步，导致作业中的各台输送机不能一起同力做功，受力最大的输送机最先发生故障停运，此后形成连锁反应，次受力的输送机变成受力最大的输送机再次发生故障停运，最终因多台输送机连续发生故障停运，导致电缆敷设作业因输送力不能满足电缆敷设要求而停止。此情况不但容易造成电缆输送机电动机负载过大而损坏，还可能造成被敷设电缆的外护套发生磨损损伤。（2）因电缆敷设作业过程中各电缆输送机电源电压不稳，各电缆输送机运转不同步等问题，导致作业中的各台输送机受力不均，输送机传动齿轮（合金铝材料）发生磨损，齿轮在磨损过程中发热，同时发热又加速了齿轮的磨损及变形，有些齿轮的轮齿甚至会磨损殆尽（如图3所示），这一系列连锁反应加剧了输送机受力不均和运转不同步，最终导致输送机传动齿轮（合金铝材料）报废，输送机发生故障停运。电缆输送机单机是由2套电机及传动齿轮在两侧对称布置的，若其中一侧齿轮损坏将导致对侧齿轮受力过大而发生磨损甚至损坏。因此，在发生齿轮磨损报废情况时往往需要同时更换电缆输送机两侧的传动齿轮，只有这样才能恢复其使用功能。（3）因电缆敷设作业过程中各台电缆输送机运转不同步等诸多问题，导致作业过程中的输送机受力不均，造成电缆输送机橡胶条磨损加快。同时调查还发现，目前我们所使用的电缆输送机组电源采用380V三相交流电源，且电缆输送机本身未设计接地系统，并且施工过程中经常会遇到潮湿、有积水的施工环境，虽然我们采用三相五线制接线方式，但防触电问题依然处于被动局面。因此，改善电缆输送机组中各作业机具安全接地问题也极为重要。

3电缆敷设施工

作为电缆输送机工程应用的核心内容，电缆敷设施工对电力工程的建设质量具有重大影响。实践过程中，敷设施工过程应具体把控以下内容。第一，在合理摆放电缆输送机、控制箱和电机的基础上，连接控制箱电缆，并保证电缆与热力管道、热力设施的距离保持在2m以上。此外，对于途经马路及可能存在机械伤害的地段，应对电缆进行套管保护，严禁使用钢丝绑扎电缆。第二，确保输送机通电运行盘车的灵活、便捷，同时严格规范主控制箱和分控制箱的操作。第三，在各部位轮滑摆放完毕、固定牢靠的基础上，进行人机协调施工，确保电缆松弛和牵引机工作协调。第四，电缆敷设过程中，机器前后1m均设置滑轮，确保电缆能够平稳、有效进入输送机和牵引机。第五，具体敷设过程中，施工人员应规范检查滑轮传动装置、电缆槽或支架、转角滑轮组、导向滑轮组和平滑轮传动装置。第六，注重电缆输送机的运行保护。一般情况下，每运行10h，施工人员应进行散热，添加机械润滑油，确保设备保养合理。第七，为保证工程的建设质量，电缆敷设完成后，电力施工人员应将其移动到沟槽内部或桥架平台，确保敷设电缆摆放整齐，规范绑扎桥架电缆。

4传热方式

（1）热传导:对于任何气体、液体或固体都是由各种粒子组成的，物质的内能都与这些基本粒子的运动有着紧密的联系。一个或多个物体直接接触时，组成这些物体的粒子有着不同的能级，从而引起的能量传递，也就是热量从温度较高的部分沿着物体传到温度较低的部分，即热传导。由总结热传导规律所得的Fourier定律可知，当温度分布依赖于一个空间坐标时，任取在x方向上的厚度增量为dx，区域内存在以下关系:

式中λ一热导率，W/（m2.k）少一单位时间内通过给定面积A的热量，WDt/dx沿规定方向的温度变化率定义正方向为热量流出的方向，该式中代表物体温度由低变高的变化趋势，表达式前应添加负号。导热系数是作为传热学中一个关键的参数，可以表示为一个矢量模，即数值上等于在单位温度梯度作用下物体内的热流密度，可以通过Fourier定理的数学方程给出相应的表达式:

式中q一沿x方向传递的热流密度，W/m2n一方向的单位法向量导热系数用于稳定传热条件下反应物质外表面传递热量的情况，属于物体的热力学参数。该参数的大小不仅与材料性质有关，还受湿度、温度和压力等环境条件的影响。导热系数一般由试验测得。一般情况下，为简化求解过程，假定导热系数为不随时间变化的常数。(2)热对流:能量通过液体或气体的流动，由一处空间传播到另一处的现象。其计算公式为:

式中h一换热系数，W/(mz}K)dt固体壁面温度与流体温度之间的温差，0C其计算方法为:

其中Gr,Pr、Nu、一葛拉晓夫数、普朗克数及努赛尔数β一体积膨胀系数，m2/sg-重力加速度，m/s2Z‘-对流换热的特征长度，mY运动粘度，m2/sc,n一系数(3)热辐射:物体由于自身温度而辐射电磁波的现象。空间中的物质时刻向周围其他物体辐射能量，同时也不断吸收周围的物体发出的热辐射。热辐射虽然作为传热的三大方式之一，但是与其他两种传热方式不同，热辐射是以电磁波发出能量，而不依靠媒质传递。热辐射的特点是辐射强度与物质温度正相关。当某个空间内的各物质之间到达热稳定平衡时，该时刻的辐射换热的能量为零，此时为一个动态平衡的状态，辐射与吸收的过程依旧存在并不断进行。

结束语

综上所述，本文就电力电缆金属护套凹陷对电缆输送能力的影响问题进行了定量分析，对于外力受损电缆，若由于外力作用造成的金属护套凹陷程度大于电缆载流量运行时护套与绝缘屏蔽层间的气隙值，则此处需替换电缆接头。若凹陷程度小于无负荷情况下护套与绝缘屏蔽层间的气隙值，则说明该电缆可以安全运行。若凹陷程度，在上述两种情况之间，这需要结合该线路日常负荷情况，对电缆的输送能力进行控制，以保障电缆安全运行。

参考文献

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