一种电缆线路钢支架选型方法技术

一种电缆线路钢支架选型方法，针对电缆线路常用的三种型式钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，根据电缆隧道中电缆线路三维模型，通过有限元法进行电磁场计算，得到钢支架上的涡流损耗，再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算，得到钢支架上的温度变化，考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤，计算出钢支架的疲劳寿命。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本，使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限，针对某条实际电缆线路的具体情况，将各个参数值代入模型进行计算，可得到整条线路分别采用三种不同型式钢支架的全寿命周期成本，以费用最低为选型依据，最终确定该条线路应选用的钢支架型式，为电缆线路的支架设计选型提供一种全新的思路和理论依据。

Selection method of steel bracket for cable line

According to the three-dimensional model of cable line in cable tunnel, the eddy current loss on the steel support is calculated by finite element method. Then the eddy current loss on the steel support is obtained by electromagnetic field and flow field. Coupled numerical calculation of temperature field, the temperature change on the steel bracket is obtained, and the fatigue life of the steel bracket is calculated considering the fatigue damage caused by cyclic thermal stress. The life cycle cost model of cable steel support is established. The parameters in the model include eddy current loss calculated by electromagnetic field as operation cost, fatigue life obtained by thermal fatigue analysis, and each parameter value is substituted into the model to calculate the actual situation of a cable line. The life cycle cost of three different types of steel brackets for the whole line can be obtained, and the lowest cost is taken as the basis for selecting the type of steel bracket. Finally, the type of steel bracket that should be selected for the line can be determined, which provides a new idea and theoretical basis for the design and selection of the cable line's bracket.

【技术实现步骤摘要】
一种电缆线路钢支架选型方法
本专利技术一种电缆线路钢支架选型方法，涉及输电线路工程及机械疲劳寿命研究领域。
技术介绍
近年来，由于电力电缆系统满足资源节约、环境友好的需求，使得电力电缆输电系统大力发展。为了实现更大的输电容量和更远的输送距离，人们不断提高电缆线路的电压等级，同时为了增强电缆系统的安全性、稳定性，降低电缆生产、安装及运行维护成本，电缆及其支架技术不断改进。目前在电缆隧道中，电缆线路使用较多钢材料制作的支架，从钢材的结构形式上又分为角钢、槽钢、方钢等几种类型。然而，虽然钢材较为廉价，但是其材料电阻率与相对磁导率较高，在大电流的作用下，支架涡流损耗不能忽略，且由此引起的电缆支架长期发热也会对其使用寿命有一定影响。目前针对电缆钢支架的研究，主要是计算其涡流损耗的大小及影响因素。然而，钢支架的涡流损耗只是提高了电缆线路的运行成本，由涡流损耗引发的支架发热问题，以及随着负荷变化而变化的电缆电流会导致支架温度循环变化，由此引起的热应力会造成钢支架的疲劳损伤，影响其使用寿命。因此，在电缆线路设计阶段，对于钢支架的选型需要全面考虑这些因素的影响，才能较为准确的进行选型设计。
技术实现思路
针对上述现有研究的不足，本专利技术提供一种电缆线路钢支架选型方法，对电缆隧道中电缆线路进行电磁场、流场、温度场有限元数值计算，得到钢支架上感应涡流的损耗，得到钢支架的温度变化及由此引起的循环变化的热应力，根据热疲劳分析计算得到钢支架的疲劳寿命年限。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括电磁场计算得到的钢支架涡流损耗作为的运行成本，全寿命周期取热疲劳寿命年限。针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，将涡流损耗带来的运行成本提高、热疲劳造成的疲劳寿命降低从而改变全寿命周期使用年限作为影响因素，进行全寿命周期成本评估，为电缆线路支架的选型提供理论依据。本专利技术采取的技术方案为：一种电缆线路钢支架选型方法，针对电缆线路常用的三种型式钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，根据电缆隧道中电缆线路三维模型，通过有限元法进行电磁场计算，得到钢支架上的涡流损耗，再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算，得到钢支架上的温度变化，考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤，计算出钢支架的疲劳寿命。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本，使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限，针对某条实际电缆线路的具体情况，将各个参数值代入模型进行计算，可得到整条线路分别采用三种不同型式钢支架的全寿命周期成本，以费用最低为选型依据，最终确定该条线路应选用的钢支架型式。一种电缆线路钢支架选型方法，包括以下步骤：1)、分别建立三种型式钢支架的电缆线路三维模型，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，都进行电磁场、流场、温度场有限元数值计算，得到各种型式钢支架上感应涡流的功率损耗，得到钢支架的温度变化及由此引起的循环变化的热应力，根据热疲劳分析计算得到三种钢支架各自的疲劳寿命年限；2)、建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括电磁场计算得到的钢支架涡流损耗作为的运行成本，全寿命周期取热疲劳寿命年限；3)、针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别对三种型式钢支架，将涡流损耗带来的运行成本提高、热疲劳造成的疲劳寿命降低从而改变全寿命周期使用年限作为影响因素，进行全寿命周期成本评估，以全寿命周期成本最低为选型依据，最终确定该条电缆线路应采用的钢支架型式。本专利技术一种电缆线路钢支架选型方法，优点在于：1)、支架的设计与经济费用是电缆线路在设计时不能忽视的重要组成部分，然而目前电力行业缺乏关于电缆支架现行的设计标准和规范，不同材料制作的支架运行成本、运维过程往往存在较大差异。本方法针对三种型式的钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，考虑钢支架上感应的涡流损耗带来的线路损耗成本提高，温度变化引起的热应力循环往复作用在钢支架上，引起支架的热疲劳损伤从而影响疲劳寿命，将这些因素结合起来应用全寿命周期成本理论对电缆线路经济性进行评估，为电缆线路的支架设计选型提供一种全新的思路和理论依据。2)、建立三维电缆隧道及电缆线路模型，采用有限元法进行电磁场、流场、温度场计算，根据实际运行工频电流进行加载计算，计算结果与实际结果更为接近。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明：图1为三相电缆和钢支架的三维模型图。图2为图1所述三维模型的有限元模型图。图3为1500A工频电流时的支架上电流密度分布图。图4为单个钢支架上涡流损耗计算界面图。图5为有限元法进行流场与温度场直接耦合计算的钢支架上温度分布图。图6为1500A工频电流时的热应力分布图。图7为热疲劳寿命计算结果图；其中：A处为疲劳损伤最严重的部位。图8(a)为槽钢支架结构示意图。图8(b)为方钢支架结构示意图。具体实施方式一种电缆线路钢支架选型方法，针对电缆线路常用的三种型式钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，根据电缆隧道中电缆线路三维模型，通过有限元法进行电磁场计算，得到钢支架上的涡流损耗，再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算，得到钢支架上的温度变化，考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤，计算出钢支架的疲劳寿命。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本，使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限，针对某条实际电缆线路的具体情况，将各个参数值代入模型进行计算，可得到整条线路分别采用三种不同型式钢支架的全寿命周期成本，以费用最低为选型依据，最终确定该条线路应选用的钢支架型式。具体包括以下步骤：1)、分别建立三种型式钢支架的电缆线路三维模型，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，都进行电磁场、流场、温度场有限元数值计算，得到各种型式钢支架上感应涡流的功率损耗，得到钢支架的温度变化及由此引起的循环变化的热应力，根据热疲劳分析计算得到三种钢支架各自的疲劳寿命年限；2)、建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括电磁场计算得到的钢支架涡流损耗作为的运行成本，全寿命周期取热疲劳寿命年限；3)、针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别对三种型式钢支架，将涡流损耗带来的运行成本提高、热疲劳造成的疲劳寿命降低从而改变全寿命周期使用年限作为影响因素，进行全寿命周期成本评估，以全寿命周期成本最低为选型依据，最终确定该条电缆线路应采用的钢支架型式。一种电缆线路钢支架选型方法，包括以下步骤：步骤1)：根据电缆隧道中电缆实际敷设情况，建立电缆隧道中一段电缆和1个钢支架的三维模型，其中包括电缆隧道四周围墙面、电缆、电缆钢支架、空气，三种型式支架均按照上述步骤建模，即角钢支架、槽钢支架和方钢支架；步骤2)：电缆缆芯铜导体区域分别加载实际运行时正常负荷和负荷较大时的两种电流值，对整个三维模型计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)进行有限元数值计算可得到钢支架上的功率损耗Q1和Q2，取平均值为Q；式中是哈密顿算子，即矢量的微分算符；为矢量磁位的相量形式；标量电位的相量形式；j为复数的虚部单位；ω为电缆缆芯通过电流的角频率；σ为导体区域的电导率；μ为导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电缆线路钢支架选型方法，其特征在于，针对电缆线路常用的三种型式钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，根据电缆隧道中电缆线路三维模型，通过有限元法进行电磁场计算，得到钢支架上的涡流损耗，再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算，得到钢支架上的温度变化，考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤，计算出钢支架的疲劳寿命；建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本，使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限，针对某条实际电缆线路的具体情况，将各个参数值代入模型进行计算，可得到整条线路分别采用三种不同型式钢支架的全寿命周期成本，以费用最低为选型依据，最终确定该条线路应选用的钢支架型式。

【技术特征摘要】
1.一种电缆线路钢支架选型方法，其特征在于，针对电缆线路常用的三种型式钢支架，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，根据电缆隧道中电缆线路三维模型，通过有限元法进行电磁场计算，得到钢支架上的涡流损耗，再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算，得到钢支架上的温度变化，考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤，计算出钢支架的疲劳寿命；建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本，使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限，针对某条实际电缆线路的具体情况，将各个参数值代入模型进行计算，可得到整条线路分别采用三种不同型式钢支架的全寿命周期成本，以费用最低为选型依据，最终确定该条线路应选用的钢支架型式。2.根据权利要求1所述一种电缆线路钢支架选型方法，其特征在于包括以下步骤：1)、分别建立三种型式钢支架的电缆线路三维模型，即角钢支架、槽钢支架、方钢支架，都进行电磁场、流场、温度场有限元数值计算，得到各种型式钢支架上感应涡流的功率损耗，得到钢支架的温度变化及由此引起的循环变化的热应力，根据热疲劳分析计算得到三种钢支架各自的疲劳寿命年限；2)、建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数包括电磁场计算得到的钢支架涡流损耗作为的运行成本，全寿命周期取热疲劳寿命年限；3)、针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别对三种型式钢支架，将涡流损耗带来的运行成本提高、热疲劳造成的疲劳寿命降低从而改变全寿命周期使用年限作为影响因素，进行全寿命周期成本评估，以全寿命周期成本最低为选型依据，最终确定该条电缆线路应采用的钢支架型式。3.一种电缆线路钢支架选型方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1)：根据电缆隧道中电缆实际敷设情况，建立电缆隧道中一段电缆和1个钢支架的三维模型，其中包括电缆隧道四周围墙面、电缆、电缆钢支架、空气，三种型式支架均按照上述步骤建模，即角钢支架、槽钢支架和方钢支架；步骤2)：电缆缆芯铜导体区域分别加载实际运行时正常负荷和负荷较大时的两种电流值，对整个三维模型计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算，通过对电磁场控制方程(1)-(3)进行有限元数值计算可得到钢支架上的功率损耗Q1和Q2，取平均值为Q；式中是哈密顿算子，即矢量的微分算符；为矢量磁位的相量形式；标量电位的相量形式；j为复数的虚部单位；ω为电缆缆芯通过电流的角频率；σ为导体区域的电导率；μ为导体区域的相对磁导率；为源电流密度，即电缆缆芯加载的电流密度；J为导体区域的电流密度；Q为电磁损耗，包括源电流及涡流引起的损耗；V1是涡流区，即电缆钢支架，由于交变磁场影响，会产生感应涡流；V2为源电流区，即电缆的缆芯，通过的是运行电流；Ω为计算产生电磁损耗的导体区域，即电缆缆芯、钢支架；步骤3)：由于电缆隧道一般在地下，没有设置强制通风的情况下，内部散热形式为空气的自然对流，自然对流动量微分方程(4)(5)和能量方程(6)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(7)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到三种钢支架上的温度分布情况；(4)...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宇娇，汪振亮，黄雄峰，周蠡，智李，姜岚，苏攀，
申请(专利权)人：三峡大学，国网湖北省电力有限公司经济技术研究院，武汉华宇力泰科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北,42