一种确定电缆外护套的拉应力的方法及系统与流程

1.本技术涉及电缆外护套技术领域，特别是涉及一种确定电缆外护套的拉应力的方法及系统。


背景技术：

2.电缆外护套作为电缆重要的组成部分，对电缆防护环境的侵蚀起着至关重要作用，是保护电缆的第一道防线，其完好与否对电缆的使用寿命关系重大。电缆外护套作用有两个，一是保护作用，电缆的敷设环境经常伴有水分、腐蚀性物质以及白蚁的侵蚀，外护套就直接起到对主绝缘的保护和密封作用；二是绝缘作用，由于电缆运行时导体电流的电磁感应，在金属护层上产生感应电压，一旦金属护套多点接地，金属护套内由于感应电压的存在将产生巨大的环流，不仅严重影响电缆的载流量，甚至可能会引起火灾。目前一些电缆外护套存在开裂的现象，尤其是在极寒地区敷设的铠装电力电缆，严重影响电缆及系统的安全稳定运行。
3.目前我国电力电缆标准具体有gb/t 12706—2008、gb/t 11017—2014、gb/t 22078—2008等，均没有对绝缘和护套材料的最低使用温度进行说明，仅在标准gb/t 12706中要求进行
‑
15℃的低温拉伸和低温冲击试验。另外在敷设施工方面，电缆在低温下贮存和运输也没有具体的规定，近年来，耐寒电缆在东北、西北等极寒地区用量持续增长，尤其是风电和光伏的建设，会用到大量的耐寒电力电缆，而目前常规的电缆标准无法覆盖极寒运行环境，电缆护套的开裂现象频繁出现，如图1所示。
4.电缆外护套一般采用聚氯乙烯(pvc)或聚乙烯(pe)两种材料。聚乙烯(pe)是乙烯的聚合物，是乙烯经聚合制得的一种热塑性树脂。聚乙烯无臭、无毒、手感似蜡，具有优良的耐低温性能(最低使用温度可达
‑
100℃)，化学稳定性好，耐寒，耐辐射，能耐大多数酸碱的侵蚀(不耐具有氧化性质的酸)。常温下不溶于一般溶剂，吸水性小，电绝缘性优良。聚氯乙烯(pvc)是氯乙烯的聚合物，化学稳定性好，耐潮湿，耐老化，难燃，耐酸、碱和有些化学药品的侵蚀，玻璃化温度77℃～90℃，170℃左右开始分解，对光和热的稳定性差，在100℃以上或经长时间阳光曝晒，就会分解而产生氯化氢，并进一步自动催化分解，引起变色，物理机械性能也迅速下降，在实际应用中必须加入稳定剂以提高对热和光的稳定性，在低温下会变硬。
5.影响电缆外护套开裂的因素有很多，主要包括护套材料的物理机械性能、护套挤出的工艺、外部机械应力的作用、环境的作用、结构尺寸五个方面，这五类影响因素叠加劣化作用使得电缆外护套更容易产生开裂。
6.目前国内针对电缆护套材料耐环境应力开裂性能、护套自然老化力学性能、老化后微观结构变化与机械性能对比等方面进行了广泛的试验研究。在寒冷地区，由于电缆外护套工作环境的温度变化，要求其具有较好的耐低温、耐应力开裂的性能，但由于护套材料在交变低温环境作用下，韧性降低，护套材料的收缩率大于电缆材料收缩率，造成护套在低温条件下产生交变拉应力。尤其是铠装电力电缆，在交变的拉应力作用下，致使护套材料产
生疲劳损伤，随着损伤积累的增加，护套材料将产生横向断裂，影响电缆的防护功能，因此在电缆选型时，应根据电缆的使用环境尽可能的选择具有足够机械性能的电缆护套材料。
7.针对上述的现有技术中存在的电力电缆护套耐环境应力开裂的技术问题，目前尚未提出有效的解决方案。


技术实现要素：

8.本公开的实施例提供了一种确定电缆外护套的拉应力的方法及系统，以至少解决现有技术中存在的电力电缆护套耐环境应力开裂的技术问题。
9.根据本公开实施例的一个方面，提供了一种确定电缆外护套的拉应力的方法，包括：确定电缆外护套参数、绝缘层参数以及导体参数；根据所述电缆外护套参数以及绝缘层参数，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量；根据所述绝缘层和电缆外护套等效弹性模量、导体参数以及剪应力刚度，确定拉应力波长；根据所述拉应力波长，确定电缆外护套的拉应力。
10.根据本公开实施例的另一方面，还提供了一种确定电缆外护套的拉应力的系统，包括：确定参数模块，用于确定电缆外护套参数、绝缘层参数以及导体参数；确定等效弹性模量模块，用于根据所述电缆外护套参数以及绝缘层参数，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量；确定拉应力波长模块，用于根据所述绝缘层和电缆外护套等效弹性模量、导体参数以及剪应力刚度，确定拉应力波长；确定拉应力模块，用于根据所述拉应力波长，确定电缆外护套的拉应力。
11.在本发明中，通过电缆的相关结构参数、材料参数和环境温度，只需要测出电缆护套内外的温度差，就可以计算出电缆护套敷设地的沿电缆长度方向的拉应力分布情况，相比通过有限元仿真来得到应力分布，更加易于实施。充分考虑了电缆敷设环境的温度变化，所计算出的电缆护套拉应力分布有助于电缆设计和施工人员选择性能相匹配的电缆，有效防止电缆护套开裂现象。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本公开的进一步理解，构成本技术的一部分，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：
13.图1是根据本公开实施例所述的电缆护套极寒气候开裂故障的示意图；
14.图2是根据本公开实施例所述的一种确定电缆外护套的拉应力的方法的流程示意图；
15.图3是根据本公开实施例所述的电缆护套拉应力分析的示意图；
16.图4是根据本公开实施例所述的电缆护套拉应力分布计算结果的曲线示意图；
17.图5是根据本公开实施例所述的一种确定电缆外护套的拉应力的系统的示意图。
具体实施方式
18.现在参考附图介绍本发明的示例性实施方式，然而，本发明可以用许多不同的形式来实施，并且不局限于此处描述的实施例，提供这些实施例是为了详尽地且完全地公开本发明，并且向所属技术领域的技术人员充分传达本发明的范围。对于表示在附图中的示
例性实施方式中的术语并不是对本发明的限定。在附图中，相同的单元/元件使用相同的附图标记。
19.除非另有说明，此处使用的术语(包括科技术语)对所属技术领域的技术人员具有通常的理解含义。另外，可以理解的是，以通常使用的词典限定的术语，应当被理解为与其相关领域的语境具有一致的含义，而不应该被理解为理想化的或过于正式的意义。
20.根据本实施例的第一个方面，提供了一种确定电缆外护套的拉应力的方法。参考图2所示，该方法包括：
21.s102:确定电缆外护套参数、绝缘层参数以及导体参数；
22.s104:根据所述电缆外护套参数以及绝缘层参数，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量；
23.s106:根据所述绝缘层和电缆外护套等效弹性模量、导体参数以及剪应力刚度，确定拉应力波长；
24.s108:根据所述拉应力波长，确定电缆外护套的拉应力。
25.具体地，为简化计算，根据电缆的结构，本发明首先做出如下假设：电缆各层的材料在温度的变化下的应力为线性变化；电缆各层之间没有滑移。
26.根据电缆截面特征，取电缆护套上的一部分进行受力分析，可将其分离成两个微单元进行分析，如图3所示。忽略掉电缆其他薄层，仅考虑最多的外护套和绝缘层部分，电缆的外护套和绝缘作为附属体附着在电缆导体上，由于导体的弹性模量远远大于附属体的弹性模量，因此在低温作用下电缆外护套和绝缘体为相对的导体线性收缩，但由于导体的约束，附属体自由收缩受到约束，产生了附加拉应力。
27.设拉应力为σ(x)，该段绝缘层面积为s
j
，外护套面积为s
h
，绝缘层弹性模量为e
j
，外护套弹性模量为e
h
，绝缘层的半径为r
j
，外护套的外径为r
h
，导体的外径为r，导体的线膨胀系数为α
t
，绝缘层的线膨胀系数为α
j
，外护套的线膨胀系数为α
h
，则有：
28.绝缘和护套等效弹性模量e0为：
[0029][0030]
其等效的线性膨胀率为：
[0031][0032]
设电缆导体与外部环境的温度差为δt，则电缆绝缘和护套的收缩值δ(x)表示为：
[0033]
δ(x)＝α0xδt
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0034]
设τ(x)为电缆导体与绝缘之间的剪应力，剪应力刚度为k，绝缘和护套对导体的拉应力的周期为l，则有以下关系：
[0035][0036]
τ(x)＝k(δ(x)
‑
u(x))
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0037]
式中u(x)为电缆绝缘和护套形心沿着电缆纵向方向的位移。
[0038]
因此电缆护套和绝缘产生的拉应力可表示为：
[0039]
[0040]
电缆绝缘与导体界面之间的拉应力和剪应力的关系可表示为：
[0041][0042]
将(5)和(6)带入到(7)中，可得：
[0043][0044]
将(8)变换即可得位移约束方程为：
[0045][0046]
该方程边界条件如下：
[0047][0048][0049]
则方程(9)的解为：
[0050][0051]
由(4)可计算得出l的大小，带入即可得电缆护套拉应力计算公式为：
[0052][0053]
1)对于一段500m长的110kv的聚氯乙烯护套高压电缆，测量可得其参数如表1：其导体半径r为27.2mm：
[0054]
表1参数
[0055][0056]
2)计算护套和绝缘的等效弹性模量，将护套材料和绝缘材料的带入式(1)中，面积
可转化为半径的比值：
[0057][0058]
3)根据测得的剪应力刚度带入式(4)中，计算出应力波长为：
[0059][0060]
4)带入式(13)中得出电缆护套上的拉应力分布函数如下：
[0061]
σ
h
(x)＝0.185δt(1
‑
1.57cos(5.38x))
[0062]
5)测量电缆护套内外温度差δt，由此可绘制出电缆护套上的应力分布曲线，如图4所示，即为δt分别为
‑
10℃，
‑
15℃，
‑
20℃的沿电缆长度方向上的应力分布图。
[0063]
从而，通过电缆的相关结构参数、材料参数和环境温度，只需要测出电缆护套内外的温度差，就可以计算出电缆护套敷设地的沿电缆长度方向的拉应力分布情况，相比通过有限元仿真来得到应力分布，更加易于实施。充分考虑了电缆敷设环境的温度变化，所计算出的电缆护套拉应力分布有助于电缆设计和施工人员选择性能相匹配的电缆，有效防止电缆护套开裂现象。
[0064]
可选地，确定电缆外护套参数、绝缘层参数以及导体参数，所述电缆外护套参数包括剪应力刚度，包括：所述电缆外护套参数包括电缆外护套面积s
h
，所述绝缘层参数包括绝缘层面积s
j
，所述导体参数包括导体的外径r；采集电缆外护套的外径r
h
和电缆外护套的线膨胀系数α
h
，根据所述电缆外护套的外径r
h
确定电缆外护套面积s
h
；采集绝缘层的半径r
j
和绝缘层的线膨胀系数α
j
，根据所述绝缘层的半径r
j
确定绝缘层面积s
j
；采集导体的外径r。
[0065]
可选地，根据所述电缆外护套参数以及绝缘参数，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量，包括：根据以下公式，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量：
[0066][0067]
其中，e0为绝缘层和电缆外护套等效弹性模量，e
j
为绝缘层弹性模量，s
j
为绝缘层面积，e
h
为电缆外护套弹性模量，s
h
为电缆外护套面积。
[0068]
可选地，根据所述绝缘层和电缆外护套等效弹性模量、导体参数以及剪应力刚度，确定拉应力波长，包括：根据以下公式，确定拉应力波长l：
[0069][0070]
其中，l为拉应力波长，s
j
为绝缘层面积，s
h
为电缆外护套面积，e0为绝缘层和电缆外护套等效弹性模量，r为导体的外径，k为剪应力刚度。
[0071]
可选地，根据所述拉应力波长，确定电缆外护套和绝缘层产生的拉应力，包括：根据以下公式，确定电缆外护套的拉应力：
[0072][0073]
其中，σ
h
为电缆外护套的拉应力，e
h
为电缆外护套等效弹性模量，α
h
为电缆外护套的线膨胀系数，δt为电缆导体与外部环境的温度差，l为拉应力波长。
[0074]
从而，通过电缆的相关结构参数、材料参数和环境温度，只需要测出电缆护套内外
的温度差，就可以计算出电缆护套敷设地的沿电缆长度方向的拉应力分布情况，相比通过有限元仿真来得到应力分布，更加易于实施。充分考虑了电缆敷设环境的温度变化，所计算出的电缆护套拉应力分布有助于电缆设计和施工人员选择性能相匹配的电缆，有效防止电缆护套开裂现象。
[0075]
根据本实施例的另外一个方面，还提供了一种确定电缆外护套的拉应力的系统500。参考图5所示，该系统500包括：确定参数模块510，用于确定电缆外护套参数、绝缘层参数以及导体参数；确定等效弹性模量模块520，用于根据所述电缆外护套参数以及绝缘层参数，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量；确定拉应力波长模块530，用于根据所述绝缘层和电缆外护套等效弹性模量、导体参数以及剪应力刚度，确定拉应力波长；确定拉应力模块540，用于根据所述拉应力波长，确定电缆外护套的拉应力。
[0076]
可选地，确定参数模块510，包括：确定电缆外护套参数子模块，用于采集电缆外护套的外径r
h
和电缆外护套的线膨胀系数α
h
，根据所述电缆外护套的外径r
h
确定电缆外护套面积s
h
；确定绝缘层参数子模块，用于采集绝缘层的半径r
j
和绝缘层的线膨胀系数α
j
，根据所述绝缘层的半径r
j
确定绝缘层面积s
j
；确定导体参数子模块，用于采集导体的外径r。
[0077]
可选地，确定等效弹性模量模块520，包括：确定等效弹性模量子模块，根据以下公式，确定绝缘层和电缆外护套等效弹性模量：
[0078][0079]
其中，e0为绝缘层和电缆外护套等效弹性模量，e
j
为绝缘层弹性模量，s
j
为绝缘层面积，e
h
为电缆外护套弹性模量，s
h
为电缆外护套面积。
[0080]
可选地，确定拉应力波长模块530，包括：确定拉应力波长子模块，用于根据以下公式，确定拉应力波长l：
[0081][0082]
其中，l为拉应力波长，s
j
为绝缘层面积，s
h
为电缆外护套面积，e0为绝缘层和电缆外护套等效弹性模量，r为导体的外径，k为剪应力刚度。
[0083]
可选地，确定拉应力模块540，包括：确定拉应力子模块，用于根据以下公式，确定电缆外护套的拉应力：
[0084][0085]
其中，σ
h
为电缆外护套的拉应力，e
h
为电缆外护套等效弹性模量，α
h
为电缆外护套的线膨胀系数，δt为电缆导体与外部环境的温度差，l为拉应力波长。
[0086]
本发明的实施例的一种确定电缆外护套的拉应力的系统500与本发明的另一个实施例的一种确定电缆外护套的拉应力的方法相对应，在此不再赘述。
[0087]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd
‑
rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。本技术实施例中的方案可以采用各种计算机语言实现，例如，面向对象的程序设
计语言java和直译式脚本语言javascript等。
[0088]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0089]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0090]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0091]
尽管已描述了本技术的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本技术范围的所有变更和修改。
[0092]
显然，本领域的技术人员可以对本技术进行各种改动和变型而不脱离本技术的精神和范围。这样，倘若本技术的这些修改和变型属于本技术权利要求及其等同技术的范围之内，则本技术也意图包含这些改动和变型在内。