本發(fā)明涉及環(huán)網(wǎng)電纜供電技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種電纜屈曲的建模方法。

背景技術(shù)：

環(huán)網(wǎng)供電技術(shù)可以大大提高供電的可靠性和穩(wěn)定性，因此在各個(gè)城市電網(wǎng)改造中日益受到關(guān)注和應(yīng)用，同時(shí)環(huán)網(wǎng)柜因?yàn)槠潴w積小、方便安裝和維修，并且在使用的時(shí)候運(yùn)行成本小等特點(diǎn)也得到廣泛的應(yīng)用。但是當(dāng)前環(huán)網(wǎng)柜大多使用歐式的，在歐洲電力電纜通常使用的是單芯電纜，在與環(huán)網(wǎng)柜連接時(shí)各相長(zhǎng)度易于調(diào)整，便于安裝。而在國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)中，電力電纜通常采用三芯電纜，由于三芯電纜與環(huán)網(wǎng)柜連接時(shí)固定在一個(gè)電纜卡箍上，三支電纜相互影響，所以電纜芯線(xiàn)截取時(shí)，很難做到三相電纜都恰好合適，經(jīng)常出現(xiàn)一相或兩相電纜芯線(xiàn)比標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度要大些。根據(jù)環(huán)網(wǎng)柜廠(chǎng)家提供的事故調(diào)查報(bào)告，這個(gè)誤差值在1cm左右，為了能與套管雙頭螺栓連接，必然要壓彎電纜芯線(xiàn)，導(dǎo)致其屈曲過(guò)大從而對(duì)套管產(chǎn)生較大的作用力甚至破壞套管，這是環(huán)網(wǎng)柜施工中常見(jiàn)的且很難避免的問(wèn)題，也是歐式環(huán)網(wǎng)柜進(jìn)入國(guó)內(nèi)配電網(wǎng)經(jīng)常出現(xiàn)故障的重要原因。對(duì)于目前環(huán)網(wǎng)柜電纜室事故頻發(fā)，有些學(xué)者提出了一些改善措施。但都只是主觀(guān)的憑借經(jīng)驗(yàn)提出的觀(guān)點(diǎn)，而沒(méi)有進(jìn)行客觀(guān)的理論計(jì)算。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種電纜屈曲的建模方法，基于A(yíng)NSYS有限元軟件對(duì)不同長(zhǎng)度的電纜芯線(xiàn)在截取過(guò)長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的屈曲應(yīng)力進(jìn)行了仿真，分析了芯線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)套管受力的影響規(guī)律。建模仿真結(jié)果表明：套管受力會(huì)隨著電纜芯線(xiàn)長(zhǎng)度的增加而明顯降低，并給出了合理的套管高度，為環(huán)網(wǎng)柜電纜終端的合理設(shè)計(jì)和安裝提供了理論依據(jù)。

本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

一種電纜屈曲的建模方法，包括以下步驟：

步驟1、將原來(lái)整個(gè)電纜芯線(xiàn)按幾何形狀的變化性質(zhì)劃分節(jié)點(diǎn)，分解成小單元，構(gòu)造相應(yīng)的剛度矩陣，采用虛位移原理來(lái)建立平衡關(guān)系。

在電纜芯線(xiàn)內(nèi)取任意一點(diǎn)P，割取一個(gè)微小的平行六面體所示，x，y，z三個(gè)方向的棱邊長(zhǎng)度分別為dx，dy，dz。首先，以連接六面體前后兩面中心的直線(xiàn)為矩軸，列出力矩的平衡方程∑M_ee'＝0，即：

整理，并略去微量后，得：τ_yz＝τ_zy

同樣可以得出：τ_xy＝τ_yx,τ_zx＝τ_xz

式中，τ_xy為x平面指向y平面的剪應(yīng)力；同理，其他τ為個(gè)平面的剪應(yīng)力。

列出x軸方向的力的平衡方程∑F_x＝0

式中，σ_x為垂直于x平面的正應(yīng)力，同理，其他σ為各平面的正應(yīng)力。

由其余兩個(gè)平衡方程∑F_y＝0和∑F_z＝0可以得出與之相似的兩個(gè)方程,化簡(jiǎn),除以dxdydz,得:

式中，X,Y,Z為各方向位移。

步驟2、定義單元類(lèi)型：從電纜芯線(xiàn)與環(huán)網(wǎng)柜套管連接的特點(diǎn)可以看出，三相電纜中，中間相電纜垂直與套管連接基本不受扭轉(zhuǎn)和彎矩的影響，兩邊相電纜對(duì)稱(chēng)分布，所以只分析一相電纜即可。電纜兩端由套管和緊固環(huán)固定，典型的梁結(jié)構(gòu)，而且電纜是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常采用圓柱坐標(biāo)系，對(duì)稱(chēng)軸為Y軸，半徑的方向?yàn)閞軸。因此，這里的單元類(lèi)型選擇梁?jiǎn)卧狟eam189。

步驟3、定義材料屬性：對(duì)于電纜芯線(xiàn)的塑性形變分析，使用經(jīng)典雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化BKIN模型，設(shè)置好各材料的彈性模量，然后激活BKIN選項(xiàng)。

步驟4、建立模型：電纜為細(xì)長(zhǎng)的柱狀結(jié)構(gòu)且各部分結(jié)構(gòu)內(nèi)材料成各向同性，所以在建立模型的時(shí)候建立一個(gè)線(xiàn)模型，線(xiàn)模型是由關(guān)鍵點(diǎn)連成，然后自定義梁截面的結(jié)構(gòu)尺寸，定義梁截面內(nèi)圓半徑為導(dǎo)線(xiàn)半徑，外環(huán)半徑厚度為主絕緣厚度。

步驟5、網(wǎng)格劃分：在對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將網(wǎng)格邊界的大小設(shè)定為0.004m，選擇四邊形單元及自由劃分網(wǎng)格的方式對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格化分。由于線(xiàn)元素是由關(guān)鍵點(diǎn)依次連接而成，選中所有線(xiàn)，然后將所有線(xiàn)分為5段。

步驟6、加載和求解：由于電纜終端固定在環(huán)網(wǎng)柜套管上之后是沒(méi)有外力作用的，所以沒(méi)有集中力加載電纜芯線(xiàn)上，但是要對(duì)電纜芯線(xiàn)底端施加全約束，對(duì)電纜芯線(xiàn)頂端施加兩個(gè)方向的位移約束，一是x方向位移，為環(huán)網(wǎng)柜套管間距126mm，二是y方向位移，為芯線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減去套管高度，但是電纜芯線(xiàn)模型長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度上再加10mm。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)之間的線(xiàn)模型施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束來(lái)控制電纜芯線(xiàn)的彎曲形態(tài)，通過(guò)發(fā)出命令(NLGEOM，ON)來(lái)激活大應(yīng)變效應(yīng)然后進(jìn)行計(jì)算。

本發(fā)明一種電纜屈曲的建模方法，基于A(yíng)NSYS有限元軟件對(duì)不同長(zhǎng)度的電纜芯線(xiàn)在截取過(guò)長(zhǎng)時(shí)產(chǎn)生的屈曲應(yīng)力進(jìn)行了仿真，分析了芯線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)套管受力的影響規(guī)律，仿真結(jié)果表明套管受力會(huì)隨著電纜芯線(xiàn)長(zhǎng)度的增加而明顯降低，并給出了合理的套管高度。為環(huán)網(wǎng)柜電纜終端的合理設(shè)計(jì)和安裝提供了理論依據(jù)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明電力電纜微元應(yīng)力示意圖。

圖2為本發(fā)明網(wǎng)格劃分后的電纜模型圖。

圖3為本發(fā)明電纜截取長(zhǎng)度合適時(shí)單相電纜安裝狀態(tài)圖。

圖4為本發(fā)明電纜截取長(zhǎng)度過(guò)長(zhǎng)時(shí)單相電纜安裝狀態(tài)圖。

圖5為本發(fā)明套管y方向受力圖。

具體實(shí)施方式

一種電纜屈曲的建模方法，包括以下步驟：

步驟1、將原來(lái)整個(gè)電纜芯線(xiàn)按幾何形狀的變化性質(zhì)劃分節(jié)點(diǎn)，分解成小單元，構(gòu)造相應(yīng)的剛度矩陣，采用虛位移原理來(lái)建立平衡關(guān)系。

在電纜芯線(xiàn)內(nèi)取任意一點(diǎn)P，割取一個(gè)微小的平行六面體所示，x，y，z三個(gè)方向的棱邊長(zhǎng)度分別為dx，dy，dz。首先，以連接六面體前后兩面中心的直線(xiàn)為矩軸，列出力矩的平衡方程∑M_ee'＝0，即：

整理，并略去微量后，得：τ_yz＝τ_zy

同樣可以得出：τ_xy＝τ_yx,τ_zx＝τ_xz

式中，τ_xy為x平面指向y平面的剪應(yīng)力；同理，其他τ為個(gè)平面的剪應(yīng)力。

列出x軸方向的力的平衡方程∑F_x＝0

式中，σ_x為垂直于x平面的正應(yīng)力，同理，其他σ為各平面的正應(yīng)力。

由其余兩個(gè)平衡方程∑F_y＝0和∑F_z＝0可以得出與之相似的兩個(gè)方程,化簡(jiǎn),除以dxdydz,得:

式中，X,Y,Z為各方向位移。

定義模型參數(shù)：電纜芯線(xiàn)與環(huán)網(wǎng)柜連接時(shí)，外護(hù)套和銅屏蔽已被剝離，主絕緣內(nèi)外的半導(dǎo)電層也非常薄而且材質(zhì)較軟對(duì)電纜的彎曲變形影響也非常小，可忽略不計(jì)。因此，電纜芯線(xiàn)材料主要由鋁絞線(xiàn)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)組成，以型號(hào)為ZRYJLV22-8.7/10-3x240mm210kV鋁芯電力電纜為例，導(dǎo)體直徑為18.4mm，絕緣標(biāo)稱(chēng)厚度4.5mm，芯線(xiàn)長(zhǎng)度和環(huán)網(wǎng)柜套管間距都是套管受力的影響因素為模型變量。

步驟2、定義單元類(lèi)型：從電纜芯線(xiàn)與環(huán)網(wǎng)柜套管連接的特點(diǎn)可以看出，三相電纜中，中間相電纜垂直與套管連接基本不受扭轉(zhuǎn)和彎矩的影響，兩邊相電纜對(duì)稱(chēng)分布，所以只分析一相電纜即可。電纜兩端由套管和緊固環(huán)固定，典型的梁結(jié)構(gòu)，而且電纜是軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，所以對(duì)其進(jìn)行有限元分析時(shí)，通常采用圓柱坐標(biāo)系，對(duì)稱(chēng)軸為Y軸，半徑的方向?yàn)閞軸。因此，這里的單元類(lèi)型選擇梁?jiǎn)卧狟eam189。

步驟3、定義材料屬性：對(duì)于電纜芯線(xiàn)的塑性形變分析，使用經(jīng)典雙線(xiàn)性隨動(dòng)強(qiáng)化BKIN模型，設(shè)置好各材料的彈性模量，然后激活BKIN選項(xiàng)。

步驟4、建立模型：電纜為細(xì)長(zhǎng)的柱狀結(jié)構(gòu)且各部分結(jié)構(gòu)內(nèi)材料成各向同性，所以在建立模型的時(shí)候建立一個(gè)線(xiàn)模型，線(xiàn)模型是由關(guān)鍵點(diǎn)連成，然后自定義梁截面的結(jié)構(gòu)尺寸，定義梁截面內(nèi)圓半徑為導(dǎo)線(xiàn)半徑，外環(huán)半徑厚度為主絕緣厚度。

步驟5、網(wǎng)格劃分：在對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將網(wǎng)格邊界的大小設(shè)定為0.004m，選擇四邊形單元及自由劃分網(wǎng)格的方式對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格化分。由于線(xiàn)元素是由關(guān)鍵點(diǎn)依次連接而成，選中所有線(xiàn)，然后將所有線(xiàn)分為5段。

步驟6、加載和求解：由于電纜終端固定在環(huán)網(wǎng)柜套管上之后是沒(méi)有外力作用的，所以沒(méi)有集中力加載電纜芯線(xiàn)上，但是要對(duì)電纜芯線(xiàn)底端施加全約束，對(duì)電纜芯線(xiàn)頂端施加兩個(gè)方向的位移約束，一是x方向位移，為環(huán)網(wǎng)柜套管間距126mm，二是y方向位移，為芯線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減去套管高度，但是電纜芯線(xiàn)模型長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度上再加10mm。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)之間的線(xiàn)模型施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束來(lái)控制電纜芯線(xiàn)的彎曲形態(tài)，通過(guò)發(fā)出命令(NLGEOM，ON)來(lái)激活大應(yīng)變效應(yīng)然后進(jìn)行計(jì)算。

實(shí)施例：

一種電纜屈曲的建模方法，先對(duì)電纜芯線(xiàn)進(jìn)行有限元理論分析，如圖1所示將原來(lái)整個(gè)電纜芯線(xiàn)按幾何形狀的變化性質(zhì)劃分節(jié)點(diǎn)，分解成小單元，構(gòu)造相應(yīng)的剛度矩陣，采用虛位移原理來(lái)建立平衡關(guān)系方程式。

電纜芯線(xiàn)與環(huán)網(wǎng)柜連接時(shí)，外護(hù)套和銅屏蔽已被剝離，主絕緣內(nèi)外的半導(dǎo)電層也非常薄而且材質(zhì)較軟對(duì)電纜的彎曲變形影響也非常小，可忽略不計(jì)。因此，電纜芯線(xiàn)材料主要由鋁絞線(xiàn)和交聯(lián)聚乙烯(XLPE)組成，以型號(hào)為ZRYJLV22-8.7/10-3x240mm²10kV鋁芯電力電纜為例在有限元分析軟件ANSYS中建模，導(dǎo)體直徑為18.4mm，絕緣標(biāo)稱(chēng)厚度4.5mm，芯線(xiàn)長(zhǎng)度和環(huán)網(wǎng)柜套管間距都是套管受力的影響因素為模型變量。在對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，將網(wǎng)格邊界的大小設(shè)定為0.004m，選擇四邊形單元及自由劃分網(wǎng)格的方式對(duì)梁截面進(jìn)行網(wǎng)格化分。由于線(xiàn)元素是由關(guān)鍵點(diǎn)依次連接而成，選中所有線(xiàn)，然后將所有線(xiàn)分為5段，劃分效果如圖2所示。由于電纜終端固定在環(huán)網(wǎng)柜套管上之后是沒(méi)有外力作用的，所以沒(méi)有集中力加載電纜芯線(xiàn)上，但是要對(duì)電纜芯線(xiàn)底端施加全約束，對(duì)電纜芯線(xiàn)頂端施加兩個(gè)方向的位移約束，一是x方向位移，為環(huán)網(wǎng)柜套管間距126mm，二是y方向位移，為芯線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度減去套管高度，但是電纜芯線(xiàn)模型長(zhǎng)度變?yōu)樵瓉?lái)的標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度上再加10mm。通過(guò)對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)之間的線(xiàn)模型施加轉(zhuǎn)動(dòng)約束來(lái)控制電纜芯線(xiàn)的彎曲形態(tài)，通過(guò)發(fā)出命令(NLGEOM，ON)來(lái)激活大應(yīng)變效應(yīng)然后進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算。

如圖3所示為電纜截取長(zhǎng)度合適時(shí)單相電纜安裝狀態(tài)，仿真結(jié)果表明若電纜截取到標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，電纜芯線(xiàn)的彎曲曲率是比較小的，套管也只受到很小的水平力作用。而如果電纜芯線(xiàn)長(zhǎng)度截取過(guò)長(zhǎng)，為了能使電纜接頭的壓接線(xiàn)耳與套管連接，必然要壓低接線(xiàn)頭，造成電纜彎曲過(guò)大如圖4所示，大大增加了對(duì)套管的作用力。在施工現(xiàn)場(chǎng)，由于電纜的抗彎剛度非常大，常常借助杠桿等工具來(lái)壓彎電纜，這也是造成套管破裂的主要原因。

圖5為電纜截取過(guò)長(zhǎng)時(shí)套管受力隨套管高度變化的曲線(xiàn)圖，套管高度較小時(shí)，如低于600mm，大截面電纜芯線(xiàn)(300mm²、240mm²)對(duì)套管產(chǎn)生的作用力是非常大的，達(dá)到甚至超過(guò)了1000N，對(duì)套管受損產(chǎn)生重大的影響。隨著芯線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，套管受力逐漸減小，而且開(kāi)始時(shí)套管受力減小的非常快，但是隨著芯線(xiàn)長(zhǎng)度的增加，其減小的幅度開(kāi)始變緩，當(dāng)套管高度超過(guò)1100mm時(shí)，不僅套管受力變小，而且其走勢(shì)也逐漸平緩。

本發(fā)明通過(guò)建立電纜三維有限元力學(xué)模型，詳細(xì)分析了電纜芯線(xiàn)截取過(guò)長(zhǎng)時(shí)環(huán)網(wǎng)柜套管高度及電纜型號(hào)對(duì)套管受力的影響，為環(huán)網(wǎng)柜電纜終端的合理設(shè)計(jì)和安裝提供了理論依據(jù)。