一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法

摘要

本发明提供一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，包括以下步骤：确定成束电缆敷设的典型分布；成束电缆电动力的仿真计算；选取电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式；电缆紧固件强度的仿真计算；校核电缆紧固件强度；结合实际电缆敷设场合的特点、限制和要求，根据强度校核的结果，设计和选择合适的电缆紧固件，分不同敷设方式、不同部位进行成束电缆的防护设计。本发明实现了对成束电缆电动力和电缆紧固件强度的定量计算和仿真，为电缆防护设计提供了理论基础；在满足稳态紧固要求的基础上，通过对电缆紧固件的强度校核，实现了对电力电缆束在短路极限情况下的紧固有效性的准确预估。

权利要求

1.一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，其特征在于：它包括以下步骤：S1、确定成束电缆敷设的典型分布：

根据成束电缆的实际敷设情况，按照电缆束连接设备、包含电缆数量和电缆束排列方式的不同，统计成束电缆的典型分布方式；

S2、成束电缆电动力的仿真计算：

根据成束电缆的典型分布方式建立电动力仿真模型，根据电缆所属电力系统的短路电流计算结果，确定可能产生最大电动力的短路工况，若电缆束包含了多个设备的输出电缆，则需针对每个设备输出电缆中通过短路电流最大的工况进行计算和比较，将该短路状态下电缆内通过的短路电流输入到电动力仿真模型进行计算，得出每一根电缆所受电动力，并予以汇总，计算出电缆束所受整体电动力，即成束电缆电动力；

选取电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式；

S3、电缆紧固件强度的仿真计算：

对应于电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式的敷设情况，通过对电缆束的体积、重量的预估来选择电缆紧固件，统计所用的所有电缆紧固件并建立电缆紧固件仿真模型，输入S2计算的成束电缆电动力，计算电缆紧固件强度；

S4、校核电缆紧固件的紧固强度：

根据电缆束所受整体电动力和电缆紧固件的紧固强度，将两者进行比较，得到电缆紧固件的紧固性能校核结果，并对结果进行分析和评估，若电缆紧固件的紧固强度大于或等于电缆束所受整体电动力，则说明电缆紧固件选择合适；若电缆束所受整体电动力大于电缆紧固件的紧固强度，则重新选择电缆紧固件或对原电缆紧固件提出加强方案，重复S3计算后，再次进行S4的强度校核，直至电缆紧固件的紧固强度满足要求为止；

S5、结合实际电缆敷设场合的特点、限制和要求，根据S4强度校核的结果，设计和选择合适的电缆紧固件，分不同敷设方式、不同部位进行成束电缆的防护设计。

2.根据权利要求1所述的一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，其特征在于：所述的S5按照电缆束的实际敷设情况，根据电缆紧固件强度校核结果，对不同部位处电缆束提出具体的防护方法；提出缓冲保护措施：在电缆束与尖锐结构靠近处，进行缓冲保护。

说明书

一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法

技术领域

[0001] 本发明属于船舶电缆敷设和防护技术，具体涉及一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法。

背景技术

[0002] 直流电力电缆是实现直流电力系统供配电的基础，电力电缆敷设的合理性和可靠性决定了能否持续有效供电。在实际使用中，特别是在空间较狭小的场合，多根相同路径的电力电缆往往采用了分束敷设的方式。

[0003] 一方面，随着直流电力系统规模的不断扩大，由于受到单根电缆载流能力的限制，同一极(正极或负极)的大电流可能需要多根电缆并联传输，并由于船舶空间限制，多根同极电缆存在成束敷设情况。当系统发生短路故障时，电力电缆内会通过巨大的短路电流，电缆束中各根电力电缆在电磁场作用下相互影响，使得电缆束整体产生较大电动力，特别是同极电缆之间的相互斥力，就会对该电缆束外围的电缆紧固件造成冲击，当电动力大于电缆紧固件的紧固力时，其结果可能是电力电缆脱离紧固件，甚至电力电缆自身受到损伤，会对电缆所属电力系统的正常运行造成不同程度的影响。因此，直流电力系统的电缆防护设计中，特别是对电力系统运行有较高要求的场合或电缆不易维护和更换的场合，除保证正常情况下的电缆敷设外，还应考虑短路极限情况下对直流电力电缆的紧固和保护。

[0004] 另一方面，传统的电缆敷设方法和工艺中，对电缆敷设后的防护性能仅进行了定性的设计，电缆的防护性能往往通过目测或简单的估算来评估。然而，对成束敷设的直流电力电缆，特别是成束电缆中包含连接不同设备、不同分系统的电力电缆时，多根电力电缆由于通入电流大小不同、方向不同、时间不同还存在相互影响的复杂关系，无法通过简单估算实现对电缆防护性能的合理性、有效性作出准确评估。

[0005] 由此可见，在电缆防护设计研究领域中，传统的、以稳定运行状态为依据的电缆防护设计方法已无法满足现代直流电力系统安全性要求越来越高、精细化程度越来越高的设计需求，需要一种新的设计方法作为直流电力电缆防护性能设计依据和考核基础，并对成束直流电力电缆的防护性能进行定量的设计、做出准确地评估。

发明内容

[0006] 本发明要解决的技术问题是：提供一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，能够实现对直流电力电缆束的防护性能进行定量的计算和设计及做出准确地评估。

[0007] 本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，其特征在于：它包括以下步骤：

[0008] S1、确定成束电缆敷设的典型分布：

[0009] 根据成束电缆的实际敷设情况，按照电缆束连接设备、包含电缆数量和电缆束排列方式的不同，统计成束电缆的典型分布方式；

[0010] S2、成束电缆电动力的仿真计算：

[0011] 根据成束电缆的典型分布方式建立电动力仿真模型，根据电缆所属电力系统的短路电流计算结果，确定可能产生最大电动力的短路工况，若电缆束包含了多个设备的输出电缆，则需针对每个设备输出电缆中通过短路电流最大的工况进行计算和比较，将该短路状态下电力电缆内通过的短路电流输入到电动力仿真模型进行计算，得出每一根电缆所受电动力，并予以汇总，计算出电缆束所受整体电动力，即成束电缆电动力；

[0012] 选取电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式；

[0013] S3、电缆紧固件强度的仿真计算：

[0014] 对应于电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式的敷设情况，通过对电缆束的体积、重量的预估来选择电缆紧固件，统计所用的所有电缆紧固件并建立电缆紧固件仿真模型，输入S2计算的成束电缆电动力，计算电缆紧固件强度；

[0015] S4、校核电缆紧固件强度：

[0016] 根据电缆束所受整体电动力和电缆紧固件强度，将两者进行比较，得到电缆紧固件的紧固性能校核结果，并对结果进行分析和评估，若电缆紧固件强度大于或等于电缆束所受整体电动力，则说明电缆紧固件选择合适；若电缆束所受整体电动力大于电缆紧固件的紧固强度，则重新选择电缆紧固件或对原电缆紧固件提出加强方案，重复S3计算后，再次进行S4的强度校核，直至电缆紧固件强度满足要求为止；

[0017] S5、结合实际电缆敷设场合的特点、限制和要求，根据S4强度校核的结果，设计和选择合适的电缆紧固件，分不同敷设方式、不同部位进行成束电缆的防护设计。

[0018] 按上述方法，所述的S5按照电缆束的实际敷设情况，根据电缆紧固件强度校核结果，对不同部位处电缆束提出具体的防护方法；提出缓冲保护措施：在电缆束与尖锐结构靠近处，进行缓冲保护。

[0019] 本发明的有益效果为：实现了对成束电缆电动力和电缆紧固件强度的定量计算和仿真，为电缆防护设计提供了理论基础；在满足稳态紧固要求的基础上，通过对电缆紧固件的强度校核，实现了对电力电缆束在短路极限情况下的紧固有效性的准确预估。

附图说明

[0020] 图1为本发明一实施例的流程图；

[0021] 图2、图3分别对应数量为6和12的典型电力电缆束排列方式示意图；

[0022] 图4为本发明采用电缆紧钩的电缆防护形式示意图；

[0023] 图5为典型电缆束坐标系示意图；

[0024] 图6为本实施例电缆束中单根电缆电动力的计算结果示意图(包含大小和方向)；

[0025] 图7为本实施例电缆紧固件所采用的电缆紧钩结构示意图；

[0026] 图8为本实施例中电缆紧钩所在坐标系示意图；

[0027] 图9为本实施例电缆紧固件所采用的电缆紧钩仿真模型。

[0028] 图中：1-耐压壳体，2-护罩，3-压紧条，4-第一橡皮，5-松木，6-电缆束，7-第二橡皮，8-导板，9-紧钩本体，10-螺栓。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。

[0030] 一种成束直流电力电缆防护设计和评估方法，如图1所示，包括以下步骤：

[0031] S1、确定成束电缆敷设的典型分布：

[0032] 根据成束电缆的实际敷设情况，按照电缆束连接设备、包含电缆数量和电缆束排列方式的不同，统计成束电缆的典型分布方式；

[0033] S2、成束电缆电动力的仿真计算：

[0034] 根据成束电缆的典型分布方式建立电动力仿真模型，根据电缆所属电力系统的短路电流计算结果，确定可能产生最大电动力的短路工况，若电缆束包含了多个设备的输出电缆，则需针对每个设备输出电缆中通过短路电流最大的工况进行计算和比较，将该短路状态下电力电缆内通过的短路电流输入到电动力仿真模型进行计算，得出每一根电缆所受电动力，并予以汇总，计算出电缆束所受整体电动力，即成束电缆电动力；

[0035] 选取电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式；

[0036] S3、电缆紧固件强度的仿真计算：

[0037] 对应于电缆束所受整体电动力最小时对应的电缆束排列方式的敷设情况，通过对电缆束的体积、重量的预估来选择电缆紧固件，统计所用的所有电缆紧固件并建立电缆紧固件仿真模型，输入S2计算的成束电缆电动力，计算电缆紧固件强度；

[0038] S4、校核电缆紧固件强度：

[0039] 根据电缆束所受整体电动力和电缆紧固件强度，将两者进行比较，得到电缆紧固件的紧固性能校核结果，并对结果进行分析和评估，若电缆紧固件强度大于或等于电缆束所受整体电动力，则说明电缆紧固件选择合适；若电缆束所受整体电动力大于电缆紧固件的紧固强度，则重新选择电缆紧固件或对原电缆紧固件提出加强方案，重复S3计算后，再次进行S4的强度校核，直至电缆紧固件强度满足要求为止；

[0040] S5、结合实际电缆敷设场合的特点、限制和要求，根据S4强度校核的结果，设计和选择合适的电缆紧固件，分不同敷设方式、不同部位进行成束电缆的防护设计。按照电缆束的实际敷设情况，根据电缆紧固件强度校核结果，对不同部位处电缆束提出具体的防护方法；提出缓冲保护措施：在电缆束与尖锐结构靠近处，进行缓冲保护。

[0041] 以某船用低烟电力电缆(型号为JYJPJR/SC-1)为例，结合实际敷设情况进行说明。

[0042] 第一步，确定成束电缆敷设的典型分布。

[0043] 如图2、图3所示，首先按照每一束电缆束包含电力电缆的数量，对电缆束进行分类，如6根、12根，之后对应相同数量的电缆束，按照电缆连接设备、电缆内通过电流方向形成不同的排列方式进行分类，如图2的左图，电缆按照正极和负极分成上下层分布，图2的右图正极和负极电缆则交叉分布。

[0044] 第二步，电力电缆束电动力计算

[0045] (1)对电缆编号和建立坐标系

[0046] 按照电缆束内电缆的不同排列方式对电缆进行编号，如对应图2左图12根电缆的排列方式，其中1～6号电缆为设备1的输出电缆，7～12号电缆为设备2的输出电缆，建立x－y坐标轴，如图5所示。

[0047] (2)选取短路工况

[0048] 根据电缆束模型中所包含的电缆的类型，结合电力系统短路电流计算结果，选取短路电流的最大工况。若电缆束包含了多个设备的输出电缆，则需针对每个设备输出电缆中通过短路电流最大的工况进行计算和比较。对图5所示的12根电缆束而言，包含了2个设备的电缆，在时间T1时设备1对应的6根电缆中通过短路电流最大，而此时设备2对应的6根电缆中电流却不是最大值，同理，在时间T2时设备2对应的6根电缆中通过短路电流最大。因此，需对12根电缆束分别进行T1时刻和T2时刻的电动力计算，并对计算结果进行比较。

[0049] (3)单根电缆电动力计算

[0050] 以图5中的1号电缆为例，当设备1所属6根电缆中通过电流时，1号电缆受其他5根电缆作用力；当设备2所属6根电缆通过电流时，1号电缆受到这6根电缆作用力；当12根电缆内均通过电流时，1号电缆受到其它11根电缆的作用力。

[0051] 在电力系统中某短路点发生短路故障时，在T0时刻(短路过程中的任意时刻)设备1和设备2所属电缆内均流过短路电流i1和i2时，即可计算出单根电缆的电动力(矢量)，包括电动力的大小和方向。电动力的方向是指电缆受力与x轴的夹角，范围是0度～360度，逆时针为正。其他11根电缆的计算方法与之类同。

[0052] (4)电缆束电动力的计算

[0053] 根据所有单根电缆的电动力计算结果，对电缆束的电缆电动力进行合成。由于12根电缆对外作用力的大小和方向随时间和电流变化，且不在同一时刻达到最大值。因此将12跟电缆电动力在x轴、y轴上进行分解和叠加，计算x轴、y轴上的电动力分量之和，以此作为电缆束电动力的计算结果，电缆束X轴电动力大小为Fx，Y轴电动力大小为Fy。

[0054] 12根电缆束内电缆的排列方式不止一种，对多种排列方式进行计算后，应选取其中电动力最少的排列方式。如图3左图排列方式下的电缆束电动力大于右图排列方式下的电缆束电动力。

[0055] 第三步，电缆紧固件强度的仿真计算。

[0056] (1)选取电缆紧固件。

[0057] 本实施例选取的电缆紧固件为电缆紧钩，图4为本发明采用电缆紧钩的电缆防护形式示意图，电缆紧钩结构如图7所示，其主要参数见表1，单位均为mm。电缆紧钩由紧钩本体9、压紧条3和螺栓10三部分组成，紧钩本体9用于放置电缆束6，电缆束外通过第二橡皮7包裹，下端通过导板放置在紧钩本体9内，电缆放置好后依次垫上松木5和第一橡皮4，再装上压紧条3，之后通过螺栓10将紧钩本体9和压紧条3连接起来，紧钩本体9外设有护罩2和耐压壳体1。根据电缆的数量和分布情况，选取合适的紧钩大小。若电缆外径为45mm，如对应于图2的6根电缆，则至少需要135mm×90mm的空间，可选择型号1的紧钩，如对应图3的12根电缆，若采用4排3列(或4列3排)的方式至少需要180mm×135mm的空间，可选择型号2或型号3的紧钩。

[0058] 表1

[0059]型号 B C D L
1 135 132 140 287
2 185 182 180 287
3 180 177 300 332
4 268 265 380 420

[0060] (2)建立坐标系和电缆紧固件模型

[0061] 根据图7的紧固件结构和表1的参数，建立电缆紧固件坐标系(如图8所示)和仿真模型(如图9所示)。

[0062] (3)输入电动力计算结果

[0063] 将12根电缆束(排列方式如图3的左图)的电动力计算结果Fx和Fy带入计算，可知在x轴、y轴方向电缆紧钩各部件所受的作用力，并可分析出紧钩所受作用力的分布，并分析出受力最大的部位或部件。

[0064] 第四步，校核电缆紧固件强度

[0065] 将第二步和第三步的计算结果进行比较，校核电缆紧固件是否能够有效防护电缆，并对校核结果进行分析。

[0066] 本实施例的电缆紧钩分成三个部分，当电缆束受到电动力作用时，会对三部分均产生作用力，而压紧条和螺栓为活动部分，成为受力的薄弱环节。

[0067] (1)假设压紧条作为刚体在电动力作用下不变形，校验螺栓能否承受X轴的拉力和Y轴方向上的剪切力的同时作用。

[0068] 将电动力计算结果Fx和Fy带入计算出螺栓承受的剪力、承受的拉力，并对其受力进行校核。

[0069] 当螺栓同时受拉和受剪时，根据力学相关计算，其综合受力不得超过螺栓所能承受的最大受力能力，否则螺栓失效。

[0070] 若选取的螺栓能够满足上述要求，则表示该螺栓选取合适，能满足强度要求，若选取的螺栓不能满足上述要求，则表示应该重新选取强度更大的螺栓。

[0071] (2)在保证连接压紧板的螺栓不被剪断或拉断的情况下，根据仿真模型校核电缆紧钩压紧板的受力情况，若压紧板上所受最大应力已经超过了该材料的屈服极限，意味着压紧板已经屈服，强度无法满足要求，需要进行加强。

[0072] (3)提出强度改进措施

[0073] 由校核结果可知，若电缆束在短路条件下产生电动力大小未超过电缆紧固件的紧固强度，则表明该电缆紧固件选择合理，强度能够满足要求；若电缆束在短路条件下产生电动力大小已经超过电缆紧固件的紧固强度，则需要重新选择电缆紧固件，直到强度能够满足要求。

[0074] 第五步，提出电缆防护措施

[0075] 针对电缆实际敷设的复杂情况和具体要求，结合电动力计算结果和电缆紧固件强度校核结果，提出电缆防护措施，包含如下内容：

[0076] (1)确定电力电缆束最优排列方式。

[0077] 从主干电缆电动力计算结果可知，电缆束中电缆的排列方式不同，电缆之间受力情况随之变化，因而电缆束合力也会变化。当电缆束采用最优排列方式时，电缆之间电动力相互抵消作用最佳，电缆束所产生电动力最小。

[0078] 从紧固校核结果可知，电动力越大，紧固件需承受的作用力越大，紧固件能够满足防护强度要么减小电动力，要么增大紧固强度。如果能够设法减小电动力，就能从根本上减小电动力对电缆的影响，不需要紧固件考虑过多冗余强度，同时能够解决若电动力过大紧固件无法增大强度的矛盾。

[0079] (2)按照电缆束的实际敷设情况，根据紧固件强度校核结果，对不同部位处电缆束提出具体的防护方法。

[0080] 本实施例中，如针对有固定基座、具有足够空间的部位主要采用电缆紧钩进行电缆的固定和防护，选取紧钩型号和对应的螺栓型号、压紧条材料和参数，确定电缆紧钩的数量和间距。

[0081] 对悬空段或电缆支架/托架处需固定的地方可选用加强型电缆卡子和加强型金属卡箍(根据电动力计算和紧固件校核后得出满足强度要求的电缆紧固件，根据计算结果的不同选取不同的具体参数)等方式，选取电缆卡子和金属卡箍的型号、材料和参数，确定其数量和间距；对没有固定点且施工空间小的部位或有需要的部位则选用电缆绑扎带，确定电缆绑扎带的型号、数量和缠绕方式。

[0082] (3)提出缓冲保护措施。

[0083] 除了采用以上各种对电力电缆束的防护方法外，还需要考虑在短路电动力作用下可能会使电力电缆碰撞上周围的尖锐结构，使电力电缆受到损伤。因此，需对有可能使电缆损伤的部位采取缓冲保护措施。

[0084] 本实施例采用的具体方法为在电缆束与尖锐结构靠近处，在电缆束外面包裹橡皮或在尖锐结构表面包裹橡皮，并根据各敷设部位、各电缆束具体敷设情况确定需采用缓冲保护措施的部位和方法。

[0085] 以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。