CN108319785B - 一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法 - Google Patents
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Abstract
一种电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法，本方法针对钢支架，通过电缆重力载荷的钢支架应力计算，得到相应的支架结构及由此得到设备材料成本，在此基础上可计算出初始投资成本中的设备成本；通过电磁场计算得到钢支架上的感应涡流及其功率损耗，并在此基础上可计算出由此增加的运行成本；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，再根据隧道中空气湿度等7个因素，计算出钢支架的腐蚀速率，并在此基础上可计算出由此增加的运维成本；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。
Description
技术领域
本发明一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，涉及输电线路工程及全寿命周期成本理论研究领域。
背景技术
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。目前对于电缆钢支架的全寿命周期成本评估的研究基本没有。但实际上，钢支架的涡流损耗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，电缆隧道中的空气湿度都会引起钢材的腐蚀加速，由此增加的运行维护成本也是不容忽视的。此外，对于不同型式的钢支架而言，其力学性能又是一个重要的约束条件，由此在设计阶段所采用的支架结构及耗材都跟此条件有关，这又会直接影响支架的制造成本，从而改变电缆线路钢支架的初始投资成本。因此，针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，需要进行它的全寿命周期成本评估，为电缆线路设计阶段的钢支架选型提供理论依据和指导。
发明内容
针对上述现有研究的不足，本发明提供一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，应用全寿命周期成本理论对电缆线路钢支架的经济性进行评估，并将评估结果作为选型依据，选择费用最低的型式为该条线路最终应采用的钢支架型式，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。
本发明采取的技术方案为：
一种基于全寿命周期成本评估的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，通过电缆重力载荷的钢支架应力计算，得到相应的支架结构及由此得到设备材料成本，在此基础上可计算出初始投资成本中的设备成本；通过电磁场计算得到钢支架上的感应涡流及其功率损耗，并在此基础上可计算出由此增加的运行成本；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，再根据隧道中空气湿度等7个因素，计算出钢支架的腐蚀速率，并在此基础上可计算出由此增加的运维成本。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数初始投资成本、运行成本、维护成本均由前述计算得到，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，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。
一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，包括以下步骤：
1)、分别以电缆钢支架的三种型式角钢支架、槽钢支架、方钢支架为分析对象，分别建立不同的计算模型；
2)、把电缆本体和抱箍的重力作为载荷，分别对三种型式的钢支架进行力学性能分析，计算放置电缆横担部分所受应力大小，对比采用钢材型号对应的抗拉强度，如果低于抗拉强度则选择材料正确，如果高于则更换钢材型号，由此可确定出对应型式钢支架所采用的材料成本，从而计算出三种型式钢支架各自的制造成本；
3)、针对电缆隧道中的电缆线路，采用有限元法，加载正常运行时常规工频电流，进行电磁场数值计算，分别得到三种型式钢支架上不同的感应涡流及其功率损耗，由此功率损耗计算出整条电缆线路各种型式钢支架上的电能损耗，并根据工业用电价格核算出由该电能损耗造成的不同型式钢支架的运行成本；
4)、把电磁场计算得到的功率损耗作为载荷，进行流场和温度场的直接耦合计算，得到钢支架上的温度变化。对于钢支架，考虑电缆隧道中的空气湿度、温升变化等7个因素综合作用对加速钢材锈蚀程度的影响进行分析，得到隧道中钢支架的腐蚀速率，根据腐蚀引起的支架厚度变薄从而导致所受三种型式钢支架的应力变大，以达到材料抗拉强度的95％为依据，得出三种型式钢支架对应的结构厚度值，计算出各型式钢支架引起该腐蚀变薄的服役年限；
5)、以30年运行时间为限，针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别以三种型式钢支架为对象，将计算得到的钢支架通过力学性能分析得到的设备购置成本，计算得到的电能损耗造成的运行成本，计算得到的各影响因素对材料腐蚀造成的运维成本，都加入全寿命周期成本模型中，结合其他由工程实际确定的因素，即可实现对该条分别使用三种型式钢支架的电缆线路的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。
本发明一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，技术效果如下：
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。本方法针对工程上目前常用的三种型式钢支架，即角钢、槽钢、方钢，通过电缆重力载荷的钢支架应力计算，得到相应的支架结构及由此得到设备材料成本，在此基础上可计算出初始投资成本中的设备成本；通过电磁场计算得到钢支架上的感应涡流及其功率损耗，并在此基础上可计算出由此增加的运行成本；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，再根据隧道中空气湿度等7个因素，计算出钢支架的腐蚀速率，并在此基础上可计算出由此产生的运维成本；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钢支架的经济性进行评估，并将评估结果作为选型依据，选择费用最低的型式为该条线路最终应采用的钢支架型式，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。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1(a)为角钢支架模型。
图1(b)为槽钢支架模型。
图1(c)为方钢支架模型。
图2为角钢型支架应力分布图。
图3为三相电缆和钢支架的三维模型图。
图4为图3的有限元模型图。
图5为500A工频电流时的支架上电流密度分布图。
图6为单个钢支架上涡流损耗结算界面图。
图7为钢支架上温度分布图。
图8为支架横担受腐蚀厚度减少后所受应力为材料抗拉强度分布图。
具体实施方式
一种基于全寿命周期成本评估的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，通过电缆重力载荷的钢支架应力计算，得到相应的支架结构及由此得到设备材料成本，在此基础上可计算出初始投资成本中的设备成本；通过电磁场计算得到钢支架上的感应涡流及其功率损耗，并在此基础上可计算出由此增加的运行成本；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，再根据隧道中空气湿度等7个因素，计算出钢支架的腐蚀速率，并在此基础上可计算出由此增加的运维成本。建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数初始投资成本、运行成本、维护成本均由前述计算得到，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，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)、分别以电缆钢支架的三种型式角钢支架、槽钢支架、方钢支架为分析对象，分别建立不同的计算模型；
2)、把电缆本体和抱箍的重力作为载荷，分别对三种型式的钢支架进行力学性能分析，计算放置电缆横担部分所受应力大小，对比采用钢材型号对应的抗拉强度，如果低于抗拉强度则选择材料正确，如果高于则更换钢材型号，由此可确定出对应型式钢支架所采用的材料成本，从而计算出三种型式钢支架各自的制造成本；
3)、针对电缆隧道中的电缆线路，采用有限元法，加载正常运行时常规工频电流，进行电磁场数值计算，分别得到三种型式钢支架上不同的感应涡流及其功率损耗，由此功率损耗计算出整条电缆线路各种型式钢支架上的电能损耗，并根据工业用电价格核算出由该电能损耗造成的不同型式钢支架的运行成本；
4)、把电磁场计算得到的功率损耗作为载荷，进行流场和温度场的直接耦合计算，得到钢支架上的温度变化。对于钢支架，考虑电缆隧道中的空气湿度、温升变化等7个因素综合作用对加速钢材锈蚀程度的影响进行分析，得到隧道中钢支架的腐蚀速率，根据腐蚀引起的支架厚度变薄从而导致所受三种型式钢支架的应力变大，以达到材料抗拉强度的95％为依据，得出三种型式钢支架对应的结构厚度值，计算出各型式钢支架引起该腐蚀变薄的服役年限；
5)、以30年运行时间为限，针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别以三种型式钢支架为对象，将计算得到的钢支架通过力学性能分析得到的设备购置成本，计算得到的电能损耗造成的运行成本，计算得到的各影响因素对材料腐蚀造成的运维成本，都加入全寿命周期成本模型中，结合其他由工程实际确定的因素，即可实现对该条分别使用三种型式钢支架的电缆线路的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。
一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，包括以下步骤：
步骤1)：分别建立角钢支架、槽钢支架和方钢支架三维模型；
步骤2)：根据电缆本体和抱箍的重力计算出面力
作为载荷，并对钢支架的立柱部分设立位移边界条件
分别对三种型式钢支架进行弹性力学计算，采用有限元法求解公式组(1)，分别计算出放置电缆横担部分不同型式支架所受应力大小，对比采用钢材型号对应的抗拉强度，如果低于抗拉强度则选择材料正确，如果高于则更换钢材型号，可分别确定出三种型式钢支架各自对应实际应采用的钢材型号；
式中σij,j、Pi、fi、εi,j分别代表有限元单元应力(Pa)、面力(Pa)、体力(Pa)和应变(m)；i，j，k分别为1，2，3；u代表位移(m)；υ代表泊松比；E代表杨氏模量(Pa)；G代表剪切模量；δij为一个面上的应力，当i＝j时是正应力，i≠j时是剪应力；nj代表表面外法线的方向余弦。
步骤3)：根据三种型式钢支架各自尺寸计算出体积，根据步骤2)确定出的钢材型号的密度，计算出所用钢材的重量，再根据该型号钢材单位重量的价格，可计算出所用材料价格，然后结合加工费可计算出单个钢支架的设备成本，考虑厂家提供销售利润，则可以得到三种型式钢支架各自对应的设备购置成本；
步骤4)：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线路和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；
步骤5)：电缆缆芯铜导体区域加载实际运行时正常负荷情况下的电流值，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(2)-(4)进行有限元数值计算可分别得到三种型式钢支架上的感应涡流分布情况以及由此引起的功率损耗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6)：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(5)(6)和能量方程(7)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(8)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，分别得到三种型式钢支架上的温度分布情况；
(5)(6)式中，ρ是空气密度；vx、vy是空气在x、y方向的速度分量；αV是空气膨胀系数；g是重力加速度；T是求解的空气温度；T∞是趋于稳态时温度值；η是空气的动力粘度。
(7)式中，ρ是空气密度；c是空气比热容；k是空气热导率；
是拉普拉斯算子；T是求解的空气温度；Q是热量。
(8)式中，Q是热量；kx,ky分别表示热导率的各向异性参数；T是求解的空气温度。
步骤7)：根据电缆隧道的实际工况，可测量得到隧道中的空气湿度等7个因素，由步骤6)可计算得到正常运行时电缆支架的温度，依据作者崔梦晨、穆志纯、付冬梅、李晓刚发表在《腐蚀与防护》期刊2016年第37卷第6期的论文《大气环境中碳钢腐蚀速率推测方法》中的公式(9)，可计算出电缆隧道中三种型式钢支架各自的腐蚀速率υcorr。
式中，E为气候环境影响函数值；υcorr表示碳钢腐蚀速率，单位为μm/a；d1、d2、…、d7分别表示年平均温度，年平均湿度、年平均降雨量、年平均日照时间、SO2含量、NO2含量、Cl-沉积速率经过区间化处理后的数据，区间化处理采用公式(10)。
式中，Di表示气候环境因素原始数据；Dimax和Dimin分别表示该因素原始数据中的最大值和最小值；[a1,a2]表示线性映射的目标区间范围，选择区间范围为[0.2,0.8]。
步骤8)：发生腐蚀后，支架横担厚度减少，载荷不变的情况下应力会变大。按照设计标准，认为达到材料抗拉强度的95％则会出现塑性变形，由此按照步骤2)的计算方法，可计算出应力变成材料抗拉强度的95％时，对应的横担厚度。再根据步骤7)计算得到的υcorr，可计算出考虑腐蚀影响的三种型式钢支架各自的服役时间。
步骤9)：建立电缆钢支架全寿命周期成本模型，即公式(11)。式中，CI为初始投资成本，包括由步骤2)和3)计算得到的电缆支架设备购置费用，以及设备运输费、安装费；CO为运行成本，即钢支架上产生的涡流损耗带来的经济损失，根据步骤5)计算得到的钢支架功率损耗，按当地工业用电价格，可计算出由此增加的运行成本；CM为维护成本，考虑步骤7)得到的钢材腐蚀速率计算出服役时间，考虑腐蚀到结构所受应力增大到材料抗拉强度的95％，即当年进行设备更换，由此可计算出整个寿命周期的维护成本，其中按照电力公司单次维护检修费用，可计算出除去更换当年其他年份的实际维护成本；CF为故障成本，即电缆支架发生故障损坏进行更换的设备费、人工费；CD为废弃成本，即电缆支架退役处理人工费、运输费、退役回收费；i为考虑货币贬值情况下的折现率；n就是支架的使用寿命年限。按照30年运行时间进行计算，针对某条实际电缆线路的具体情况，分别针对角钢、槽钢、方钢这三种型式钢支架，将各个参数值代入该公式进行计算，可得到整条线路三种型式钢支架的全寿命周期成本LCC，将三种型式钢支架的LCC值进行对比，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。
具体算例：以武汉市电缆220kV凤珞线角钢支架为例：
(1)分别建立电缆角钢、槽钢、方钢支架三维模型，如图1(a)、图1(b)、图1(c)所
示。首先以角钢支架为例，进行其全寿命周期成本计算，具体计算过程及计算结果如下：
按照步骤1)和2)所描述的过程，三相电缆均放置于最上层横担，首先选择Q235型钢材为三种型式支架的材料型号。将电缆本体和抱箍的重力作为载荷分别加载到图1(a)、图1(b)、图1(c)中所示支架的1号、2号、3号面，立柱加位移约束条件，对电缆支架进行应力计算，得到应力分布情况，图2为角钢型支架应力分布，最大应力出现在横担与立柱连接处为247MPa，而Q235型钢材的抗拉强度为215MPa，而Q345的抗拉强度为310MPa，所以选择Q345型号作为角钢支架的材料。
按照步骤3)所描述的过程，根据钢支架尺寸计算出体积，再根据其所对应型号钢材的密度，计算出所用钢材的重量，再根据该型号钢材单位重量的价格，可计算出所用材料价格，再结合加工费可计算出单个钢支架的设备成本，考虑厂家提供销售利润，则可以得到角钢支架的设备购置成本为400元/个。
根据步骤4)建立三相电缆和钢支架的三维模型，如图3所示。
按照步骤5)所描述，加载500A工频电流的运行工况，对整个三维模型的计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算，图4为有限元模型，可得到钢支架上的功率损耗Q。图5为500A工频电流时的支架上电流密度分布情况，图6为计算得到单个钢支架上涡流损耗0.675W。
按照步骤6)所描述，考虑电缆隧道内为空气自然对流散热，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，得到钢支架上温度分布情况，如图7所示。
按照步骤7)所描述，根据凤珞线电缆隧道监测数据，隧道年平均相对湿度为140％，SO2质量浓度为61μg/m3，NO2质量浓度为55μg/m3，Cl-沉积速度为29mg/m2·d，其余因素为0。根据公式(10)计算得到d1＝0.654，d2＝0.8，d3＝0.2，d4＝0.2，d5＝0.629，d6＝0.685，d7＝0.231。根据公式(9)，计算得到E＝1.034，υcorr＝77.95μm/a。
按照步骤8)所描述，计算支架横担受腐蚀厚度减少后所受应力为材料抗拉强度的95％时(如图8所示)，所对应的厚度值为6.5mm，比原始厚度减少1.5mm，根据步骤7)计算出的υcorr＝77.95μm/a，可计算出考虑腐蚀影响的支架服役时间为19年。
按照步骤9)根据公式(11)，由电力公司提供的相关数据，凤珞线全长1.32公里，总支架数为420个，按照运行30年时间来计算角钢支架的全寿命周期成本，其中：
1)CI为初始投资成本：电缆支架设备购置总费用为0.04×420＝16.8万，设备运输费为0.18万元，安装费用为12.6万元，共计29.58万元。
2)根据步骤4)计算得到的单个支架上功率损耗取平均值为0.675W，武汉工业用电价格为0.945元/千瓦时，则
CO＝0.675×420÷1000×24×365×0.945÷10000＝0.235万元
3)CM为维护成本，维护检修频率1次/年，单次维护检修费用为1.02万元。而根据步骤7)的计算，运行到第19年需要进行支架更换，第19年的维护成本为
CM19＝0.18+12.6+0.04×420+CD
4)CF为故障成本，电缆支架故障率为5个/年，每个支架费用400元，单次更换人工费900元，则
CF＝(5×400+900)÷10000＝0.29万元
5)CD为废弃成本，包括支架退役处理人工费12.6万元、运输费0.18万元、退役回收费2.08万元，则CD＝12.6+0.18-2.08＝10.7万元
6)代入公式(11)，其中i为考虑货币贬值情况下的折现率，取0.1。角钢支架按30年的运行时间进行计算，其全寿命周期成本为：
(2)按照上述所有步骤，再分别以槽钢支架和方钢支架为例，进行其全寿命周期成本计算，最终计算结果为
槽钢支架：LCC＝54.1万元
方钢支架：LCC＝63.72万元
(3)比较三种型式支架的全寿命周期成本，角钢支架的费用最低，因此对于武汉市电缆220kV凤珞线应采用角钢支架。
Claims (6)
1.一种基于全寿命周期成本评估的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，通过电缆重力载荷的钢支架应力计算，得到相应的支架结构及由此得到设备材料成本，在此基础上可计算出初始投资成本中的设备成本；通过电磁场计算得到钢支架上的感应涡流及其功率损耗，并在此基础上可计算出由此增加的运行成本；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，再根据隧道中空气湿度因素，计算出钢支架的腐蚀速率，并在此基础上可计算出由此增加的运维成本；建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型，模型中的参数初始投资成本、运行成本、维护成本均由前述计算得到，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，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所述一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，其特征在于包括以下步骤：
1)、分别以电缆钢支架的三种型式角钢支架、槽钢支架、方钢支架为分析对象，分别建立不同的计算模型；
2)、把电缆本体和抱箍的重力作为载荷，分别对三种型式的钢支架进行力学性能分析，计算放置电缆横担部分所受应力大小，对比采用钢材型号对应的抗拉强度，如果低于抗拉强度则选择材料正确，如果高于则更换钢材型号，由此可确定出对应型式钢支架所采用的材料成本，从而计算出三种型式钢支架各自的制造成本；
3)、针对电缆隧道中的电缆线路，采用有限元法，加载正常运行时常规工频电流，进行电磁场数值计算，分别得到三种型式钢支架上不同的感应涡流及其功率损耗，由此功率损耗计算出整条电缆线路各种型式钢支架上的电能损耗，并根据工业用电价格核算出由该电能损耗造成的不同型式钢支架的运行成本；
4)、把电磁场计算得到的功率损耗作为载荷，进行流场和温度场的直接耦合计算，得到钢支架上的温度变化；对于钢支架，考虑电缆隧道中的空气湿度、温升变化等7个因素综合作用对加速钢材锈蚀程度的影响进行分析，得到隧道中钢支架的腐蚀速率，根据腐蚀引起的支架厚度变薄从而导致所受三种型式钢支架的应力变大，以达到材料抗拉强度的95％为依据，得出三种型式钢支架对应的结构厚度值，计算出各型式钢支架引起腐蚀变薄的服役年限；
5)、以30年运行时间为限，针对电缆线路从建设、运行、维护直至退役整个过程，分别以三种型式钢支架为对象，将计算得到的钢支架通过力学性能分析得到的设备购置成本，计算得到的电能损耗造成的运行成本，计算得到的各影响因素对材料腐蚀造成的运维成本，都加入全寿命周期成本模型中，结合其他由工程实际确定的因素，即可实现对分别使用三种型式钢支架的电缆线路的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。
3.一种基于全寿命周期成本评估的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)：分别建立角钢支架、槽钢支架和方钢支架三维模型；
步骤2)：根据电缆本体和抱箍的重力计算出面力
作为载荷，并对钢支架的立柱部分设立位移边界条件
分别对三种型式钢支架进行弹性力学计算；
步骤3)：根据三种型式钢支架各自尺寸计算出体积，根据步骤2)确定出的钢材型号的密度，计算出所用钢材的重量，再根据该型号钢材单位重量的价格，可计算出所用材料价格，然后结合加工费可计算出单个钢支架的设备成本，考虑厂家提供销售利润，则可以得到三种型式钢支架各自对应的设备购置成本；
步骤4)：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线路和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；
步骤5)：电缆缆芯铜导体区域加载实际运行时正常负荷情况下的电流值，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；
步骤6)：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(5)(6)和能量方程(7)联立求解，此外还需要同时计算热传导方程(8)，采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算，分别得到三种型式钢支架上的温度分布情况；
(5)(6)式中，ρ是空气密度；vx、vy是空气在x、y方向的速度分量；αV是空气膨胀系数；g是重力加速度；T是求解的空气温度；T∞是趋于稳态时温度值；η是空气的动力粘度；
(7)式中，ρ是空气密度；c是空气比热容；k是空气热导率；
是拉普拉斯算子；T是求解的空气温度；Q是热量；
(8)式中，Q是热量；kx,ky分别表示热导率的各向异性参数；T是求解的空气温度；
步骤7)：可计算得到正常运行时电缆支架的温度，依据作者崔梦晨、穆志纯、付冬梅、李晓刚发表在《腐蚀与防护》期刊2016年第37卷第6期的论文《大气环境中碳钢腐蚀速率推测方法》中的公式(9)，可计算出电缆隧道中三种型式钢支架各自的腐蚀速率υcorr；
式中，E为气候环境影响函数值；υcorr表示碳钢腐蚀速率，单位为μm/a；d1、d2、…、d7分别表示年平均温度，年平均湿度、年平均降雨量、年平均日照时间、SO2含量、NO2含量、Cl-沉积速率经过区间化处理后的数据，区间化处理采用公式(10)；
式中，Di表示气候环境因素原始数据；Dimax和Dimin分别表示该因素原始数据中的最大值和最小值；[a1,a2]表示线性映射的目标区间范围；
步骤8)：发生腐蚀后，支架横担厚度减少，载荷不变的情况下应力会变大；按照设计标准，认为达到材料抗拉强度的95％则会出现塑性变形，由此按照步骤2)的计算方法，可计算出应力变成材料抗拉强度的95％时，对应的横担厚度；再根据步骤7)计算得到的υcorr，可计算出考虑腐蚀影响的三种型式钢支架各自的服役时间；
步骤9)：建立电缆钢支架全寿命周期成本模型。
4.根据权利要求3所述一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，其特征在于:
步骤2)中，采用有限元法求解公式组(1)，分别计算出放置电缆横担部分不同型式支架所受应力大小，对比采用钢材型号对应的抗拉强度，如果低于抗拉强度则选择材料正确，如果高于则更换钢材型号，可分别确定出三种型式钢支架各自对应实际应采用的钢材型号；
式中σij,j、Pi、fi、εi,j分别代表有限元单元应力(Pa)、面力(Pa)、体力(Pa)和应变(m)；i，j，k分别为1，2，3；u代表位移(m)；υ代表泊松比；E代表杨氏模量(Pa)；G代表剪切模量；δij为一个面上的应力，当i＝j时是正应力，i≠j时是剪应力；nj代表表面外法线的方向余弦。
5.根据权利要求3所述一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，其特征在于：
步骤5)中，通过对电磁场控制方程(2)-(4)进行有限元数值计算可分别得到三种型式钢支架上的感应涡流分布情况以及由此引起的功率损耗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。
6.根据权利要求3所述一种基于全寿命周期成本评估的电缆线路钢支架选型方法，其特征在于：步骤9)中，建立电缆钢支架全寿命周期成本模型，即公式(11)；式中，CI为初始投资成本，包括由步骤2)和3)计算得到的电缆支架设备购置费用，以及设备运输费、安装费；CO为运行成本，即钢支架上产生的涡流损耗带来的经济损失，根据步骤5)计算得到的钢支架功率损耗，按当地工业用电价格，可计算出由此增加的运行成本；CM为维护成本，考虑步骤7)得到的钢材腐蚀速率计算出服役时间，考虑腐蚀到结构所受应力增大到材料抗拉强度的95％，即当年进行设备更换，由此可计算出整个寿命周期的维护成本，其中按照电力公司单次维护检修费用，可计算出除去更换当年其他年份的实际维护成本；CF为故障成本，即电缆支架发生故障损坏进行更换的设备费、人工费；CD为废弃成本，即电缆支架退役处理人工费、运输费、退役回收费；i为考虑货币贬值情况下的折现率；n就是支架的使用寿命年限；按照30年运行时间进行计算，针对某条实际电缆线路的具体情况，分别针对角钢、槽钢、方钢这三种型式钢支架，将各个参数值代入该公式进行计算，可得到整条线路三种型式钢支架的全寿命周期成本LCC，将三种型式钢支架的LCC值进行对比，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；
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|---|---|---|---|---|
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| CN117688782B (zh) * | 2024-01-31 | 2024-04-12 | 天津小铁马科技有限公司 | 一种耗损量预估方法、装置、电子设备及存储介质 |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102760246A (zh) * | 2011-04-27 | 2012-10-31 | 上海市电力公司 | 基于全寿命周期成本管理高压电缆设计选型数据处理方法 |
| CN102930123A (zh) * | 2011-08-08 | 2013-02-13 | 华东电力试验研究院有限公司 | 电缆的全寿命周期成本的计算方法和计算系统 |
| WO2014009718A1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-16 | Ceona Services (Uk) Limited | Apparatus and method for laying pipes |
| CN104636853A (zh) * | 2014-08-20 | 2015-05-20 | 国家电网公司 | 变电站全寿命周期成本预估方法 |
| CN105631552A (zh) * | 2016-01-08 | 2016-06-01 | 国家电网公司 | 一种基于全寿命周期的配电自动化工程经济效益评估方法 |
| CN106021713A (zh) * | 2016-05-18 | 2016-10-12 | 三峡大学 | 一种基于Corten-Dolan准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测方法 |
| CN107169794A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-15 | 中国农业大学 | 一种计及组件功率衰减的光伏电站成本电价计算方法 |
| CN107292469A (zh) * | 2016-04-10 | 2017-10-24 | 国网山东省电力公司经济技术研究院 | 基于全生命周期的电网规划管理方法 |
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102760246A (zh) * | 2011-04-27 | 2012-10-31 | 上海市电力公司 | 基于全寿命周期成本管理高压电缆设计选型数据处理方法 |
| CN102930123A (zh) * | 2011-08-08 | 2013-02-13 | 华东电力试验研究院有限公司 | 电缆的全寿命周期成本的计算方法和计算系统 |
| WO2014009718A1 (en) * | 2012-07-10 | 2014-01-16 | Ceona Services (Uk) Limited | Apparatus and method for laying pipes |
| CN104636853A (zh) * | 2014-08-20 | 2015-05-20 | 国家电网公司 | 变电站全寿命周期成本预估方法 |
| CN105631552A (zh) * | 2016-01-08 | 2016-06-01 | 国家电网公司 | 一种基于全寿命周期的配电自动化工程经济效益评估方法 |
| CN107292469A (zh) * | 2016-04-10 | 2017-10-24 | 国网山东省电力公司经济技术研究院 | 基于全生命周期的电网规划管理方法 |
| CN106021713A (zh) * | 2016-05-18 | 2016-10-12 | 三峡大学 | 一种基于Corten-Dolan准则的抽水蓄能发电电动机转子鸽尾部疲劳寿命预测方法 |
| CN107169794A (zh) * | 2017-05-09 | 2017-09-15 | 中国农业大学 | 一种计及组件功率衰减的光伏电站成本电价计算方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Cumulative damage model based on two-mode fatigue damage bounds;Ben-Amoz, M 等;《MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING A-STRUCTURAL MATERIALS PROPERTIES MICROSTRUCTURE AND PROCESSING》;20081030;第504卷;第114-123页 * |
| Reinforcing effect of coverlayers on the fatigue life of copper-Kapton flex cables;A.T. Zehnder 等;《IEEE Transactions on Components, Packaging, and Manufacturing Technology: Part B》;19951231;第18卷(第4期);第704-708页 * |
| 基于全寿命周期成本的变电站设计分析;陈芳;《低碳世界》;20171231;第97-98页 * |
| 计及风险成本的配电网设备全寿命周期成本管理与决策;黄雄峰 等;《三峡大学学报(自然科学版)》;20150831;第37卷(第4期);第71-76页 * |
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