CN113468725B - 一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法及系统 - Google Patents
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Abstract
一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法及系统，方法包括以下步骤：测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；获取附件绝缘的弹性模量；根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。本发明还提供一种快速估算电缆与附件间界面压力的系统。本发明根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，即能够求解得出电缆附件的界面压力值，测量过程简单，不需要在电缆与附件界面植入压阻薄膜传感器，不会对电缆与附件的紧贴结构造成破坏，实施过程无需获得电缆本体相关参数，估算结果准确。
Description
技术领域
本发明属于电力电缆结构力学领域，具体涉及一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法及系统。
背景技术
电缆附件在电力输电系统中扮演着衔接、过渡等重要角色，电缆与附件之间的可靠面压是确保电缆附件运行的关键。电缆附件的界面抱紧力初始值通常设计为0.25MPa左右，工程上认为30年后电缆附件界面压力若不低于0.1MPa，即可确保界面电气可靠性。而电缆线路频发的早期故障中附件界面故障占到了约70％，可见电缆与附件的界面存在不可靠性。电缆与附件的界面不可靠性，排除附件本身质量问题以及安装人为缺陷，可能来源于水分入侵、界面微孔放电、应力锥移位等缓慢累积效应。而可靠的界面压力是消除这些累积效应的唯一方法。然而，目前的电缆附件界面压力无法量化表征，更无标准可依。
常用的测量方法是在电缆与附件界面植入压阻薄膜传感器，然而传感器的植入非常困难，并且内置传感器的方法破坏了电缆与附件的紧贴结构，导致测量结果不准确。而通过有限元软件仿真得到的界面压力也存在较大的误差，该方法对模型的合理建立、载荷的准确施加以及网格的精细划分都有较高要求，难以真正普及到普通工程人员手中。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中电缆附件界面压力量化表征困难的问题，提供一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法及系统，能够较好的估算出电缆附件装配之后的界面压力值，适于工程人员对电缆附件装配后界面压力的快速掌控。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法，包括以下步骤：
-测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
-获取附件绝缘的弹性模量；
-根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的方法的一种优选方案，所述电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径通过卷尺或游标卡尺测量得到。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的方法的一种优选方案，所述附件绝缘的弹性模量通过查询出厂参数或由拉伸试验机测量获取。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的方法的一种优选方案，所述的界面压力值求解方程通过厚壁圆筒平面轴对称模型计算获得。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的方法的一种优选方案，所述的界面压力值求解方程表达式如下：
式中，a，b，c分别为装配前电缆附件的内径、外径以及装配后的外径；
E为附件绝缘的弹性模量，v为泊松比。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的方法的一种优选方案，泊松比v取0.49。
本发明还提供一种快速估算电缆与附件间界面压力的系统，包括：
尺寸测量装置，用于测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
弹性模量获取装置，用于获取附件绝缘的弹性模量；
界面压力值计算装置，用于采集尺寸测量装置、弹性模量测量装置的信息，根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。
作为本发明快速估算电缆与附件间界面压力的系统的一种优选方案，弹性模量获取装置为能够查询出厂参数获取附件绝缘的弹性模量的数据查询模块或者为拉伸试验机。
相较于现有技术，本发明具有如下的有益效果：根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，即能够求解得出电缆附件的界面压力值。测量过程简单，不需要在电缆与附件界面植入压阻薄膜传感器，不会对电缆与附件的紧贴结构造成破坏，实施过程无需获得电缆本体相关参数，估算结果准确，极大的提高了工程人员对电缆附件装配后界面压力掌控的及时性和可靠性，从而有助于提高电缆及附件的长期运行稳定性。
附图说明
图1电缆附件简化厚壁圆筒平面轴对称模型；
图2电缆附件界面压力传统压阻薄膜测量系统结构示意图；
附图中：201-装配后的电缆附件；202-压阻薄膜传感器；203-电阻压力测试一体机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
本发明提出一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法，包括以下步骤：
-通过卷尺或游标卡尺测量得到电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
-通过查询出厂参数或由拉伸试验机测量获取附件绝缘的弹性模量；
-根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。所述的界面压力值求解方程通过厚壁圆筒平面轴对称模型计算获得。所述的界面压力值求解方程表达式如下：
式中，a，b，c分别为装配前电缆附件的内径、外径以及装配后的外径；
E为附件绝缘的弹性模量，v为泊松比，一般取0.49即可。
本发明还提出一种快速估算电缆与附件间界面压力的系统，包括：
尺寸测量装置，用于测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
弹性模量获取装置，用于获取附件绝缘的弹性模量；实施例中的弹性模量获取装置为能够查询出厂参数获取附件绝缘的弹性模量的数据查询模块或者为拉伸试验机。
界面压力值计算装置，可以是计算机、移动终端等数据处理设备，用于采集尺寸测量装置、弹性模量测量装置的信息，根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。
本发明界面压力值求解方程的构建原理如下：
在应用弹塑性力学中，将圆筒外半径与内半径之比大于1.2的圆筒称为厚壁圆筒，根据附件结构能明显发现其符合厚壁圆筒定义。因此在进行模型简化时，将装配状态下的电缆中间接头简化为厚壁圆筒。当厚壁圆筒处于弹性状态时，可利用应力法或位移法进行应力应变求解。其中，应力法以应力为基本未知量，位移法以位移为基本未知量。但这两种解法均需求解二次偏微分方程组，因此具体求解仍然困难的。而在电缆附件正常装配下，附件所受位移载荷的分布对称于中心轴，且对于求解某一处的应力或应变而言，可认为其总体几何形状在该处沿轴向几乎无变化，因此可将电缆附件的应力应变求解归于厚壁圆筒的平面轴对称问题，如图1所示。平面问题可分为两大类：平面应力问题和平面应变问题。显然，电缆附件的求解属于平面应变问题，后续面压的推导，均基于平面应变模型进行。平面轴对称问题中的未知量主要包括径向/切向应力、径向/切向应变和径向位移量，一般分别表示为σr、σθ、εr、εθ、u，其中，r与θ的函数意义见图1，它们应该满足基本方程及相应的边界条件。
其中平衡方程为：
几何方程为：
本构方程(平面应变)为：
边界条件为：
在力边界Sσ上；
在位移边界Su上；
由式(2)得变形协调方程为：
将式(3)代入上式，则得以应力分量表示的协调方程(平面应变)为：
由平衡方程式(1)可得：
对上述方程整理得到仅包含σr的微分方程，进行积分可以得到的σr解为：
式中，C1，C2为积分常数。
再将σr回代上述各方程，可得到位移分量：
设厚壁圆筒的内表面受p1，外表面受压p2，则边界条件为：
σr|r＝a＝-p1，σr|r＝b＝p2
将边界条件代入应力分量，求得积分常数，则
在实际电缆附件装配下，p2为0，因此：
式中，a为电缆附件装配前的内半径，b为电缆附件装配前的外半径，c为电缆附件装配后的外半径，E为附件绝缘的弹性模量，v为附件橡胶绝缘的泊松比，一般取0.49。
由式(11)可见，通过电缆附件套装厚壁圆筒平面轴对称模型的推导与求解，界面压力的值只与电缆附件装配前的内半径、外半径以及装配后的外半径有关，通过简单测量即可得到装配后的界面压力值。
实施例以某电缆厂提供的8.7/10k电缆中间接头为例，并截取了其中一段进行实测，如图2所示，通过传统内置压阻薄膜传感器202的实验结果与本发明理论计算结果进行对比。
通过游标卡尺测量，未装配前该接头内半径为11.25mm，外半径22.90mm。在接头套装弹性形变范围(应变小于150％)内，橡胶绝缘的标称弹性模量E＝0.862MPa。
为便于实验室内不同截面的电缆与附件的套装和测量，实施例利用不同直径(28～34mm)的尼龙棒模拟实际电缆。截取电缆接头主绝缘段6cm，与尼龙棒实现套装配合。
表1列出了电缆附件界面压力的压阻薄膜测量结果值与本发明理论推导值，对比可见结果基本一致。因此说明，本发明可较好的估算电缆附件装配后的界面压力值。
表1
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种快速估算电缆与附件间界面压力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
-测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
-获取附件绝缘的弹性模量；
-根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值；
所述电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径通过卷尺或游标卡尺测量得到；
所述附件绝缘的弹性模量通过查询出厂参数或由拉伸试验机测量获取；
所述的界面压力值求解方程通过厚壁圆筒平面轴对称模型计算获得；
电缆附件的求解属于平面应变问题，平面轴对称问题中的未知量包括径向/切向应力、径向/切向应变和径向位移量，分别表示为σr、σθ、εr、εθ、u；
其中平衡方程为：
几何方程为：
平面应变本构方程为：
边界条件为：
在力边界Sσ上；
在位移边界Su上；
由式(2)得变形协调方程为：
将式(3)代入上式，则得以应力分量表示的平面应变协调方程为：
由平衡方程式(1)可得：
对上述方程整理得到仅包含σr的微分方程，进行积分得到的σr解为：
式中，C1，C2为积分常数；
再将σr回代上述各方程，得到位移分量：
设厚壁圆筒的内表面受p1，外表面受压p2，则边界条件为：
σr|r＝a＝-p1，σr|r＝b＝p2
将边界条件代入应力分量，求得积分常数，则
在实际电缆附件装配下，p2为0，因此：
所述的界面压力值求解方程表达式如下：
式中，a，b，c分别为装配前电缆附件的内径、外径以及装配后的外径；
E为附件绝缘的弹性模量，v为泊松比。
2.根据权利要求1所述快速估算电缆与附件间界面压力的方法，其特征在于：
泊松比v取0.49。
3.一种快速估算电缆与附件间界面压力的系统，其特征在于，用于实现如权利要求1-2中任意一项所述快速估算电缆与附件间界面压力的方法，包括：
尺寸测量装置，用于测量电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径；
弹性模量获取装置，用于获取附件绝缘的弹性模量；
界面压力值计算装置，用于采集尺寸测量装置、弹性模量测量装置的信息，根据电缆附件装配前的内、外径以及装配后的外径，结合附件绝缘的弹性模量，代入界面压力值求解方程求解得出电缆附件的界面压力值。
4.根据权利要求3所述快速估算电缆与附件间界面压力的系统，其特征在于，弹性模量获取装置为能够查询出厂参数获取附件绝缘的弹性模量的数据查询模块或者为拉伸试验机。
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