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地埋电缆保护管受力分析及设计要点

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点击次数:816 更新时间:2021年09月17日18:22:24 【打印此页】 【关闭】

地埋电缆保护管

受力分析及设计要点

朱梦伟 1，王学明 1，张 媛 1，孙 清 2，王虎长 1

（1. 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075 ；2. 西安交通大学，陕西 西安 710049）


摘要：电缆保护管结构设计是一项关乎电缆安全运行的重要环节，埋于地下的电缆保护管受力复杂，因而许多设计人员根据以往经验和常规做法进行保护管设计，未能揭示其作用机理。结合实际工程项目，对人行道及绿化带、行车道下方敷设的管道进行有限元受力分析，揭示了电缆保护管与土体的作用机理，验证了基于经验及常规做法设计方案的可靠性，并介绍了地埋电缆保护管的设计要点，为今后类似工程的设计提供理论基础及技术支持。

关键词: 地埋电缆；电缆保护管；有限元；受力分析；人行道；绿化带；行车道；设计要点


0 引言


埋地敷设电力电缆相比于在路面架设杆塔和导线，具有占地面积小、敷设灵活、美化市容等优势 [1]。将电缆敷设于预先建设好的地下保护管中的安装方法，称为电缆保护管敷设。电缆保护管敷设保护电缆效果比直埋敷设好，电缆不容易受到外部机械损伤，占用空间小，且运行可靠 [2]。110 kV 及以下电力电缆在人行道下方敷设时，或运行维护条件较为可靠的情况下在行车道下敷设时，均可采用电缆保护管敷设方式 [3-5]。 
由于施工方式、材质、排列方式、埋深、土质类型、外部荷载 ( 土的竖向荷载及主动土压力、车辆荷载 ) 的不同，电缆保护管会产生不同的应力及变形。选取电缆保护管时应该考虑足够的安全系数，以尽量保证其在服役期间不被破坏，减少维修费用。 
张俊斌等 [6] 对管道覆土作用下埋地管道竖向土压力计算进行了研究。尤佺等 [7] 通过有限元分析及与美国 ASTM ( 美国材料实验协会，American Society of Testing Materials) 规范对比的方法，提出了简便的截面参数分析法。褚夫蛟等 [8] 通过现场实测与数值模拟对比的方法分析了大直径钢波纹管的力学特性。GB 50332—2002《给水排水工程管道结构设计规范》( 简称《管道结构规范》) [9] 提出了不同施工方式下土对管道作用的计算方式，而电力行业对电缆保护管的受力计算鲜有涉及。国内电力设计院大多根据电气专业要求及服役环境，结合工程实践经验直接进行规格选择使用，缺少力学分析环节。 

本文结合实际工程项目，利用有限元分析方法，对电缆保护管进行力学分析，为后续相近工程提供技术分析手段和实践经验。


1 人行道及绿化带下敷设


1.1 工程概况 
为了满足大马累地区的负荷要求，提高该地区的供电可靠性，中马双方合作开展马尔代夫马累岛 (Male 岛) 环网一期项目 ( 简称“该工程”)，其中 132 kV 双回路电缆工程路径长度约 7 km，途经 Male 岛、中马友谊大桥、机场岛－扩建路，将 Male 岛、机场岛、Hulhumale 岛通过三个新建变电站形成环网，其中有 5 km 电缆需要用电力保护敷设于人行道及绿化带下方，其敷设横断面见图 1。该工程通过综合效益分析后，选用氯化聚氯乙烯 (chlorinated polyvinyl chloride，CPVC) 电缆保护管，保护管内直径为 150 mm。 
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图1 人行道或绿化带下方敷设横断面图(单位：mm) 


1.2 有限元分析模型 
典型设计埋深为 1 m，土的力学参数见表 1。 
考虑到电缆保护管可视为无限长且横截面和形状沿长度方向不变，故可将其简化为平面应变问题，仅取一截面进行分析。

表1 土的力学参数 

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单元类型：土体和电力保护均采用 PLANE2，6节点三角形 2D 实体单元。材料参数：土体本构模型采用 DP(Drucker-Prager) 准则，粘聚力 4.5 kPa，内摩擦角 28°，重度 19 kN/m3，弹性模量 12 MPa，泊松比 0.3；CPVC 采用双线性等向强化 (bilinear isotropic hardening，BISO) 准则，屈服强度 54 MPa，重度 15 kN/m3，弹性模量 2.5 GPa，泊松比 0.27。 
约束条件：底边完全固接，两侧边约束横向位移 (X 方向)，顶边为自由端。 
荷载：根据 GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[10]，人行道荷载取 3.5 kN/m2，换算成节点力施加于模型顶边。 
重力荷载：沿 Y 方向施加 9.8 m/s2 的重力加速度。 
有限元模型见图 2。
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(a) 几何模型

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(b) 单元网格模型

图2 有限元模型


DL/T 802.3—2007《电力电缆用导管技术条件》[11] 中内直径为 150 mm 的 CPVC 电缆保护管，有 SN8、SN12 和 SN16 这三种规格，对应的壁厚分别为 6.5 mm、8 mm 和 9.5 mm。
1.3 电缆保护管受力分析 
通过有限元分析方法，对实际工程中不同规格的 CPVC 电力保护管做力学分析 ： 
1) 土压力对比分析 
《管道结构规范》中，对由设计地面开槽施工的管道，管顶竖向土压力标准值 Fsv,k 可按下式计算 ：
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式中：Cd 为开槽施工土压力系数，与开槽宽度有关，一般取 1.2；γS 为回填土的重力密度 (kN/m3) ；H 为管顶至设计地面的覆土高度 (m) ；BC 为管道的外缘宽度 (m)。 
对于圆管，应以管外径 D1 替代 BC，得出竖向土的压力 Fsv,k 的计算公式 ：
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按照公式 (2) 计算，埋深为 1 m 时，竖向土压力为 22.8 kPa。当只考虑土荷载作用时，土体的应力云图见图 3，1 m 埋深处土压力介于 16.4～19.1 kPa 之间，因为土之间存在摩擦，从而有土拱效应。因此，保护管实际受到的压力小于《管道结构规范》中公式的计算值，规范计算偏于保守。
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图3 土体的应力云图 


2) 电缆保护管受力分析 
对三种不同规格的电缆保护管进行有限元受力分析，得到土体的变形云图、保护管的变形云图、应力云图，仅列出 SN16 规格的电缆保护管云图，见图 4 ～图 6。
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图4 土体的变形云图(SN16)

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图5 保护管的变形云图(SN16)

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图6 保护管的应力云图(SN16)