浅谈多功能模块化的电缆支架的研制和开发

2022-05-18周磊

中国设备工程 2022年8期

周磊

（国网江苏省电力有限公司技能培训中心，江苏苏州 215000）

电缆接头的制作为新投运电缆线路施工或者电缆线路检修中最常见的工作，因为电缆线路敷设方式大部分都是直埋、槽盒、电缆沟等，限制了工位，而且大部分电缆直接和大地接触，在电缆接头制作过程中出现难站位、难支撑、质量低、慢速等问题，导致检修与施工过程中出现问题，从而对电缆接头制作工艺造成影响。

1 新型电缆支架的功能和使用

针对传统电缆接头的制作方式，存在多种问题，比如，耗时长、人员操作不方便、效率低等。所以，要设计针对性应用产品，添加多种装置使其具备多用途功能。本项目需开发一移动支架工具，以期望能够针对性解决电缆支撑、固定难题。同时，能够引入教学指导系统，能够让使用者快速查找、引出中压电力电缆附件制作工要求。方便在实际现场作业或日常练习使用中使用中，进行作业标准度对比。方案设计包括：

（1）设计电缆固定装置，能够实现无须更换抱箍而固定各种截面电缆，便于快速对培训用电缆安装固定。（2）设计支架垂直面旋转平台，能将面向地面的电缆转动到侧面，实现全方位作业。（3）设计支架高度调节模块，可自由调整高度。（4）应具备可移动式设计，便于推拉移动，更改工位布置。（5）制定支架移动式固定方案，固定方式方便单人操作，与地面连接牢靠。（6）设计附件安装场景模块，可模拟环网柜、分支箱安装场景。（7）在进行大截面电缆附件制作培训时，支架具备拼接功能，保证附件制作进行。（8）制定培训、评价、竞赛等多场景应用方案。（9）支架材料轻量化设计，机械强度符合要求，各部件模块化设计，适应不同培训需求，模块便于组装（1人即可完成），同时，应具备预留设计，能够添加后续设计、部件、功能模块。

2 不同电缆支架的优缺点

2.1 角钢电缆支架

角钢电缆支架取材比较方便，成本低，并且承载力比较大，被广泛应用到变电站中。在电缆沟壁预埋两条5～60mm扁钢；扁钢每隔500mm焊接尾部带钩的钢筋，在电缆沟壁嵌入起固定作用；镀锌角钢支架和预埋在沟壁中的扁钢焊接，使用爆炸螺丝在电缆沟壁固定。

角钢电缆支架的成本比较低，就要有良好的经济性；利用膨胀螺栓在沟壁固定，并且和预埋扁钢焊接，稳定可靠。缺点是要对焊接部位防腐，假如防腐不到位，会出现腐蚀。

2.2 圆钢电缆支架

此支架制作比较简单，安装方法为：使直径16mm的镀锌圆钢根据图纸做成U型结构，并且根据要求在电缆沟壁预埋。此支架的优点为制作简单，圆钢直径为16mm，使用直接预埋方式承载力大；镀锌圆钢防腐能力良好，能够预埋在沟壁并且不需要维护，使用年限比较久。缺点为支架安装不整齐，美观性比较差。

2.3 铝合金电缆支架

铝合金电缆支架主要特点为难锈蚀，备受使用者喜欢，安装方法为：使铝合金托臂利用不锈钢螺栓在立柱中固定，使铝合金立柱通过爆炸螺丝固定在电缆沟壁中。主要优点就是具有良好耐腐蚀性，并且安装维护比较方便，承载力比较大；缺点为价格高，经济性差。

2.4 复合材料电缆支架

目前，使用高分子负荷材料电缆支架都是使用SMC复合材料支架，其属于固性热负荷材料，其是通过树脂糊浸渍玻璃纤维制作的片状模塑料。对比同金属材质支架，重量比较轻、电绝缘、耐腐蚀，备受重视。但是，因为SMC复合材料强度来源于合成树脂粘结力，对工厂生产工艺依赖性比较强，所以在使用过程中存在刚度与强度低、长期耐温性差、热膨胀系数大等缺点，支架出现裂纹后容易断裂。

3 新型电缆支架的研制

3.1 支架的开发

电缆支架使用树脂基复合材料也称为纤维增强塑料，为目前技术比较成熟并且使用比较广泛的复合材料。利用短切或者连续纤维、织物增强热塑性树脂基体与热固性基体复合构成。常见的为玻璃纤维作为增强体的树脂基复合材料，也称为玻璃钢。复合材料为新型结构物，保证组分材料自身原本优良性能，还能够彼此补偿，对特殊性能进行改善。其根本特性就是可设计性，利用改变组分材料比例与品种，得出各个材料组分优良性能组合，比如，防腐、高强、轻质、耐磨、绝缘等。

3.2 支架的类型

根据支架适用场所和装配方式，支架类型主要包括整体型与分体型两种。分体型支架通过多个部件构成，部件之间利用卡槽或者连接件方式进行连接，一般使用拉挤工艺。就是在加热条件下将浸渍树脂的连续长纤维，通过模具连续拉挤型材，以需求切割和组装，主要特点就是运输与安装方便，标准化比较高，但是形状单一。图1为卡槽式分体型复合材料支架，能够灵活调整托臂数量与高度，部分相互使用，能够在矩形安装断面中使用。

图1 卡槽式分体型复合材料支架

整体型支架各部件固化成为一体，大部分使用压模工艺。将树脂、玻璃纤维、各种添加剂等混合物放到模具中，通过加热、加压后固化成型。以不同使用需求，使模具设计成为不同形状。尤其是一次成型，同一型号具有较高的强度，但是，工艺比较复杂。除了适用于标准型支架外，还能够在各种异型支架中使用。

3.3 支架的构成部件

研制多功能模块化电缆支架调用自撑式组合电缆支架，主要包括顶管、支撑座、立支架、下沉式连体品字形线夹、品字形线夹、层架抱箍、电缆层架、螺栓等配件。两个支撑座对称布置，在箱体内底角固定，立支架放置到支撑座定位凸台中；立支架和顶管利用调节块通过螺栓连接拧紧方式使立体支架锁紧隧道箱体两侧，贴紧箱体墙壁。电缆层架和层架抱箍利用螺栓在立支架中固定，两个拉杆利用拉杆调节栓在立支架中固定。

3.4 支架的布置和固定

隧道断面为2.4m×2.4m，为了保证在隧道中设置通风与照明设施，对运维人员工作环境进行改善，要求空间过道大于0.85m，在布置支架过程中要充分考虑通风设施、照明设施的敷设等因素。在水平敷设过程中，为了避免电缆沿线热胀冷缩蠕形变位，两个支架间距小于3m，电缆接头位置设置连续固定，对轴向力危害进行抑制。在斜坡敷设时，斜坡高位在两处刚性固定处设置，支架间距小于2.5m。电缆利用转弯处、端部井、投料井设置电缆过渡支撑架，使电缆弯曲半径需求得到满足。

因为隧道一般都是水泥预制件型，为了保证电缆支架在安装后的隧道结构强度不会受到影响，在隧道电缆支架固定过程中避免使用膨胀式螺栓等有损隧道强度方式，可以使用高强铝合金和不锈钢可调型自撑式组合支架，设置电缆支架高度可调范围为-100～200mm。为了满足蛇形敷设和斜坡敷设的需求，要求电缆臂式支架可旋转0～20°。

3.5 电缆抱箍

使用高强度铝合金制作电缆抱箍，使用不锈钢螺栓在电缆臂式支架中固定，螺栓强度满足线路短路电动力条件需求。抱箍和电缆接触面要求光滑无刺，抱箍出口设置弧度，避免增加电缆局部应力。在环境温度改变的过程中，电缆自身长度会出现热胀冷缩的情况。因为电缆自身存在刚性，所以在受热受冷的时候末端会累计热机械力。假如此热机械力无法释放，电缆出现移位和起拱等情况，严重的时候电缆局部部位弯曲度超过允许最大弯曲半径，长期运行导致电缆金属护套出现损坏，无法实现阻水效果，对电缆寿命造成影响。根据全波形垂直方向蛇形敷设电缆的时候，220kV电压等级2500mm2截面电缆在现场施工过程中，因为和支架角度过大，无法精准调整到同个角度，所以无法固定支架横档，无法在全波形垂直方向蛇形敷设6m波长。假如电缆使用半波长垂直蛇形敷设，降低施工难度，并且保证蛇形裕度。

以蛇形敷设具体需求，对支架位置进行调整，之后在最上层支架电缆中敷设，在下层预留回路。在电缆敷设过程中，牵引头放置到手推平板车中，以输送机推进速度根据人力牵引超前行进。将橡胶垫衬放置到电缆夹具中，避免电缆刮伤。电缆从牵引头一端上支架，以蛇形敷设增加长度配合输送机输送电缆，使蛇形需求得到满足。

3.6 主要性能分析

（1）刚度。支架刚度通过增强材料取向、组分材料性质与占据体积分数所决定，对比钢材，能够降低弹性模量。大尺寸产品的刚度比较小、容易变形，要加强措施。但是，针对荷载轻、尺寸小的电缆支架，刚度需求无法满足；（2）层间性能。复合材料层间剪切强度与拉伸强度比较低，比如树脂强度。在结构设计过程中，避免使用低层间强度；（3）强度。增强体长度、含量和敷设方式与复合材料强度具有密切关系，利用合理设计能够使复合材料强度满足30～1000MPa需求。另外，树脂和玻璃纤维物理性能能够使复合材料电缆支架具备良好绝缘性，还具备耐油、耐水、耐酸碱等非金属特性。

4 支架的安装步骤和顺序

在隧道完工后，要清理隧道，测量放线隧道每环管片垂直中心线，利用垂直中心线对钢环片接头位置进行定位，打墨线标志。以测量标志从上到小安装内支架钢环片，先安装A型钢环片，使用螺栓定板对A型钢环片进行固定；之后安装B型钢环片，利用扣件锁住B型钢环片，并且安装钢环片连接件，将两个A型钢环片和B型钢环片构成内支架钢环片。

隧道垂直中心线定位精度对于钢立柱安装精度尤为重要，在施工过程中会出现只是测量隧道中心线，安装部分立柱歪斜，会对下一步安装造成影响。除了放线定位，安装立柱后对立柱垂直偏差进行测量校正。安装立柱后，要对立柱和钢环片横梁进行安装，横梁连接螺栓垂直与钢环片连接件和立柱连接件。要求每个横梁保持水平，没有明显的倾斜和扭曲；对隧道底部混凝土平台浇筑，将锚入混凝土内支架钢环片与立柱连接件嵌固，使内支架钢环片整体钢度得到加强。在混凝土平台浇筑前做好坡度定位放线工作，根据设计图实现隧道纵坡与横断面斜坡精确方面，在混凝土浇筑过程中关注结构找坡工作。立柱底部预埋螺栓在混凝土中直接锚入，对预埋精度进行检查。

在电缆支架安装过程中，需要注意的问题包括：（1）在开始过程中施工队忽视测量放线工作，导致出现测量误差累计。在钢环片安装后，发现无法安装连接梁和立柱。总结教训后，加强隧道AB钢环片接头和垂直中心线位置精确放线之后施工。（2）在图纸中实现横梁长度设计为等宽尺寸，实际隧道管片拼装使用楔形环。楔形环最大和最小宽度的差为41mm。K块位置不同，所以管片也有不同的宽度，无法按图施工。所以，工程技术要对隧道相邻环管片预埋螺栓孔中心线距离进行测量，实际测量确定每根环梁的尺寸。（3）工程钢环片支架单体100斤，一块预制板600斤。受到空间限制，无法使用机械对隧道材料进行运输，工程隧道长度为1.2km，材料人工运输比较麻烦。为了使施工人员体力劳动强度得到降低，充分使用500m过井设计，预制混凝土和钢环片通过两个井口对隧道中间运输推进。