淺談多功能模塊化的電纜支架的研制和開發(fā)

周磊

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司技能培訓中心，江蘇 蘇州 215000）

電纜接頭的制作為新投運電纜線路施工或者電纜線路檢修中最常見的工作，因為電纜線路敷設方式大部分都是直埋、槽盒、電纜溝等，限制了工位，而且大部分電纜直接和大地接觸，在電纜接頭制作過程中出現(xiàn)難站位、難支撐、質(zhì)量低、慢速等問題，導致檢修與施工過程中出現(xiàn)問題，從而對電纜接頭制作工藝造成影響。

1 新型電纜支架的功能和使用

針對傳統(tǒng)電纜接頭的制作方式，存在多種問題，比如，耗時長、人員操作不方便、效率低等。所以，要設計針對性應用產(chǎn)品，添加多種裝置使其具備多用途功能。本項目需開發(fā)一移動支架工具，以期望能夠針對性解決電纜支撐、固定難題。同時，能夠引入教學指導系統(tǒng)，能夠讓使用者快速查找、引出中壓電力電纜附件制作工要求。方便在實際現(xiàn)場作業(yè)或日常練習使用中使用中，進行作業(yè)標準度對比。方案設計包括：

（1）設計電纜固定裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)無須更換抱箍而固定各種截面電纜，便于快速對培訓用電纜安裝固定。（2）設計支架垂直面旋轉(zhuǎn)平臺，能將面向地面的電纜轉(zhuǎn)動到側(cè)面，實現(xiàn)全方位作業(yè)。（3）設計支架高度調(diào)節(jié)模塊，可自由調(diào)整高度。（4）應具備可移動式設計，便于推拉移動，更改工位布置。（5）制定支架移動式固定方案，固定方式方便單人操作，與地面連接牢靠。（6）設計附件安裝場景模塊，可模擬環(huán)網(wǎng)柜、分支箱安裝場景。（7）在進行大截面電纜附件制作培訓時，支架具備拼接功能，保證附件制作進行。（8）制定培訓、評價、競賽等多場景應用方案。（9）支架材料輕量化設計，機械強度符合要求，各部件模塊化設計，適應不同培訓需求，模塊便于組裝（1人即可完成），同時，應具備預留設計，能夠添加后續(xù)設計、部件、功能模塊。

2 不同電纜支架的優(yōu)缺點

2.1 角鋼電纜支架

角鋼電纜支架取材比較方便，成本低，并且承載力比較大，被廣泛應用到變電站中。在電纜溝壁預埋兩條5～60mm扁鋼；扁鋼每隔500mm焊接尾部帶鉤的鋼筋，在電纜溝壁嵌入起固定作用；鍍鋅角鋼支架和預埋在溝壁中的扁鋼焊接，使用爆炸螺絲在電纜溝壁固定。

角鋼電纜支架的成本比較低，就要有良好的經(jīng)濟性；利用膨脹螺栓在溝壁固定，并且和預埋扁鋼焊接，穩(wěn)定可靠。缺點是要對焊接部位防腐，假如防腐不到位，會出現(xiàn)腐蝕。

2.2 圓鋼電纜支架

此支架制作比較簡單，安裝方法為：使直徑16mm的鍍鋅圓鋼根據(jù)圖紙做成U型結(jié)構(gòu)，并且根據(jù)要求在電纜溝壁預埋。此支架的優(yōu)點為制作簡單，圓鋼直徑為16mm，使用直接預埋方式承載力大；鍍鋅圓鋼防腐能力良好，能夠預埋在溝壁并且不需要維護，使用年限比較久。缺點為支架安裝不整齊，美觀性比較差。

2.3 鋁合金電纜支架

鋁合金電纜支架主要特點為難銹蝕，備受使用者喜歡，安裝方法為：使鋁合金托臂利用不銹鋼螺栓在立柱中固定，使鋁合金立柱通過爆炸螺絲固定在電纜溝壁中。主要優(yōu)點就是具有良好耐腐蝕性，并且安裝維護比較方便，承載力比較大；缺點為價格高，經(jīng)濟性差。

2.4 復合材料電纜支架

目前，使用高分子負荷材料電纜支架都是使用SMC復合材料支架，其屬于固性熱負荷材料，其是通過樹脂糊浸漬玻璃纖維制作的片狀模塑料。對比同金屬材質(zhì)支架，重量比較輕、電絕緣、耐腐蝕，備受重視。但是，因為SMC復合材料強度來源于合成樹脂粘結(jié)力，對工廠生產(chǎn)工藝依賴性比較強，所以在使用過程中存在剛度與強度低、長期耐溫性差、熱膨脹系數(shù)大等缺點，支架出現(xiàn)裂紋后容易斷裂。

3 新型電纜支架的研制

3.1 支架的開發(fā)

電纜支架使用樹脂基復合材料也稱為纖維增強塑料，為目前技術(shù)比較成熟并且使用比較廣泛的復合材料。利用短切或者連續(xù)纖維、織物增強熱塑性樹脂基體與熱固性基體復合構(gòu)成。常見的為玻璃纖維作為增強體的樹脂基復合材料，也稱為玻璃鋼。復合材料為新型結(jié)構(gòu)物，保證組分材料自身原本優(yōu)良性能，還能夠彼此補償，對特殊性能進行改善。其根本特性就是可設計性，利用改變組分材料比例與品種，得出各個材料組分優(yōu)良性能組合，比如，防腐、高強、輕質(zhì)、耐磨、絕緣等。

3.2 支架的類型

根據(jù)支架適用場所和裝配方式，支架類型主要包括整體型與分體型兩種。分體型支架通過多個部件構(gòu)成，部件之間利用卡槽或者連接件方式進行連接，一般使用拉擠工藝。就是在加熱條件下將浸漬樹脂的連續(xù)長纖維，通過模具連續(xù)拉擠型材，以需求切割和組裝，主要特點就是運輸與安裝方便，標準化比較高，但是形狀單一。圖1為卡槽式分體型復合材料支架，能夠靈活調(diào)整托臂數(shù)量與高度，部分相互使用，能夠在矩形安裝斷面中使用。

圖1 卡槽式分體型復合材料支架

整體型支架各部件固化成為一體，大部分使用壓模工藝。將樹脂、玻璃纖維、各種添加劑等混合物放到模具中，通過加熱、加壓后固化成型。以不同使用需求，使模具設計成為不同形狀。尤其是一次成型，同一型號具有較高的強度，但是，工藝比較復雜。除了適用于標準型支架外，還能夠在各種異型支架中使用。

3.3 支架的構(gòu)成部件

研制多功能模塊化電纜支架調(diào)用自撐式組合電纜支架，主要包括頂管、支撐座、立支架、下沉式連體品字形線夾、品字形線夾、層架抱箍、電纜層架、螺栓等配件。兩個支撐座對稱布置，在箱體內(nèi)底角固定，立支架放置到支撐座定位凸臺中；立支架和頂管利用調(diào)節(jié)塊通過螺栓連接擰緊方式使立體支架鎖緊隧道箱體兩側(cè)，貼緊箱體墻壁。電纜層架和層架抱箍利用螺栓在立支架中固定，兩個拉桿利用拉桿調(diào)節(jié)栓在立支架中固定。

3.4 支架的布置和固定

隧道斷面為2.4m×2.4m，為了保證在隧道中設置通風與照明設施，對運維人員工作環(huán)境進行改善，要求空間過道大于0.85m，在布置支架過程中要充分考慮通風設施、照明設施的敷設等因素。在水平敷設過程中，為了避免電纜沿線熱脹冷縮蠕形變位，兩個支架間距小于3m，電纜接頭位置設置連續(xù)固定，對軸向力危害進行抑制。在斜坡敷設時，斜坡高位在兩處剛性固定處設置，支架間距小于2.5m。電纜利用轉(zhuǎn)彎處、端部井、投料井設置電纜過渡支撐架，使電纜彎曲半徑需求得到滿足。

因為隧道一般都是水泥預制件型，為了保證電纜支架在安裝后的隧道結(jié)構(gòu)強度不會受到影響，在隧道電纜支架固定過程中避免使用膨脹式螺栓等有損隧道強度方式，可以使用高強鋁合金和不銹鋼可調(diào)型自撐式組合支架，設置電纜支架高度可調(diào)范圍為-100～200mm。為了滿足蛇形敷設和斜坡敷設的需求，要求電纜臂式支架可旋轉(zhuǎn)0～20°。

3.5 電纜抱箍

使用高強度鋁合金制作電纜抱箍，使用不銹鋼螺栓在電纜臂式支架中固定，螺栓強度滿足線路短路電動力條件需求。抱箍和電纜接觸面要求光滑無刺，抱箍出口設置弧度，避免增加電纜局部應力。在環(huán)境溫度改變的過程中，電纜自身長度會出現(xiàn)熱脹冷縮的情況。因為電纜自身存在剛性，所以在受熱受冷的時候末端會累計熱機械力。假如此熱機械力無法釋放，電纜出現(xiàn)移位和起拱等情況，嚴重的時候電纜局部部位彎曲度超過允許最大彎曲半徑，長期運行導致電纜金屬護套出現(xiàn)損壞，無法實現(xiàn)阻水效果，對電纜壽命造成影響。根據(jù)全波形垂直方向蛇形敷設電纜的時候，220kV電壓等級2500mm2截面電纜在現(xiàn)場施工過程中，因為和支架角度過大，無法精準調(diào)整到同個角度，所以無法固定支架橫檔，無法在全波形垂直方向蛇形敷設6m波長。假如電纜使用半波長垂直蛇形敷設，降低施工難度，并且保證蛇形裕度。

以蛇形敷設具體需求，對支架位置進行調(diào)整，之后在最上層支架電纜中敷設，在下層預留回路。在電纜敷設過程中，牽引頭放置到手推平板車中，以輸送機推進速度根據(jù)人力牽引超前行進。將橡膠墊襯放置到電纜夾具中，避免電纜刮傷。電纜從牽引頭一端上支架，以蛇形敷設增加長度配合輸送機輸送電纜，使蛇形需求得到滿足。

3.6 主要性能分析

（1）剛度。支架剛度通過增強材料取向、組分材料性質(zhì)與占據(jù)體積分數(shù)所決定，對比鋼材，能夠降低彈性模量。大尺寸產(chǎn)品的剛度比較小、容易變形，要加強措施。但是，針對荷載輕、尺寸小的電纜支架，剛度需求無法滿足；（2）層間性能。復合材料層間剪切強度與拉伸強度比較低，比如樹脂強度。在結(jié)構(gòu)設計過程中，避免使用低層間強度；（3）強度。增強體長度、含量和敷設方式與復合材料強度具有密切關(guān)系，利用合理設計能夠使復合材料強度滿足30～1000MPa需求。另外，樹脂和玻璃纖維物理性能能夠使復合材料電纜支架具備良好絕緣性，還具備耐油、耐水、耐酸堿等非金屬特性。

4 支架的安裝步驟和順序

在隧道完工后，要清理隧道，測量放線隧道每環(huán)管片垂直中心線，利用垂直中心線對鋼環(huán)片接頭位置進行定位，打墨線標志。以測量標志從上到小安裝內(nèi)支架鋼環(huán)片，先安裝A型鋼環(huán)片，使用螺栓定板對A型鋼環(huán)片進行固定；之后安裝B型鋼環(huán)片，利用扣件鎖住B型鋼環(huán)片，并且安裝鋼環(huán)片連接件，將兩個A型鋼環(huán)片和B型鋼環(huán)片構(gòu)成內(nèi)支架鋼環(huán)片。

隧道垂直中心線定位精度對于鋼立柱安裝精度尤為重要，在施工過程中會出現(xiàn)只是測量隧道中心線，安裝部分立柱歪斜，會對下一步安裝造成影響。除了放線定位，安裝立柱后對立柱垂直偏差進行測量校正。安裝立柱后，要對立柱和鋼環(huán)片橫梁進行安裝，橫梁連接螺栓垂直與鋼環(huán)片連接件和立柱連接件。要求每個橫梁保持水平，沒有明顯的傾斜和扭曲；對隧道底部混凝土平臺澆筑，將錨入混凝土內(nèi)支架鋼環(huán)片與立柱連接件嵌固，使內(nèi)支架鋼環(huán)片整體鋼度得到加強。在混凝土平臺澆筑前做好坡度定位放線工作，根據(jù)設計圖實現(xiàn)隧道縱坡與橫斷面斜坡精確方面，在混凝土澆筑過程中關(guān)注結(jié)構(gòu)找坡工作。立柱底部預埋螺栓在混凝土中直接錨入，對預埋精度進行檢查。

在電纜支架安裝過程中，需要注意的問題包括：（1）在開始過程中施工隊忽視測量放線工作，導致出現(xiàn)測量誤差累計。在鋼環(huán)片安裝后，發(fā)現(xiàn)無法安裝連接梁和立柱。總結(jié)教訓后，加強隧道AB鋼環(huán)片接頭和垂直中心線位置精確放線之后施工。（2）在圖紙中實現(xiàn)橫梁長度設計為等寬尺寸，實際隧道管片拼裝使用楔形環(huán)。楔形環(huán)最大和最小寬度的差為41mm。K塊位置不同，所以管片也有不同的寬度，無法按圖施工。所以，工程技術(shù)要對隧道相鄰環(huán)管片預埋螺栓孔中心線距離進行測量，實際測量確定每根環(huán)梁的尺寸。（3）工程鋼環(huán)片支架單體100斤，一塊預制板600斤。受到空間限制，無法使用機械對隧道材料進行運輸，工程隧道長度為1.2km，材料人工運輸比較麻煩。為了使施工人員體力勞動強度得到降低，充分使用500m過井設計，預制混凝土和鋼環(huán)片通過兩個井口對隧道中間運輸推進。

5 結(jié)語

復合材料的機械性能比較強、壽命長、耐腐蝕等，逐漸替代木材、金屬等傳統(tǒng)材料，在通信、電子、航天、核能等高新科技產(chǎn)業(yè)中使用，逐漸成為新世紀不可或缺的可持續(xù)發(fā)展高新技術(shù)材料。本文所設計的電纜支架技術(shù)先進，具有較高的綜合效益，能夠在腐蝕性運行環(huán)境中使用，使用前景廣闊。