地埋电缆保护管受力分析及设计要点

国网杭州供电公司 夏 衍 杭州电力设备制造有限公司临安恒信成套电气制造分公司 张教练 国网杭州市临安区供电公司 吕 华 金旻昊

1 电缆保护管敷设

1.1 电缆线路的敷设种类

直埋敷设。特点为施工简易，不需要考虑太多其他因素，只需将管道直接埋进土壤，相对其它较多工艺手段的敷设方式而言，其散热性更好，因为部件使用少消耗少，其投资也相对较少，但有利有弊，因为直埋敷设直接将管道埋于土壤，管道接受土壤的腐蚀和刺激也最为严重[1]，为后期检修增加了很多困难，而且伴随外界机械损伤的风险。

电缆隧道敷设。能够容纳大量的电缆，且在后期的敷设、检修、更换电缆中更加方便，适用于长期使用电缆的工程中，如进出线电缆在20根以上的大型电厂、城市道路等场合，但相对应的，电缆隧道辐射投资大，需要大量金钱、人力、物力的投入，耗材耗物资较多，运输不易且费用高，因为工程较大，尤其需要注意火、燃气等方面的安全隐患，尤需加强安全措施。

穿管敷设。本文中着重论述的“电缆保护管敷设”，该方式集前两种敷设方式所长，不仅具备施工操作简单和投资消耗少方面的优势，又兼具检修方便、容易维修和保护的优势，因此电缆保护管的需求量随着电力的发展与日俱增，科研人员也在不断探索不同电缆保护管之间的差异和所适用方向，以求更好的应用电缆保护管对电缆线路起到保护作用，为电力的发展提供有利的“后勤保障”。

1.2 电缆保护管的种类

从广泛意义上划分，电缆保护管依据适用场合分为A、B、C 三大类，其中A 类主要适用于城乡中电力电缆的建设、工业园区电缆工程地下电缆保护管以及交通路桥；B 类主要适用于人行道河路画袋等非机动车道的直埋敷设中，本文就以此为例展开调查研究实验，当然也可用于重载车辆通过的机动车混凝土敷设中；而C 类的电缆保护管主要用于高速公路部分重载车辆通过的路段和一、二级公路。

依据材质划分可分为以下几大类，第一类是有机高分子材料电缆保护管——碳素波纹管、PVC 等，相较于其它普通的聚乙烯管材，碳素波纹管以高密度聚乙烯和改性碳素两者为主要材料，在提升强度、耐腐蚀性、抗老化的同时，将密度控制在1.0g/cm3以下，与其名字相符合，它的质量较轻且呈现波纹状结构，该构型特点使其能够延展成任意长度，在不同工作件之间能够做到无缝衔接，除了较高的热膨胀系数外兼具良好的防水性能，但应当注意在长期高温的状态下，碳素波纹管的各个方面性能都会有所降低；PVC 管的主要原料与碳素波纹管不同，它是以聚氯乙烯为原材料，同时添加许多其它成分的填料，经过多道工序挤压、锻造而成的管材，根据管材的结构可以划分为普通管和双壁波纹管，但无论是哪种形式的PVC 管，均具有管壁外侧光滑的特点，该特点使其在穿管敷设时很好地保护了电缆，当施工中需要多次穿管敷设时，或者大量穿管敷设任务时，可以采用质量轻便且易运输的PVC 管[2]。

第二类是由金属材料构成的电缆保护管——涂塑钢管和镀锌钢管等。以涂塑钢管为例，涂塑钢管的本质是一种由普通钢管经过涂塑工艺而制成的新型管材，可谓是旧瓶装新酒，在其“更新换代”的过程中保留了钢管本身具有的优良机械性能，以及与热有关的良好的耐热、散热性能，在提升长处的同时遏制了短处——不耐腐蚀，也因为涂塑钢管的几大优势需要通过多道工序加成，它的造价称得上是几个中较高的，一般不被用于单芯电缆的穿管中。

第三类和第四类分别是由树脂基纤维增强复合材料为主要原材料和以水泥基纤维增强复合材料为主要原材料的——玻璃钢管、维纶水泥管、低摩擦纤维水泥管，其中玻璃钢管综合上述几个钢管的优点，是由多种成分组成的有机化合物，但主要的是，组成成分的种类或含量不同时，所形成的玻璃钢管的性能也会有或多或少的区别，在制作时应当严格掌握好材料的成分和比例，使用时也应仔细阅读玻璃钢管的成分表，以免使用不适宜的玻璃钢管造成不必要的工程隐患，尤其是制作失败的玻璃钢管会兼具无机和有机材料的共同缺点，对电缆的保护有着致命的打击。而低摩擦纤维水泥管采用一种特殊的抄取工艺，经过加压卷制而成，它的主要基材是一种无极水硬性水泥材料，介于水泥的特性，它能够有效地防止不同程度酸、碱、盐的腐蚀，大大减轻了后期复查维修的负担，在耐热、防火、防水等方面也表现优良，但由于它的本质仍属于刚性材料，所以在运输方面较为麻烦，又因其重量基数较大，工人在装卸时也会是一个难题。

1.3 电缆保护管敷设要求

电缆保护管虽然主要起保护作用，但是对其外观也是有着一定的要求的，因为电缆保护管作用的根本机理是通过减少电缆与管道内壁之间的摩擦起到良好的保护作用，所以其内外表面需要做到没有粘块和裂纹。不仅如此，还应当在一定程度上保证电缆保护管的内外表面没有明显的伤痕。此外，在电缆保护管的长度、椭圆度、抗外压载荷、抗折载荷、弯曲长度等都有着明确的规定。由于铺设不易的缘故，常规电缆保护管应当保证至少在100年期限中不会腐蚀或者出现变形、粉化等影响电缆正常操作的情况出现。考虑到地理因素，不同地域天气的变化程度不同，选用电缆保护管规格时应当考虑到耐冻性和耐热性，常见规格下应保持反复25次交替冻融无起层和龟裂，其他方面的指标严格参照国家设置的规定。

1.4 电缆保护管的性能参数

碳素波纹管、PVC 管、涂塑钢管、玻璃钢管、低磨擦纤维水泥管的主要性能参数为：密度（g·cm-3）0.96/1.40/7.85/1.8/2.0、线膨胀系数（10-6K-1）150/80/12/18/14、抗拉强度（MPa）21/55/560 /160/30、抗压强度（MPa）10/80/410/80/100、热变形温度（℃）82/85/-/160/-、氧指数-/19/45/-/31、内壁滑动磨擦系数29.4/0.38/0.35/0.33/0.28、热阻系数-/7.9/0.02/1.8/0.91、每米管能量消耗因子25/25/100/-/12。

1.5 电缆保护管的工作特点

电缆保护管采取抄取的工艺制成，以维纶纤维为原料，具备维纶纤维水泥电缆管的优良性能。由于电缆保护管管壁摩擦因数较小，在使用时与电缆间的摩擦系数低，方便电缆穿过，不易损坏电缆、造成不必要的摩擦损失。载流量高是电缆保护管的一大主要特征，同时绝大部分电缆保护管的热阻系数都较低，使其工作效果保持良好的状态，能够维持较长工作时间。在使用电缆保护管后，随着被加长的井距工井数量不断减少，在很大程度上降低了工程所需成本。

2 地埋电缆保护管的受力分析

2.1 有限元分析模型

2.1.1 有限元分析法

有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)，简言之是一种数学近似的方法，取物理构型中的一元，借助个例及某一微小单元的实验结果来推测出整体的检验结果，即从有限到无限，类似物理学习过程中用到的微元法思想[3]。该方法能够有效的将复杂问题简单化，可以适用以各种各样看似复杂且无从下手的工程模型中，成为结构工程强度分析计算应用价值很高的一种计算手段，本文就运用“有限元分析法”的方式将电缆保护管微小化，截取电缆保护管的一个截面来对其进行受力分析，并结合生活中的实际应用场景和实物来加以说明，以求达到更好的论述效果，加深大家对地埋电缆保护管受力分析的理解。

2.1.2 有限元分析模型计算模板

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：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Fsv,k=CdγSHBC 计算，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Fsv,k=CdγSHD1，但由于不同土层对电缆保护管的压力不同，而且土与土之间存在较大的摩擦，根据上述公式计算出来的结果可能会略带偏差，试验者在计算时应将地理因素和其他外界因素考虑在内，除却“土拱效应”外还应考虑到保护管实际受到的压力小于以上两个公式计算得到的理论值，并加于实际考虑。

2.2 有限元模型受力分析

根据试验原则，现对三种不同规格的电缆保护管加以有限元受力分析，借助仪器检测结果分别对电缆保护管和土体进行分析，得到土体的变形云图、保护管的变形云图、应力云图，同时借助国家官方规定的不同规格的保护管分析，多次试验寻求正确结果，通过对试验结果的分析可得：

三种规格中的电缆保护管受力不同，现以品字形排列的电缆保护管分析为例，如对其描述“品”，该类型的电缆保护管有一个最高点，而这个最高点即该电缆保护管受力最大的部分，即最大变形处发生在上方保护管的最高处，使得不同保护管之间的接触界面和最大变形处产生最大应力。

在电缆保护管制作过程中，所列规格均需满足国家制定的最低标准，尤其是安全储备，减少后期维修次数及因维修而产生的大量不必要的浪费。后期工作人员必须严加监管，随着土壤、地形、天气等外界因素的改变调整对电缆保护管的检修次数以及间隔时长，进一步结合相关工程案例及运行监测数据对管壁的厚薄也做出相应的改变。

混凝土封包作为又一种典型代表，其最大变形为0.86×10-2mm，而混凝土封包的最大应力为0.83MPa，远小于混凝土的破坏强度。因此当该类型的电缆保护管的上方土层承载量亦或是行车车辆的运荷量超载，会导致混凝土封包被挤压从而导致变形，但其变形是在一定程度上的，不同土层深度的变形程度不尽相同，并且都遵循以下规律：随着土层深度的增加，每个不同方向的电缆保护管的最大应力随之减小。但施工需要考虑不同工程所需特征的电缆保护管，如混凝土封包作为电缆保护管的受力结构时，电缆保护管主要起到防水防渗的作用，适用于天气较为潮湿的地区，也能够在一定程度上减少电缆敷设阻力，符合电缆保护管的基本要求，但他的力学贡献就相对较为微弱，并不建议将该类型的受力结构适用于高强度作业工程中去。

3 设计要点

3.1 保护管内径及埋深

在设计地埋电缆保护管的敷设方式时除了参相关文献做出方案，更重要的是要进行实地考察，看当地的情况是否存在变化，做出相应的调整，充分考虑到环境、天气因素，并尽最大可能做到不影响居民的日常生活，因地制宜改进设计方案。

而为了电缆在敷设过程中能够顺利穿管，其保护管的内径应当控制在电缆外径的1.2～1.5倍，并且应当控制电缆、光缆的保护管内直径在75mm 以内，电缆保护管的最小内直径不能够小于100mm。再考虑到运行问题，为了确保电缆能够安全顺利的运行，在人群分布密集的地方尤其应当提升其安全性能，常见的方式是通过将电缆地埋深度增加，但事不可无限度，即使加深地埋深度能够增强其安全性能，也需要将加深地埋深度时产生的花销考虑在内，按照规定，将土层深度控制在1000mm 是一种较为安全且施工较为容易的程度。在一般的地区敷设电缆保护管时要求敷设的保护管顶部距地面的距离不小于700mm，但对人行道的要求更为简易一些，在不小于500mm 的土层处进行敷设即可。

3.2 电缆保护管的排列方式

按照国家相关部门的规定，每组电缆保护管的根数应设置为6～16根，具体适用于多少根数应当依据城市道路的特性为主，选择适用的规格，同时选用适合的保护管的孔数，常用的电缆保护管的排列工程分为长方形和正方形两类，分别为3×4、3×5、4×4、3×6几大主要类型，也有部分工程适用于上文提及的“品”字形排列方式。但需要注意的是，即使为了施工方便，电缆保护管的散热性能应相对较高，因为在电缆保护管敷设时，不可避免中间由于许多组件的参与使得其散热性能偏差。为了保证地埋式电缆保护管的正常运行，中间电缆保护管应采用控制电缆或光缆的敷设方式来弥补散热性能的削减。

3.3 电缆保护管的选材

各大常见的电缆保护管类型在话题一中已经进行了详细的介绍，如玻璃钢保护管、纤维水泥保护管等，此处主要介绍在外界因素干扰情况下的选材。在一项工程开展前，在保证工程能够正常进行的前提下，应当选择满足工程需求的电缆保护管，其中考虑的主要因素分为敷设的难易程度、耐腐蚀性、耐高温性，如果长期保持高强度作业时还应当考虑电缆保护管的机械强度，根据工程需要做成合适的选材方案。