外部冲击下电力电缆护套结构性损伤研究_杨世迎(1).pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金项目 吉林省科技发展计划项目 广东电网有限 责任公司科技项目资助 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 杨世迎 男硕士生 年生 通信作者 祝贺 男硕士生导师 年生 外部冲击下电力电缆护套结构性损伤研究 杨世迎 祝贺 何文 余欣 袁鸣 东北电力大学研究生院吉林吉林 广东电网有限责任公司东莞供电局广东东莞 广东电网有限责任公司电力科学研究院广州 摘要由电缆敷设等电网施工造成电缆护套出现损伤事件屡见不鲜其大部分损伤都属于结构性损伤目前针 对电缆护套结构损伤的资料较为缺乏红外光谱技术是一种高效快速的现代分析技术利用检测器检测透过电缆样品 的光谱辨别样品结构和组成信息 射线衍射技术常被用来表征聚乙烯的结晶信息判别试样所受应力结构 损伤引起结构动力参数变化利用频响函数曲率作为电缆护套损伤诊断因子结果表明受外力损伤的 试样三种 副产物含量与未损伤处含量不同应力的大小与晶面间距的变化值具有相关性通过试验观察损伤处与完好处频响函 数曲率值大小判别损伤位置 关键词电缆护套红外光谱射线衍射频响函数曲率损伤定位 中图分类号 文献标志码 当前电力经济与人们用电需求在不断上升使得 人们对电力系统的关注程度也在不断加深 电力 电缆作为电力系统输送分配电能的重要一环其外护 套是保护电力电缆的第一道防线其完好与否对电缆 使用寿命关系重大随着我国电缆敷设环境复杂程度 的增加伴随我国高速铁路城市地铁建设的迅速发 展在铁路桥梁电缆隧道内敷设的高压交联聚乙烯电 缆越来越多那些敷设时间较早的电缆不可避免的会 产生各种各样的损伤高压 电缆敷设在电缆隧 道铁路桥梁等应用环境下时常常受到特定频率振动 的长期作用由此导致疲劳损伤电缆出现外护套开 裂金属套开裂变形等问题 同时随着经济的发 展施工人员往往会对道路进行施工改造电缆在敷设 施工中也容易发生变形使得电缆护套结构更容易遭 受破坏轻则引起电缆金属护套环流增大降低电缆线 路的输送容量重则使金属护套受到腐蚀进而危害电 缆主绝缘直至绝缘击穿发生事故针对电缆发生 结构性损伤方面西安交通大学学者发现外部振动应 力对 电缆电树生长速度形态有影响武汉大学 学者发现高压 电缆在不同敷设距离不同外部频 率下的内部应力位移分布情况 现如今针对电缆护套是否出现损伤大多采用电性 能方面的测试即对电缆护套加入 电压通过加 压后的绝缘电阻数值来判断护套是否出现损伤而这 种电性能测试方法属于破坏性试验对电缆护套长期 安全可靠运行是不利的通过结构动力测试对电缆 护套进行损伤判断不会损伤电缆本体所以根据结 构动力特性和动力响应的改变可检测出结构中出现 的损伤结构动力测试中频响函数可直接测得可 方便的应用于结构损伤的检测中使电力工作人员 方便快捷检测到电缆护套结构是否出现损伤但现 有研究却没有关注频响函数大小对电缆护套结构性 损伤的影响 目前对电缆结构性损伤没有考虑护套结构受到外 部冲击下宏观力学性能方面的影响以及微观结构变 化本文对电缆护套结构损伤与完好情况下进行分析 宏观方面针对电缆护套凹陷出现结构性损伤运用结 构动力测试获得频响函数微观方面将电缆护套凹 陷处进行切割加工分别取完好侧与凹陷侧电缆绝缘 的内中外三层试样进行理化分析 微观机理理化分析 电缆班组在日常巡线时发现 电缆线路埋 管段遭受破坏电缆外护套表面有一处凹陷如图 所示 图外护套凹陷 电缆护套由于出现结构损伤尤其是发生电缆外 护套凹陷情况时会出现如图所示的内部铝护套凹 陷其铝护套内部的电缆绝缘部位会受到冲击影响极 易产生电缆绝缘部位微观方面出现撕裂性质结构损 伤电缆均布电场受到影响更严重情况将导致电 缆供电中断此条电缆线路由于外护套凹陷出现 了供电中断相关工作人员将该条故障电缆截下并 进行更换由于不清楚该段电缆压扁因何种原因导 致直接以该段电缆作为样本分析为更加方便的 进行理化分析将该护套内部 电缆绝缘部位 切成 长的电缆段保留被压扁的位置然后采 用数控机床将电缆段从外到内环切加工获得厚度 为 的长条试样分别取正常侧和压扁侧电 缆绝缘的内中外三层试样委托第三方对其试样 进行理化分析 图铝护套受损 红外光谱分析 采用 型傅里叶红外光谱仪对 试 样进行交联副产物含量分析测试模式为透射模式 测量的波数范围为 扫描次数为 次 傅里叶变化红外光谱分析副产物含量测试结果如图所 示可以看出 由过氧化二异丙苯交联形成交联 过程中有三种副产物产生 甲基苯乙烯苯乙酮和枯基 醇对应的红外吸收峰为 和 处 图压扁侧 电缆绝缘内中外层红外光谱 将压扁侧与正常侧 试样的交联副产物吸光 度进行对比图可以看出 试样中 甲基苯乙烯 含量最多苯乙酮含量次之枯基醇含量最少这是由 于枯基醇不稳定在一定条件下转化为 甲基苯乙烯 苯乙酮容易产生也容易挥发因此含量居中此外受 外力损伤的 试样三种副产物含量稍高于未损 伤处 第期杨世迎等外部冲击下电力电缆护套结构性损伤研究 图正常侧与压扁侧 试样内中外层交联副产物含量对比 射线衍射技术 采用德国 型射线衍射仪 对 电缆绝缘试样进行内应力分析扫描速率为 步长为 扫描范围为 采用 靶辐射工作电压 图为正常侧与压扁侧 试样内中外的 曲线可以明显观察到三个峰角为附近的 弥散峰 为非结晶衍射峰对应 中无定形 区的衍射峰在 角为及 角为 附近的两 个较尖锐的衍射峰 和 为结晶衍射峰分 别对应 中正交晶型晶面和正交晶型 晶面的衍射峰 图正常侧与压扁侧 试样内中外层 曲线 根据布拉格衍射公式计算晶面和晶面 的晶面间距如表表所示 表正常侧 试样内中外层晶面间距 正常 内层 中层 外层 表压扁侧 试样内中外层晶面间距 压扁 内层 中层 外层 从表表中可以看出压扁位置的 的 晶面和晶面的晶面间距均小于正常位置的 因此可以判断压扁位置的 试样受到的内 应力为压应力压应力的大小与晶面间距的变化值成 正比可以看出外层 受到的内应力最大进一步 判断该电缆外护套凹陷损伤的产生是由于外部机械施 加给电缆护套的强大冲击力 经过实验室测量电缆护套凹陷处结构尺寸如下 绝缘线芯正常外径为 凹陷处最小外径为 绝缘线芯凹陷处面积为 长宽电缆绝缘平均厚度为 凹陷处绝缘 最小厚度为 由此可知 电缆护套受损 处凹陷达 以上 电缆绝缘拉伸试验 试验按照标准 进行拉伸性能测 试采用万能拉伸仪切片机设备对 电缆绝缘正 常侧压扁侧试样进行拉伸试验试样采用哑铃型厚度 为 中间距离 测试速度为 如图所示为利用万能拉伸仪对电缆正常侧压扁侧 绝缘部位进行拉伸所得到的拉伸应变曲线可知正常测电 振 动 与 冲 击年第卷 缆绝缘部位在拉伸断裂前的力量最大值为 压扁 侧电缆绝缘部位在拉伸断裂前的力量最大值为 试验设备分析得出正常测电缆绝缘部位在拉伸断裂前 的最 大 抗 拉 伸 强 度 为 断 裂 伸 长 率 为 压扁侧电缆绝缘部位在拉伸断裂前的最大 抗拉伸强度为 断裂伸长率为 图正常侧与压扁侧 试样拉伸应变曲线 因此可以判断该段电缆由于受到外部机械施加冲 击导致压扁侧电缆绝缘的各支链间的间隙变大其抗 拉伸强度断裂伸长率降低亦可进一步佐证射线衍 射技术分析得到该压扁侧受到内应力为压应力 频响函数检测 许多学者提出了基于振动理论的损伤检测方法 如基于刚度或柔度变化的损伤识别方法能量变化的 损伤识别方法等 等提出以数值计算的 方法对两种方法进行比较但对比结果表明频响函数 曲率对损伤位置更加敏感频响函数曲率不需要数学 模型可用于在线损伤检测测量简单且包含更丰富的 信息是良好的敏感参数 理论依据 在电缆敷设过程中由于高压 电缆被电缆 支架两端固定所以其支撑端形变很小可以忽略不 计且电缆截面为等截面体电缆直径与电缆支架距离 相比很小护套结构符合简支梁模型由于电缆在垂 直于的轴线方向上振动时其主要形变是弯曲因此可 将电缆的振动问题看作为两端固定的简支梁振动问 题在 平面内做横向振动 多自由度体系的强迫振动方程为 式中 分别为振动系统的质量矩阵阻尼矩阵 和刚度矩阵 分别为振动系统响应加速度列 阵速度列阵和位移列阵 为振动系统激励 对式两边进行拉式变换得 式中 分别为 的拉式变换 由式可得 其中 输出 输入 令 即将拉式变换变成傅里叶变换则有频响 函数 在进行结构损伤识别时以频响函数的曲率作为 损伤识别参数基于损伤结构和未损结构的曲率变化 来识别曲率由中心差分方法得到 等用损伤 前后的曲率差来判定结构的损伤位置本文针对电缆护 套出现凹陷的结构性损伤试验分析得出各点的频响函 数利用中心差分方法得出各点频响函数下的频响函数 曲率损伤前后频响函数曲率计算如式式 式中 分别为 处无损伤及损伤时的 频响函数曲率 试验研究 试验模型为该条电缆的一段电缆护套使用快速 有效的检测方法发现损伤并及时修复对提高电缆使 用寿命和安全性非常重要此 电缆外力破坏 线路 截 取 为 交 联 聚 乙 烯 高 压 电 缆 线 路型 号 为 单芯电缆导体截面积为 长度为 结构的损伤用电缆护套由于挤压产生 单处节点凹陷深度 来表 示采用锤击法快速测量频响函数拾振设备则是加 速度传感器将电缆沿纵向等分成等分激振频率 带宽为 动态信号采集及分析系 统进行激励和响应信号的采集分析处理通过对电缆 护套进行锤击试验获得振型等模态参数及各测点频 响函数等试验设备的连接图如图所示 图振动测试连接图 第期杨世迎等外部冲击下电力电缆护套结构性损伤研究 由电缆护套单处损伤的振型图可以看出结构 发生不同程度的损伤情况下振型变化不是很明显在 结构损伤部位没有相对突变的情况锤击凹陷为 电缆护套的频响函数 如图所示 图护套凹陷时各阶模态振型 图单处凹陷的频响函数 由单处凹陷的频响函数通过计算可以得出单处凹 陷的频响函数曲率图所示为电缆护套受到外部 冲击产生 凹陷的频响函数 曲率可以看出随着电缆护套凹陷损伤程度的增大频 响函数曲率也在随之增大在损伤位置处有明显的峰 值可以通过频响函数曲率变化判断电缆 护套结构损 伤位置 图单处凹陷的频响函数曲率 结论 本文从宏观微观方面分别对电缆护套结构进行 分析微观方面由傅里叶变化红外光谱分析电缆副产 物含量由射线衍射仪分析电缆内应力大小宏观 方面由振动测试提出分析电缆频响函数结论如下 对压扁侧与正常侧 试样的交联副产物 吸光度进行对比受外力损伤的 试样 甲基苯 乙烯苯乙酮和枯基醇这三种副产物含量高于未损 伤处 此 电缆外力破坏线路受损处凹陷达 以上观察正常侧与压扁侧 试样内中 外三层的 曲线分析晶面间距判断压扁位置的 试样受到的内应力为压应力该电缆压扁是受到 外部的冲击导致压应力的大小与晶面间距的变化值 成正比外层 受到的内应力最大电缆绝缘由于 受到冲击压扁侧电缆绝缘各支链间的间隙变大其抗 拉伸强度断裂伸长率降低 通过锤击法测试以频响函数的曲率作为电 缆护套结构损伤识别参数观察电缆护套结构损伤与 正常节点频响函数曲率大小发现随着损伤程度的增 大损伤节点频响函数曲率也为最大当损伤处凹陷为 时对应的频响函数曲率数值为 针对电 缆结构损伤可有效定位 参 考 文 献 刘骥张明泽张振鹏等外部振动对 交联聚乙 烯电缆敷设条件的影响 高电压技术 张振鹏蒙绍新赵健康等典型敷设条件下电力电缆线 路运行振动特征值的测量试验 高电压技术 电力电缆技术综述 高电压技术 振 动 与 冲 击年第卷 郑肇骥王明高压电缆线路北京水利电力出版 社 刘鹏飞郑津洋孙国有内压和振动载荷联合作用下埋 地管线疲劳寿命评估 机械强度 杜伯学马宗乐霍振星等电力电缆技术的发展与研究 动向 高压电器 刘毅刚许继葵高压电缆外护套故障及其对策 高 电压技术增刊 郭惠勇罗乐李正良基于刚度指标和频率的结构损伤 定性定量识别 西南交通大学学报 张开银孙峙华桥梁结构损伤识别的曲率模态技术 武汉理工大学学报 郑明刚刘天雄陈兆能基于频响函数的结构损伤检测 机械科学与技术 李慧乐夏禾郭薇薇移动荷载作用下简支梁共振与消 振机理研究 工程力学 上接第页 于福临郭君姚熊亮等水下爆炸船体结构响应间断 伽辽金法数值模拟 哈尔滨工业大学学报