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专利号: 2018101124508
申请人: 武汉大云物移智科技有限公司
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法,其特征在于:根据电缆隧道中电缆线路三维模型,通过有限元法进行电磁场计算,得到钢支架上的涡流损耗,再通过电磁场与流场、温度场的耦合数值计算,得到钢支架上的温度变化,考虑由于循环变化的热应力引起钢支架的疲劳损伤,计算出钢支架的疲劳寿命;建立电缆钢支架的全寿命周期成本模型,模型中的参数包括了电磁场计算得到钢支架涡流损耗作为的运行成本,使用年限取热疲劳分析得到的疲劳寿命年限。

2.根据权利要求1所述一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法,其特征在于包括以下步骤:

步骤1):根据电缆隧道中电缆实际敷设情况,建立电缆隧道中一段电缆和1个钢支架的三维模型,其中包括电缆隧道四周围墙面、电缆、电缆钢支架、空气;

步骤2):电缆缆芯铜导体区域分别加载实际运行时正常负荷和负荷较大时的两种电流值,对整个三维模型计算区域采用有限元法进行电磁场数值计算;

步骤2)中,通过对电磁场控制方程(1)‑(3)进行有限元数值计算可得到钢支架上的功率损耗Q1和Q2,取平均值为Q;

式中 是哈密顿算子,即矢量的微分算符; 为矢量磁位的相量形式;标量电位的相量形式;j为复数的虚部单位;ω为电缆缆芯通过电流的角频率;σ为导体区域的电导率;μ为导体区域的相对磁导率; 为源电流密度,即电缆缆芯加载的电流密度;J为导体区域的电流密度;Q为电磁损耗,包括源电流及涡流引起的损耗;V1是涡流区,即电缆钢支架,由于交变磁场影响,会产生感应涡流;V2为源电流区,即电缆的缆芯,通过的是运行电流;Ω为计算产生电磁损耗的导体区域,即电缆缆芯、钢支架;

步骤3):由于电缆隧道在地下,没有设置强制通风的情况下,内部散热形式为空气的自然对流,自然对流动量微分方程(4)(5)和能量方程(6)联立求解,此外还需要同时计算热传导方程(7),采用有限元法进行流场与温度场的直接耦合计算,得到钢支架上的温度分布情况;

(4)(5)式中,ρ是空气密度;vx、vy是空气在x、y方向的速度分量;αV是空气膨胀系数;g是重力加速度;T是求解的空气温度;T∞是趋于稳态时温度值;η是空气的动力粘度;

(6)式中,ρ是空气密度;c是空气比热容;k是空气热导率; 是拉普拉斯算子;T是求解的空气温度;Q是热量;

(7)式中,Q是热量;kx,ky分别表示热导率的各向异性参数;T是求解的空气温度;

步骤4):由温度相比初始温度的变化对方程(8)进行有限元计算,得到运行电流情况下的热应力分布情况;

步骤5):由于一天中负荷情况在发生变化,因此把最大通流电流值作为载荷,进行步骤

2)~4)的计算,得到最大通流情况下钢支架的热应力,获取支架上热应力最大点的应力值为σmax;

步骤6):以电缆支架在一天中所承受循环变化的热应力作为载荷,计算钢支架的热疲劳寿命;

步骤7):建立电缆钢支架全寿命周期成本模型。

3.根据权利要求2所述一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法,其特征在于:步骤4)中,获取支架上热应力最大点的应力值为σmin;

式中,i,j,k=1,2,3;εij为应变张量;σij为应力张量;σij,j为应力张量对坐标的偏导数;

E为弹性模量;ν为泊松比;β为热膨胀系数;ΔT为温度相比初始温度的变化量;Fi为外力的分量;ui,j为位移对坐标的偏导数;δij为应力因子,i=j时为1,i≠j时为0。

4.根据权利要求2所述一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法,其特征在于:步骤6)中,将热应力的最大和最小值作为已知条件,由公式(9)计算出在此种工况运行情况下可使用的热疲劳寿命次数N,并由公式(10)得到出疲劳寿命年限n;

式中:C和a为钢支架所用材料疲劳系数;σmax为热应力最大值;σmin为热应力最小值;Kσ,εσ,βσ和ψa分别为有效应力集中系数、零件尺寸系数、表面系数和平均应力系数;

n=N×T÷3600÷24÷365   (10)式中,N是公式(9)中求出的疲劳寿命次数;T是循环作用的应力的周期,单位为秒;n是疲劳寿命年限。

5.根据权利要求2所述一种基于热疲劳的电缆线路钢支架全寿命周期成本评估方法,其特征在于:步骤7)中,建立电缆钢支架全寿命周期成本模型,即公式(11);式中,CI为初始投资成本,包括电缆支架设备购置费用、设备运输费、安装费;CO为运行成本,即钢支架上产生的涡流损耗带来的经济损失,该涡流损耗在步骤2)的计算中已经得到;CM为维护成本,按照电力公司每年实际维护检修次数及单次维护检修费用核算;CF为故障成本,即电缆支架发生故障损坏进行更换的设备费、人工费;CD为废弃成本,即电缆支架退役处理人工费、运输费、退役回收费;i为考虑货币贬值情况下的折现率;n就是支架的使用寿命年限,此处取步骤6)计算得到的疲劳寿命年限;针对某条实际电缆线路的具体情况,将各个参数值代入该公式进行计算,可得到整条线路钢支架的全寿命周期成本LCC;