玻璃纖維增強塑料(FRP)電纜導管的載流量變化計算

1 引言
    玻璃纖維增強塑料電纜導管,具有強度高(與鋼管相當),質量輕,僅為鋼管的,混凝土管的,內壁光滑,摩擦系數小,穿纜輕滑,絕緣,防腐蝕,不生銹,耐高低溫,耐水,使用壽命長等優點,特別是無電腐蝕、非磁性,適用于單芯電纜敷設。安裝施工簡便,能實現夜間開控埋設,回填路面,白天可以照常通車,完全可以替代傳統使用的鋼管、石棉水泥管、混凝土預制管、海泡石管,比PVC管、紅泥管等強度高,耐溫,特別耐低溫,使用壽命長,是新一代的綠色優良產品。
    有一些電力設計人員對玻璃纖維增強塑料電纜導管還不太了解,特此,杭州新世紀復合管道有限公司,于2002年請華東電力試驗研究院進行了200/10,200/8,150/8,150/5導管的通流試驗,前后進行1個月時間,花費10多萬元,試驗證明,玻璃纖維增強塑料導管是良好的……后來,有關設計人員又提出電纜載流量變化的問題,據了解,要進行此試驗,所花的時間、物力、精力要遠比通流試驗費時,費財力,起碼要20~30萬元。本文通過已有的PVC導管的載流量的檢測,通過作者的理論分析,得出玻璃纖維增強塑料導管的電纜載流量的計算公式,理論計算證明,對于PVC導管理論計算與實驗數據很符合,理論計算證明玻璃纖維增強塑料導管的電纜載流比PVC管略高0.6%~1.8%。
2 電纜載流量
2.1 定義
    電纜長期允許載流量是指當電纜中通過電流時,在達到熱穩定后,電纜導體的溫度恰好達到長期允許工作溫度時的電流數值。
2.2 影響載流量的因素
   電力電纜長期允許的載流量除了與電纜本身的材料與結構有關外,還取決于電纜的敷設方式和周圍環境。影響電纜載流量的因素如下:
    ①電纜的長期允許工作溫度;
    ②電纜本身的散熱性能;
    ③電纜裝置情況及其周圍的工散熱條件。
    采用玻璃纖維增強塑料導管后的載流量變化主要是第③因素的影響。當電纜排列裝置同樣的情況下,主要決定于其周圍的散熱情況。
3 玻璃纖維增強塑料導管導熱性能
    玻璃纖維增強塑料導管的導熱性能決定于玻璃纖維增強塑料的導熱系數和管壁厚度。有時采用熱阻系數,與導熱系數是互為倒數。玻璃纖維增強塑料的導熱系數(或熱阻系數)決定于所用增強玻璃纖維的種類和含量以及樹脂基體的種類和含量。以無堿玻璃纖維(E玻纖)而言,導熱系數為1.04W/m?K,即熱阻系數為0.962W/m?K,其它種類的玻纖,其導熱系數為1.00W/m?K左右。而樹脂基體種類更多,有環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂等等。以不飽和聚酯樹脂而言,不同牌號樹脂,其導熱系數是不同的為(0.1~0.20)W/m?K。玻璃纖維增強塑料的導熱系數介于兩者之間,與其玻纖含量有直接關系,為(0.28~0.50)W/m?K。玻纖含量大,其導熱系數大一些,玻纖含量小,導熱系數小一些。玻璃纖維增強塑料的導熱系數有明顯的方向性,電纜導管中所用的導熱系數是垂直鋪層方向,即厚度方向的導熱系數,厚度方向的導熱系數與玻纖、樹脂性能及含量的關系是比較復雜的,如下[1]

     
式中λ'T、λ"T、是導熱系數的上、下限,公式較長,略。
通過計算下列近似公式與式(3.1)很接近。

   
式中:λm―樹脂基體的導熱系數,W/m?K;
    λf―玻璃纖維的導熱系數,W/m?K;
    υf―玻璃纖維的體積含量。
    以用玻璃纖維布手糊電纜導管,其導熱系數為0.3W/m?K,以用玻璃纖維機械纏繞的夾砂電纜導管,其導熱系數為(0.35~0.45)W/m?K,決定于樹脂含量。以熱阻系數計,分別為3.33m?K/W和(2.86~2.22)m?K/W。
4 載流量變化 [-page-]
4.1 一般情況
    電力電纜傳導電纜時產生熱量的傳導遵循傳熱學的歐姆定律[2]
             Q=HS                  (4.1)
式中:Q―電纜導體與周圍環境的溫度差,℃;
     H―電纜產生的熱量,W;S―電纜本身及其周圍環境的熱阻,熱歐姆。
    上式通過數學運算并化簡后,可得電纜的長期允許載流量的計算公式[2]

  
式中:I―電纜長期允許載流量,A;
    θo―電纜導體長期允許工作溫度,℃;
    θ0―電纜周圍環境溫度,℃;
    ρ―電纜導體在工作溫度時的電阻系數,Ω?m