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碳纤维发热电缆用于桥梁斜拉索融冰技术研究
| 论文题名： | 碳纤维发热电缆用于桥梁斜拉索融冰技术研究 |
| 关键词： | 桥梁斜拉索;碳纤维发热电缆;温升特性;融冰效率 |
| 摘要： | 因气候原因，华中地区冬季雨雪天气下，桥梁斜拉索高空处极易结冰。风速与行车导致覆冰微振，随着温度升高冰凌极易发生坠落，存在极大的安全隐患。为此，本文以武汉气象为依托，对比分析水平路面的各类融冰方法后，总结得到发热电缆法融冰效率高、热稳定性好的优点，提出了一种外绕有碳纤维发热电缆的斜拉索融冰方法。 首先，基于传热学基本原理，分析了碳纤维发热电缆用于桥梁斜拉索及其HDPE套管的融冰运行机理，总结了融冰系统中涉及的导热问题，同时分析了碳纤维发热电缆技术指标，确定了电缆选型。 其次，设计了检测与控制软硬件系统，实时反映环境信息、融冰状态并响应，控制逻辑包含两级加热判断，确保运行可靠性。硬件部分设计驱动控制单元，软件部分建立了Modbus通信平台，设计主控制器与温度、湿度、冰雪传感器的数据通信。控制系统测量周期可调，数据传输安全稳定，传感器防护等级高，适合户外融冰场景。 然后，开展了碳纤维发热电缆温升特性实验及低温融冰化雪实验，从而确定电缆最佳缠绕间距，获得温升幅度与升温速率的变化规律，研究间距、风速、功率等因素的影响，提出建议功率。经温升实验确定电缆最佳间距为0.1m。通过低温融冰化雪实验得到融冰初期的建议功率（电流）为1.5A-1.75A，以及各功率下融雪化冰时间及阶段升温用时特点。碳纤维发热电缆能够自动实现融冰能量平衡，在导热性及导热形式方面优于其他场景、方法。实验数据具有一定的工程应用性，为工程实践提供思路及数据参考。 最后，基于有限元热分析研究碳纤维发热电缆温升及其加热融冰过程中的温度场分布、温升规律，开展风速与低温功率影响因素的模拟分析，以及建议功率（电流）下风速变量的温升时间预测。结果表明，模型的温升幅度及变化趋势与实验结果相符，风速变量模型相对误差平均为0.125%，功率变量模型相对误差平均为5.74%，误差在精度范围内。模型能够较为准确地反映风速、功率对温升特性的影响，各工况下的升温时间预测结果能够为融冰实际提供功率、耗时的参考。 |
| 作者： | 袁凯鹏 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 段雄英 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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