CN201142240Y - 复合加强芯架空导线 - Google Patents
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Abstract
一种复合加强芯架空导线，包括有线芯，该线芯周围绞绕有铝线，其特点是导线的直径为16～40mm，线芯是1根树脂基复合材料芯棒，该芯棒周围分层绞绕2～4层电工软铝线，铝线断面为圆形或异形。该芯棒以碳纤维为中心层、外部包覆玻璃纤维，并经热固性树脂浸润固化处理所形成，直径为6.3～8.49mm，其中碳纤维和玻璃纤维是连续的，芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％。本实用新型的拉断力与普通钢芯铝绞线相当，而自重减小，导线弧垂变化减小，可根据导线最高运行温度及拉断力指标要求制造导线，从而实现合理价格，以满足新建线路、旧线路改造的各种需要。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种架空输电线路领域中使用的导线，特别是涉及一种弧垂变化小、强度高、耐腐蚀、输电容量较大的复合加强芯架空导线，是对现有金属芯铝绞线结构的改进，属于IPC国际专利分类表中的H01B电缆；导体；绝缘体；材料的导电、绝缘或介电性能的选择技术领域。
背景技术
输电线路导线，长期以来广泛采用钢芯铝绞线。其中钢芯主要起承力作用，铝线主要起输送电能作用。由于钢和铝的热膨胀系数较大，导线弧垂随着温度的升高而增加，特别是当导线温度达到最大允许使用温度(一般情况为+70℃)时，弧垂也达到最大限值，此时若再增加输送电力，因导线弧垂过分增加可能引发线路对被跨越物放电的故障。另外，由于其抗拉强度有限，受天气(如大风雨、雪)及环境影响，易发生断线故障。对于新建或改造工程，由于钢芯铝绞线重量较大，致使杆塔荷载增加，直接使工程造价上升。再有该型导线钢芯的防腐能力较差，影响到它的使用寿命。
为了提高导线的运行温度和承载能力，国内外科技工作者开展了大量的研究工作，先后研制出了钢芯耐热铝合金绞线、钢芯超耐热铝合金绞线、铝包钢芯耐热铝合金绞线、钢芯高强度耐热铝合金绞线、殷钢芯低弧垂超耐热铝合金绞线等大容量组合绞线。此外通过改进导线结构型式还研制出了诸如间隙型导线、扩径导线等类型导线，并在一定范围获得应用。以上各型导线主要是将以往使用的普通钢芯改变为含有稀有金属的合金钢，或者设法提高导电铝线的耐热性能，或者改变导线结构型式，这些都可使导线的物理性能得到改善。但是由此带来的后果是有的不但重量没有减小，反倒增加，价格也大幅提高，甚至达到普通导线的几倍、十几倍，有的导线因结构变得更加复杂，不仅难以保证施工的质量，还增大了施工的难度。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术存在的上述不足，针对现有金属芯铝绞线结构的缺点，给出一种新型的复合加强芯架空导线。这种复合加强芯架空导线采用碳纤维聚合物复合的加强线芯、线芯周围绞绕着电工软铝线的结构形式，可根据导线最高运行温度及拉断力指标要求制造导线，从而实现合理价格，以满足新建线路、旧线路改造的各种需要。该型导线的拉断力与普通钢芯铝绞线相当(按芯棒强度计算后的拉断力比普通钢芯铝绞线大)，而自重减小，导线弧垂变化减小。因此，在进行线路设计时可将导线的安全系数
由最小2.5提高到3.0及以上，不仅提高了线路的可靠性，而且达到弧垂变化小、强度高、耐腐蚀、输电容量较大的发明目的。
本实用新型给出的技术方案是：这种复合加强芯架空导线，包括有线芯，该线芯周围绞绕有铝线，其特点是所述的导线的直径为16～40mm，所述的线芯是1根含有碳纤维、玻璃纤维的树脂基复合材料芯棒，该芯棒周围分层绞绕2～4层电工软铝线，其中所述的铝线断面为圆形或异形。
为更好的完成本实用新型的目的，所述的复合材料芯棒，是以碳纤维为中心层、外部包覆玻璃纤维，并经热固性树脂浸润固化处理所形成的圆形复合材料芯棒，直径为6.3～8.49mm，其中碳纤维和玻璃纤维是连续的，芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％。
为更好的完成本实用新型的目的，较好的复合材料芯棒的直径为6.3～8.4mm，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，基体材料为环氧树脂，玻璃化转变温度(Tg)分为120～130℃、150～160℃、180～190℃、220～230℃四种情况，其安全运行温度分为≤100℃、130℃、160℃、200℃四个等级，其抗拉强度在1880～2706MPa范围内。
直径6.3mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。
直径6.3mm、安全运行温度≤130℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为150～160℃，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。
直径6.3m、安全运行温度≤160℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为180～190℃，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。
直径6.3mm、安全运行温度≤200℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为220～230℃，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。
直径7.5mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。
直径7.5mm、安全运行温度≤130℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为150～160℃，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。
直径7.5mm、安全运行温度≤160℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为180～190℃，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。
直径7.5mm、安全运行温度≤200℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为220～230℃，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。
直径8.4mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。
直径8.4mm、安全运行温度≤130℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为150～160℃，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。
直径8.4mm、安全运行温度≤160℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为180～190℃，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。
直径8.4mm、安全运行温度≤200℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为220～230℃，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。
为更好的完成本实用新型的目的，所述的铝线是退火软铝线，其中导电率不小于63％IACS，伸长率不小于20％，电阻率ρ20≤0.0274Ω·mm2/m，弹性模量为44000MPa，抗拉强度约为84.0MPa，允许温度(连续)为200℃，热膨胀系数为23×10-61/℃。
在本实用新型中，所述的铝线用通用的模具在常温下拉拔形成具有一定形状和尺寸的铝单线，例如，铝单线的形状有圆形线、梯形线等线型；所述的复合加强芯架空导线，规格号以铝线截面为依据确定，包括185～720各种规格，导线的尺寸及力学性能与GB/T 1179、GB/T 20141所推荐的导线基本相同，可以满足电力系统常用导线的需要。
本实用新型给出的技术方案是：这种复合加强芯架空导线的制备方法是：首先制备碳纤维聚合物复合的加强线芯，此线芯是将连续的一定数量的碳纤维丝及玻璃纤维丝经过热固性树脂浸润和固化制成线芯，线芯直径为6.3～8.49mm，然后将软铝线分层绞绕在线芯上。导线直径为16～40mm，外形尺寸与现行国标GB/T 1179-1999《圆线同心绞架空导线》及GB/T 20141-2006《型线同心绞架空导线》相同。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：采用碳纤维聚合物复合的加强线芯、线芯周围绞绕着电工软铝线的结构形式，可根据导线最高运行温度及拉断力指标要求制造导线，从而实现合理价格，以满足新建线路、旧线路改造的各种需要。该型导线的拉断力与普通钢芯铝绞线相当，而自重减小，导线弧垂变化减小。因此，在进行线路设计时可将导线的安全系数可由最小2.5提高到3.0及以上，不仅提高了线路的可靠性，而且达到弧垂变化小、强度高、耐腐蚀、输电容量较大的发明目的。
附图说明：
图1为本实用新型给出的一种线芯为圆形，导体铝线为梯形的实施例的结构示意图；
图2为本实用新型给出的一种线芯为圆形，导体铝线中间层为梯形、最外层为圆形的实施例的结构示意图；
图3为本实用新型给出的一种线芯为圆形，导体铝线也为圆形的实施例的结构示意图。
具体实施方式：
如图1～图3所示，这种复合加强芯架空导线，包括有1根含有碳纤维、玻璃纤维的树脂基复合材料芯棒1，该芯棒1周围分层绞绕2～4层电工软铝线，其中所述的铝线断面为圆形2或梯形3，其中所述的导线的直径为16～35mm，所述的芯棒1直径为6～9mm，芯棒1中所含碳纤维的重量百分比为35％～45％，所述的铝线是退火软铝线，其导电率不小于63％IACS，伸长率不小于20％，电阻率ρ20≤0.0274Ω·mm2/m，弹性模量为56000MPa，抗拉强度约为84.0MPa，允许温度(连续)为190℃，热膨胀系数为23×10-61/℃。
制备本实用新型时，先以碳纤维为中心层，外部包覆玻璃纤维，通过树脂浸润和固化处理制成的直径为6～9mm的圆形芯棒，芯棒中碳纤维和玻璃纤维是连续的，所含碳纤维的重量百分比为30％～50％；
再根据产品性能要求选用电工圆铝杆，在常温下进行拉拔形成具有一定几何形状和尺寸的铝单线，对异形线则需通过异形拉丝模具和相应的加工工艺，铝单线可为圆形、梯形、“Z”字形等型线，然后进行软化工艺的生产，软化后铝单线的抗拉强度在84.0MPa左右，伸长率约为20％，允许温度(连续)不小于200℃，弹性模量为44000MPa，热膨胀系数为23×10-61/℃；
最后，以上述的芯棒为线芯，分层绞绕软铝软铝圆线或型线，制成如附图1～附图3所示的导线，导线的外径为16～40mm，铝线总截面面积为185～630(720)mm2，导电率≥63％IACS，根据线路运行的实际情况，本实用新型导线的综合拉断力参照GB1179标准提出，当超过过渡点温度时，导线的拉断力由复合加强芯承担，具体拉断力数值因导线规格不同而不同。
本实用新型可根据导线最高运行温度及拉断力指标要求制造导线，可以制成能够满足最高运行温度为100℃、130℃、160℃、200℃等四种耐热等级，在每种耐热等级中，线芯在高温条件下的抗拉强度在1880～2706MPa范围内，从而形成完整的规格系列产品，具体参数见下列表1～表4：
表1：复合加强芯架空导线技术参数(100℃)
表1：复合加强芯架空导线技术参数(100℃)(续)
| 规格 | 弹性模量MPa | 重量kg/km | 额定抗拉力不小于kN | 载流量A | 20℃直流电阻不大于Ω/km |
| 185 | 53100 | 605.45 | 59.42 | 712 | 弹性模量MPa |
| 240 | 51200 | 768.79 | 75.62 | 824 | |
| 240 | 53800 | 793.61 | 83.37 | 824 | 53100 |
| 300 | 49900 | 947.21 | 83.41 | 960 | 51200 |
| 300 | 52100 | 972.17 | 92.22 | 960 | 53800 |
| 400 | 50200 | 1269.33 | 103.90 | 1151 | 49900 |
| 400 | 51700 | 1210.26 | 123.40 | 1107 | 52100 |
| 400 | 51700 | 1291.02 | 135.20 | 1151 | 50200 |
| 500 | 49100 | 1541.69 | 119.50 | 1315 | 51700 |
| 500 | 50300 | 1567.07 | 128.10 | 1315 | 51700 |
| 630 | 49100 | 1953.06 | 148.70 | 1483 | 49100 |
注：复合加强芯的线膨胀系数为1.6×10-61/℃，弹性模量为113000MPa；铝的线膨胀系数为23×10-61/℃，弹性模量为44000MPa。
表2：复合加强芯架空导线技术参数(130℃)
表2：复合加强芯架空导线技术参数(130℃)(续)
| 规格 | 弹性模量MPa | 重量kg/km | 额定抗拉力不小于kN | 载流量A | 20℃直流电阻不大于Ω/km |
| 185 | 53100 | 605.45 | 59.42 | 848 | 0.13794 |
| 240 | 51200 | 768.79 | 75.62 | 1006 | 0.10632 |
| 240 | 53800 | 793.61 | 83.37 | 1006 | 0.10610 |
| 300 | 49900 | 947.21 | 83.41 | 1149 | 0.08503 |
| 300 | 52100 | 972.17 | 92.22 | 1149 | 0.08488 |
| 400 | 50200 | 1269.33 | 103.90 | 1382 | 0.06368 |
| 400 | 51700 | 1210.26 | 123.40 | 1328 | 0.06788 |
| 400 | 51700 | 1291.02 | 135.20 | 1382 | 0.06361 |
| 500 | 49100 | 1541.69 | 119.50 | 1583 | 0.05094 |
| 500 | 50300 | 1567.07 | 128.10 | 1583 | 0.05093 |
| 630 | 49100 | 1953.06 | 148.70 | 1768 | 0.04044 |
注：复合加强芯的线膨胀系数为1.6×10-61/℃，弹性模量为113000MPa；铝的线膨胀系数为23×10-61/℃，弹性模量为44000MPa。
表3：复合加强芯架空导线技术参数(160℃)
注：复合加强芯的线膨胀系数为1.6×10-61/℃，弹性模量为113000MPa；铝的线膨胀系数为23×10-61/℃，弹性模量为44000MPa。
| 规格 | 弹性模量MPa | 重量kg/km | 额定抗拉力不小于kN | 载流量A | 20℃直流电阻不大于Ω/km |
| 185 | 53100 | 605.45 | 59.42 | 962 | 0.13794 |
| 240 | 51200 | 768.79 | 75.62 | 1142 | 0.10632 |
| 240 | 53800 | 793.61 | 83.37 | 1142 | 0.10610 |
| 300 | 49900 | 947.21 | 83.41 | 1306 | 0.08503 |
| 300 | 52100 | 972.17 | 92.22 | 1306 | 0.08488 |
| 400 | 50200 | 1269.33 | 103.90 | 1575 | 0.06368 |
| 400 | 51700 | 1210.26 | 123.40 | 1512 | 0.06788 |
| 400 | 51700 | 1291.02 | 135.20 | 1575 | 0.06361 |
| 500 | 49100 | 1541.69 | 119.50 | 1806 | 0.05094 |
| 500 | 50300 | 1567.07 | 128.10 | 1806 | 0.05093 |
| 630 | 49100 | 1953.06 | 148.70 | 2041 | 0.04044 |
表3：复合加强芯架空导线技术参数(160℃)(续)
表4：复合加强芯架空导线技术参数(200℃)
注：复合加强芯的线膨胀系数为1.6×10-61/℃，弹性模量为113000MPa；铝的线膨胀系数为23×10-61/℃，弹性模量为44000MPa。
表4：复合加强芯架空导线技术参数(200℃)(续)
| 规格 | 弹性模量MPa | 重量kg/km | 额定抗拉力不小于kN | 载流量A | 20℃直流电阻不大于Ω/km |
| 185 | 53100 | 605.45 | 59.42 | 1093 | 0.13794 |
| 240 | 51200 | 768.79 | 75.62 | 1300 | 0.10632 |
| 240 | 53800 | 793.61 | 83.37 | 1300 | 0.10610 |
| 300 | 49900 | 947.21 | 83.41 | 1489 | 0.08503 |
| 300 | 52100 | 972.17 | 92.22 | 1489 | 0.08488 |
| 400 | 50200 | 1269.33 | 103.90 | 1799 | 0.06368 |
| 400 | 51700 | 1210.26 | 123.40 | 1726 | 0.06788 |
| 400 | 51700 | 1291.02 | 135.20 | 1799 | 0.06361 |
| 500 | 49100 | 1541.69 | 119.50 | 2066 | 0.05094 |
| 500 | 50300 | 1567.07 | 128.10 | 2066 | 0.05093 |
| 630 | 49100 | 1953.06 | 148.70 | 2337 | 0.04044 |
Claims (6)
1.一种复合加强芯架空导线，包括有线芯，该线芯周围绞绕有铝线，其特征在于所述的导线的直径为16～40mm，所述的线芯是1根含有碳纤维、玻璃纤维的树脂基复合材料芯棒，该芯棒周围分层绞绕2～4层电工软铝线，其中铝线断面为圆形或异形，所述的复合材料芯棒，是以碳纤维为中心层、外部包覆玻璃纤维，并经热固性树脂浸润固化处理所形成的圆形复合材料芯棒，直径为6.3～8.49mm，其中碳纤维和玻璃纤维是连续的，芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％。
2.根据权利要求1所述的复合加强芯架空导线，其特征在于较好的复合材料芯棒的直径为6.3～8.4mm，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，基体材料为环氧树脂，玻璃化转变温度(Tg)分为120～130℃、150～160℃、180～190℃、220～230℃四种情况，其安全运行温度分为≤100℃、130℃、160℃、200℃四个等级，其抗拉强度在1880～2706MPa范围内。
3.根据权利要求2所述的复合加强芯架空导线，其特征在于较好的复合材料芯棒的直径为6.3mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃或150～160℃或180～190℃或220～230℃，其抗拉强度分为1907、2427、2677MPa三个等级。
4.根据权利要求2所述的复合加强芯架空导线，其特征在于较好的复合材料芯棒的直径为7.5mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃或150～160℃或180～190℃或220～230℃，其抗拉强度分为1880、2088、2353、2706MPa四个等级。
5.根据权利要求2所述的复合加强芯架空导线，其特征在于较好的复合材料芯棒的直径为8.4mm、安全运行温度≤100℃时，其芯棒中所含碳纤维的重量百分比为30％～50％，玻璃化转变温度(Tg)为120～130℃或150～160℃或180～190℃或220～230℃，其抗拉强度分为2313、2441、2684MPa三个等级。
6.根据权利要求1所述的复合加强芯架空导线，其特征在于所述的铝线是退火软铝线，其中导电率不小于63％IACS，伸长率不小于20％，电阻率ρ20≤0.0274Ω·mm2/m，弹性模量为44000MPa，抗拉强度约为84.0MPa，允许温度(连续)为200℃，热膨胀系数为23×10-61/℃。
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