一种降低热拐点的高能效导线及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种降低热拐点的高能效导线，包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变，而且承力芯线/棒必要时有一适当的绝缘层来避免承力芯与导电层可能出现的电耦合化学反应；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料，比如铝，铝合金，铜或铜合金，且可能有更多的同心包裹导电层，甚至敷绕在外层的导电丝；以及导电包裹层有足够厚度（>0.5mm），而且是几乎不承受张力，导电包裹层主意是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；所述的该电线电缆是绕在圆盘上的；还公开了一种上述导线的制造方法。

【技术实现步骤摘要】
一种降低热拐点的高能效导线及其制造方法
本专利技术涉及用于电力输配的带有预应力的电线电缆，特别地，本专利技术涉及带有承力芯线/棒如纤维增强复合材料的电线电缆。更具体地说，本专利技术依托承力芯线/棒的预应力处理使得铝、铝合金，铜，铜合金或铜微合金等导电材料在导线中几乎不承受张应力或处于压应力状态，而承力芯在导线架线前处于张应力状态，从而降低了导线的热拐点。
技术介绍
传统的电力传输导线如钢芯铝绞线（ACSR）被广泛应用于电力输配网络。用热膨胀系数比钢低的复合材料增强的新型导线基于其优良的高温低弧垂特性已被应用于电网中来提高输电容量及效率并减少成本及满足电网的要求（如可靠性及安全性）。这些新型导线使用铝（完全退火的）或高温铝合金，并用金属基或高分子材料基复合材料承力芯增强。钢芯软铝绞线（ACSS）是另一种高温导线，其使用能够在高温下运行的退火处理后的软铝。热拐点与导线中不同材料（如承力芯材料，导电材料）的组成相关，其定义为该温度以上导线中的导电材料不承受张力或处于压力状态。这些导线中的导电体如铝，铝合金，铜或者铜合金在导线架线后通常处于张应力状态，从而导致其热拐点高于绝大多数导线运行温度状态。导线达到其热拐点以前，其热膨胀实质上由导电材料如具有高热膨胀系数的铝或铜来决定，从而导致大的弧垂，限制了导线的输电容量，如图1所示。这对使用在电网增容改造或大跨度项目中的导线尤为重要，因为热弧垂通常制约该类导线的输电容量。导线的热拐点除了与其构成材料的特性有关外，亦受到导线的张力及张力历史的影响。间隙型导线（GAP）是一种通过抑制其热拐点的耐高温低弧垂的特种导线。这通过该导线在其特殊的安装过程中抑制其热拐点来达到。间隙型导线由钢丝及高温铝合金通过精确控制钢芯（即承力芯）与内层铝的间隙制成，该间隙保持并充填高温润滑油来协助钢芯与铝层在导线安装过程中必需的相对运动。间隙型导线必须通过拉紧在张力塔间的导线承力芯钢丝（剥离铝层后暴露出钢丝）来安装。该预应力工序可能需要48小时或更长时间，并且需要特殊的装置及架线工额外的劳动时间，因为架线工在拉伸工序后需要重访电塔完成最终的张力塔施工程序。该导线正确安装后的确表现出低弧垂性能，因其热拐点位于或接近安装温度，此时的导线热弧垂仅仅由钢丝的热膨胀控制（钢丝的热膨胀系数大约是铝的一半）。然而，间隙型导线通常非常昂贵且安装困难，它要求专业的培训及工具，现场施工需更多的时间。此外，该导线的承力芯几乎承受所有的载荷，其若断裂会缩回导线铝层内部，使得间隙型导线在现场的修复不可能，必须替换及安装张力塔间的整段间隙型导线，造成电力传输恢复的昂贵延迟，有报告指出间隙型导线内部的润滑油随着时间的推移有渗漏出的现象，并弄脏电线下面的物体，及造成导线表面疏水油性，形成水珠而带来电晕噪声。间隙型导线中的润滑油亦用来防止钢芯的腐蚀，润滑油的消失将导致间隙型导线的耐腐性能下降。获得低的导线热拐点的另一种途径在中国专利CN102103896A1被阐述，该专利提及退火铝绞线于承载钢芯周围，而承载钢芯通过预应力处理。其声称制成的导线可承受150℃高温下长期运行能力。该专利制作的导线于2013年用于一个主要的中国电力传输项目作为商品化试运行。由于广泛的局部灯笼现象及参差不齐的弧垂，该导线现场安装失败，并不得不被传统导线加以替换，该导线的进一步应用被中国国家电网禁止。该专利没有讨论热拐点，或者公开预应力水平的范围，或铝绞线中的应力水平，或确切的预应力承力芯线处理的工艺及设置。因为退火铝线较软，易于变形，承力钢芯预应力释放时可能使软铝绞线向外鼓起。当该导线被卷绕在收线盘上时，上下层导线形成的压力可能造成松弛软铝线不可逆的变形。软铝线的这些永久变形不仅引起导线的局部灯笼现象而且易造成局部铝线断裂，在导线载流运行过程中产生热点甚至断线。由JPS通过类似的途径获得的耐热铝合金导线于2002年进行了尝试，也没有获得商业化成功，因为严重松弛的铝合金线存在同样的问题。针对高温操作，JPS还对导线承力钢丝芯用薄的铝包层进行保护，然而，导线芯上的铝包层在导线芯预拉伸绞合过程中会经受高达190MPA的张力，易造成振动疲劳损伤。该薄的铝包层不能有效支撑处于张力的导线芯并使其紧缩最小化，导线的末端在导线芯中的张力释放前必须进行固定，承力钢丝芯应力释放后，所有的铝线会变得非常松弛。该松弛的铝线及导线末端固定装置使得该类导线在制造及现场架线施工时难于处理。高温导线如铟钢芯铝绞线（INVAR）及铝基陶瓷纤维复合芯铝绞线（ACCR），使用能够经受高温操作的铝-锆高温合金材料。这些导线通常有高的热拐点，常常达到甚至超过100℃，远远高于此类导线日常载流运行温度（见表1）。此类导线现场预拉伸处理很少被尝试。钢芯软铝绞线（ACSS）的预张力处理偶尔被采用。ACSS导线处于电塔之间，在完成张力塔张力金具夹合工序之前对导线施加显著的张应力（载荷相当于40%的导线拉伸强度）数小时来完成。ACSS的预拉伸处理的确降低了热拐点及改善了热弧垂，然而，ACCS拉伸中高的应力要求增加了电塔安全运行的危险性，尤其是线路改造项目中的老旧传输电塔。纤维增强有机高分子基复合材料承力芯及退火铝绞线制作的导线在过去十年中获得广泛认可及应用，这些导线有来自CTCGLOBAL公司的碳纤维复合芯铝绞线（ACCC），SOUTHWire公司的C7，Nexans公司的LowSag，及其他类似类型的导线。这些导线通常用碳纤维复合材料作为承力芯，承力芯与铝之间含有绝缘层以防止电耦合化学反应。碳纤维复合芯具有最低的热膨胀系数，这些导线在热拐点以上其热弧垂很小，载流运行温度可高达200°C，与传统的ACSR导线相比可传输更高的载流量（如N-1紧急情况时）。这些导线重量轻，强度高，其复合材料承力芯比钢丝承力芯更耐腐蚀。然而，这些复合材料芯导线通常其热拐点在70℃或以上。在该温度以下，导线的热伸长率因仍然由铝绞线决定，显示出大的热弧垂。目前该类导线基本上都用于旧线路的增容改造。通常对这些导线不进行预应力处理，因为老旧电塔或许不能承受抑制导线热拐点所要求的高应力。如施工处理不当导致尖角情况，复合材料承力芯可能会因为过度的轴向压应力而导致增強纤维屈曲破坏，复合材料芯易损。较细小承力芯的复合材料导线具有更好的弯曲灵活性，但同时也容易出现尖角（铝绞线移位来适应承力芯线/棒的弯曲），当复合材料芯中的张力不足时，更易受到损伤。若承力芯受到仅仅部分损伤，导线断裂可能会被推迟几个月甚至几年，给电网的安全及可靠性带来严重威胁。如果复合材料芯导线能有效防止施工失误，其承力芯处于大的预张应力，而其导电材料几乎不承受张应力，该导线会很适合于安全操作与安装，保证电网的安全及可靠运行。虽然这些导线中的退火铝提供最大的导电率，但在张应力下易于变形。这些导线依靠承力芯承载，通常要求特别的金具来夹紧固定。这些导线使用的金具成本有时高达整个工程造价的50%，这对很多电网是不愿接受的，尤其对费用敏感的工程，比如低压配电网应用。复合材料承力芯导线必须使用昂贵及特别的配件，如来自CTCGlobal公司的夹头及外壳技术或来自AFL公司的压合接头铝衬套方式。此外，这些导线必须特别严格遵循架线温度及时间要求，尤其是分岔线路，造成安装过程复杂昂贵。若同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降低热拐点的高能效导线，其特征在于：包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变，而且承力芯线/棒必要时有一适当的绝缘层来避免承力芯与导电层可能出现的电耦合化学反应；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料，比如铝，铝合金，铜或铜合金，且可能有更多的同心包裹导电层，甚至敷绕在外层的导电丝，铝导电层可以是铝（包括硬铝），铝合金（包括高温铝合金）以及全退火处理过的软铝；铜导电层可以是铜，铜合金包括铜微合金；所述的导电包裹层有足够厚度（>0.5mm），而且是几乎不承受张力，导电包裹层主意是为了导电，同时也保护承力芯线/棒（比如氧化，高温，环境或应力腐蚀，以及施工及生产运输过程中可能因为承力芯线/棒经历过大应力尤其轴向压应力造成的承力芯损伤）；所述的该电线电缆是绕在圆盘上的。

【技术特征摘要】
2014.09.17 US US62/051，490;2014.09.26 US US62/056，1.一种降低热拐点的高能效导线，其特征在于：为下述四种结构之一：第一种包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料；所述的导电包裹层厚度>0.5mm，而且是不承受张力，导电包裹层主要是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；所述的高能效导线是绕在圆盘上的；第二种包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料；所述的导电包裹层厚度>0.5mm，而且是不承受张力，导电包裹层主要是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；所述的高能效导线是绕在圆盘上的；所述承力芯线/棒有一绝缘层来避免承力芯线/棒与导电层出现的电耦合化学反应；第三种包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料；所述的导电包裹层厚度>0.5mm，而且是不承受张力，导电包裹层主要是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；所述的高能效导线是绕在圆盘上的；所述承力芯线/棒无绝缘层来避免承力芯线/棒与导电层出现的电耦合化学反应；第四种包括：一根或多根承力芯线/棒和导电包裹层组成，承力芯线/棒由一股或多股钢丝线或纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05%的张力应变；所述的导电包裹层至少有一层包裹型的导电材料；所述的导电包裹层厚度>0.5mm，而且是不承受张力，导电包裹层主要是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；所述的高能效导线是绕在圆盘上的；所述导电包裹层包括与导电材料同心包裹导电层，或者，所述导电包裹层包括与导电材料同心包裹层和敷绕在外层的导电丝；所述导电材料是下述中的一种或多种：铝，铝合金，铜及铜合金。2.根据权利要求1所述的一种降低热拐点的高能效导线，其特征在于：所述的承力芯线/棒由以下连续增强纤维的一种构成，碳纤维，陶瓷纤维，玻璃纤维及玄武岩纤维；在一个树脂基内组成，而且该承力芯线/棒可以是单根或多根，可以是实芯或空芯；当承力芯线/棒为空芯时，可把光纤放入承力芯线/棒空心部分用于光通讯，在地线或配电线路上应用；光纤可以单根或多根光纤,光纤可放置在承力芯线/棒内,还可放置在导电层中,或承力芯与导电层的界面来进行实时监控导线温度及电流,承力及弧垂,实现电网智能化；所述的导线至少有500m的生产长度；承力芯线/棒经过预张力处理，在过第一施工滑轮前至少有0.05%剩余张力应变在承力芯线/棒；承力芯线/棒的线膨胀系数不超过15x10-6/°C,承力芯线/棒有至少3KN的径向抗压能力，以避免承力芯线/棒在金具压制时出现损伤。3.根据权利要求1所述的一种降低热拐点的高能效导线，其特征在于：所述的导电包裹层由至少一层铝或铝合金或铜或铜合金构成，或用铝或铝合金或铜或铜合金线绞绕于铝或铝合金或铜或铜合金包覆过的承力芯线/棒上；导电包裹层除了多层包覆层，也可为梯形、Z、S或C型及圆型的导电线丝，或者是这些线丝的混合；承...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄建平，
申请(专利权)人：黄建平，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA