CN101034601A - 耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线及制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线及制备方法，复合材料芯铝绞线是由超长连续纤维增强耐热树脂制成的复合材料线芯与至少一层截面为瓦形的纯铝或铝合金线环绕绞合而成的导电外层组成。其制备方法为：采用连续拉挤工艺生产出高强超长连续纤维增强耐热树脂内层；然后通过第二次拉挤工艺在高强超长连续纤维增强耐热树脂内层上包覆由低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂的外层，即制得复合材料线芯；再将瓦形的纯铝或铝合金线环绕绞合于复合材料线芯外。本发明的铝绞线热膨胀系数低，在提高导线运行温度后弧垂不增加，可在140℃下长时间安全工作，导电层的铝、铝合金线的填充率大于或等于90％，可成倍地提高电网输送的容量。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于高压输电网的输电导线，尤其涉及一种用(非金属基、树脂基)复合材料制成线芯、用瓦型铝或铝合金制成导电层的高压输电导线及其制备方法。
背景技术
随着经济总量持续稳定的发展，能源建设成为可持续稳定发展的关键。而电力是能源的主体，大部分的能源都要转化成电力后传输到用户才能被有效利用。电力的传输是能源传输的主体，因此国家的电网成为一个国家的主要经济命脉，电网安全也是国家安全的重要组成部分。2005年我国发电装机容量达到5亿千瓦，2010年我国发电装机容量将达到9亿千瓦。“11.5”规划中将新建高压线路3.8万公里，同时旧新路改造也是电网建设的重要组成部分，特别是在东部、沿海经济发达地区，由于线路密集，土地资源紧缺，电网的增容要立足于旧网改造。但无论在新的电网建设和旧电网改造中，为了提高输电能力，提高线路走廊传输效率、节约土地、节约森林资源，新材料、新技术、新产品将被大量采用，其中如何提高电力线的输电能力成为技术关键。
目前110kV以上的输电线路均为裸导线，导体为钢芯铝绞线、铝合金绞线、铝包钢绞线。其中
钢芯铝绞线：破坏应力290MPa(设计应力按116MPa)，抗拉强度中等，电性能好，重量中等，大量用于城乡输电线路上，档距200-600m，单位杆塔数量较少。高压输电线路目前以钢芯铝绞线为主，占90％以上。
铝合金绞线：一般用于输电线路的避雷线上，也可用于导线，电性能和抗拉力都适中，但造价较高。
铝包钢绞线：破坏应力大(1200MPa)，电性能不佳，较重，单位弧垂小。造价较高，只用于大档距、大跨越的线路上，档距1000m左右。
因此目前我国乃至全球的高压电力线绝大部分是钢芯铝绞线，增大其载流能力的途径有二种：①增大导线的截面积，但相应地要提高塔杆的高度，不但导线成本增加，同时塔杆成本也增加；②提高运行温度，提高导线运行温度是在不增加导线截面积情况下有效地提高输电能力的一种方法。有关研究表明，400/50钢芯铝绞线使用温度为70℃时，载流为583A，提高至80℃后，载流可达835A。有关研究表明，导线温度提高到140℃左右，同样外径的电线载流量可以提高一倍以上。
然而，架空导线的载流量受导线载流发热后的机械强度损失制约。研究表明，当导线在超过一定温度长时间运行后，导线的弹性变形将转变成永久变形，使机械强度损失无法在线温度恢复至常温后得以同步恢复。若设计载流量太高，引起导线温度较高而使机械强度损失超过允许量值，造成导线弧垂增大、舞动半径变大、抗振能力下降而降低线路使用寿命和运行的安全性。如允许温度从70℃提高到80℃，相应弧垂的差额约为1～3米，这样的弧垂差额，仅会影响部分杆塔，不会引起普遍加高杆塔的后果，但若要继续提高运行温度，由于弧垂增大和钢芯的蠕变引起永久变形，将严重影响现有的杆塔基础和架线规程。
欲更大幅度地提高导线的工作温度，相应必须解决三个问题，①.提高高温下线芯强度，②.减小高温下导线弧垂，③.减小高温下铝导体的电阻。为解决上述三个问题，有报导提出了“铝导线改性+轻质低膨胀芯材”的技术方案，其中铝导体采用完全退火态铝(带来强度损失)和铝-锆合金(添加微量Zr)，这两种铝导体可以在200℃-240℃范围内工作；而线芯则采用Invar合金芯材(殷钢：含36％镍、64％铁)和轻质、高强度、低膨胀复合材料线芯，前者的工艺性好，但比重大，比强度低，后者具有轻质、高强、低膨胀等优点，其不足是工艺性差，施工难度大，需要特殊的架线金具。
美国3M公司开发了以Al2O3/Al金属基复合丝为芯材的铝绞线产品，在美国申请了金属基复合材料线芯铝绞线的生产专利(US 20040112565)，同时也在中国申请了“铝基复合导线、电缆和方法”的专利(CN 1263884C)，但由于复合材料线芯成型困难，限制了其应用。
日本藤仓公司开发了殷钢为线芯的低弛度耐热铝合金铰线，可用于应对夏季高负荷电力传输，但殷钢线芯的比重大，而且线芯的电磁损耗大。
日立电线研究所开展了无机纤维/铝复合丝高压电缆的研究工作，采用了SiC束丝纤维，但SiC纤维成本较高。
江苏法尔胜公司申请了“玻璃纤维增强复合材料芯铝绞线”的中国实用新型专利(专利号：ZL02218508.9)，其线芯的热膨胀系数较高，且其导电层是传统的铝或铝合金绞线，截面为圆形，没有提高导电层的填充率，无法实现导电能力的明显提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种热膨胀系数低，在提高导线运行温度后弧垂不增加，可在140℃下长时间安全工作，导电层的铝、铝合金线的填充率可大于90％，可成倍地提高电网输送的容量，提高运行安全性且还可防止冬季线路结冰造成的重大事故的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线及制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案。
本发明的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于它是由超长连续纤维增强耐热树脂制成的复合材料线芯与至少一层由4根或4根以上的截面为瓦形的纯铝或铝合金线环绕绞合而成的导电外层组成。
所述复合材料线芯由外层包覆内层构成，外层的厚度为0.1～2mm。
所述复合材料线芯内层由高强超长连续纤维增强耐热树脂制成，外层由低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂制成，所述高强超长连续纤维增强耐热树脂以耐热树脂为基体、高强超长连续纤维为增强材料，所述低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂以耐热树脂为基体、低弹性模量超长连续纤维为增强材料，高强超长连续纤维在复合材料线芯内层中所占的体积百分数为55％～75％，低弹性模量超长连续纤维在复合材料线芯外层中所占的体积百分数比为55％～75％。
所述复合材料线芯直径在4mm～15mm范围内，在-50℃至200℃范围内热膨胀系数在2.5×10-6/℃以下，在室温的抗拉伸强度为1800MPa～2800MPa，弯曲强度为1600MPa～2600MPa。
所述复合材料线芯中的高强超长连续纤维为束丝，模量在220GPa以上，其抗拉强度在3000MPa以上，在-50℃至200℃范围内热膨胀系数为0～1.5×10-6/℃。所述高强超长连续纤维为碳纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维。
所述低弹性模量超长连续纤维为束丝，弹性模量在(3～5)×104MPa范围内。所述低弹性模量超长连续纤维为Kevlar纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
所述耐热树脂为含有环状结构单元的耐热酚醛树脂、耐热环氧树脂或耐热酚醛环氧树脂。
复合材料线芯横截面形状为圆形，长度不小于300米。复合材料线芯为可以卷绕的线芯。
所述导电外层的纯铝或铝合金线的填充率不小于90％。
上述耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线的制备方法，其特征在于其工艺步骤为：
第一步，采用连续拉挤工艺生产出高强超长连续纤维增强耐热树脂内层；
第二步，通过第二次拉挤工艺在高强超长连续纤维增强耐热树脂内层上包覆低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂的外层，即制得超长连续纤维增强耐热树脂的复合材料线芯；
第三步，将至少一层截面为瓦形的纯铝或铝合金线作为导电外层环绕绞合于复合材料线芯外。
进行第二步制备时，对低弹性模量超长连续纤维施加500～1000MPa的拉应力。
所述瓦形的纯铝或铝合金线是由连续冷拉拨、冷轧和退火组合工艺制造。
所述制造纯铝或铝合金线的具体工艺步骤为：将粗直径的纯铝或铝合金圆杆拉拨至截面积为最终瓦形纯铝或铝合金线截面积100-120％的圆线，然后采用一对轮廓线为弧形的冷轧辊将其轧成瓦形线，再通过瓦形线定型模拉拨至最终设计尺寸；经退火而成，退火温度为300℃～350℃，退火保温时间为2小时～5小时。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明采用超长连续纤维增强耐热树脂制成的复合材料线芯代替传统钢芯，且导电外层由瓦形的纯铝或铝合金线环绕复合材料线芯绞合而成，本发明的复合材料芯铝绞线热膨胀系数低，为现有钢芯铝绞线膨胀系数的六分之一以下，在提高导线运行温度后弧垂不增加，可以在140℃下长时间安全工作；同时外层绞合瓦形截面纯铝或铝合金线，实现纯铝或铝合金线的填充率大于90％。本发明的载流能力达到同样外径传统钢芯铝绞线的两倍；由于提高了导线的工作温度，还可防止冬季线路结冰造成的重大事故。其应用于高压电力新网建设和旧网改造，可以成倍地提高电网输送的容量，提高运行安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为复合材料线芯的横截面剖面图；
图3为复合材料线芯的制造工艺设备示意简图。
图中：
1、纱架 2、导向毡板 3、贮槽
4、预成型模具 5、成型模具 6、牵引机
7、卷绕装置
具体实施方式
实施例：226/33复合材料芯铝绞线及其制备方法(226指导电外层截面积为226mm2，33指复合材料线芯的截面积为33mm2)
步骤一：复合材料线芯制备
以高强度碳纤维为复合材料线芯内层的高强超长连续纤维增强材料，以玻璃纤维为复合材料线芯外层的低弹性模量超长连续纤维增强材料，耐热树脂基体为含有环状结构单元的耐热环氧树脂，生产本发明的复合材料线芯方法如下：
如图3所示，将模量为230GPa，抗拉强度为3300MPa，热膨胀系数为1.0×10-6/℃的25束12K碳纤维(单丝直径为7微米)无捻纱穿过纱架1，经导向毡板2进入盛有耐热环氧树脂胶液的贮槽3浸胶，耐热环氧树脂胶液中环氧树脂的质量百分比为50％，酸酐固化剂的质量百分比为50％(固化剂还可以为胺类固化剂，环氧树脂与固化剂的质量比可为1∶1到10∶1)，然后进入预成型模具4。预成型模具4的作用是使浸胶后增强材料按照设定的位置排布，并接近型材的最终形状，同时挤出多余的胶液。
从预成型模具4出来的增强材料进入带加热板的成型模具5中进行固化。成型模具5长650mm，模腔直径为4.5mm，用工具钢制造，并经镀铬或渗氮处理。成型模具5分为三个温度区，分别为140℃、170℃和140℃。固化后由牵引机6从成型模具5中拔出，牵引力为4MPa，牵引速度为0.20m/min，然后由卷绕机7卷在直径1.5米圆盘上，即完成复合材料线芯的生产过程的第一步，得到长度大于300米、以高强度碳纤维为增强材料、含有环状结构单元的耐热环氧树脂为基体的复合材料(其中碳纤维体积百分数为69.4％)线芯内层A(如图1、2所示)。
将弹性模量为4×104MPa的15束2400Dtex玻璃纤维无捻纱穿过纱架1，同时施加700MPa的拉应力，经导向毡板2进入含有耐热环氧树脂胶液的贮槽3浸胶，耐热环氧树脂胶液中环氧树脂的质量百分比为50％，酸酐固化剂质量百分比为50％，然后和第一步得到的复合材料线芯内层A一起进入预成型模具4，复合材料内层A处于中心位置，15束大束丝玻璃纤维均匀地分布在复合材料内层A的外围。预成型模具4的作用是使浸胶后增强材料按照设定的位置排布，并接近型材的最终形状，同时挤出多余的胶液。
从预成型模具4出来的增强材料进入成型模具5中。成型模具5长650mm，模腔直径为6.5mm，用工具钢制造，并经镀铬或渗氮处理。固化后由牵引机6从成型模具5中拔出，牵引力为4MPa，牵引速度为0.20m/min，然后由卷绕机7卷在直径1.5米圆盘上，即完成复合材料线芯的生产过程的第二步，得长度大于300米、由外层B包覆内层A(外层B以玻璃纤维为增强材料、含有环状结构单元的耐热环氧树脂为基体，其中玻璃纤维所占的体积百分数为67.5％)、直径为6.5mm的圆形复合材料线芯(如图1、2所示)。所生产的复合材料线芯性能列表如下：
复合材料线芯的静强度性能
| 项目 | 指标 | 执行标准 |
| 直径 | 6.5mm | |
| 抗拉强度，MPa | 2080 | GB/T13096.1-91 |
| 拉伸模量，GPa | 140 | GB/T13096.1-91 |
| 弯曲强度，MPa | 1700 | GB/T13096.2-91 |
| 弯曲模量，GPa | 100 | GB/T13096.2-91 |
| 剪切强度，MPa | 88 | ASTM/D4475-02 |
| 热变形温度，℃ | ＞200 | ISO 75-2：2003 |
| 玻璃化温度，℃ | ＞200 | GB 11998-89 |
| 热膨胀系数，×10-6/℃ | 0.79(-50℃～200℃) | GB 11998-89 |
除本实施例外，高强超长连续纤维也可为碳化硅纤维或氧化铝纤维等，低模量超长连续纤维也可为Kevlar纤维或玄武岩纤维等；耐热树脂也可为耐热酚醛树脂或耐热酚醛环氧树脂等。
步骤二：瓦形纯铝、或铝合金线的制备
如图1所示，本实施例为在复合材料线芯外绞合两层截面为瓦形的纯铝线，也可用瓦形的铝合金线。
第一层瓦形纯铝线C1：内弧半径为3.25mm，外弧半径为6.1mm，圆心角为58度。具体工艺为：将直径为8.0mm纯铝圆杆通过拉丝模拉拨至直径为4.5mm圆线，然后采用一对轮廓线为弧形的冷轧辊将其轧成内弧半径为3.25mm、外弧半径为6.1mm、圆心角为58度的第一层瓦形纯铝线C1。加工过程中的退火温度为320℃，退火保温时间为3小时。
第二层瓦形纯铝线C2：内弧半径为6.1mm，外弧半径为9.5mm，圆心角为38度。具体工艺为：将直径为8.0mm纯铝圆杆通过拉丝模拉拨至直径为5.3mm圆线，然后采用一对轮廓线为弧形的冷轧辊将其轧成内弧半径为6.1mm、外弧半径为9.5mm、圆心角为38度的第二层瓦形纯铝线C2；加工过程中的退火温度为320℃，退火保温时间为3小时。
步骤三：复合材料芯铝绞线制备
在“步骤一”制备的直径为6.5mm的复合材料线芯外绞合两层纯铝线作为导电外层，第一层由6根第一层瓦形纯铝线C1组成，第二层由9根第二层瓦形纯铝线C2组成，即得到本发明的复合材料线芯铝绞线，其中导电外层纯铝线的填充率为90.4％。
Claims (16)
1、一种耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于它是由超长连续纤维增强耐热树脂制成的复合材料线芯与至少一层由4根或4根以上的截面为瓦形的纯铝或铝合金线环绕绞合而成的导电外层组成。
2、根据权利要求1所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯由外层包覆内层构成，外层的厚度为0.1～2mm。
3、根据权利要求2所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯内层由高强超长连续纤维增强耐热树脂制成，外层由低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂制成，所述高强超长连续纤维增强耐热树脂以耐热树脂为基体、高强超长连续纤维为增强材料，所述低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂以耐热树脂为基体、低弹性模量超长连续纤维为增强材料，高强超长连续纤维在复合材料线芯内层中所占的体积百分数为55％～75％，低弹性模量超长连续纤维在复合材料线芯外层中所占的体积百分数比为55％～75％。
4、根据权利要求3所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯直径在4mm～15mm范围内，在-50℃至200℃范围内热膨胀系数在2.5×10-6/℃以下，在室温的抗拉伸强度为1800MPa～2800MPa，弯曲强度为1600MPa～2600MPa。
5、根据权利要求3或4所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯中的高强超长连续纤维为束丝，模量在220GPa以上，其抗拉强度在3000MPa以上，在-50℃至200℃范围内热膨胀系数为0～1.5×10-6/℃。
6、根据权利要求5所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述高强超长连续纤维为碳纤维、碳化硅纤维或氧化铝纤维。
7、根据权利要求3或4所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述低弹性模量超长连续纤维为束丝，弹性模量在(3～5)×104MPa范围内。
8、根据权利要求7所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述低弹性模量超长连续纤维为Kevlar纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维。
9、根据权利要求3或4所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述耐热树脂为含有环状结构单元的耐热酚醛树脂、耐热环氧树脂或耐热酚醛环氧树脂。
10、根据权利要求1至4中任一所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯横截面形状为圆形，复合材料线芯的长度不小于300米。
11、根据权利要求10所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述复合材料线芯为可以卷绕的线芯。
12、根据权利要求1至4中任一所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线，其特征在于所述导电外层纯铝或铝合金线的填充率不小于90％。
13、一种如权利要求1所述耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线的制备方法，其特征在于其工艺步骤为：
第一步，采用连续拉挤工艺生产出高强超长连续纤维增强耐热树脂内层；
第二步，通过第二次拉挤工艺在高强超长连续纤维增强耐热树脂内层上包覆低弹性模量超长连续纤维增强耐热树脂的外层，即制得超长连续纤维增强耐热树脂的复合材料线芯；
第三步，将至少一层截面为瓦形的纯铝或铝合金线作为导电外层环绕绞合于复合材料线芯外。
14、根据权利要求13所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线的制备方法，其特征在于进行第二步制备时，对低弹性模量超长连续纤维施加500～1000MPa的拉应力。
15、根据权利要求13或14所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线的制备方法，其特征在于所述瓦形的纯铝或铝合金线是由连续冷拉拨、冷轧和退火组合工艺制造。
16、根据权利要求15所述的耐热、低膨胀倍容量复合材料芯铝绞线的制备方法，其特征在于所述制造纯铝或铝合金线的具体工艺步骤为：将粗直径的纯铝或铝合金圆杆拉拨至截面积为最终瓦形纯铝或铝合金线截面积100-120％的圆线，然后采用一对轮廓线为弧形的冷轧辊将其轧成瓦形线，再通过瓦形线定型模拉拨至最终设计尺寸；经退火而成，退火温度为300℃～350℃，退火保温时间为2小时～5小时。
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