CN101707077B - 制造架空输电铝绞线用智能复合芯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型制造架空输电铝绞线用的智能复合芯，所述的智能复合芯是由玄武岩纤维-高强钢丝-分布式连续光纤传感器、耐高温树脂和耐高温阻燃涂层构成。其主要结构是：将玄武岩纤维、高强钢丝和分布式连续光纤传感与耐高温树脂一次性拉挤复合形成复合芯材，并在外芯上再涂覆一层耐高温阻燃涂层。以复合芯材为核心将铝导体线材通过扭绞方式可形成输电铝绞线。该新型复合芯材，其玄武岩纤维和高强钢丝的体积比为4∶1～1∶1，复合芯材中耐高温树脂基体体积占整个复合芯材的体积不大于50％。本发明导线具有重量轻、强度高、耐高温、线损低、弧垂小、智能化等优点，可为智能电网的建设和供电线路的可靠性和安全性，以及电力的优化配置提供智能手段。

Description

制造架空输电铝绞线用智能复合芯

技术领域

本发明涉及一种新型架空输电铝绞线用的智能复合芯，属于智能结构材料及传感检测领域的新材料开发。

背景技术

伴随着我国经济的持续快速发展，电网作为现代生活的基础、工业和信息化社会的脊梁，其发展越来越受到重视。架空输电导线作为输送电路的载体，在输电线路中占有十分重要的地位。随着我国电力需求的大幅度攀升，原有输电线路已经不堪承受传输容量快速扩容的需求。虽然电力部门已通过加大对发电设施的投资来增加额外的发电能力，但目前使用的输电线路已满负荷运行，有些甚至过载，输电线路的输电能力已成为电力供求的瓶颈问题。此外，随着我国城市化建设的快速发展，土地资源越来越紧张，架空输电线路走廊的选择已受到较大的制约。因此，为解决这些瓶颈问题，一方面需要增加新的输电线路以满足输送更多电能，但新建输电线路需要新增用地和基础设施投资，所以该方法受到资金，规划等多方面制约。另一方面，要对老输送电路进行改造，即利用原有线路走廊使其最大限度地发挥作用，提高输电能力和土地资源利用，降低对新建输电线路的投资，减少输送电力过程中的电力损耗，建设有我国特色的资源节约型、环境友好型的新型电网，已成为我国国民经济领域迫切需要解决的问题。再者，自然灾害频发，容易对电网造成大面积停电事故，如何进行自监测、自诊断，及时开展断电线路的检查维修和检测，并优化配置电力资源，以提高供电线路的设防标准和提高电网的运行效率也是一个需要迫切解决的问题。

长期以来，我国架空导线主要使用传统钢芯铝绞线(ACSR)或钢芯自承式铝绞线(ACSS)，国外3M公司凭借其在陶瓷纤维领域的优势，研发了高耐热、低弧垂铝基陶瓷纤维复合芯架空铝绞线(Aluminum Conductor Composite ACCR)。20世纪90年代，日本学者研究用碳纤维增强树脂芯代替钢芯，并已被实际应用。新型复合材料芯研究比较成功的是美国CTC(Composite Techonology Comporation)公司，推出了以碳纤维和玻璃纤维为增强材料与耐高温树脂复合的碳纤维复合芯铝绞线(Aluminum Conductor Composite Core简称ACCC)。ACCC导线具有重量轻、强度高、线损低、弛度低、耐腐蚀和载流量大等优点。近几年来，ACCC导线在我国进行了挂网运行试验，并且经过上海电缆研究所、国网北京电力建设研究院等检测机构按照美国标准、中国国家标准、国际电工委员会标准等完成了全性能型式试验。虽然ACCC导线能够很好的解决上述问题，但其由于使用碳纤维材料，价格昂贵，对于大量的线路更换，仅仅依靠进口，需要非常巨大的投资，因而受到资金等条件限制。

此外，如何开展自主创新，形成有我国自主知识产权的新型复合芯架空铝绞线也是迫切需要关注和解决的问题。基于此考虑，本发明采用高性能连续玄武岩纤维、高强钢丝以及分布式连续光纤传感器通过拉挤复合形成复合芯，其中高强钢丝、一根连续光纤传感器和玄武岩纤维与耐高温树脂复合分布在复合芯中央，再将玄武岩纤维、另一根连续光纤传感器与耐高温树脂复合分布在中央内芯周围形成外芯，最后在外芯上涂覆耐高温阻燃涂层。以该智能复合芯为核心将铝导体线材通过扭绞方式可形成输电的架空铝绞线。本发明和同样外径的传统钢芯铝导线相比，具有自重轻，运行温度高，输电能力大，耐腐蚀等优点，能够高效经济的解决输电线路增容的瓶颈问题；和同样外径的ACCC导线相比，其输电能力，承载能力和耐久性能都较为接近，但其价格上却有明显的优势，并且由于引入了分布式连续光纤传感器，具有自监测、自诊断功能。ACCC导线还存在碳纤维脆性较大，玻璃纤维抗环境腐蚀，抗蠕变性能较差、耐温性明显不如玄武岩纤维等问题。因而，本发明是一种能够满足更大输电容量并具有较低价格的输电导线，且具有自监测、自诊断，并具有优化配置电能的智能功能。

本智能复合芯中的增强材料——玄武岩纤维(basalt fiber)，是一种以纯天然火山岩(玄武岩为主)为原料，在1450～1500℃高温熔融后拉丝而成的连续纤维。连续玄武岩纤维在我国已经产业化，目前世界上只有乌克兰、俄罗斯、中国等少数几个国家能够工业化生产。该纤维具有性价比高、比强度、比模量高、耐高温、耐低温(-269～650℃)、抗水损害性能好、耐紫外线光照、电绝缘、纤维表面呈极性、纯天然环保、防火阻燃等特点。从力学性能角度，玄武岩纤维与玻璃纤维相比，具有更高的抗拉强度，更高的弹性模量和更高的耐温性，从而能够满足架空铝绞线的承载要求。从化学性能讲，玄武岩纤维比玻璃纤维具有更好的化学稳定性能，能抵抗各种环境腐蚀，使用寿命长；而且具有-269～650℃耐低温、耐高温的性能(玻璃纤维：-60～250℃)，可以保证输电线路在更高温度下安全传输电力。此外，玄武岩纤维具有和玻璃纤维相似绝缘性能，可以避免导电而引起的线损。

本智能复合芯中的另一增强材料——高强钢丝，是一种广泛应用的承载材料，经过多年的发展，目前高强钢丝具有高强度、高弹性模量和低松弛、耐疲劳等特性。但是，完全采用高强钢丝或钢绞线作为导线复合芯，由于其较高热膨胀系数和高弹性模量，在高温下，应力松弛较大，会造成导线过大的弧垂，从而影响周边环境甚至造成断电的危险。例如，2003年8月美国东海岸地区的电力中断，就是因为一根过热的架空铝绞线下垂与树短路，导致在数秒内冲击整个传输网络。因此，结合上述两种材料的特点，本发明以玄武岩纤维作为导线承载芯材的主体，复合一定量的高强钢丝，以达到整体更加优良的力学、化学、热学等方面的性能。

本智能复合芯中的分布式连续光纤传感器是一种智能材料。现阶段，应用较多的传统传感器有电阻应变片和振弦传感器，它们除了在稳定性、耐久性及测量精度上远不能满足工程结构进行长期在线监测的需要外，测试时传感器的布设也很不方便，无法大规模的应用于结构监测。光纤传感器的出现为解决工程结构的长期监测问题提供了一种新的途径。它可以测量如应变、应力、温度等很多物理量，与传统的电测传感器相比，它有许多的优点：稳定性好、耐腐蚀、抗电磁干扰、体积小、重量轻、精度高等。但是裸纤和紧套光纤比较脆，极易折断，给布设带来了很多不便。为解决这一问题，如何在不改变光纤传感器优良的传感性能的前提下对光纤进行封装同时开发研制方便易用的光纤传感系统十分必要。国内外不少学者都对光纤传感器的封装技术做过研究，如将传感器封装于薄金属套管中或是埋于FRP纤维层间，但封装后的传感性能的稳定性还有待研究，生产工艺还不成熟，无法实现大规模的生产和运输。基于此，本发明提出了一种将分布式连续光纤传感器随高强钢丝和玄武岩纤维无捻粗纱一起与耐高温树脂拉挤成型复合“埋入”于芯材中，其中筋材两端要预留出一定长度的光纤传感器以备测试接线用，从而形成一种具有自监测、自诊断功能的新型智能复合芯。它具有优良的力学和传感性能，能够适应各种恶劣气候条件的架空铝绞线输电线网。

发明内容

本发明是一种新型架空输电铝绞线用的智能复合芯。所述的智能复合芯是由玄武岩纤维-高强钢丝-分布式连续光纤传感器、耐高温树脂和耐高温阻燃涂料构成。其主要结构是：将玄武岩纤维、高强钢丝和分布式连续光纤传感与耐高温树脂一次性拉挤复合形成复合芯，其中高强钢丝，少部分玄武岩纤维和一根光纤传感器分布在复合芯中央内芯，其余玄武岩纤维和另一根光纤传感器分布在复合芯周围外芯，最后在复合芯外制备上一层耐高温阻燃涂层。。以复合芯为核心将铝导体线材通过扭绞方式形成输电铝绞线。该新型复合芯，其玄武岩纤维和高强钢丝的体积比例为4∶1～1∶1，复合芯材中耐高温树脂基体体积占整个复合芯材的体积不大于50％。与同等规格截面的传统钢芯铝绞线(ACSR)和钢芯自承式铝绞线(ACSS)相比，本发明导线具有重量轻，强度高，耐高温，线损低，弧垂小、智能化等优点；与碳纤维复合芯铝绞线(ACCC)相比，输电性能，承载性能以及耐久性等方面都较为接近，能避免碳纤维的脆性、延伸率小以及抗剪切强度低等问题，并且价格上具有明显优势。该智能复合芯材也是一种具有自监测、自诊断功能的智能筋，可以为智能电网的建设和供电线路的可靠性和安全性，尤其是可以为因自然灾害或突发事故对电网造成大面积停电的线路实施检查维修提供了检测手段。本发明的目的是为满足输电线路增大容量，提供了一种绞制架空铝绞线用的高效经济实用的复合芯材，此外，为智能电网的建设和供电线路的可靠性和安全性，尤其是可以为因自然灾害或突发事故对电网造成大面积停电的线路实施检查维修提供了自检测、自诊断的智能手段，此外，可以为电力的优化配置提供了智能手段。

本专利的复合芯中要求玄武岩纤维和钢丝混杂体积比4∶1～1∶1，一方面根据混杂理念设计方法，同时结合大量试验取得。其中4∶1的混杂比例，主要根据钢丝的混杂下限，旨在提升最低限度的复合芯弹性模量(提高25％)以满足架空输电线的垂度要求并保留充足的延性(接近3％的破断延伸率)以作安全储备，低于该比例，弹性模量的提升将非常有限，而且复合芯整体的弹性阶段强度也会降低更多，从而不能满足大跨度输电线需要。混杂比例上限1∶1综合考虑混杂后复合芯的强度、刚度、延性和钢丝分布要求。达到1∶1的混杂比例时，和纯玄武岩纤维复合芯相比，刚度能提升60％，强度根据钢丝的种类保持在92％以上，同时自重增加不超过81％，破断延伸率2％左右。再高的钢丝混杂比例将会导致自重进一步增大，破断延伸率下降并且钢丝在复合芯中的布置将更加困难(影响钢丝和纤维的粘结性能)，从而影响复合芯的整体力学和耐腐蚀性能。

本专利的复合芯将两个光纤传感器分别布置在复合芯中央和外边缘。在正常工作状态下，边缘和中央光纤传感器可以相互校核监测复合芯工作应力和温度状态；在异常情况发生时，如温度突然升高，由于玄武岩纤维的导热系数低，外边缘和中央传感器将表现出一定的温差，有利于真实判断复合芯的安全状态。

本发明的实现是采用拉挤成型工艺，首先将高强钢丝、玄武岩纤维无捻粗纱和一根分布式光纤传感器封装制品通过中心的集束孔(1)，然后将其余玄武岩纤维无捻粗纱和另一根分布式光纤传感器从均匀分布于中心集束孔周围的若干穿纱孔中通过，与高强钢丝、分布式连续光纤传感器一起在一定的预张力下通过浸胶槽(2)浸入耐高温树脂，然后进入隧道式烘箱(3)予以固化成型，在预成型后通过涂料槽孔(4)将防火阻燃涂料均匀涂覆在复合芯材上，在进入后道设置的隧道式烘箱(5)最后固化成型进入卷装盘(6)收卷。固化成型及检验合格的复合芯提供给电缆生产企业用于在其上绞制成架空铝绞线。以下对本发明的设计理念，导线构成以及制作工艺流程进行描述。

1.设计思路

针对传统钢芯铝导线(ACSR)对温度敏感，无法在高温下输送电能而导致输电容量有限，不能满足日益增长的用电需求的问题。为了确保本发明智能复合芯能够满足绞制成铝绞线后的各项性能要求，尤其是要通过复合芯材的弯曲试验、挠度试验、抗拉强度试验、复合芯铝绞线导体的压扁试验、径向冲击负荷试验、应力-应变试验、断裂负荷试验、蠕变试验、弧垂特性试验、电气特性试验、自阻尼试验的各项要求。设计采用具有高强度，耐高温性能突出，化学性能稳定，抗环境腐蚀能力强的连续玄武岩纤维作为复合芯的主要材料，考虑到连续玄武岩纤维的弹性模量(89～110GPa)比碳纤维(230Gpa以上)低，同时混杂少量具有良好耐疲劳和低松弛的高强钢丝，以提高承载复合芯的刚度。导线承载复合芯主体材料选用玄武岩纤维，不建议采用玻璃纤维，因为玄武岩纤维的各项性能指标均优于E玻璃纤维，尤其是玄武岩纤维耐温的优异特性、纤维表面呈极性，与树脂的结合力强、吸湿率低、耐候性和耐腐蚀性好，且纯天然环保。但在耐高温性能要求不高，系数部分力学和耐久性能的情况下，也可以采用玻璃纤维代替玄武岩纤维和其他材料形成复合芯。设计中不采用碳纤维作为智能复合芯的增强材料主要是其价格高昂，不具有经济性，而且碳纤维本身呈脆性，不利于导线弯折等。

本发明采用玄武岩纤维、分布式连续光纤传感器和高强钢丝、耐高温树脂复合形成导线的复合芯，玄武岩纤维和高强钢丝的应力-应变关系如图1所示。两者极限抗拉强度近似，利用玄武岩纤维线性力学性能可以有效的改善整体力学性能，使复合芯能够保持稳定的高强度，同时复合芯初期刚度也能有所提升。本发明中的高强钢丝采用钢琴线(Piano wire或Musicwire等)，由于钢琴线直径很小(0.10-0.8mm)，并且强度较普通高强钢丝为高(1590-2750MPa)，采用钢琴线不仅能够很好的将纤维丝复合形成性能稳定的整体复合芯，而且能够保证整体高抗拉强度，两者复合后的力学性能已通过实验证明，见图2，同时根据实验结果，钢琴线直径越小，复合后的力学性能越好。

玄武岩纤维的耐疲劳强度较高，根据实验结果，在55％最大疲劳荷载作用下(应力幅值R＝0.1，即5.5％～55％的极限抗拉强度下循环加载)，玄武岩纤维布能够保持两百万次循环而不发生破坏。不过由于玄武岩纤维应用历史不长，其作为导线，拉索等受拉构件的耐疲劳工程实践还不够充分，因而为安全起见，混杂少量高强钢丝，可提高及稳定整体耐疲劳强度。

2.智能复合芯设计

复合芯和铝导体形成导线的示意图如图3，铝导体直接绞合在复合芯周围，铝导体材料形状和复合方式不局限于图3所示。复合芯的设计见图4。复合芯由三层结构组成：内芯均匀分布高强钢丝、分布式连续光纤传感器、玄武岩纤维和耐高温树脂填充于钢丝空隙内；外芯由玄武岩纤维和耐高温树脂形成，外层可采用耐高温阻燃涂层均匀涂覆复合芯外表面。通过这种截面设计，外层耐高温阻燃涂层的作用是：一方面保护复合芯在线路短路时造成的临时高温等灾害条件下不发生变形，另一方面耐高温阻燃涂层在导线正常工作时能够反射热流，有利于承载复合芯的温度控制。外芯玄武岩纤维和耐高温树脂形成的复合芯，不仅起到和内层共同承担荷载的作用，同时由于玄武岩纤维的绝热性能和绝缘性能，外芯还起到隔绝外部导体和内部高强钢丝的作用。具体表现在如下四个方面：一是由高强钢丝、分布式连续光纤传感器、玄武岩纤维和耐高温树脂复合形成的内芯，不会与铝导体直接接触，保护铝导体免受电腐蚀，减小输电线路的线损，提高电能的输送效率和铝导线寿命；二是外芯可以阻燃隔热，从而保证在火灾等临时高温条件下，高温不能迅速传递至内芯高强钢丝和光纤传感器，保证火灾条件下复合芯的承载能力和自监测能力。三高强钢丝在复合芯内部，与外部环境隔绝，使得高强钢丝不受环境腐蚀，能够保证长期稳定的力学性能。四分布式光纤传感器分布在复合芯内芯和外芯，玄武岩纤维-高强钢丝FRP能够对其起到保护作用。

3.复合芯各部分材料

1)玄武岩纤维

作为承载复合芯的玄武岩纤维为连续玄武岩纤维无捻粗纱，如石金玄武岩纤维公司生产的

连续玄武岩纤维，要求抗拉强度大于1800MPa。对于耐高温要求不高的复合芯，并且牺牲部分耐久性的情况下，可采用玻璃纤维代替玄武岩纤维作为复合芯的主体承载材料和高强钢丝复合。

2)高强钢丝

作为承载复合芯的高强钢丝，宜选用直径为0.1～0.8mm的钢琴线。钢琴线直径小，有利于均匀分布于纤维和树脂中，并能和树脂取得良好的粘结，从而使得整体玄武岩纤维-钢丝复合复合芯力学性能稳定。高强钢丝和玄武岩纤维体积比为1∶4～1∶1。钢琴线要求抗拉强度大于1400MPa。

3)分布式连续光纤传感器

分布式连续光纤传感器可参考“一种基于光纤传感的分布式高精度自监测FRP筋/索的规模化制备工艺”的发明专利制备。具体为将光纤传光元件(裸光纤)外围直接涂敷一层刚度和厚度相对较大的耐高温树脂涂层制成无滑移光纤，然后在其外围无粘结编织/缠绕玄武岩纤维，最后在表面隔段涂敷一个标距长度的耐高温隔胶层形成长标距光纤的封装制品。该封装制品可作为单束纤维直接用于芯材的拉挤成型工艺。

4)耐高温树脂

作为承载复合芯的耐高温树脂，宜选用适合拉挤成型的热固性树脂，树脂占复合芯体积不大于50％，树脂要求能和纤维材料粘结良好，具有较高的玻璃化温度(150～300℃)。

5)耐高温阻燃涂层

作为承载复合芯外表面的耐高温阻燃涂层，要求能良好均匀的喷涂在复合芯外表面，具有耐高温(≤400～600℃)，反射热流的能力。

4.设计实例

根据上述描述，为说明本发明的具体指标，对发明智能复合芯做以下导线实例设计，但发明并不局限于以下实例。

高强钢丝占复合芯体积的20％，玄武岩纤维占复合芯体积的45％(分布式连续光纤传感器极细，体积忽略不计)，即玄武岩纤维和高强钢丝体积比2.25∶1，耐高温树脂占复合芯体积的35％。复合芯外扭绞2层梯形铝导体(如图3)。暂定这种导线名称为ACBSC导线。材料力学性能见表1和2。为便于说明，取传统ACSR导线和ACCC导线作为比较，截面设计以原先ACSR导线为基准，在不改变导线外径和导线初始张力的条件下，截面参数，力学性能见下表：

表1.玄武岩纤维力学性能

表2.高强钢丝力学性能

表3.线芯截面设计参数

(1)初始张力在15℃环境温度下张拉30％的线芯破断力，在15℃，85℃和150℃温度下，各导线垂度如下：

表4.不同温度下各种导线垂度

由此可见，由本发明复合芯扭绞而成的铝绞线(ACBSC)虽然随温度升高，弧垂逐渐增大，但在200℃下仍然比ACSR导线在85℃下的垂度小，可见本发明导线能够适用高温下输电的弧垂要求。

(2)在外荷载作用下，垂度和线芯应力变化

根据图5，ACBSC导线和传统ACSR导线相比，在同样的外荷载下能够保持更小的弧垂，获得更大的净空。并且同样外荷载下(图6)，线芯内的应力比能一直保持在容许最大应力40％以内，导线更加安全。(参考荷载：假设覆冰厚度20mm，冰密度0.9kg/cm2，则导线上冰的线重量为：10.78kN/m)

(3)ACBSR导线，ACCC导线和ACSR导线在各温度下下线芯应力比见下表。

表5导线不同温度下线芯应力比

由表可见，ACSBC导线在初始状态和各温度下，都能保持较低的工作应力，满足110～500kV架空送电线路设计技术规程要求的正常运行张力25％上限的要求。

5.复合芯生产工艺

复合芯的生产工艺为：首先将高强钢丝、分布式连续光纤传感器和少部分玄武岩纤维无捻粗纱通过中心的集束孔(1)，然后将其余玄武岩纤维无捻粗纱从均匀分布于中心集束孔周围的若干穿纱孔中通过，与高强钢丝、分布式连续光纤传感器封装制品一起在一定的预张力下通过浸胶槽(2)浸入耐高温树脂，然后进入隧道式烘箱(3)予以固化成型，在预成型后通过涂料槽孔(4)将耐高温阻燃涂料均匀涂覆在复合芯材上，在进入后道设置的隧道式烘箱(5)最后固化成型进入卷装盘(6)收卷。固化成型及检验合格的复合芯材提供给电缆生产企业用于在其上绞制成架空铝绞线。

工艺流程如图7所示。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明导线复合芯材料应力-应变关系。

图2是本发明玄武岩纤维-钢丝复合后力学性能。

图3是本发明复合芯和外绞合铝导体结构示意。

图4是本发明复合芯截面设计。

图5是本发明外荷载下导线弧/垂跨度比。

图6是本发明外荷载下导线线芯应力比。

图7是本发明复合芯拉挤成型工艺示意。

Claims (2)

1.一种新型的架空输电铝绞线用复合芯，其特征在于：通过玄武岩纤维、高强钢丝和分布式连续光纤传感器与耐高温树脂基体拉挤复合而成，玄武岩纤维和高强钢丝的复合体积比例为4∶1～1∶1；该复合芯具体结构包括高强钢丝，一根分布式连续光纤传感器和少部分玄武岩纤维分布在复合芯中央内芯，其余玄武岩纤维和另一根分布式连续光纤传感器分布在复合芯周围外芯，树脂基体材料填充在空隙部分，外芯外制备一层耐高温阻燃涂层。

2.根据权利要求1所述的复合芯，其特征在于：分布式连续光纤传感器采用长标距光纤的封装制品。

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