CN102324275A - 一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其包括一碳纤维编织传感光纤单元、一在该碳纤维编织传感光纤单元的外部形成的环氧树脂复合碳纤维层、一在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的环氧树脂复合玄武岩纤维层；该碳纤维编织传感光纤单元包括传感光纤以及形成在该传感光纤的外部的碳纤维编织层；该环氧树脂复合碳纤维层、该环氧树脂复合玄武岩纤维层是在环氧树脂中均匀浸渍复合而成的，环氧树脂形成在该碳纤维编织层、环氧树脂复合碳纤维层和环氧树脂复合玄武岩纤维层之间。本发明复合芯棒能够增加传感器结构的均匀性和稳定性、提高检测的精度和灵敏度、减小弯曲内部带来的测试误差。

Description

一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒及其制备方法

技术领域

本发明应用于智能电网方面，尤其涉及电力传输用架空导线。 

背景技术

利用分布式光纤传感器，检测导线实时运行过程中受到的温度和应力应变的影响，此种导线称为智能电力传输导线。 

分布式光纤传感器，如布里渊散射光时域反射测量技术，是国际上最近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。光纤是一种很灵敏的分布式传感器，它能显示出±0.01℃及约数百Pa级的微应力变化。其主要特点是，利用一根普通的光纤，类似于神经系统分布的方式，按照需要，植入被检测物之中，检测范围可以达到几公里。其利用光纤沿线受到温度和应力应变的作用时，频率的漂移量和光纤应力应变及温度的变化呈良好的线性关系，所以通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量就可以得到光纤沿线温度和应力应变的分布信息，即在某一点上，被检测物所发生的异常温度和应力应变的变化。这项技术，能够进行实时监测，测试数据准确可靠，精度很高，动态范围广，是目前应用广泛、最先进成熟的检测控制技术。 

在实际应用上，光纤植入的合理可靠及安全稳定影响到监测的结果，如果植入光纤不合理，甚至会导致错误的测试结果，或者导致不稳定、重复性不好的测试数据。 

在智能架空导线的应用中，尤其是纤维复芯架空导线上，以往的技术是简单将光纤植入到复合芯棒的中心，即光纤和纤维同时进行无捻环氧树脂浸渍复合加工，光纤被视为纤维一样，相同于一般的纤维复合加工方式。这样形成光纤—纤维复合芯棒，其有优点是简单易行，直接在复合芯棒制造过程中，将光纤作为一个单元，置于中心，形成光纤-纤维复合芯棒。 

这种光纤-纤维复合芯棒，当芯棒受到拉应力或温度改变时，纤维在光纤周围排列均匀及合理与否，对电力传输架空导线故障点处检测数据可靠性有较大的影响。 

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：克服现有的复合芯棒检测数据可靠性差的缺陷，提供一种增加传感器结构的均匀性和稳定性、提高检测的精度和灵敏度、减小内部弯曲带来的测试误差的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒及其制备方法。 

为了解决上述技术问题，本发明所采用的第一个技术方案是：一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其包括一碳纤维编织传感光纤单元、一在该碳纤维编织传感光纤单元的外部形成的环氧树脂复合碳纤维层、一在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的环氧树脂复合玄武岩纤维层；该碳纤维编织传感光纤单元包括传感光纤以及形成在该传感光纤的外部的碳纤维编织层；该环氧树脂复合碳纤维层、该环氧树脂复合玄武岩纤维层是在环氧树脂溶液中均匀浸渍而形成的，环氧树脂形成在该碳纤维编织层、环氧树脂复合碳纤维层和环氧树脂复合玄武岩纤维层之间。 

对上述第一个技术方案的进一步限定在于，该碳纤维编织层是用若干根第一碳纤维在传感光纤的外部进行编织而形成的。 

对上述第一个技术方案的进一步限定在于，该环氧树脂复合碳纤维层是用若干根第二碳纤维在该碳纤维编织层的外部形成的。 

对上述第一个技术方案的进一步限定在于，该环氧树脂复合玄武岩纤维层是用若干根玄武岩纤维在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的。 

对上述第一个技术方案的进一步限定在于，该碳纤维编织层是用若干根第一碳纤维在传感光纤的外部进行编织而形成的，该环氧树脂复合碳纤维层是用若干根第二碳纤维在该碳纤维编织层的外部形成的，该环氧树脂复合玄武岩纤维层是用若干根玄武岩纤维在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的。 

为了解决上述技术问题，本发明所采用的第二个技术方案是：一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的制备方法，该制备方法包括如下步骤： 

步骤1：对第一碳纤维进行表面处理，然后用第一碳纤维对传感光纤进行编织，制备得到碳纤维编织传感光纤单元；

步骤2：对第二碳纤维和玄武岩纤维进行表面处理；

步骤3：同时将碳纤维编织传感光纤单元、所需量的第二碳纤维、所需量的玄武岩纤维引入环氧树脂浸渍区域中进行浸渍，然后经过拉挤工艺，在碳纤维编织传感光纤单元的外部依次形成环氧树脂复合碳纤维层、环氧树脂复合玄武岩纤维层，而环氧树脂形成在该碳纤维编织层、环氧树脂复合碳纤维层和环氧树脂复合玄武岩纤维层之间，从而得到该所述复合芯棒。

本发明获得的有益效果是：用碳纤维在传感光纤外部编织而形成均匀的碳纤维编织层，具有以下三方面优势： 

1、增加传感器结构（实质上就是碳纤维编织传感光纤单元）的均匀性和稳定性；

2、提高检测的精度和灵敏度；

3、减小内部弯曲带来的测试误差。 

附图说明

图1为本发明智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的横截面图。 

图2为本发明碳纤维编织传感光纤单元的横截面图。 

图3为本发明碳纤维编织传感光纤单元的结构图。 

图4为碳纤维编织传感光纤单元受到本发明复合芯棒应力影响的示意图。 

图5为碳纤维编织传感光纤单元弯曲情况的示意图。 

图6是本发明智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的制备方法流程图。 

  

具体实施方式

请参阅图1至图6，本发明提出一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其包括一碳纤维编织传感光纤单元1、一在该碳纤维编织传感光纤单元1的外部形成的环氧树脂复合碳纤维层2、一在该环氧树脂复合碳纤维层2的外部形成的环氧树脂复合玄武岩纤维层3。 

该碳纤维编织传感光纤单元1包括传感光纤12以及碳纤维编织层14。 

该碳纤维编织层14是用若干根第一碳纤维142在传感光纤12的外部进行编织而形成的。 

该环氧树脂复合碳纤维层2是用若干根第二碳纤维22在该碳纤维编织层14的外部形成的。 

该环氧树脂复合玄武岩纤维层3是用若干根玄武岩纤维32在该环氧树脂复合碳纤维层2的外部形成的。 

在该碳纤维编织层14的周围、若干根第二碳纤维22的周围、若干根玄武岩纤维32的周围浸渍环氧树脂（图未示）之后，形成环氧树脂复合碳纤维层2和环氧树脂复合玄武岩纤维层3。 

环氧树脂通过均匀浸渍而形成在该碳纤维编织层14、环氧树脂复合碳纤维层2和环氧树脂复合玄武岩纤维层3之间。所述环氧树脂复合玄武岩纤维层3，起到绝缘材料性能，以避免电力传输过程中，碳纤维本身的导电性引起的电力消耗。 

本发明智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的制备方法，包括以下步骤： 

步骤1：对第一碳纤维142进行表面处理，然后用第一碳纤维142对传感光纤12进行编织，制备得到碳纤维编织传感光纤单元1；

步骤2：对第二碳纤维22和玄武岩纤维32进行表面处理；

步骤3：同时将碳纤维编织传感光纤单元1、所需量的第二碳纤维22、所需量的玄武岩纤维32引入环氧树脂浸渍区域中进行浸渍，然后经过拉挤工艺，在碳纤维编织传感光纤单元1的外部依次形成环氧树脂复合碳纤维层2、环氧树脂复合玄武岩纤维层3，而环氧树脂形成在该碳纤维编织层14、环氧树脂复合碳纤维层2和环氧树脂复合玄武岩纤维层3之间，从而得到该所述复合芯棒。

进行纤维复合时，按照通常的拉挤法即可，可以对各类材料进行改性处理，以增强芯棒的性能。 

图6是本发明智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的制备方法流程图。 

首先选择合适的耐高温单模光纤，其各种性能请参见表1“一种耐高温光纤性能指标一览表”。 

表2表示的是碳纤维编织参数。按照参数对传感光纤12进行编织；编织机应选择小型适合于极细线编织的机器。半卧式编织机合适本发明的编织工序。 

在编织工序中，碳纤维编织张力的大小及均匀性有着重要的作用，直接影响到整体芯棒的性能，即光纤传感器（实质上就是碳纤维编织传感光纤单元1）的植入对应力应变和温度检测的影响。选择合适的传感光纤放纤张力，达到碳纤维编织与光纤应力的匹配。在本发明中，碳纤维选用T700型号产品。 

对传感光纤12编织的第一碳纤维142应事先进行表面处理，以达到优化的复合界面性能，同时减少后期处理对传感光纤12的影响。因传感光纤12本身涂覆层已经是环氧树脂类材料，其与后期环氧树脂的复合具有很好的相容性。 

其余工艺流程部分按照常规的纤维复合拉挤工艺进行。 

编织后，芯棒进入除湿区域，以去除水分对复合性能的影响。 

在浸渍之前，应对第二碳纤维22、玄武岩纤维32进行表面预处理，以达到良好的界面性能。 

芯棒经过浸渍区域，进入预成型及其后的固化区域，然后经过引取和收线轴，最终完成本发明复合芯棒的制造。 

图3是碳纤维编织传感光纤单元1的结构图。碳纤维的线膨胀系数具有负的温度效应，即随温度的升高，碳纤维有收缩的趋势。碳纤维的线膨胀系数沿纤维轴向约为：-0.072×10^-8/℃～0.9×10^-6/℃；包括环氧涂层的光纤的线膨胀系数为1.8×10^-6/℃；而基体树脂即环氧树脂的线膨胀系数约为：45×10^-6/℃，当基体树脂与碳纤维复合时，综合线膨胀系数为1.7×10^-6/℃。 

这样采用碳纤维、环氧树脂、带有涂层的光纤三相复合结构，能够确保光纤与碳纤维之间在温度变化时有近似相同的伸长或者缩短，不会对光纤产生不良的附加影响。另外，光纤的杨氏模量为72GPa，碳纤维复合环氧树脂材料杨氏模量为120GPa，当复合芯棒受到线性拉应力的影响时，光纤受到碳纤维很强的保护作用，不会对光纤产生不利的附加影响。 

本发明中，用第一碳纤维142在传感光纤12外部编织而形成均匀的碳纤维编织层14，具有以下三方面优势： 

1、增加传感器结构（实质上就是碳纤维编织传感光纤单元1）的均匀性和稳定性：

用第一碳纤维142编织可以产生良好均匀的包覆传感光纤12的碳纤维编织层14，这样均匀的构造，在芯棒应用上，当发生应力变化及温度变化时，也确保了在芯棒长度方向上，这种变化的均匀及可靠。而纵向碳纤维的纵向排列结构这种均匀性不如编织结构。

2、提高检测的精度和灵敏度： 

如图4所示的碳纤维编织传感光纤单元1受到本发明复合芯棒应力影响的示意图，碳纤维轴向应力X，芯棒的纵向应力Y，径向应力Z。一般芯棒受应力影响时，倾斜的碳纤维在碳纤维轴向上，受到拉力的影响，同时在传感光纤径向上产生应力；因编织结构的对称性，造成编织的碳纤维向传感光纤12的中心靠拢，加强了复合芯棒应力传递给光纤传感器（实质上就是碳纤维编织光纤单元1）的能力，这样具有较高和可靠的拉应力检测精度及灵敏度。而纵向碳纤维纵向排列结构则没有这个特点。

3、减内部小弯曲带来的测试误差： 

如图5所示的碳纤维编织传感光纤单元1弯曲情况的示意图。当复合芯棒受到弯曲作用时，编织的碳纤维编织层14因为呈螺旋状，其上部螺旋将被拉宽，下部螺旋将被缩窄，但是碳纤维本身变形很小，其内部的传感光纤12受到弯曲的影响较小，这样测试光纤传感数据精度高，能够准确反应外界因素的影响；和纵向碳纤维纵向排列相比，这种情况碳纤维本身被拉伸和被缩短较大，内部的传感光纤12受到光纤外部的碳纤维编织层14因弯曲而带来的影响较大。

表1 一种耐高温光纤性能指标一览表 

                                                    

表2 碳纤维编织参数

表3是“一个实施例智能架空导线检测特性参数表”，显示优良的数据精度和灵敏度。

Claims (6)

1.一种智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其特征在于，其包括一碳纤维编织传感光纤单元、一在该碳纤维编织传感光纤单元的外部形成的环氧树脂复合碳纤维层、一在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的环氧树脂复合玄武岩纤维层；该碳纤维编织传感光纤单元包括传感光纤以及形成在该传感光纤的外部的碳纤维编织层；该环氧树脂复合碳纤维层、该环氧树脂复合玄武岩纤维层是在环氧树脂中均匀浸渍复合而成的，环氧树脂形成在该碳纤维编织层、环氧树脂复合碳纤维层和环氧树脂复合玄武岩纤维层之间。

2.根据权利要求1所述的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其特征在于，该碳纤维编织层是用若干根第一碳纤维在传感光纤的外部进行编织而形成的。

3.根据权利要求1所述的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其特征在于，该环氧树脂复合碳纤维层是用若干根第二碳纤维在该碳纤维编织层的外部形成的。

4.根据权利要求1所述的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其特征在于，该环氧树脂复合玄武岩纤维层是用若干根玄武岩纤维在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的。

5.根据权利要求1所述的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒，其特征在于，该碳纤维编织层是用若干根第一碳纤维在传感光纤的外部进行编织而形成的，该环氧树脂复合碳纤维层是用若干根第二碳纤维在该碳纤维编织层的外部形成的，该环氧树脂复合玄武岩纤维层是用若干根玄武岩纤维在该环氧树脂复合碳纤维层的外部形成的。

6.一种制备权利要求5所述的智能架空电力传输导线用纤维复合芯棒的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：

步骤1：对第一碳纤维进行表面处理，然后用第一碳纤维对传感光纤进行编织，制备得到碳纤维编织传感光纤单元；

步骤2：对第二碳纤维和玄武岩纤维进行表面处理；

步骤3：同时将碳纤维编织传感光纤单元、所需量的第二碳纤维、所需量的玄武岩纤维引入环氧树脂浸渍区域中进行浸渍，然后经过拉挤工艺，在碳纤维编织传感光纤单元的外部依次形成环氧树脂复合碳纤维层、环氧树脂复合玄武岩纤维层，而环氧树脂形成在该碳纤维编织层、环氧树脂复合碳纤维层和环氧树脂复合玄武岩纤维层之间，从而得到该所述复合芯棒。

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