CN103426558A - 一种输电线路碳纤维复合芯 - Google Patents

Abstract

一种输电线路碳纤维复合芯，包括内芯，外芯，外芯包覆在内芯周围，其中，内芯为由聚丙烯腈纤维碳化后制得的碳纤维，外芯为高强度玻璃纤维或玄武纤维；内芯和外芯由固化树脂加热固定成型，所述固化树脂为采用添加改性酸酐化合物制成耐高温特种拉挤环氧树脂。所述碳纤维内芯为直排式，所述高强度玻璃纤维或玄武纤维为增捻集束式。使用本发明提供的碳纤维复合芯生产的复合导线强度比现有同类型导线高2倍，导电率更高且无磁损和热损，能节能6%以上，同时由于使导线的重量减轻了10～20%，因此弧垂更低，本发明的复合芯还具有耐腐蚀，使用寿命长的优点。

Description

一种输电线路碳纤维复合芯

技术领域

本发明涉及一种输电线路中承担两个铁塔之间电缆重量的芯线，特别涉及一种复合材料芯线，具体地说是一种输电线路碳纤维复合芯。

背景技术

自从1800年开始，架空输电用导线很少有大的革新，其中以钢芯铝导线使用量最大，作为承担架空输电电缆重量的钢绞线，这种钢绞线不仅本身重量大，而且易因磁损和热效应造成输出线路的线损，此外钢绞线的抗拉强度不高，不能够承重冰雪的重量，在恶劣天气下易造成铁塔倒塌。随着电力行业的发展，对输电导线的要求越来越高，逐渐开发了一种新型复合材料合成导线，即碳纤维芯铝绞线。这种新型导线与常规导线相比，具有重量轻、线膨胀系数小、弧度特性良好等优点。但现有碳纤维电缆芯易松散不利于二次加捻及固化，同时耐疲劳性能差，易产生某处缺陷而导致导线断裂。

发明内容

本发明的目的是针对目前电力输送线路急需碳纤维复合芯的问题，提供一种用于输电线路线缆的碳纤维复合芯。

本发明采用如下技术方案：

一种输电线路碳纤维复合芯，包括内芯，外芯，所述外芯包覆在所述内芯周围，其中，所述内芯为由聚丙烯腈碳化后制得的碳纤维，所述外芯为高强度玻璃纤维或玄武纤维；

所述内芯和外芯由固化树脂加热固定成型，所述固化树脂为采用添加改性酸酐化合物制成耐高温特种拉挤环氧树脂。

进一步地，在上述输电线路碳纤维复合芯中，所述碳纤维内芯为直排式，所述高强度玻璃纤维或玄武纤维为增捻集束式。

进一步地，在上述输电线路碳纤维复合芯中，所述内芯的碳纤维K数在2-60之间。

进一步地，在上述输电线路碳纤维复合芯中，碳纤维浸润涂胶后采用两段式加热方式进行预固化。

进一步地，在上述输电线路碳纤维复合芯中，高强度玻璃纤维或玄武纤维包覆碳纤维后，采用三段式加热方式进行固化。

进一步地，在上述输电线路碳纤维复合芯中，所述碳纤维复合芯抗拉强度大于2500MPa，剪切强度大于70Mpa，最小弯曲直径小于芯杆直径的55倍，断裂伸长率大于1.2%。

本发明的有益效果：

使用本发明提供的碳纤维复合芯生产的复合导线强度比现有同类型导线高2倍，导电率更高且无磁损和热损，能节能6%以上，同时由于使导线的重量减轻了10～20%，因此弧垂更低，可降低弧垂2倍以上，本发明的复合芯还具有耐腐蚀，使用寿命长的优点，它的寿命是常规导线的2倍，还能节约铝材50%以上，可减少投资一半以上。生产本发明提供的碳纤维复合芯所使用的设备配置合理、控制系统先进、结构简单、制造安装、调试、维护方便。尤其是其中的两次固化加热经过反复试验摸索出了分别采用两段式加热和三段式加热的加热方式，充分发挥了加热在复合材料制造中的重要作用，对保证产品质量至关重要。

附图说明

图1是制造碳纤维复合芯的设备组成结构示意图；

图2是制造碳纤维复合芯的工艺流程图；

图3为本发明一实施例提供的输电线路碳纤维复合芯横截面图；

图4为本发明另一实施例提供的输电线路碳纤维复合芯横截面图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合实施例及附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一实施例所提供的输电线路碳纤维复合芯横截面如图3所示，其中，该输电线路碳纤维复合芯，包括内芯1，外芯2，外芯2包覆在内芯1周围，其中，内芯为由聚丙烯腈纤维碳化后制得的碳纤维，外芯为高强度玻璃纤维或玄武纤维；内芯和外芯由固化树脂3加热固定成型，所述固化树脂为采用添加改性酸酐化合物制成耐高温特种拉挤环氧树脂。图3中内芯1和外芯2之间的空白位置完全由固化树脂3填满。

本发明另一实施例所提供的输电线路碳纤维复合芯横截面如图4所示，包括内芯1，该内芯为直排式碳纤维，外芯2，该外芯为高强度玻璃纤维（或玄武纤维），内芯1和外芯2由固化树脂3加热固定成型，所述固化树脂为采用添加改性酸酐化合物制成耐高温特种拉挤环氧树脂。内芯1和外芯2之间的空白位置完全由固化树脂3填满。

在上述实施例中，高强度玻璃纤维（或玄武纤维）可以采用增捻集束式，也可以采用其他形式，复合芯的截面可以是圆形，也可以是任何其他输电线缆可采用取的形状。

在上述实施例中，所述内芯的碳纤维K数在2-60之间。所述碳纤维复合芯抗拉强度大于2500MPa，剪切强度大于70Mpa，最小弯曲直径小于55D（D为芯杆直径），断裂伸长率大于1.2%。

制造本发明上述实施例所提供的输电线路碳纤维复合芯的制造设备的组成结构如图1所示。其中，所述设备主要由纱架1、集纱器2、去湿器3、碳纤维、高强玻璃纤维浸渍器4，4’、前模导纱器5、前模6、前模加热器7、分纱器8、导纱器9、加热器10、后模11、后固化加热器12、风冷冷却装置13、直径检测器14、牵引机15及双盘收线装置16组成，集纱器2安装在纱架1的出纱端，去湿器3安装在集纱器2和碳纤维、高强玻璃纤维浸渍器4，4’之间，前模导纱器5、前模6依次安装在碳纤维浸渍器4和后模分纱器8之间，前模加热器7套装在前模6上，浸渍器4’安装在分纱器8和去湿器3之间，导纱器9与分纱器8相连，加热器10的后模11安装在导纱器9的出纱口一侧，后模11的出口处安装有后固化加热器12的出口端，牵引机15则安装在双盘收线装置16和风冷冷却装置13之间。直径检测器1（型号可为CFBLS上海仪川仪表厂）位于牵引机15和风冷冷却装置13之间，并连接有报警器19，图1中20为整个生产线的控制系统，它可采用现有技术加以实现。

具体实施时纱架1可采用带张力显示纱架（型号可为：CFBLS，上海仪川仪表厂），集纱器2可采用带断头控制器的集纱器（型号渴望：SV，宜兴市立成纯水设备有限公司）。为了保证固化效果，具体实施时前模加热器7可由两段组成，两段之间间隔距离为20～40厘米，两段的加热温度分别为35℃～45℃及70℃～90℃。同样地加热器10可由三段组成，段与段之间的间隔距离为20～40厘米，其中靠近导纱器9的一段的加热温度为95℃～110℃，中间段的加热温度为165℃～175℃，第三段的加热温度为155℃～165℃。开机前应先通过人工将碳纤维17和高强玻璃纤维（或玄武纤维）从纱架上拉出穿过各相应的装置后置于牵引机15上固定后才能开机。以下的工作过程是假定整个生产线进入运行状态后的过程。

安装在纱架1上的碳纤维17和高强玻璃纤维（也可采用玄武纤维）18的引出端首先经集纱器2集束，然后进入去湿器3中去湿后分别进入对于的浸渍器4，4’中浸胶，浸胶后的碳纤维17进入前模导纱器5中去除多余的胶后进入前模6中挤压成型，并同时在前模加热器7的加热线形成半固化芯线，然后与经过浸胶的高强玻璃纤维（或玄武纤维）18一起进入分纱器8中，在分纱器8的作用下使高强玻璃纤维（或玄武纤维）18包覆在半固化的芯线表面，然后两者一起进入导纱器9中去除多余的胶后进入装有三个加热器10的后模11中加热固化定型，得到内芯为碳纤维17、表面覆盖有高强玻璃纤维（玄武纤维）18、固化率为85%以上的芯线，芯线进入后续的后固化加热器12在180-190℃进一步固化定型，然后进入风冷冷却装置13进行冷却后进入直径检测器对其直径进行检测，如果直径过大或过小则应通过控制系统调整浸渍器4,4’中的胶量或通过调整低收缩剂量的方法，已固化成型的复合芯最终在牵引机15的牵引下进入双盘收线装置16收线形成便于运输的盘状芯线圈。

制造本发明提供的输电线路碳纤维复合芯的制造工艺包括如下步骤：

步骤1：预处理：调整碳纤维和高强度玻璃纤维或玄武纤维的张力和直线度，使碳纤维和高强度玻璃纤维或玄武纤维的张力分别一致并符合工艺要求，具有好的直线度；

步骤2：去湿：将碳纤维和高强度玻璃纤维或玄武纤维从纱架上匀速牵出，使其经过集纱器进入去湿器中除去水分，并控制纤维含水率不大于3%，提高制品力学强度；

步骤3：浸润涂胶：将去湿后的碳纤维以直排式送入碳纤维浸渍器中浸润涂胶，浸润涂胶的移动速度控制在400～600mm/min之间；将去湿后的高强度玻璃纤维或玄武纤维以增捻集束式送入高强玻璃纤维浸渍器中浸润涂胶，浸润涂胶的移动速度控制在400～600mm/min之间；使用的环氧树脂为采用添加改性酸酐化合物制成的耐高温特种拉挤环氧树脂；

步骤4：预固化：使经过浸润涂有胶的碳纤维经过前模导纱器去除多余胶水后进入前模中进行预固化，控制前模的加热温度，形成两段加热，其中靠近前模导纱器的一段的加热温度为35℃-45℃，另一段的加热温度为70℃～90℃，同时使两个加热段之间保持20-40cm的间隔，得到预固化的碳纤维芯；

步骤5：分纱包覆：使经过预固化的碳纤维与经过浸润涂胶的高强度玻璃纤维或玄武纤维一起进入前模分纱器中，通过前模分纱器的作用使高强度玻璃纤维或玄武纤维按一定规则包覆在预固化的碳纤维芯上；

步骤6：固化：使包覆有高强度玻璃纤维或玄武纤维的预固化的碳纤维芯进入后模导纱器中去除高强度玻璃纤维或玄武纤维上多余的胶水后送入后模中进行加热固化，控制加热温度，使后模形成三个加热区，三个加热区的加热温度依次为95℃-110℃、165℃-175℃和155℃-175℃，三个加热区之间间隔20-40cm，得到半固化复合芯，通过调整三个加热区的温度控制半固化复合芯的出模硬度不小于设计硬度的85%；

步骤7：后固化：将上述半固化的复合芯送入后固化加热器进行固化处理，控制后固化温度不小于180℃，后固化时间不小于3分钟；

步骤8：冷却：将从后固化加热器中牵引出的复合芯冷却，

经上述工艺制得的复合芯抗拉强度大于2500MPa，剪切强度大于70Mpa，最小弯曲直径小于芯杆直径的55倍，断裂伸长率大于1.2%，能满足目前输电线路所使用的电缆芯材的要求。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，包括内芯，外芯，所述外芯包覆在所述内芯周围，其中，所述内芯为由聚丙烯腈碳化后制得的碳纤维，所述外芯为高强度玻璃纤维或玄武纤维；

所述内芯和外芯由固化树脂加热固定成型，所述固化树脂为采用添加改性酸酐化合物制成耐高温特种拉挤环氧树脂。

2.根据权利要求1所述的输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，所述碳纤维内芯为直排式，所述高强度玻璃纤维或玄武纤维为增捻集束式。

3.根据权利要求1所述的输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，所述内芯的碳纤维K数在2-60之间。

4.根据权利要求1所述的输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，碳纤维浸润涂胶后采用两段式加热方式进行预固化。

5.根据权利要求1所述的输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，高强度玻璃纤维或玄武纤维包覆碳纤维后，采用三段式加热方式进行固化。

6.根据权利要求1所述的输电线路碳纤维复合芯，其特征在于，所述碳纤维复合芯抗拉强度大于2500MPa，剪切强度大于70Mpa，最小弯曲直径小于芯杆直径的55倍，断裂伸长率大于1.2%。

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