CN104425079A - 碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆，包括电缆内芯和包在电缆内芯外的电缆外层，所述电缆内芯包括三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线；所述电缆外层由内向外依次为隔离层、屏蔽层和外护套；所述电缆内芯与电缆外层之间设有填充料，在所述填充料中设置有一根光单元，所述的光单元包括多根光纤，至少一根光纤为刻写有测温光栅的光栅光纤；在所述填充料中还设置一根碳纤维增强芯，所述碳纤维增强芯包括碳纤维丝和陶瓷纤维丝。本发明的有益效果是：铝合金导体具有机械强度高、耐腐蚀性和紧密性好的优点，同时又可替代铜电缆，节约资源；采用了碳纤维增强芯，极大地增强了电缆抗拉强度；不光能够通信，还能实时监测电缆温度。

Description

碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆

技术领域

 本发明属于电缆领域，具体是一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆。

背景技术

变频调速技术因其显著的节能（25-33%）效果、调速范围宽、具有恒功率、恒转速特性、功率大、可靠性高、维护简单、体积小、重量轻、占地面积小、设备投资低，制造容易、可实现高自动化控制等优异特性，而具有广阔的市场推广应用前景，变频电缆作为变频调速重要组成部分，已得到了大范围的推广使用。但是这类电缆由于采用传统的铜质导体结构，不但制造工序复杂，而且导体绞合紧压系数低，导体单线间存有较大缝隙，不但易遇水渗透，致导体氧化，增大导体直流电阻，影响电缆的载流性能。更重要的是，铜导体造价昂贵（当前铜价高达近6万元/吨的高位），而作为电缆导体的另一种主材，铝却相对低廉（期货价仅为1.6万元/吨左右）。 

能否用铝代铜，一直是困扰业内的世纪难题，就其原因为：虽然铝是仅次于铜的优良导体（铜的电阻率：0.017241Ω·mm2/m,铝的电阻率：0.028264Ω·mm2/m），但由于铝存在氧化、组织成份不紧密、易蠕变等缺点，在用铝替代铜做电缆时，往往会出现接头氧化和松动，造成在输送电能时往往出现发热而产生故障点，考虑到变频调速系统的长期安全可靠性，故这类电缆以往一直都采用铜质导体，随着现代合金材料技术的快速发展，导体用铝合金代铜，技术已成熟，已是当前的变频电力电缆技术发展所趋。就其原因如下：铝合金导体与铜铝导体相比，不但提高了导体的机械强度（铝合金拉力是铝的1.3倍）、耐腐蚀性（铝合金的抗腐蚀性能大大优于铜铝）和紧密性（铝合金抗蠕变性能在铝基础上提高300%，彻底避免了由于冷流或蠕变引起的电缆接头松弛问题），而且具有很好的柔韧性（铝合金比铜柔韧性高30%，反弹性比铜低40%。一般铜缆的弯曲半径为10～20倍外径，而铝合金电缆弯曲半径仅为7倍外径，更容易进行端子连接），在具备铜导体相同性能的情况下，铝合金电缆成本降低了40%左右，电缆重量要比铜导体电缆轻一倍以上，并降低20%左右安装敷设费用。

铜质导体的变频电缆的经济性和适用性，已越来越不适用时代要求，需作进一步的改进。

此外，智能电网作为未来电网，是实现安全可靠、经济高效、绿色环保的新兴产业，国内外正加快速度发展，目前我国智能电网建设已全面启动。随着智能电网建设的快速发展，对应用于智能电网的电缆，在传输电能的同时又能传输信号，不仅要考虑电性能和安全性能，同时还要考虑绿色环保、节能、经济性等因素，带光纤的复合电缆将成为建筑用电缆的发展方向。

此外，现有的电缆抗拉强度还不够，对冰冻雨雪等自然灾害承受力低；现有光电复合电缆，具有光纤通信功能和电力传输功能，可以实现各种控制信号、网络信号以及电力的传输，适应电信网、广电网、互联网、电力网多网融合的使用需要。但是，这种光电复合电缆在运行中温升情况无法监测，容易发生因电力导线负载增加引起升温导致整个电缆损坏的现象。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆，其特征在于，包括电缆内芯和包在电缆内芯外的电缆外层，所述电缆内芯包括三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线，所述三相主线铝合金绝缘线呈120°相位角圆周分布，所述铝合金接地线均分成三等份，并呈120°相位角与三相主线铝合金绝缘线同圆心圆周分布于三相主线铝合金绝缘线周围；所述电缆外层由内向外依次为隔离层、屏蔽层和外护套；所述电缆内芯与电缆外层之间设有填充料，在所述填充料中设置有一根光单元；所述的光单元包括多根光纤和从内到外依次设置的松套管、非金属加强层和护套，所述的松套管套在所述的光纤外，所述的松套管内填充满干式阻水物，所述的非金属加强层内设置有多根均匀分布的阻水纱，所述的非金属加强层与所述的护套之间嵌有撕裂绳；至少一根光纤为刻写有测温光栅的光栅光纤，光栅光纤上每间隔预定的距离形成一个光栅测温点，预定的距离为300-500米；在所述填充料中还设置一根碳纤维增强芯，所述碳纤维增强芯由碳纤维丝和陶瓷纤维丝组成。 

所述三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线的铝合金导体均是由若干单元梯形块铝合金导体拼绞而成圆形导体，单元梯形块铝合金导体之间采用无缝拼接。 

所述三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线的铝合金导体均是由若干单元扇形块铝合金导体拼绞而成圆形导体，单元扇形块铝合金导体之间采用无缝拼接。 

所述屏蔽层采用铝合金带螺旋卷绕、环环相扣的自锁结构。

本发明的有益效果是：

本发明与铜质导体变频电缆相比，降低40%的成本，产品经济性高。

本发明有良好的机械保护作用，能承受相当的外部压力、拉力和碰撞、埋地敷设无需穿管，可以直接埋入地下。本发明有很好的防尘、防腐和防止潮气入侵电缆的功能。本发明不仅电场分布均匀，而且变频电缆的电容电流和屏蔽层的感应电压降至最低，电能传输中的损耗降至最低，使电缆的载流量和安全操作都得到有效的保障。 

采用了陶瓷纤维和碳纤维复合结构，不仅具有碳纤维材料的优点，而且强度更大，极大地增强了电缆抗拉强度。

实际生产中如使用本发明的电缆，既可以正常输送电能，又能进行通讯，还能自身进行温度测量。这样就节省了为了电力通讯而增加的ADSL、OPGW等设备，也能减少因为OPGW引起的雷击等事故威胁。另外还能节省目前工作中采取的使用很高成本的GPS导线测温设备，节省巨大的成本。在将本发明的电缆作为传输电力的线路时，工作人员可以根据所述导线测量到线路温度来直接确定线路的实际承载状况。 

本发明对加强导线在线监测、掌握温度变化、提高导线传输容量、降低线损、提高电网运行安全、增加通信备份、解决全方位通信方案等等方面都显示出具大的经济效益和社会效益，尤其在当下国家全力建设环保型、经济型社会的主潮流中更加显示出强大的现实意义。

附图说明

图1为本发明的横截面示意图；

图2为本发明中光单元的横截面示意图。

图3为本发明铝合金导体截面示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆，包括电缆内芯和包在电缆内芯外的电缆外层，所述电缆内芯包括三相主线铝合金绝缘线1和铝合金接地线2，所述三相主线铝合金绝缘线呈120°相位角圆周分布，所述铝合金接地线均分成三等份，并呈120°相位角与三相主线铝合金绝缘线同圆心圆周分布于三相主线铝合金绝缘线周围；所述电缆外层由内向外依次为隔离层3、屏蔽层7和外护套6；所述电缆内芯与电缆外层之间设有填充料4，在所述填充料中设置有一根光单元5。

在本实施例中，三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线均是采用铝合金材料制作导体，采用铝合金材料制作导体不但提高了导体的机械强度（铝合金拉力是铝的1.3倍）、耐腐蚀性（铝合金的抗腐蚀性能大大优于铜铝）和紧密性（铝合金抗蠕变性能在铝基础上提高300%，彻底避免了由于冷流或蠕变引起的电缆接头松弛问题），而且具有很好的柔韧性（铝合金比铜柔韧性高30%，反弹性比铜低40%。一般铜缆的弯曲半径为10～20倍外径，而铝合金电缆弯曲半径仅为7倍外径，更容易进行端子连接），在具备铜导体相同性能的情况下，铝合金电缆成本降低了40%左右，电缆重量要比铜导体电缆轻一倍以上，并降低20%左右安装敷设费用。在本实施例中，如图2所示，三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线的铝合金导体均是由若干单元扇形块铝合金导体拼绞而成圆形导体，单元扇形块铝合金导体之间采用无缝拼接，铝合金导体外表面形成一光滑的圆柱体，机械性能得到了大幅提高、耐腐蚀性能也得到了增强，抗蠕变性能更是得到了有效的提升，具有广泛的适用性。当然，三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线的铝合金导体也可以由若干单元梯形块铝合金导体拼绞而成圆形导体，单元梯形块铝合金导体之间采用无缝拼接。屏蔽层采用铝合金带螺旋卷绕、环环相扣的自锁结构，其铝合金带横截面呈“∽”形。这种结构提供了良好的机械保护作用和优异的弯曲及耐拖拽移动使用性能，能有效抑制高次谐波的辐射和传动，减少了电机及各传动部位的轴承电流，从而提高了电机及设备的使用寿命。

在所述填充料4中还设置一根碳纤维增强芯8，所述碳纤维增强芯包括碳纤维丝和陶瓷纤维丝；通过将成股的碳纤维丝和陶瓷纤维丝绞合后，采用树脂浸渍，而后采用烘箱固化而成。在本实施例中，所述碳纤维丝为一根，所述陶瓷纤维丝为六根。

如图2所示，所述的光单元5包括多根光纤51和从内到外依次设置的松套管52、非金属加强层53和护套54，松套管52套在光纤51外，松套管52内填充满干式阻水物55，非金属加强层53内设置有多根均匀分布的阻水纱56，非金属加强层53与护套54之间嵌有撕裂绳57；至少一根光纤为刻写有测温光栅的光栅光纤，光栅光纤上每间隔预定的距离形成一个光栅测温点，预定的距离为300-500米。

本发明采用直接在光纤上制作刻录光栅的方法进行测温导体制造。用光纤刻录成的光栅光纤是利用光纤材料的光敏性，通过特殊的加工方式，使纤芯内形成空间相位光栅，局部形成一个窄带的反射镜面，对特定波长的光形成反射。当光纤的温度发生变化时，光栅的周围会随着光纤的热胀冷缩发生变化，该变化会改变反射波长，通过测量反射光的波长变化，便可测量出光栅所处位置的光纤感应温度。同样，通过测量反射光的延迟，可得知光栅的位置。这就是利用光栅光纤测温的原理。 

直接刻光栅的方式不产生附加损耗，不会影响测量距离，这种制作方式要好于熔接的制作方式。通过光纤刻录成的光栅光纤测温方式由于是特制有针对性的光纤，反射信号强，因此对设备的发射功率和接收灵敏度要求都低于拉曼反射测温方式，且设备的稳定性好。同时带来的好处是测量距离远，测量距离可以在100km以上，测量精度在±2℃以内。 

这些光纤中的至少一根光纤上进行刻写光栅，在设定的位置进行刻写光栅，通过发射光信号测量不同位置光栅的感应温度。这就是实现了利用光栅光纤测温。本发明不需要测量整条线路的连续温度分布，可以选用每300～500米一个测量点，或在弧垂最低点加大分布光栅点，选用光栅光纤的测温方式监控线路温度变化，可随时通过掌握的温度调整输传容量。优选地，可选择300米、400米、500米作为相邻测温点的间隔距离。

根据本发明的一个具体实施例，光单元内部穿有24根光纤，在这24根光纤中的8根光纤上进行刻写光栅。在这8根光纤中的每根上都刻录15个光栅，即每根上共15个测温点。在该实施例中，使用 24根光纤中的16根光纤进行通讯，利用24根光纤中的8根刻录有光栅的光纤进行测温。实践证明，该方法能够达到较好的效果。 

实际生产中如使用本发明的电缆，既可以正常输送电能，又能进行通讯，还能自身进行温度测量。这样就节省了为了电力通讯而增加的ADSL、OPGW等设备，也能减少因为OPGW引起的雷击等事故威胁。另外还能节省目前工作中采取的使用很高成本的GPS导线测温设备，节省巨大的成本。在将本发明的电缆作为传输电力的线路时，工作人员可以根据测量到的线路温度来直接确定线路的实际承载状况。

Claims (1)

1. 一种碳纤维增强型铝合金导体自测温变频电缆，其特征在于，包括电缆内芯和包在电缆内芯外的电缆外层，所述电缆内芯包括三相主线铝合金绝缘线和铝合金接地线，所述三相主线铝合金绝缘线呈120°相位角圆周分布，所述铝合金接地线均分成三等份，并呈120°相位角与三相主线铝合金绝缘线同圆心圆周分布于三相主线铝合金绝缘线周围；所述电缆外层由内向外依次为隔离层、屏蔽层和外护套；所述电缆内芯与电缆外层之间设有填充料，在所述填充料中设置有一根光单元；所述的光单元包括多根光纤和从内到外依次设置的松套管、非金属加强层和护套，所述的松套管套在所述的光纤外，所述的松套管内填充满干式阻水物，所述的非金属加强层内设置有多根均匀分布的阻水纱，所述的非金属加强层与所述的护套之间嵌有撕裂绳；至少一根光纤为刻写有测温光栅的光栅光纤，光栅光纤上每间隔预定的距离形成一个光栅测温点，预定的距离为300-500米；在所述填充料中还设置一根碳纤维增强芯，所述碳纤维增强芯由碳纤维丝和陶瓷纤维丝组成。