CN104599743A - 石墨复合架空地线及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种石墨复合架空地线及其制备方法，包括由第一复合石墨线构成的内芯、由第二复合石墨线绕内芯外侧纵向排列构成的次外层和由金属纤维绕次外层编织获得的最外层，次外层完全包裹内芯，最外层完全包裹最外层；其中，第一复合石墨线由复合石墨带捻合获得，第二石墨线由复合石墨带绕金属纤维捻合获得，复合石墨带包括两层蠕虫石墨层和敷设于两层石墨层间的骨架纤维、碳纤维，骨架纤维和碳纤维包覆有粘合剂层。本发明具有重量轻、低电阻、低感抗、低集肤效应的优点，与避雷器配合可扩大架空地线的防雷保护范围；而且工艺简单，成本低，工程应用效果显著。

Description

石墨复合架空地线及其制备方法

技术领域

本发明涉及电力防雷接地技术领域，尤其涉及一种石墨复合架空地线及其制备方法。

背景技术

电力接地系统是保证电力设备安全可靠运行、保障电力运行人员人身安全的重要电力设施。保护架空输电线路免遭雷闪袭击的装置，又称避雷线，简称地线。输电线路跨越广阔的地域，在雷雨季节容易遭受雷击而引起送电中断，成为电力系统中发生停电事故的主要原因之一。高压及超高压变电所占地面积广，要求防直击雷的区域大，安装避雷针会有困难，因而有时也在导线上方架设架空地线。当出现雷云对地面放电时，雷闪通道容易首先击中架空地线，使雷电流进入大地，以保护导线正常送电。同时，架空地线还有电磁屏蔽作用，当线路附近雷云对地面放电时，可以降低在导线上引起的雷电感应过电压。架空地线必须与杆塔接地装置牢固相连，以保证遭受雷击后能将雷电流可靠地导入大地，并且避免雷击点电位突然升高而造成反击。因此，安装架空地线可以减少雷害事故，提高线路运行的安全性。架空地线也是高压输电线路结构的重要组成部分。

架空地线由于不负担输送电流的功能，所以不要求具有与导线相同的导电率和导线截面，通常多采用钢绞线组成。线路正常送电时，架空地线中会受到三相电流的电磁感应而出现电流，因而增加线路功率损耗并且影响输电性能。此外，由于架空地线一般挂于铁塔最高处，截面过大重量增大会给铁塔带来较大的力学负荷，所以一般用作架空地线的铝包钢绞线或镀锌钢绞线截面相较电缆而言更小，电阻更大，但这限制了传统钢绞线架空地线的应用范围。

当电力系统发生雷击故障时，雷电流幅值多集中在10~200kA，根据实际采集到的雷电流波形可知，大部分雷电流幅值都超过20kA。当电力系统发生短路故障时，由于电流幅值高达几十千安且持续时间一般为微秒级。而架空地线多为钢绞线，其电阻、感抗相对较高，高频雷电流难以在短时间内向远处传播，极大限制了钢绞线架空地线及避雷器的保护范围，导致实际工程中一个避雷器只能有效保护一级杆塔。

发明内容

针对现有架空地线存在的问题，本发明提供了一种重量轻、电阻小、感抗小、低集肤效应的石墨复合架空地线及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种石墨复合架空地线，包括由第一复合石墨线构成的内芯、由第二复合石墨线绕内芯外侧纵向排列构成的次外层和由金属纤维绕次外层编织获得的最外层，次外层完全包裹内芯，最外层完全包裹最外层；其中，第一复合石墨线由复合石墨带捻合获得，第二石墨线由复合石墨带绕金属纤维捻合获得，复合石墨带包括两层蠕虫石墨层和敷设于两层石墨层间的骨架纤维、碳纤维，骨架纤维和碳纤维包覆有粘合剂层；骨架纤维为无机纤维，金属纤维为铜纤维或铝纤维，第二复合石墨线和最外层中的金属纤维相同或不相同。

位于两层蠕虫石墨层间的骨架纤维主要起“骨架”支撑作用，可以为玻璃纤维、硼纤维、凯芙拉纤维或陶瓷纤维，但不限于此。

铜纤维和铝纤维具有良好的导电性和不导磁性，可有效减少架空地线的电阻和高频电流下的感抗。

作为优选，第二复合石墨线中金属纤维直径为0.5mm~0.8mm。

作为优选，最外层中金属纤维直径为0.1mm~1mm。

上述石墨复合架空地线的制备方法，包括步骤：

步骤1，对蠕虫石墨进行辊压制成蠕虫石墨纸；

步骤2，将骨架纤维和碳纤维表面浸润粘合剂，并敷设于两层蠕虫石墨纸间，经热固、辊压得到复合石墨纸，裁切复合石墨纸得到复合石墨带；

步骤3，对复合石墨带进行捻合获得第一复合石墨线；

步骤4，将复合石墨带绕第一金属纤维捻合得到第二复合石墨线，第一金属纤维为铜纤维或铝纤维；

步骤5，以至少一根第一复合石墨线为内芯，采用第二复合石墨线纵向包裹内芯获得至少一层第二复合石墨线层，采用第二金属纤维绕第二复合石墨线层编织获得至少一层金属纤维编织层，第二金属纤维为铜纤维或铝纤维，与第一金属纤维相同或不相同。

作为优选，蠕虫石墨纸厚度为0.1~1mm。

作为优选，骨架纤维和碳纤维等间隔敷设于两层蠕虫石墨纸间。

作为优选，复合石墨带宽度为10~25mm。

本发明对架空地线进行绞线式设计，设计的石墨复合架空地线包括第一复合石墨线构成的内芯，第二复合石墨线构成的次外层和金属纤维构成的最外层；内芯主要负责架空地线的力学性能，次外层主要兼顾架空地线的导电性和力学性能，最外层主要负责架空地线的导电性。

铜纤维和铝纤维具有良好的导电性及不导磁性，可有效减小架空地线的电阻及高频电流下感抗；碳纤维具有良好的抗拉性能并且具有轻质的优点，石墨具有良好的导电性、吸热性和轻质的特点。本发明将金属纤维分布在架空地线的次外层及最外层，可最大限度减小高频电流通过情况下的集肤效应，有效利用了铜金属和铝金属良好的导电性能和碳纤维的抗拉性能。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：

现有架空地线大多为镀锌钢绞线或铝包钢绞线，由于重量大需要限制其尺寸，尺寸的限制导致电阻偏大。此外，钢材的高磁导率导致高频雷电流通过时存在较大感抗及集肤效应，严重阻碍雷电流的传播，导致架空地线及避雷器的防雷保护范围有限，并增大了设备和维护的成本。

本发明提供了一种重量轻、低电阻、低感抗、低集肤效应的石墨复合架空地线，可解决现有架空地线存在的上述问题，与避雷器配合可扩大其防雷保护范围；而且工艺简单，成本低，工程应用效果显著。

附图说明

图1为第一复合石墨线截面示意图；

图2为第二复合石墨线截面示意图；

图3为编织用的金属纤维截面示意图；

图4为本发明架空地线截面示意图。

图中，1-金属纤维，2-第二复合石墨线，3-第一复合石墨线。

具体实施例

具体实施中，本发明主要制备原料包括碳含量高于85%的高纯蠕虫石墨、金属纤维、碳纤维、骨架纤维和粘合剂，金属纤维为铜纤维或铝纤维，粘合剂可以为丙烯酸乙酯水溶性粘合剂或树脂类水溶性粘合剂，骨架纤维为无机纤维，可以采用玻璃纤维等。

对蠕虫石墨进行辊压制成表面光滑平整、厚度均匀的蠕虫石墨纸，蠕虫石墨纸厚度以0.1~1mm为宜，蠕虫石墨纸厚度过大，捻合时石墨带易发生断裂。将碳纤维和骨架纤维表层浸润粘合剂，然后相平行、等间距地敷设于上下两层蠕虫石墨纸间，相邻纤维间隔0.5mm~1.2mm，碳纤维和骨架纤维数量不做要求，可根据具体应用环境进行调整。于80~120℃温度保持60~100s进行热固处理；然后，经两次以上辊压得到复合石墨纸。进一步地，沿纤维纵向裁切复合石墨纸得到宽度10mm~25mm的复合石墨带，所得复合石墨带表面应光滑平整，无纤维裸露出石墨带表层。

对复合石墨带进行捻合得到第一复合石墨线。将复合石墨带绕金属纤维捻合得到第二复合石墨线，用于捻合的金属纤维直径为0.5mm~0.8mm。

以第一复合石墨线为内芯，采用第二复合石墨线绕内芯紧密包裹内芯构成次外层，采用金属纤维在次外层外编织成金属纤维编织层，用于编织的金属纤维直径为0.1mm~1mm，获得的架空地线截面结构见图4。内芯中第一复合石墨线用于负责架空地线的力学特性，因此可根据实际工程的力学需要设定内芯中第一复合石墨线数量。

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

见图4，采用91根第一复合石墨线构成的石墨线束作为内芯，第一复合石墨线直径约2.2mm；采用36根第二复合石墨线绕内芯纵向紧密排列，获得一层第二复合石墨线层，即次外层，第二复合石墨线直径约2.4mm；采用铜纤维绕次外层编织获得一层铜纤维编织层，即最外层。最终获得的石墨复合架空地线直径约38mm，采用四极法微电阻测量本实施例架空地线的每米电阻，约0.5毫欧。

上述实施例所述是用以具体说明本专利，文中虽通过特定的术语进行说明，但不能以此限定本专利的保护范围，熟悉此技术领域的人士可在了解本专利的精神与原则后对其进行变更或修改而达到等效目的，而此等效变更和修改，皆应涵盖于权利要求范围所界定范畴内。

Claims (8)

1.一种石墨复合架空地线，其特征是：

包括由第一复合石墨线构成的内芯、由第二复合石墨线绕内芯外侧纵向排列构成的次外层和由金属纤维绕次外层编织获得的最外层，次外层完全包裹内芯，最外层完全包裹最外层；其中，第一复合石墨线由复合石墨带捻合获得，第二石墨线由复合石墨带绕金属纤维捻合获得，复合石墨带包括两层蠕虫石墨层和敷设于两层石墨层间的骨架纤维、碳纤维，骨架纤维和碳纤维包覆有粘合剂层；骨架纤维为无机纤维，金属纤维为铜纤维或铝纤维，第二复合石墨线和最外层中的金属纤维相同或不相同。

2.如权利要求1所述的石墨复合架空地线，其特征是：

所述的骨架纤维为玻璃纤维、硼纤维、凯芙拉纤维或陶瓷纤维。

3.如权利要求1所述的石墨复合架空地线，其特征是：

所述的第二复合石墨线中金属纤维直径为0.5mm~0.8mm。

4.如权利要求1所述的石墨复合架空地线，其特征是：

所述的最外层中的金属纤维直径为0.1mm~1mm。

5.一种石墨复合架空地线的制备方法，其特征是，包括步骤：

步骤1，对蠕虫石墨进行辊压制成蠕虫石墨纸；

步骤2，将骨架纤维和碳纤维表面浸润粘合剂，并敷设于两层蠕虫石墨纸间，经热固、辊压得到复合石墨纸，裁切复合石墨纸得到复合石墨带；

步骤3，对复合石墨带进行捻合获得第一复合石墨线；

步骤4，将复合石墨带绕第一金属纤维捻合得到第二复合石墨线，第一金属纤维为铜纤维或铝纤维；

步骤5，以至少一根第一复合石墨线为内芯，采用第二复合石墨线纵向包裹内芯获得至少一层第二复合石墨线层，采用第二金属纤维绕第二复合石墨线层编织获得至少一层金属纤维编织层，第二金属纤维为铜纤维或铝纤维，与第一金属纤维相同或不相同。

6.如权利要求5所述的石墨复合架空地线的制备方法，其特征是：

所述的蠕虫石墨纸厚度为0.1~1mm。

7.如权利要求5所述的石墨复合架空地线的制备方法，其特征是：

步骤2中，所述的骨架纤维和碳纤维等间隔敷设于两层蠕虫石墨纸间。

8.如权利要求5所述的石墨复合架空地线的制备方法，其特征是：

步骤3中，所述的复合石墨带宽度为10~25mm。