CN105702352A - 降低热拐点的高能效导线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种降低热拐点的高能效导线，包括：一根或多根承力芯线/棒，由一股或多股纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05％的张力应变，而且承力芯线/棒必要时有一适当的绝缘层来避免承力芯与导电层可能出现的电耦合化学反应；以及导电部分至少有一层包裹型的导电材料，比如铝，铝合金，且可能有更多的同心包裹导电层，甚至敷绕在外层的导电丝；以及导电包裹层有足够厚度(>0.5mm)，而且是几乎不承受张力，导电包裹层主意是为了导电，同时也保护承力芯线/棒；以及该电线电缆是绕在圆盘上的，还公开了一种导线的制造方法。

Description

降低热拐点的高能效导线及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于电力输配的带有预应力的电线电缆，特别地，本发明涉及带有承力芯线/棒如纤维增强复合材料的电线电缆。更具体地说，本发明依托承力芯线/棒的预应力处理使得铝、铝合金导电材料在导线中几乎不承受张应力或处于压应力状态，而承力芯在导线架线前处于张应力状态，从而降低了导线的热拐点。

背景技术

传统的电力传输导线如钢芯铝绞线(ACSR)被广泛应用于电力输配网络。用热膨胀系数比钢低的复合材料增强的新型导线基于其优良的高温低弧垂特性已被应用于电网中来提高输电容量及效率并减少成本及满足电网的要求(如可靠性及安全性)。这些新型导线使用铝(完全退火的)或高温铝合金，并用金属基或高分子材料基复合材料承力芯增强。钢芯软铝绞线(ACSS)是另一种高温导线，其使用能够在高温下运行的退火处理后的软铝。

热拐点与导线中不同材料(如承力芯材料，导电材料)的组成相关，其定义为该温度以上导线中的导电材料不承受张力或处于压力状态。这些导线中的导电体如铝，铝合金在导线架线后通常处于张应力状态，从而导致其热拐点高于绝大多数导线运行温度状态。导线达到其热拐点以前，其热膨胀实质上由导电材料如具有高热膨胀系数的铝来决定，从而导致大的弧垂，限制了导线的输电容量，如图1所示。这对使用在电网增容改造或大跨度项目中的导线尤为重要，因为热弧垂通常制约该类导线的输电容量。

导线的热拐点除了与其构成材料的特性有关外，亦受到导线的张力及张力历史的影响。

间隙型导线(GAP)是一种通过抑制其热拐点的耐高温低弧垂的特种导线。这通过该导线在其特殊的安装过程中抑制其热拐点来达到。间隙型导线由钢丝及高温铝合金通过精确控制钢芯(即承力芯)与内层铝的间隙制成，该间隙保持并充填高温润滑油来协助钢芯与铝层在导线安装过程中必需的相对运动。间隙型导线必须通过拉紧在张力塔间的导线承力芯钢丝(剥离铝层后暴露出钢丝)来安装。该预应力工序可能需要48小时或更长时间，并且需要特殊的装置及架线工额外的劳动时间，因为架线工在拉伸工序后需要重访电塔完成最终的张力塔施工程序。该导线正确安装后的确表现出低弧垂性能，因其热拐点位于或接近安装温度，此时的导线热弧垂仅仅由钢丝的热膨胀控制(钢丝的热膨胀系数大约是铝的一半)。然而，间隙型导线通常非常昂贵且安装困难，它要求专业的培训及工具，现场施工需更多的时间。此外，该导线的承力芯几乎承受所有的载荷，其若断裂会缩回导线铝层内部，使得间隙型导线在现场的修复不可能，必须替换及安装张力塔间的整段间隙型导线，造成电力传输恢复的昂贵延迟，有报告指出间隙型导线内部的润滑油随着时间的推移有渗漏出的现象，并弄脏电线下面的物体，及造成导线表面疏水油性，形成水珠而带来电晕噪声。间隙型导线中的润滑油亦用来防止钢芯的腐蚀，润滑油的消失将导致间隙型导线的耐腐性能下降。

获得低的导线热拐点的另一种途径在中国专利CN102103896A1被阐述.该专利提及退火铝绞线于承载钢芯周围，而承载钢芯通过预应力处理。其声称制成的导线可承受150℃高温下长期运行能力。该专利制作的导线于2013年用于一个主要的中国电力传输项目作为商品化试运行。由于广泛的局部灯笼现象及参差不齐的弧垂，该导线现场安装失败，并不得不被传统导线加以替换，该导线的进一步应用被中国国家电网禁止。该专利没有讨论热拐点，或者公开预应力水平的范围，或铝绞线中的应力水平，或确切的预应力承力芯线处理的工艺及设置。因为退火铝线较软，易于变形，承力钢芯预应力释放时可能使软铝绞线向外鼓起。当该导线被卷绕在收线盘上时，上下层导线形成的压力可能造松弛软铝线不可逆的变形。软铝线的这些永久变形不仅引起导线的局部灯笼现象而且易造成局部铝线断裂，在导线载流运行过程中产生热点甚至断线。由JPS通过类似的途径获得的耐热铝合金导线于2002年进行了尝试，也没有获得商业化成功，因为严重松弛的铝合金线存在同样的问题。针对高温操作，JPS还对导线承力钢丝芯用薄的铝包层进行保护，然而，导线芯上的铝包层在导线芯预拉伸绞合过程中会经受高达190MPA的张力，易造成振动疲劳损伤。该薄的铝包层不能有效支撑处于张力的导线芯并使其紧缩最小化，导线的末端在导线芯中的张力释放前必须进行固定，承力钢丝芯应力释放后，所有的铝线会变得非常松弛。该松弛的铝线及导线末端固定装置使得该类导线在制造及现场架线施工时难于处理。

高温导线如铟钢芯铝绞线(INVAR)及铝基陶瓷纤维复合芯铝绞线(ACCR)，使用能够经受高温操作的铝-锆高温合金材料。这些导线通常有高的热拐点，常常达到甚至超过100℃，远远高于此类导线日常载流运行温度(见表1)。此类导线现场预拉伸处理很少被尝试。

钢芯软铝绞线(ACSS)的预张力处理偶尔被采用。ACSS导线处于电塔之间，在完成张力塔张力金具夹合工序之前对导线施加显著的张应力(载荷相当于40％的导线拉伸强度)数小时来完成。ACSS的预拉伸处理的确降低了热拐点及改善了热弧垂，然而，ACCS拉伸中高的应力要求增加了电塔安全运行的危险性，尤其是线路改造项目中的老旧传输电塔。

纤维增强有机高分子基复合材料承力芯及退火铝绞线制作的导线在过去十年中获得广泛认可及应用，这些导线有来自CTCGLOBAL公司的碳纤维复合芯铝绞线(ACCC)，SOUTHWire公司的C7，Nexans公司的LowSag，及其他类似类型的导线。这些导线通常用碳纤维复合材料作为承力芯，承力芯与铝之间含有绝缘层以防止电耦合化学反应。碳纤维复合芯具有最低的热膨胀系数，这些导线在热拐点以上其热弧垂很小，载流运行温度可高达200℃，与传统的ACSR导线相比可传输更高的载流量(如N-1紧急情况时)。这些导线重量轻，强度高，其复合材料承力芯比钢丝承力芯更耐腐蚀。

然而，这些复合材料芯导线通常其热拐点在70℃或以上。在该温度以下，导线的热伸长率因仍然由铝绞线决定，显示出大的热弧垂。目前该类导线基本上都用于旧线路的增容改造。通常对这些导线不进行预应力处理，因为老旧电塔或许不能承受抑制导线热拐点所要求的高应力。如施工处理不当导致尖角情况，复合材料承力芯可能会因为过度的轴向压应力而导致增強纤维屈曲破坏，复合材料芯易损。较细小承力芯的复合材料导线具有更好的弯曲灵活性，但同时也容易出现尖角(铝绞线移位来适应承力芯线/棒的弯曲)，当复合材料芯中的张力不足时，更易受到损伤。若承力芯受到仅仅部分损伤，导线断裂可能会被推迟几个月甚至几年，给电网的安全及可靠性带来严重威胁。如果复合材料芯导线能有效防止施工失误，其承力芯处于大的预张应力，而其导电材料几乎不承受张应力，该导线会很适合于安全操作与安装，保证电网的安全及可靠运行。

虽然这些导线中的退火铝提供最大的导电率，但在张应力下易于变形(ACCC工程手册)。这些导线依靠承力芯承载，通常要求特别的金具来夹紧固定。这些导线使用的金具成本有时高达整个工程造价的50％，这对很多电网是不愿接受的，尤其对费用敏感的工程，比如低压配电网应用。复合材料承力芯导线必须使用昂贵及特别的配件，如来自CTCGlobal公司的夹头及外壳技术或来自AFL公司的压合接头铝衬套方式。此外，这些导线必须特别严格遵循架线温度及时间要求，尤其是分岔线路，造成安装过程复杂昂贵。若同相导线的架线施工张力及时间不同，每根导线可能具有不同的热拐点及在安装后同相导线会有不同的弧垂，甚至导致导线运行温度改变时发生短路。例如，2011年中国一个220千伏的电网改造项目，施工工程师报告指出ACCCDrake相导线弧垂显示出大的差异，尽管同样的18KN的架线张力。一个相导线在2011年3月30日施工完毕，其弧垂在4月2日被观察显著增加了0.69米，4月3日增加到0.77米。同一线路同一地点的两根其他相导线在同样的18KN的架线张力下3月31日施工完毕，一根导线观察到的弧垂在4月2日提高了0.9米，4月3日增加到1.175米，另一根导线观察到的弧垂在4月2日提高了0.78米，4月3日增加到0.86米。这些导线弧垂变化不仅太大，而且随机不可预测，这对施工工程师及电网是个重大问题。若这些导线已经具有低的热拐点(尤其是不需要在老旧电网的改造项目时作预张力处理)，则可以轻松的安装这些导线并准确获得目标弧垂，而且对架线过程中的难免的一些小误差及安装完成后没有敏感性(如架线时间，温度及同相导线间张力的变化)。

碳纤维复合材料芯铝导线的另一个挑战是它们在冰冻环境下大的弧垂。为保持弧垂避免电塔承受过度的架线张力，在导线第一次遭受冰载荷张应力下降后，工程师有时调整导线张力来进一步改善弧垂。这要求架线工额外的时间及努力。若这些导线施工前己具有低的热拐点，且对电塔没有高的预张应力处理要求，这些导线可被安装更高的位置而电塔无需承受更高的预张应力，这可较好用来处理来自冰冻载荷下的弧垂。

在低压运行的配电线路中，基于成本制约导线承受较高的电流密度。因为获取线路走廊用地来建造新的电力传输配电网络变得越来越困难，采用高温导线相当必要，因为这些高温导线既能解决紧急需要时的大容量，同时提供低线损，高能效。因为配电网高温导线通常较小，该高温导线系统应做到既省钱(在导线本身，配件及安装方面)又易于安装，维护，修复。

所以，电网需要能够高温运行的热拐点抑制的导线，而且该导线的热拐点抑制无需在电塔间对导线进行预张力处理及对电塔的安全造成的影响。此外，复合材料芯导线应既省钱又易于使用(包括：安装一致性，无灯笼现象，误操作几乎无影响，易于修复维护，更好节能，超低弧垂及与现有低价金具配件的兼容性)。本发明通过提供一套完整的导线系统方案来解决这些问题。本发明的导线通过确保导线中的承力芯处于预张应力而其足够多的导电体不承受张应力或处于压应力状态，而且在电塔架线前无导线损伤(包括灯笼现象)来实现发明导线系统的省钱(导线本身，安装，修复及金具)，高输电容量及高能效，高温及冰冻条件下低弧垂，及温度的变化几乎无弧垂影响的种种特性。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的上述技术缺陷，而提供一种降低热拐点的高能效导线及其制造方法。

为实现本发明的目的，本发明提供了一种降低热拐点的高能效导线，包括：

一根或多根承力芯线/棒，由一股或多股纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05％的张力应变，而且承力芯线/棒必要时有一适当的绝缘层来避免承力芯与导电层可能出现的电耦合化学反应；以及

导电部分至少有一层包裹型的导电材料，比如铝，铝合金，且可能有更多的同心包裹导电层，甚至敷绕在外层的导电丝；以及

导电包裹层有足够厚度(>0.5mm)，而且是几乎不承受张力，导电包裹层主意是为了导电，同时也保护承力芯线/棒(比如氧化，高温，腐蚀，以及施工及生产运输过程中可能因为承力芯线/棒经历过大应力尤其轴向压应力造成的承力芯损伤)；以及

该电线电缆是绕在圆盘上的。

其中，承力芯由基本上连续增强纤维(碳纤维或陶瓷纤维；纤维玻璃纤维及玄武岩纤维，以及可能的其他类的绝缘层)在一个树脂基内(热固型或热塑型或金属型，也可能由有机或无机的充填材料)组成，而且该承力芯可以是单根或多根，可以是实芯或空芯，当承力芯为空芯时，这承力芯可同时把光纤放入空心部分用于光通讯，尤其在地线或配电线路上应用，铝导电层可以是铝(包括硬铝)，铝合金(包括高温铝合金)以及全退火处理过的软铝。

其中，导电层的铝或铝合金至少一层，也可以是由多层同心层铝或铝合金管组成，或用铝或铝合金线绞绕于铝或铝合金包覆过的承力芯上，承力芯经历过预张力处理，在过第一施工滑轮前希望至少有0.05％剩余张力应变在承力芯，承力芯的线膨胀系数不超过15x10^-6m/m/℃,承力芯有至少3KN的径向抗压能力，以避免承力芯在金具压制时可能出现损伤，所述导线至少可以有500m的生产长度。

其中，承力芯可以是单根，类似于CTC或Nexans的单根碳纤维导线；也可以是多根，类似于3M的ACCR，东京制钢及南线公司的C7，部分或全部的承力芯表面进行过处理来达到承力芯与包覆导电层之间的紧密牢靠牢固结合，表面特征包括凸出或凹陷构造，编织纤维层，或承力芯最外层缠绕了纤维束(与增强纤维方向不同)来增加包覆导电层与承力芯之间的结合及摩擦力，缠绕的纤维束可以留在承力芯表面，也可以去掉，导线最外层(承力芯包覆导电层外)除了可以是多层包覆层，也可以是梯形、Z、S或C型及圆型的导电线丝，或者是这些线丝的混合。

其中，承力芯被充分保护在包覆导电体内，杜绝了施工中可能遇到的尖角弯曲所造成的轴向压应力对承力芯的剪切破坏损伤，这对小承力芯的导线尤其重要。导线在施工过程中被不当操作，比如出现尖角弯曲状况，可以直接通过检查包覆导体层的损伤(张力边永久伸长变形，压力边有明显压痕)。

其中，所述导线适用于配电线路(<110Kv)，而且常用的施工工艺，工具及金具可以很完全的被采纳，高紧密度的铝导电层同时最大增容及最小线损，所述导线尤其适用于大跨度及重冰区，因为它的强度对重量比很优越，而且热弧垂被很好的通过预张力应用在导线上而解决，导线的光滑表面，导体层的致密结构最大限度的降低风阻及冰载荷，而且承力芯可以用于很高的使用温度，因为承力芯不直接受到氧化或环境的负面影响，本发明导线特别适用于环境污染严重，海边及有沙尘暴的沙漠地区，因为导线及其承力芯被其光滑无缝隙的表面材料保护。

相应地，还提供了一种导线的制造方法，包括以下步骤：

送一根或多根承力芯线/棒到一个连续包覆机，适合于连续包覆铝、铝合金，承力芯线/棒可以是纤维增强复合材料；包括但不限于碳纤维增强复合材料；

从连续包覆机内连续挤压铝及其合金层，或连续挤压铝及其合金的型材，过挤压/拉模具，该导电层材料(铝，铝合金)被足够冷却来保护承力芯材料,紧密敷绕在纤维增强承力芯的表面来形成一个完整的导线电缆；

必要时，可敷绕单层或多层的铝及其合金丝，在导线层敷绕后的承力芯上来进一步增加导体的面积及导线的容量及导电率；

最后把完成的电线电缆绕在线盘上，导线中的导体层基本上不承受张应力，或者是承受压应力，而承力芯是承受(剩余)张应力，而使导线达到一个低的热拐点。

其中，包覆过程包括金属的软化，甚至熔化及挤压/拉成型为铝管形成至少0.5mm厚的导电层，导线伸长步骤涉及到造成包覆的铝材料层经历张力变形而且该变形超过铝材的相应塑性变形起始点，铝材导电层有至少94％的填充系数，最好是高于98％的填充系数，但在超高压及特高压线路上所要用的本发明导线不同，因它们可能在导电层引用空穴来做扩径处理。

其中，承力芯由热固性复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料的可能高达500℃的温度，其树脂玻璃转化温度高于100℃，最好在150°C以上，承力芯也可以由热塑性复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料可能高达500℃的温度，其树脂基熔点高于75℃，最好在150℃以上，承力芯也可由陶瓷增强复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料可能高达500℃的高温，其基体材料熔点应高于150℃，最好在200℃以上。

其中，必要时承力芯的表面材料具有足够的电绝缘性来有效避免在包覆导体与承力芯之间可能出现电耦合化学腐蚀，承力芯可以通过挤拉工艺，比如用多束碳或玻璃纤维或碳及玻纤一起经过挤拉工艺制成，而且该挤拉工艺可直接与包覆机连接来减少生产周期及生产成本。

与现有技术相比，本发明解决了背景技术上述的缺陷，提供了一种降低热拐点的高能效导线。

附图说明

本发明依照一个或多个各种各样的具体实施方式用以下图解进行了较详细描述，提供的图仅仅为了说明，仅仅描述发明的所选实施例而非所有可能的形式，这些图有助于对本发明的理解，并不用于对本发明的范围进行限制(即不应被考虑限制本发明的广度，规模及适用性)。应该指出的是这些图为例证清晰及容易理解而不必要按比例绘制。

本发明中包括的一些图从不同角度说明发明的各种各样的实施例具体化。虽然伴随的描写文本或许提及这样的看法象“上面”，“底部”，“旁边”，这样的参考是仅仅描写的，其并不暗示或要求发明被实施用于某一特定空间取向除非明确陈述。

图1：不同种类的铝导线类型的典型热拐点。值得注意的是温度低于每一个导线类型的热拐点时弧垂增加迅速，因为温度低于热拐点时铝导电材料支配导线的热膨胀。在热拐点以上，导线的热膨胀由承力芯控制。

图2：降低或抑制热拐点，导致ACCC，ACSS，ACSR及Invar类型的导线弧垂改善，预张应力处理后热拐点可大大低于环境温度。用碳纤维复合材料芯制作的导线如ACCC在宽的温度范围内可提供最具潜力的热弧垂改善。

图3：预张应力处理的在预张应力处理阶段之外保持正常张应力的承力芯包覆。

图4：导线外层绞合(圆形，TW，C，S，Z或其它构型是可接受的)，与此同时包覆的承力芯在绞合操作来有效抑制导线热拐点过程中承受很高的张应力。值得注意的是在导线收线盘前降低张应力至正常水平是必要的，以使导线在卷盘上的导线丝扭曲最小化。

图5：安装过程中第一个槽轮前导线在现场的预张应力处理。第一个张力机(位于左边)与第二个张力机(位于右边)之间保持高的张应力。该方法适用于所有传统导线类型，如CTC公司的ACCC，Nexans公司的Lo-SAG，Southwire公司的C7，ACSR，ACSS，Invar等等。

图6-图17：为带有包覆承力芯的导线横截面的一些实例。

图6-单根承力芯及单个包覆层的导线；

图7-多根承力芯及单个包覆层的导线，包覆层可由相似的或不同的包覆材料挤压/拉表面形貌组成，其瓦解了风振中的涡旋脱落，消除了异常导线中风振疲劳损伤的担忧；

图8-带有中空芯(可为其他中空形状)及包覆层的导线；

图9及图10-异形承力芯导线，增强了承力芯与包覆层间的粘结与连结，同样的锁定功能应用在导电层间；

图11-导线带有承力芯的锁定功能如开孔截面有助于承力芯与包覆层间的连结；

图12-具有多个同心层导电材料(同样或不同的类型)的导线；

图13-具有中空承力芯的导线，光纤或电缆可插入中空的承力芯中；

图14及图15-外层具有C或TW绞线构造的导线，其他绞线构造如圆形，S及Z亦适用；

图16-带有中空绞线的导线，其减轻了导线的重量，扩大了导线直径，该特性亦适用于内层；

图17-外层以TW形状绞合的多层构造导线；

图1-2中：

Sag(m)-弧垂(米)

Temperature(℃)-温度(摄氏度)

Kneepoints-热拐点

Ambient-环境温度

ACSR-钢芯铝绞线

ACSS-钢芯软铝绞线

Invar-铟钢芯铝绞线

Gap-间隙型导线

ACCR-铝基陶瓷纤维复合芯铝绞线

ACCC-碳纤维复合铝绞线

图3-5中：

Pultrusionmachine-拉挤机

Compositecorestranding-复合芯绞线

Normalbacktension-正常向后放线张力

1^sttensioner-第1张力机

Pre-tensioning-预张应力处理

Conformingmachine(s)-包覆机

2^ndtensioner-第2张力机

Normalrunningtensiontoconductorreel-正常放线张应力至导线卷盘

Strandingmachine-绞线机

Normalrunningtensiontoconductortake-upreel-正常放线张应力至导线收线盘

Conductorreel-导线卷盘

Sheavewhealin1^ststringingtower-第1张力塔中滑轮

发明中的图不是用作对发明公开的精确形式的详尽或限制。应该认识到本发明可在实践中进行修改及调整，本发明仅受其要求的权利及对应物限制。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，既包括某一部件与另一部件直接连接，也包括某一部件通过其他部件与另一部件相连接。

本发明的一个方面是没有在电塔之间对导线进行张力处理，而极大降低导线的热拐点。

更具体地，本发明实施依靠用铝，铝合金作为导电介质的电导线中的承力芯预应力处理及预应力保留，而非依靠电塔对导线预应力调节。此外，导线承力芯包覆至少一层上述提及的导电材料。

导线中的承力芯线/棒可为单股或多股的非金属纤维增强金属基复合材料，碳纤维增强热塑性或热固性复合材料，或用其他纤维增强的复合材料比如石英纤维，耐碱玻璃纤维，无碱玻璃纤维，S-玻璃纤维，H-玻璃纤维，碳化硅纤维，氮化硅纤维，氧化铝纤维，玄武岩纤维，特殊配方的二氧化硅纤维及这些纤维的混合等。导线中的承力芯线/棒可为上述提及的不同品种的混合物。

本发明进一步具体化包括用退火软铝(如1350-O)，铝(如1350-H19)，铝合金(如Al-Zr合金，6201-T81，-T82，-T83等)，包覆的承力芯线/棒，其单层导电介质通过一台包覆机或多层构造的导线通过一系列包覆机来完成。包覆工艺不一定非得用包覆机来完成，包括对承力芯进一步拉伸可以用其它设备来达到类似的形态(即所要求的几何形状或应力状态)。包覆机或类似工艺及设备允许包覆导电材料淬火。包覆机可与承力芯配套的绞线机或用来制作碳纤维增强复合材料芯(比如来自CTCGlobal的ACCC承力芯及来自Nexans的LoSag承力芯)的拉挤机结合起来。额外的导电层可选择考虑用绞线机把导线丝绞合在经预张应力处理过的有包覆层的承力芯周围，外层最好考虑用Z，C，或S形导线丝进行绞合。

包覆的导电材料在包覆过程中可达到500℃或以上温度，导电材料(如铝，铝合金，等)的淬火有效限制了导线承力芯(比如有机高分子基复合材料)在高温的暴露时间来保留承力芯的完整性及特性。承力芯四周的导电材料在环境温度或低于环境温度下的粘合及压紧对保留承力芯中残余张应力是重要的，否则，较高热膨胀系数的导电材料将对较低热膨胀系数的承力芯行使压应力，从而减少承力芯材预张应力处理的效果。

承力芯被充分拉伸，沿着其周围包覆铝或铝合金的导电层并形成紧密结合的导电混合体棒缠绕到导线卷盘上。该导电混合体棒可作为导线直接应用于直流应用或表面效应可忽略的交流应用(即导电层厚度小于交流线路频率所要求的表面效应深度)，承力芯处于足够的残余张应力，铝导电层几乎不承受张应力或处于压应力状态。本发明也可以加上外层绝缘层用来制作电缆。

对于表面效应显著的交流应用，多层导电材料可同心包覆于承力芯周围，每层具有一定厚度来实现最少导电材料用量下的交流电阻的最小化及表面效应最大化。对于多层导电材料的大外径型导线，可考虑绞合的外层导线，因其有助于在合理尺寸的卷盘进行导线缠绕并方便导线架线。如果需要更多的铝导电材料，最外层可以为TW，C，Z，S，或圆形线，因其不会导致永久的灯笼变形问题(导体材料的内层不发生变形，也不存在阻止导体外层在张力释放或减少时的相对收缩及移动)。相应地，光滑的外层表面及致密的构造可有效减少风载和积冰，使其在冰冻或大风天气条件下具有低的弧垂。

本专利还可在以上提及的导线进行额外预应力调节，这可通过下面描述的一对张力机的方法或在张力夹施工工序完成前按计算好的包覆承力芯的预切长度来完成，所有完成过程没有像传统导线在电塔的塔臂上施行大预张应力处理。例如，上述提及的导线于架线操作过程中在第一个槽轮前使用几套张力轮来进行预应力处理，其对电塔没有实施额外的负荷。这可通过两套张力机来简易地完成，第一套张力机对导线卷盘保持正常向后的放线张力，而第二套张力机恢复正常的架线张力以避免电塔尤其是改造工程中老旧的电塔过度的负荷。导线在第1及第2张力机间经受设定的预张应力，其通常是导线每天平均张力负荷的2倍左右，以确保预张应力驱使导线的热拐点低于导线通常的载流运行温度，以便铝线不受张应力达到最佳自阻尼，导线弧垂很大程度上不随温度而改变。应该注意到张力机中的大外径的张力轮及大外径的槽轮将有助于控制外层铝线松弛。导线工厂可以采用这儿描述的方法于绞合工艺过程中的大径导线预拉伸，这或许在中国专利中尝试了(未公开)，这是可能的或许可做到的，但不建议用于多层绞合的导线，因卷盘上缠绕的此类导线会对其铝线造成显著的变形及损伤，尤其是导线的内层铝线，导致严重的灯笼现象及导线工地施工问题(同时必须使用承力芯终端固定装置以阻止承力芯缩进导线内部)。这儿描述的该工艺可同样适用于传统的ACSS，ACSR，ACCC，ACCR，Lo-Sag，C7，Invar导线等类型，此类导线的导电部分与芯线/棒间用不同的材料制成，它们可以用来有效影响其热拐点而对电塔没有实施高的预应力。

上述提及的导线也可在现场进行正常架线，尤其是对单根承力芯的导线如来自CTCGlobal的ACCC或来自Nexans的Low-Sag。在两个张力塔之间，导线的一端已连接好一个张力塔，另一端可用锲形夹于承力芯(比如夹头与夹头外壳组件用于CTCGlobal制造的ACCC芯)，解除导线拉伸夹头，使拉伸仅仅作用于承力芯来拉伸承力芯长度。当承力芯拔出时，作为导电层的材料如铝或铝合金层向后滑动，承力芯被剪去预先计算好的长度，其相当于承力芯遭受预先设定的达到需要的热拐点所需拉伸应力的伸长，而后在第二个张力塔完成封端。本发明导线中的包覆芯或常规导线(即不同于本发明的)中的承力芯剪除的长度的变化取决于要求的热拐点抑制程度。本方法尤其对两个张力塔间几乎没有悬挂塔的线路非常有效。为了有助于承力芯的滑动，可在导线承力芯(被拉伸及剪除)与紧靠承力芯并可滑动的导电层之间稍微多一点润滑剂或者在两者之间有意留有小的间隙。

虽然本发明中描述的导线主要用于高温应用，这些导线亦可用于新线路的输配电项目，其降低的热拐点减少了弧垂，提高了线路输电容量。预拉伸处理消除了导电材料(铝或铝合金)中的张应力，导致导线优越的自阻尼效应以及更高的架设张力，这同时减少导线舞动倾向及电塔的高度和数量，降低工程建设成本。更短的电塔对电网公司及其服务社区从环境上更有吸引力。承力芯的包覆层亦起着类似于与复合材料芯配套使用的AFL金具要求的额外铝套管，使本发明导线与所有传统的压合金具匹配而无需任何额外的配件，工具或专业培训要求。

本发明可用于光缆地线，光纤可放在由纤维增强复合材料制成的中空承力芯或钢管中，导电材料包覆于预张力处理的中空承力芯周围。本发明的另一个实施例为配电线，预张力处理的中空复合材料芯用铝或铝合金包覆，该导线承力芯的空芯作为光纤的导线管。本发明的另一种实施例为由中空承力芯制成的大直径导线，中空承力芯用铝或铝合金包覆并经预张力处理用于超高压或特高压应用，电晕效应被最小化，承力芯被装填光纤或仅仅中空。

本发明进一步使复合材料导线能够安全施工及经久耐用，承力芯的外层包覆大大提高了承力芯的有效直径，减少了承力芯极度尖角的可能，避免了对包覆层内的承力芯过多的轴向压应力的发生。承力芯保留的大预张应力，特别是用纤维增强的单向复合材料承力芯，独特地有效抵消了由导线弯曲或尖角产生的承力芯轴向压应力，最小化或甚至消除了在这样的复合材料芯导线中的纤维屈曲损伤。包覆的承力芯导线可直接用传统的夹头固定，及常规的低成本工具施工。承力芯包覆密封表面极大提高了导线的耐腐性能，因为污染物质不能轻易进入导线，导线内的复合材料芯被有效屏蔽，阻止了氧或水气的进入及紫外线或臭氧的破坏影响(与现有的复合芯铝绞导线构造不同)。不同于应用在一些商业导线(铝包钢或铝包铟钢)中钢芯上的包裹层，其会很大程度增大包覆承力芯的整体热膨胀系数并恶化弧垂性能。本专利包裹层具有足够的厚度，对包覆的承力芯提供寿命保护，包括电蚀保护。商业导线所采用的薄的包裹方法，当薄的铝包裹层由于导线中的振动及摩擦(薄的铝包裏层与铝线间)被破坏，会在电解质浸透(如水或导电污染物)协助下铝与钢的电耦合加速了导线内部的腐蚀，缩短了导线的寿命。本发明的包覆的或包裹的导电材料不承受张应力或处于压应力状态，其不影响包覆承力芯的整体有效热膨胀系数，保持了承力芯由于其较低的热膨胀系数而拥有的导线本身的优越弧垂特性。

根据以上提到的描述，可清楚地进一步了解本发明应用范围。应知道，本发明可从任一单个方面或者一个或多个不同方面的结合来实施。应进一步知道，图解及实施例仅仅为例证，其并非限制本发明的范围。

以下本发明的优选实施例详细描述及伴随的图片及相关说明使前面所述及本发明的其他对象进一步显而易见。然而，可以预见的是一般熟悉电力传输电缆或导线的人能够根据本发明的结构及构造的说明及描述通过修改某些细节加以应用。因此，这些图片及说明不应作为对该发明范围的限制，而是作为广义教学加以理解。

本发明是一种热拐点大幅抑制或降低的电线电缆。本发明的实施例对铝，铝合金导线中的承力芯独特应用预张应力处理并使其保留了预应力，而没有依赖导线在电力输配线路之间电塔上的预应力处理。本发明独特结合了包覆导电材料或介质的承力芯预拉伸方面，包覆足够抗压强度及厚度的导电介质大幅保留了承力芯中的预张应力，在导线现场安装后使导电介质几乎不受张应力或处于压应力，产生的包覆承力芯保留了整体低热膨胀特性。

本发明优选的实施例依靠两种或以上不同材料组成导线，比如承力芯与导电介质。本发明制作的导线具有内在低的热拐点。不像Gap导线要求复杂的安装工具及工艺，其导线，夹具，安装及维修是非常昂贵的。本发明的导线由于热拐点的漂移使其易于安装及修复，并保持低弧垂，高输电容量及高能效。

本实施例适用于现有的多种导线类型，比如钢丝铝绞线(ACSR)；复合材料芯导线如ACCR(3M公司)，ACCC(CTCGlobal公司)，C7(SouthWire公司)，LoSag(Nexans公司)，多股芯线(TokyoRope公司)；钢丝软铝绞线(ACSS)及铟钢(invar)导线，如图2所示。其优选实施例包含导线中包覆导电介质(注意非导电介质或许兼容但并非首选)的预应力处理的承力芯，该导线易于修复，安装简洁，与现有的低成本金具兼容，非常适合于应付冰冻风载及解决微风振动与舞动效应，与此同时提供最大的输电容量及能效。与承力芯直接接触的导电层希望具有足够的耐压强度及厚度来保持承力芯中的残余张应力，该层可用不同于导电层中的其他导电材料，导电层余下的部分用铝或铝合金；或者，与承力芯的接触层用铝合金，退火铝或退火铝合金，而导电层其余部分用铝，或其他类似的组合。

导线的热拐点与安装后的导电材料如铝，铝合金,张应力水平相关。导线热拐点温度定义为在此温度以上导电介质不受张应力或处于压应力。导线热拐点取决于导线构造(组成材料及各自百分比，架线条件如温度，张应力及载荷经历)。例如，对以下类似25MM直径大小的导线在300米的安装跨度及21℃的架线温度(除一个架线温度为5℃外)条件下，安装后它们各自的热拐点列于表1：

本发明认识到使用退火铝的导线如ACCC及ACSS，其更易被预张应力(或冰载后)处理来显著降低其热拐点。例如，把碳纤维复合材料承力芯导线降低其热拐点至零下50度是可能的，使得导线在其整个操作温度变化范围内弧垂对温度不敏感。未经预张应力处理的碳纤维承力芯导线在安装过程中其热拐点对温度及张力的变化是敏感的，并容易导致弧垂误差及变化。通过对该导线的简单预张应力处理(使承力芯处于张应力，导电铝不受张应力或处于压应力)完全消除该问题是可能的。这种类型的导线可用于弧垂对环境变化敏感且不能接受的应用。ACSS导线亦可经预张应力处理获得优越的热弧垂特性(堪比GAP导线)，但它的钢丝承力芯比碳纤维复合材料芯热伸长还是大的。

导线热拐点也受安装温度影响，如表1所示当安装温度从21℃降至5℃。为改善弧垂特性，在钢丝铝绞线ACSR导线安装中现场工程师普遍采用降低安装温度或提高张应力(温度变化)来调节与蠕变相关的弧垂。导线较低温度下预张应力比高温度下预张应力对热拐点具有更大的抑制作用。

对传统的多层绞合导线，在工厂环境中对整个导线预张应力处理会导致导电线的永久伸长与变形。如同导线绞合的典型加工过程，当预张应力导线卷绕在卷盘上，卷盘上顶层导线与底层导线之间的压力将导致预张力处理过的导线中铝线尤其是内层铝线的永久扭曲变形，这会导致阻止所有导电铝线在拉伸载荷或温度变化时的正确重新定位，导致导线不可接受的灯笼现象。传统导线在工厂预张应力处理时需要终端夹具来避免预张应力处理过的承力芯抽芯(若没有夹具，承力芯缩回铝线层内部)，使得在工厂及施工现场的导线处理变得非常麻烦。

为避免GAP导线降低热拐点带来的复杂昂贵的现场安装，及解决伴随导线工厂预张应力处理常常引发的灯笼问题，本发明通过用导电材料包覆承力芯建立并保持了导线中的承力芯永久张应变及张应力。导线包裹层应有足够的厚度及耐压强度使大量的剩余张应力保持在导线承力芯中以获得导线安装后的低热拐点及低热弧垂特性。

使用包覆承力芯在导线应用有不少，但绝大多数没有进行预张应力处理，它们不具有最佳热弧垂特性，包覆的承力芯通常有更糟的热弧垂因其表现出比承力芯本身更高的热膨胀。导线生产厂家应用于承力芯上的铝包裹层或涂层通常很薄。他们与本发明有本质上的区别：1)他们用作不同的目的，不是作为预应力处理及通过用预张应力处理承力芯来降低导线的热拐点；2)包裹层或涂层太薄不能适用于本发明，因为承力芯预张应力处理后保持高的张应力要求有足够厚度的包覆层。比如说，Nexans在其Lo-Sag导线中用铝涂层于复合材料芯，其目的是为保护碳纤维复合材料芯高温氧化老化分解。

总之，现有技术中的涂层或铝包裹层绝大部分用来保护钢承力芯，而且包裹层或涂层的面积与钢芯面积本身相比具有相对小的横截面积，因为它们目的是用来阻止钢芯受到的腐蚀。因为承力芯与导电包裹层或涂层经受同样的应力条件(或没有拉伸，或一起拉伸)，混合的承力芯(带有包裹层或涂层)会具有比承力芯材料本身更高的热膨胀系数，产生更大的高温热弧垂。

为了避免承力芯热膨胀的增加，承力芯的包覆材料在承力芯预张应力处理过程中特别是承力芯预应力处理结束后应不受张应力或最好处于压应力。受拉伸的承力芯的包覆可以通过包覆机与拉伸装置的结合来完成。承力芯与导电包覆金属的冶金结合是较理想的但不是必需的。若需要，可施加粘结剂于导线承力芯的表面来进一步促进承力芯与包覆金属层间的黏附。此外，可以利用承力芯的表面特征来促进包裹层与承力芯的环环相扣。导电包覆层首选铝，铝合金，但亦可是其它金属如铅，锡，铟锡氧化物，银，金或带有导电粒子的非金属材料。这样的建立见图3所示。导电包覆金属在包覆机中经摩擦力作用下将会软化甚至融熔化。若承力芯由碳纤维增强有机高分子基复合材料制造，材料的玻璃转化温度(热固性材料Tg)或熔点(热塑性材料)应足够高以避免他们与包覆金属接触时发生老化分解。材料的Tg应至少100℃，最好150℃以上。这可通过利用酸酐类的硬化剂固化环氧树脂很容易达到。热的包覆金属层在60秒内最好在20秒内冷却至常温或以下温度。

值得注意的是本发明中承力芯预拉伸时包覆层不刻意受张应力，承力芯中预张应力释放后包覆层承受压应力，使得承力芯收缩最小化。复合材料制作的承力芯强度达到80ksi以上，模量5-40msi，CTE大约-1x10^-6到8x10^-6/℃。大多数复合材料芯弹性模量，比如ACCC芯的模量为15-22msi，比典型的钢丝模量(约28msi)小很多。应用包覆层及对复合材料承力芯做预张力处理是理想的，因为要求的拉伸载荷相对比较小，包覆层可更易于及更有效地使承力芯的收缩减至最低程度。此外，不像前面讨论的参考资料中的目前技术，本发明中实施的承力芯包裹层独特地允许包覆后的承力芯低热膨胀系数特性保留，使得产生的导线热弧垂最小。

包覆包裹层的步骤可与拉挤机或复合材料芯绞合机结合起来，或者结合于多元的承力芯线/股/棒导线芯制造设备，进一步降低成本。也可选择性地不用第一套张力机，如果拉挤工艺设备或承力芯线绞合机能够处理预拉伸包覆成型中的速度与张力，或者拉线拉挤工艺中拉伸端有足够的拉伸力，承力芯是置于包覆材料的空心管内，承力芯及包覆材料管一起通过单个或一系列拉挤模，被挤压及拉伸而达到最终的尺寸及构造。在整个包覆过程，承力芯线/棒本身一直保留一个张力状态，导线被卷绕到导线卷盘前包覆承力芯的预张力通过第2个张力机降低张力水平。如果导线卷绕时可以承受较大的张力，导线也可以不用第二个张力机。若能在生产过程不同的步骤中精确控制不同的速度来达到张力目的，张力机可不必使用。其他张紧装置或方法可用来代替图3中的一对张力机。如不用包覆等类似的设备，可考虑把导电层材料挤压套在承力芯外围，或者用挤压拉挤出的型材，然后包裹在承力芯外围，并进行焊接，及进一步挤拉。铝线还可以被绞绕在承力芯上，然后通过径向加压把铝层黏附在承力芯上。此外，承力芯的张力拉伸可通过在拉伸阶段控制牵引速度差而实现，同时在开始及卷绕阶段保持恒定的速度。

导线中的预张应力水平取决于导线大小，构造，应用环境及要求的目标热拐点温度。若目标是让导线的热拐点达到或接近架线温度(如环境温度)，承力芯要求的张应力仅仅只要大约同样的架线弧垂张力(通常额定导线强度的10-20％)，加5-50％的架线弧垂张应力，最好额外10-30％来保持铝线架线后不受张应力，与导线在电塔间预拉伸处理通常要求的40％导线拉伸强度的张力相比显著降低了。若要求更低的热拐点，则需要较高的预张应力。值得注意的是复合材料芯使用的碳纤维具有轻质高强及低热弧垂。包覆的纤维增强复合材料承力芯非常适用于现场安装，因为富有弹性的承力芯可促进该导线从卷盘上由绕到直的回弹。

对于导线交流方面的应用，表面效应要求导电层应处于表面效应深度以内，在包覆工艺过程中承力芯最好有多个同心导电介质层包覆。交流电路透入深度随频率而变化。对纯铝而言25Hz达到的最大深度约为11毫米，60Hz约为17毫米。每个导电层厚度应小于获得低交流电阻时的最大允许深度。这可通过一系列包覆设备来获得。高导电材料可考虑在导电层或绞线间用介电材料涂层来优化表面效应。此外，为进一步提高导线的弯曲柔韧性，导电层的最后一层或几层可考虑绞合圆形，TW，C，Z，S等构造形式的导线丝，实施如图4所示，预拉伸处理过的包覆承力芯在绞合过程中进一步受拉伸预应力处理，使导电层，包括最外层不受张应力或处于压应力状态。这效果也可通过导线牵引程序来完成，包括本发明在内的外层为绞合的导线经张力机及多个悬挂塔上安装的滑轮，在两个张力电塔间先固定导线的一端在其中之一个张力塔，另一端在完成导线封端前拉出包覆的承力芯并根据预计算的长度相当于芯材在导线预张应力处理时的伸长进行裁剪。该步骤可用足够的润滑剂(如油，油脂或其他类似的物质于绞线层与包覆层之间)进一步帮助促进绞线层与包覆后承力芯之间的相应滑动；此外，也可以通过一对牵引张力机对该架空导线在施工现场进行导线的预张应力处理来显著降低导线的热拐点，如图5所示。这些描述的步骤及图4与5描述的实施方法也可直接适用于传统的导线如Invar，ACSS，ACCR，ACCC，LoSag及C7等等，也包括适用于承力芯未使用包覆层的各导线。

图4及5实施的导线预张应力处理从导线的灯笼变形角度考虑是可接受而且不会出问题的。不像中国专利或JPS方法中描述的工艺，本发明导线仅仅有很有限的外层绞合。因为不存在如中国专利或JPS方法中导线内层的所有铝导线在压紧入卷盘或现场操作时可能发生扭曲的情况发生，外层导电线可相对自由移位而不受阻(本专利没有内层导电线)。图5中公开的实践方法也完全适用于传统导线，在导线安装后若发生线路损伤，来修复这样处理的导线仍然确实出现一些挑战(但没有Gap导线那样严重)。这是因为芯线中的承力芯仍会缩回导电线层的内部，使得查找断裂的承力芯困难以及导线连接操作前现场进行修补导线的张力调整以达到一定热拐点变得困难。

本发明中一些导线的构造说明于图6-图17。包覆的芯线可有单根承力芯或多根承力芯绞合在一起或松散包装，承力芯可为圆形或其他形状如椭圆或带有表面特征改进的圆形来促进承力芯与包覆层间的粘结或机械锁紧。这些承力芯可用连续的或不连续的陶瓷纤维，碳纤维或其他适合的纤维增强的金属基复合材料；用碳纤维，玻璃纤维，石英或其它增强纤维增强的热固性或热塑性有机高分子基复合材料，且该复合材料可以添加或不添加额外的填料包括纳米填料。复合材料中的增强材料可为连续的或不连续的。碳纤维复合材料与导电层间有一层绝缘层，这可为玻璃或玄武岩纤维增强复合材料(平行于轴向方向，或编织绝缘玻璃纤维，或缠绕绝缘玻璃纤维层)或一层绝缘层或绝缘涂层。包覆的承力芯可为中空的，中空的承力芯材可容纳光纤或电缆，可用于传输配电网络(光纤到家)或复合光缆地线。导线本身可为单层包覆的承力芯。.导电层亦可为同心包覆圆形完全光滑表面的导线，层间带有或不带有介电涂层。导电表面可带有拉挤出的表面特征以瓦解微风振动的蜗旋脱落。层间可带有润滑剂来促进一些相对移动，但导电层与承力芯间的接触必须紧密的机械粘结或化学粘结以确保各自构成部分中的残余应力及应变大量保持。外层可绞合入导线，可以是不同型式的绞线，比如圆形，梯形，C，S，Z及其他合适的形状，最好是自锁绞线如Z，S及C绞线，来达到大量降低风阻的光滑表面。导电体可为退火的或不退火的铝或铝合金，或它们的混合体。

承力芯与包覆层的界面可用承力芯中的表面特征进一步优化，表面特征增强承力芯与包覆层间的界面锁定与粘结以保留维持拉伸处理过程中的应力。这包括但不限于承力芯表面凸出的特征及承力芯沿轴向旋转。此外，同样的特征可用于紧随其后的导电层间界面。作为一个模例，纤维增强复合材料承力芯可用玻璃纤维缠绕其表面形成螺丝形状或扭面。钢丝可用类似的表面特质成型。导电体如铝或他们各自的合金基质中简单预拉伸增强纤维获得预拉伸应力效果的承力芯。本发明的方法可在用铝的包覆设备中实践。增强纤维可以是本专利中公开的类型，比如陶瓷纤维，非金属纤维，碳纤维，玻璃纤维及其他类似的纤维类型。

树脂基芯制作的导线高温操作要求稳定性及长时间暴露在高温下的承力芯性能。CTCGlobal公司的ACCC芯依靠电偶合反应防护层(即玻璃纤维层)来抵御氧侵入碳纤维部分。Nexans，Southwire及其他一些公司尝试用一层保护涂层来改善其复合材料芯高温下的耐久性。涂层通常非常薄(小于0.5毫米)，用来抵御高温操作时氧的侵入。这些涂层非常脆弱，因其非常薄不能承受铝线对承力芯间持续的摩擦运动，热膨胀不匹配可导致铝涂层剥落，暴露的承力芯将面临高温氧化分解等老化寿命问题。

承力芯应具有600MPa的最小的拉伸强度，以支撑预张应力的应用。对金属承力芯，预张应力须至少达到或超过该材料的比例极限强度进入塑性变形。此外，承力芯须承受来自传统夹具压接的径向压缩，包覆过程可能出现的径向应力，及导电层折叠及模塑工艺中出现的径向压力，径向抗压强度必须要求一个最小的水平，径向抗压强度至少要求3KN，最好在15KN以上，尤其是没有塑性变形的复合材料芯。

本发明不受限制于上述导线的例子及改变导线热拐点的方法，上述描述的元件及材料参数，技术规格及标准的变化涉及导线的结构及导线拐点的改变，其无需违背本发明的教学来制作。前述对实施方式的说明用于解释和说明，其并非意在穷举或者对本发明进行限制。特定实施方式的各个元件或特征或参数一般并不限于该特定实施方式，相反，在适用时其也可以相互替换，并可用于所实施方式中。同一事物还可按多种方式进行变化，这些变化不会被视作背离了本发明，并且所有这些修改均意在被包括在本发明的范围内。

以下非限制性的应用实例为本发明的说明，不应以任何形式解释为对应用范围的限制。基于本发明的所有导线选择及构造，一些在图6-17中予以描述，是可适用于以下应用实例，每个实例的好处也可非常适用于其他应用领域。

实施例1:电网增容改造

输电线路增容改造通常的电压范围在110KV-500KV，现有的电塔尽可能利用以减少工程成本及断电时间。线路改造可带电进行，改造过程中不需要安排断电。线路改造的主要重点是在现有的架空间距约束条件下及尽可能利用现有的基础设施来使输电线路容量最大化。本发明的导线对该应用是最适合的，包括最高致密度导线(几乎100％同心层，比典型的致密绞合导线93％填充率的CTCGlobal公司的ACCC导线还要高)，在正常操作条件下提供可能的最高容量(最低的电阻损耗)。在导线操作于高温的紧急载流运行情况下，本发明的导线特别适用，因其承力芯免于氧侵入及热老化，允许导线在其整个温度范围内长期运行。本发明的同心包覆导线不存在传统导线在灯笼变形后的承力芯暴露于紫外线，潮湿，臭氧等环境下的负面影响。承力芯上的金属包覆层亦有效保护承力芯免于遭受来自这些环境因素的有害影响。

降低导线中的热拐点将显著减少热弧垂约束(导线热弧垂不受高热膨胀系数的导电材料如铝或铝合金的影响)。低的热拐点消除了全退火铝高温导线的敏感性，否则导线中的快速显著的铝蠕变导致导线最终拐点及弧垂的不确定性。导线中的铝不受张应力或处于压应力使其蠕变在导线中完全去除，架线后导线步入最终的弧垂状态(无蠕变效应，假设没有严重的冰载条件进一步降低热拐点)。这允许导线在电塔载荷极限内安装获得最大的架空间距(最大化输电容量及应付极端冰载)。其亦显著简化了安装工艺及有效解决高温导线尤其是分岔导线中(ACCC导线在一个美国PTTP电网)的弧垂变化问题。可预测的低弧垂有助于电网有效管理其电力传输资产，因为热弧垂再也不会成为紧急计划及状态时的限制因素。

导线中的导电材料疲劳损伤通常制约导线寿命。本发明中的导线导电构成部分几乎不受张应力，微风振动寿命影响可以得到有效控制，无须以前线路中要求的防震锤，节约了工程成本。若设计工程师要求抗微风振动疲劳损伤的额外保护，可考虑使用Stock-Bridge防震锤或螺型防震杆式减振器。图6-17所示的具有特殊凸出表面特征导线可用来进一步应付微风振动。对于本发明大的及重的导线类型，可采用额外的减振方法，如附加于导线的无载导线段，导线附加连接点之间不同的段长来处理所有的频率范围。

较新类型的导线所用金具往往是昂贵的，因它需要考虑使用特殊昂贵的金具来无损伤地锁紧芯线。本发明中的承力芯已自然地被一层导电材料保护，其允许与传统的金具压接工艺相匹配，夹具直接压接于承力芯来实现机械载荷传递。对于多元承力芯如C7中的复合材料承力芯，TokyoRope及ACCR类型导线，用本专利来避免多根承力芯之间的接触点过分承力而损伤是有利也必要的。

大部分新安装的导线由于高压线路的电晕效应而充满噪音。本发明的导线具有密封圆表面，典型导线绞线操作中使用的润滑剂是不必要的，从而消除了通常与新导线相关的噪声效应。

单向纤维增强复合材料承力芯(ACCC，ACCR，C7，Lo-Sag，TokyoRope等等)往往是脆性的，误操作产生的过度轴向压力易导致纤维断裂。包覆层不仅保护了承力芯来自误操作的直接损伤，而且使得承力芯的有效直径(即包覆层外层)更大从而缓和了尖角的发生。拥有持久的拉伸应变及拉伸应力的承力芯具有一种内置机制来有效地缓和及对冲来自弯曲产生的压压力，使得新导线的施工操作安全及省钱。

实施例2：新建输配电网的应用

新建项目通常对材料及劳力成本(如导线成本，夹具成本及电塔成本)更敏感。一些新建项目针对长距离传输及特高压，必须控制电晕效应，最小化导线电阻及线损。

本发明实施包括用额外导线层沿着包覆的预张应力处理过的承力芯进行导线绞合来提高作为特高压应用的导线直径，有助于方便操作(要求较小的卷轴盘绕)。对于60Hz的交流电路铝导线，表面效应要求导电层的最大厚度为17毫米。大的导线需考虑多层构造。由于大面积包覆铝已处于预应力，对导线进行额外预张应力处理而使外导线层处于压应力或不受张应力是非常容易的。这将减少导线中的灯笼变形趋势。若需要，额外的预应力可参考图4及5或本发明中建议的承力芯修剪来实施。额外的导电层可为铝，退火铝，铝合金，或其他类型的导电介质。首选的实施为铝或铝合金，其可承受更大的压力(压力下不易向外膨胀)，与退火铝相比更耐刮，来保护导线表面完整性，抵御恶劣施工现场条件下的轻微事故或磨蚀性风筝线缠在高压线上的侵蚀。

基于导线热拐点的抑制，导线运行温度高于其热拐点时导电介质如铝不受张力(或处于压力)，导线具有优越的自阻尼性能，可承受高的架设张力，比如25-40％RTS(相比目前较典型的10-20％RTS架设张力)。这不仅减少了线路导线舞动的倾向(导线舞动对电力线路是非常有害的，由于不同地区有不同的原因，其非常难以解决)，而且可获得最佳的导线离地高度，从而减少电塔的高度或增加电塔间的跨度来降低工程成本。紧凑的构造使绝大部分导电铝(如完全退火的)达到最大致密包装，与目前最佳的导线如ACCC相比，本发明的导线可获得更高的充填率，使其具有最高的输电容量及最小线损的更好能效。

为了解决超高压及特高压应用中的电晕效应，可使用带有中空芯，中空导电线或扩大横截面的导线。为进一步最小化电晕效应，可对铝外层表面采用亲水表面处理来避免水珠集结。传统低成本的夹具可轻易适用于本发明导线，因为包覆的承力芯对直接压接更加牢固，承力芯受到包覆层更好的保护来抵御误操作及环境效应(如导线损伤，腐蚀，紫外线，臭氧，湿气等等)导致的导线寿命限制，使输电线具有更高的安全性及可靠性。

实施例3：特殊情况(超长跨度跨江跨河，严重冰冻及腐蚀严重地区)下的应用

跨江跨河及大跨度应用或严重冰冻地区需要高强高模量的致密导线。若该电力传输线路受到热弧垂的约束，则要求部分或整个热拐点的抑制。若传输线路弧垂架空距离受到冰载荷或导线重量驱使，则要求使用高强轻质的纤维增强复合材料承力芯)借助一部分或多数铝合金(例如铝锆合金，6201-T81)承载来降低弧垂(导线热拐点受较少的抑制，即额外的导电材料层(预应力处理过的承力芯包覆导电层以外)不承受预应力处理。)对导线充分预应力处理使其接近设计冰载荷以便导线在高张力作用下具有最大架空距离而同时对电塔没有过度的机械张力载荷。这要求承力芯预张力处理能够伸长至少0.1％，最好至少0.25％。微风振动在长跨度的应用中通常是危险的，使用导线的热拐点被大幅下降(如拐点降低超过30度)是非常重要的，降低拐点温度至微风振动最常在冬季发生的典型温度以下将可以把导电线的自阻尼最大化。致密的自然光滑外形如封闭的同心表面导电层将最小化冰的积聚及大大减少风载。若导线有足够尺寸，外层额外绞合的导电层其绞线应首选构造如Z，TW，C及S绞型线减小风载。对关键传输跨度的导线损伤探测，实时监控导线的精确弧垂，导线温度及导线应力，可通过装入单根或多根光纤于承力芯与第一包覆层(光纤最好未拉伸处理以保持其使用寿命)间界面。

本发明的导线尤其适用于腐蚀和侵蚀地区。导线表面完全封闭，没有通道供污染物，粗糙的砂子或颗粒进入导线内部。传统导线导电绞线间的间隙是容易的通道，导致电线内部腐蚀。对于金属性质的承力芯，包覆的导电材料完全将其与外界屏蔽使其免受腐蚀的影响。

当导线应用对导线热拐点不敏感时，但要求与低成本金具匹配，且易于安装及修复，导线生产过程中的预应力处理步骤虽然不绝对需要但仍为可选及首选的，因为冰载荷或导线重量驱使的电路段导线应用通常选用铝合金，这会导致大幅抬高导线热拐点。适当降低热拐点使其低于日常的工作温度有助于应付微风振动及控制热弧垂以便处理N-1及N-2的紧急情况时高输电容量要求，而同时，拐点没有过量的降低(即极度重冰事件发生的温度以上)以便遭受极度重冰袭击时，导线有铝合金部分承载来应付及控制载冰弧垂。

实施例4：配电线路及光缆地线应用

电力配电线路不涉及电晕效应，因其操作电压低于110KV。导线可以是裸露或绝缘的。配电导线中电流密度通常是较高的(传输导线的2-4倍)，线损及能效在配电网是非常相关的及重要的。导线，金具及安装的成本在配电线路中更重要。配电线路中通常有容量限制，但N-1或N-2紧急情况需要时将要求更高的导线容量。对于60Hz的交流线路，铝导线的表面效应深度为16.9毫米。本发明的包覆承力芯导线非常适用于配电线路网络：A)该导线是致密的，充填率接近100％，最小化了电阻及线损而最大化了线路容量。由于承力芯预应力处理的结果，导线热拐点大幅降低，碳纤维复合材料承力芯几乎无热弧垂，甚至本发明相关的钢芯承力芯导线的热弧垂亦是非常易控制的。致密配电导线相对较小的半径有助于导线卷绕到导线卷盘上，同时它又足够大，使导线中的承力芯免受误操作尤其是尖角的损伤。使用小的复合材料承力芯绞合导线虽然具有非常优越的弯曲半径范围，然而，它也极易遭受尖角情况损伤，这是因为复合材料承力芯遭受急弯点处的非常小的半径时，会造成过度的轴向压应力及纤维屈曲破坏。本发明中的配电导线尤其是使用碳纤维复合材料承力芯，承力芯预应力处理及拉伸应力的保留减轻了甚至消除了轴向压力导致纤维屈曲断裂的危险性。包覆的导电层消除了复合材料芯遭受导线内极端尖角导致危险的轴向压力的可能性。本发明亦消除了灯笼变形的危险，因本发明的导电线不存在这种可能性，承力芯免遭影响导线寿命的湿气，紫外线及氧的侵入。导线的包覆与现有的金具及传统的张力夹及联接线夹所采用的压制工艺完全匹配。导线的致密结构使其适用于与低成本MaClean联接线夹及张力夹具通过简单插入导线或来自PLP等公司(即承力芯处于预应力的导线)的简单的螺旋夹具来实现张力夹或联接线夹的目的，使现场修复高效率及省钱。

除了低成本，抵抗误操作及高容量(常温及高温下)，本发明导线(即表2中的新-铝New-Al)具有最佳高能效。例如，在下列表2分布导线中，本发明的导线有类似的其它导线类型的外径。但具有高强度及低电阻。本发明导线在四个分布式导线选择中运行温度最低，其具有最高的容量(几乎为铝合金导线AAAC的两倍)及最低的线损。假设批发电价为$100/MWhr，本发明导线与同等大小的碳纤维导线ACCC相比效率提高10％以上，与同等大小的铝合金导线AAAC相比效率提高25％以上。每年，该发明导线与同等大小的碳纤维导线ACCC相比每米节省大约$1.85，与同等大小的铝合金导线AAAC相比由于线损降低每米可节省-$6.8。对于重冰地区(如30毫米的冰)，或导线有较长的跨度距离(如200米)，本发明的导线(即新-铝锆New-AlZr)弧垂亦是最佳的。

表2：同等导线大小的配电导线比较

配网线路亦可被考虑用来传送光纤到家。使用中空芯导线(预应力处理的)，芯线中穿入未拉伸的光纤电缆，电网公司有非常便宜的方法来促进“光纤到家”的解决策略。用于光缆应用的本发明地线几乎没有额外的弧垂，使用中空包覆的承力芯可以很好解决光缆地线对由复合材料承力芯组成的相线弧垂不协调问题，中空芯内部的光纤或光缆还可用于连续监测温度，载荷，电流，张力，或者，该光纤也可主要地用作光纤通讯(电讯公司)。

虽然本发明首选的实施例已用专一术语进行了描述，前述对实施方式的描述说明用于解释和说明。应当知道，特定实施方式的各个元件或特征一般并不限于该特定实施方式。相反，即使没有详细示出或描述，在适用时，其也可以相互替换并可用于所选实施方式中。同一事物还可按多种方式进行变化，这些变化不会被视作背离了本发明，并且所有这些修改均意在被包括在本发明的范围内。这样实施例的变动其包括但不限于等效特性或部件的替换，及各种各样特性的互换，其可由本行业普通技术人员来实践但没有违背以下权利要求的精神或范围。

Claims (10)

1.一种降低热拐点的高能效导线，其特征在于，包括：

一根或多根承力芯线/棒，由一股或多股纤维增强的复合材料芯线/棒组成，且承力芯线/棒承受至少0.05％的张力应变，而且承力芯线/棒必要时有一适当的绝缘层来避免承力芯与导电层可能出现的电耦合化学反应；以及

导电部分至少有一层包裹型的导电材料，比如铝，铝合金，且可能有更多的同心包裹导电层，甚至敷绕在外层的导电丝；以及

导电包裹层有足够厚度(>0.5mm)，而且是几乎不承受张力，导电包裹层主意是为了导电，同时也保护承力芯线/棒(比如氧化，高温，腐蚀，以及施工及生产运输过程中可能因为承力芯线/棒经历过大应力尤其轴向压应力造成的承力芯损伤)；以及

该电线电缆是绕在圆盘上的。

2.根据权利要求1所述的降低热拐点的高能效导线，其特征在于，承力芯由基本上连续增强纤维(碳纤维或陶瓷纤维；纤维玻璃纤维及玄武岩纤维，以及可能的其他类的绝缘层)在一个树脂基内(热固型或热塑型或金属型，也可能由有机或无机的充填材料)组成，而且该承力芯可以是单根或多根，可以是实芯或空芯，当承力芯为空芯时，这承力芯可同时把光纤放入空心部分用于光通讯，尤其在地线或配电线路上应用，铝导电层可以是铝(包括硬铝)，铝合金(包括高温铝合金)以及全退火处理过的软铝。

3.根据权利要求1所述的降低热拐点的高能效导线，其特征在于，导电层的铝或铝合金至少一层，也可以是由多层同心层铝或铝合金管组成，或用铝或铝合金线绞绕于铝或铝合金包覆过的承力芯上，承力芯经历过预张力处理，在过第一施工滑轮前希望至少有0.05％剩余张力应变在承力芯，承力芯的线膨胀系数不超过15x10^-6m/m/℃,承力芯有至少3KN的径向抗压能力，以避免承力芯在金具压制时可能出现损伤，所述导线至少可以有500m的生产长度。

4.根据权利要求1所述的降低热拐点的高能效导线，其特征在于，承力芯可以是单根，类似于CTC或Nexans的单根碳纤维导线；也可以是多根，类似于3M的ACCR，东京制钢及南线公司的C7，部分或全部的承力芯表面进行过处理来达到承力芯与包覆导电层之间的紧密牢靠牢固结合，表面特征包括凸出或凹陷构造，编织纤维层，或承力芯最外层缠绕了纤维束(与增强纤维方向不同)来增加包覆导电层与承力芯之间的结合及摩擦力，缠绕的纤维束可以留在承力芯表面，也可以去掉，导线最外层(承力芯包覆导电层外)除了可以是多层包覆层，也可以是梯形、Z、S或C型及圆型的导电线丝，或者是这些线丝的混合。

5.根据权利要求1所述的降低热拐点的高能效导线，其特征在于，承力芯被充分保护在包覆导电体内，杜绝了施工中可能遇到的尖角弯曲所造成的轴向压应力对承力芯的剪切破坏损伤，这对小承力芯的导线尤其重要。导线在施工过程中被不当操作，比如出现尖角弯曲状况，可以直接通过检查包覆导体层的损伤(张力边永久伸长变形，压力边有明显压痕)。

6.根据权利要求1所述的降低热拐点的高能效导线，其特征在于，所述导线适用于配电线路(<110Kv)，而且常用的施工工艺，工具及金具可以很完全的被采纳，高紧密度的铝导电层同时最大增容及最小线损，所述导线尤其适用于大跨度及重冰区，因为它的强度对重量比很优越，而且热弧垂被很好的通过预张力应用在导线上而解决，导线的光滑表面，导体层的致密结构最大限度的降低风阻及冰载荷，而且承力芯可以用于很高的使用温度，因为承力芯不直接受到氧化或环境的负面影响，本发明导线特别适用于环境污染严重，海边及有沙尘暴的沙漠地区，因为导线及其承力芯被其光滑无缝隙的表面材料保护。

7.一种导线的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

送一根或多根承力芯线/棒到一个连续包覆机，适合于连续包覆铝、铝合金，承力芯线/棒可以是纤维增强复合材料；包括但不限于碳纤维增强复合材料；

从连续包覆机内连续挤压铝及其合金层，或连续挤压铝及其合金的型材，过挤压/拉模具，该导电层材料(铝，铝合金)被足够冷却来保护承力芯材料,紧密敷绕在纤维增强承力芯的表面来形成一个完整的导线电缆；

必要时，可敷绕单层或多层的铝及其合金丝，在导线层敷绕后的承力芯上来进一步增加导体的面积及导线的容量及导电率；

最后把完成的电线电缆绕在线盘上，导线中的导体层基本上不承受张应力，或者是承受压应力，而承力芯是承受(剩余)张应力，而使导线达到一个低的热拐点。

8.根据权利要求7所述的一种导线的制造方法，其特征在于，包覆过程包括金属的软化，甚至熔化及挤压/拉成型为铝管形成至少0.5mm厚的导电层，导线伸长步骤涉及到造成包覆的铝材料层经历张力变形而且该变形超过铝材的相应塑性变形起始点，铝材导电层有至少94％的填充系数，最好是高于98％的填充系数，但在超高压及特高压线路上所要用的本发明导线不同，因它们可能在导电层引用空穴来做扩径处理。

9.根据权利要求7所述的一种导线的制造方法，其特征在于，承力芯由热固性复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料的可能高达500℃的温度，其树脂玻璃转化温度高于100℃，最好在150℃以上，承力芯也可以由热塑性复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料可能高达500℃的温度，其树脂基熔点高于75℃，最好在150℃以上，承力芯也可由陶瓷增强复合材料组成，其表面层可以短时间内承受包覆材料可能高达500℃的高温，其基体材料熔点应高于150℃，最好在200℃以上。

10.根据权利要求7所述的一种导线的制造方法，其特征在于，必要时承力芯的表面材料具有足够的电绝缘性来有效避免在包覆导体与承力芯之间可能出现电耦合化学腐蚀，承力芯可以通过挤拉工艺，比如用多束碳或玻璃纤维或碳及玻纤一起经过挤拉工艺制成，而且该挤拉工艺可直接与包覆机连接来减少生产周期及生产成本。