CN106415738A - 用于裸露架空电线的导体，尤其是用于高电负载下的低膨胀和中高热限制 - Google Patents

Abstract

一种用于裸露架空电线的电导体(1)，其包括承载芯部(4)，用于电能传输的导电部件(3)布置在所述承载芯部上，其特征在于，所述承载芯部(4)包括多根对齐的芳族聚酰胺纤维，所述芳族聚酰胺纤维限定了一根或多根绳，所述绳卷绕在一个或多个护套(2)中。

Description

用于裸露架空电线的导体，尤其是用于高电负载下的低膨胀 和中高热限制

技术领域

本发明涉及一种用于电线的导体，尤其是用于裸露架空电线的导体，尤其是用于大功率、用于高电负载下的受限膨胀和中高热限制。

背景技术

由于铝导体较之适于电力应用的其它可行导体(诸如，铜、金和银)具有良好的导电性、低成本以及低重量，因此架空电力线通常由铝导体构成。然而，由于铝的机械性能欠佳，因此通常在内部用钢丝增强导体，从而允许其安装。近期需求导向例如通过增大导体横截面来逐渐增大在现有电线上传输的功率。因此，需要制造这样的系统，所述系统在保持足够的机械性能的同时更轻。

电线导体类型的选择由导体自身的最终操作条件确定，特别是使用寿命、机械应力和环境条件。实际上，如在文献中广泛记载的那样，连同恒定施加机械应力，架空导体承受的最重要的环境影响是持续暴露于温度、湿度、UV可见辐射以及侵蚀性化学剂。

根据国际标准，例如，意大利CEI 11-4(1998-09)标准，“室外架空电线的执行”，室外架空电线定义为“安装在地面上方的室外的电线，其由具有相应绝缘体、支撑件和附件的裸露导体构成”。该标准还要求EDS(每日应力)条件下的导体的容许应力不应当超过固定导体情况下的断裂负载的25％以及未固定导体情况下的断裂负载的30％(即，在张紧阶段期间)。在导体的整个使用寿命期间必须满足这些条件，所述导体的使用寿命在需要替换导体之前估计大于40年至50年。因此导体必须在有限蠕变延伸的情况下具有随着时间而保持其机械和疲劳强度特性。

在适用于架空传输电力的电导体中，铝导体为最广泛使用的一种导体。用于架空传输的导体通常分为均质导体和非均质导体。均质导体仅仅包含铝合金(AAAC)并且既用于电流传导又作为支撑材料，而非均质导体包含增强材料芯部，所述增强材料芯部适用于承受导体的重量。根据用作增强件的材料，可以鉴别四种类别，即，包含钢芯部(已知为ASCR、ACSS和GAP型)、包含用于导体增强件的特殊金属合金(铁镍合金，INVAR)、包含金属复合物(具有长铝纤维的铝锆合金，ACCR)、以及最后是包含聚合物基体化合物(已知为ACCC：碳纤维内层和环氧树脂中玻璃纤维外层)。

需要从电线获得的电力一直在增加；因此，已经研发了新系统，以便克服过量需求问题以及减小电缆损耗。由于过高温度，因此非常重要的是试图限制电线下沉以及增加其电流容量。首先研发的解决方案需要使用由钢丝(ACSR)构成的内部支撑件，所述钢丝之后进一步改进，以在高温度下提高效率；预先张紧内部丝线(GAP型)；或者使用具有梯形状(ACSS/TW)的退火铝丝。这因钢增强件而提供了更好的机械性能，但是却面临线性膨胀系数过大的问题，线性膨胀系数过大使得不能消除电线下沉问题。

还已经发现的是，上述类型的导体具有相对低的“传输电力-每米重量”比；这归因于钢，所述钢大幅增加了重量而没有有效地有助于传输电能；结果是实际传输电能的横截面只是铝丝的横截面。

由增强芯部支撑导体的重量的一直增加的必需性已经引导了产品演化，以便能够用作具有仅仅少量合金元素的导体退火铝合金，从而较之使用由加工硬化或者热处理和沉淀硬化的更牢固的等效物的情况具有更少的电负载损耗。朝着由导体传输的功率增加并且因此温度更高的日益增长趋势使得需要使用除了传统钢之外的其它材料，所述材料承受过度伸长现象。因此考虑用这样的材料替换钢芯部，所述材料具有类似的机械性能，但是具有更低的热膨胀系数(如在用于高温应用的INVAR合金的情况中)以及更低的比重(如用铝纤维或者聚合物基体化合物增强的轻质铝合金)。

导体在其整个使用寿命期间将承受温度、湿度和化学侵蚀方面的潜在的恶劣环境条件。当导体放置在密集工业区域附近或者大型城市中心的郊区或者近海区域或者一直暴露于海洋风的区域中时，可能具有高浓度的盐、氮氧化合物、二氧化硫以及大气颗粒(由于存在SO₄ ^--、NO₃ ^-离子、SO₂沉淀物以及HNO₃沉淀物而形成的酸)。结合温度和湿度的作用，这样的化学剂的存在可能有损用作增强件的材料的使用寿命和性能。

尽管包括由合成材料(所述合成材料普遍由碳纤维和环氧树脂构成)制成的承重元件的导体开始投放市场，但是这种解决方案仍然具有两个缺陷：一个涉及材料的高成本，另一个涉及铝和碳之间的电偶腐蚀问题。

WO2012/142129-A1描述了一种电缆，所述电缆具有外绝缘涂层并且包含电缆芯部和围绕电缆芯部的多个导电元件。电缆芯部由合成材料制成。

如已知的那样，在电缆和电导体之间存在明显不同。“电缆”指的是装配有外部绝缘涂层的用于电能传输的部件。“导体”指的是用于电能传输的部件，该部件的应用和操作不需要其外部绝缘。

高于某一操作电压值时，用于确保适当电缆绝缘的材料层将必须变得如此之厚，以致于电缆难以安装。因此，在WO2012/142129-A1中描述的电缆不适于应用在本发明的范围内，所述本发明的范围涉及“裸露”架空导体，即，没有外部绝缘的导体。

通过组合不同种类的材料获得诸如在WO2012/142129-A1中描述的合成材料，以与这些原始材料相比得到新的或者改进的性能。因此合成材料是由不同相构成的非均质材料，所述不同相能够彼此分离。在其最简单的型式中，合成材料由散落到连续相(基体)中的分散相(增强件)构成。基体的任务是保护和支撑增强件，从而将其保持在其原始位置，以及将任何外部应力均匀地传递至增强件。因此增强件能够显露其物理和机械性能，从而提高了基体的特性。为了基体和支撑件之间的这种协同效果充足发展，需要通过用基体浸渍增强件而在基体和支撑件之间建立良好的接触，并且即使在存在高外部机械应力的情况下也保持这种接触；后一要求可以表述为相之间的良好粘合。

如在WO2012/142129-A1中具有合成芯部的导体设置有碳纤维增强件和环氧树脂(ACCC)基体。然而，基体意味着在挠性、热膨胀、操作温度方面的某些限制以及导体的重量增加，使得这些电缆不适于应用在本发明的框架内。

KR2012-0018473-A描述了一种电导体，所述电导体具有芳族聚酰胺增强件，所述芳族聚酰胺增强件的护套仅仅实施防止水和水分损坏芳族聚酰胺增强件的纤维的功能。本专利待解决的问题是防止UV射线撞击芳族聚酰胺纤维，如已知的那样，所述芳族聚酰胺纤维在暴露于这种辐射时显著退化。

KR2012-0018872-A描述了一种具有多丝线芯部的电导体，其中，所述芯部的每根单丝线覆盖有铝管，所述铝管的厚度介于0.05mm和0.25mm之间。在后续处理步骤期间以及在安装导体期间，这种薄管可能会易于被损坏。另一方面，如果为了克服这种问题采用更厚的管，则这意味着因管的热膨胀而产生更高的应变，与芳族聚酰胺纤维的负热膨胀系数相比，这将意味着管相对于纤维超长，从而恶化了整个导体的热膨胀特性，如果我们考虑从数百米至数千米的标称导体长度范围，这将不能忽略不计。而且，金属涂层将提供对疲劳机械现象的欠佳的抵抗力以及提供低弹性。

发明内容

因此，本发明旨在提供一种用于裸露架空电线的导体，所述导体克服了上述缺陷并且具有所要求的物理机械特性。

本发明的一个目的是提供一种用于裸露架空电线的导体，特别地与相同尺寸(即，外径)和相同总质量的传统导体相比，所述导体能够运输高电力。

本发明还旨在提供一种用于裸露架空电线的导体，所述导体具有足够的物理和机械特性，其具有诸如以下性能：

·足够的刚性，从而不会在安装期间和操作时过度变形，并且不需要过度预拉伸；

·良好的断裂强度，以便能够承受初始预先拉伸并且在其使用寿命期间支撑导体重量；

·良好的静态和动态两方面的耐热性，以便能够承受由电损耗引起的热循环；

·非常良好的蠕变阻力，从而使操作中的伸长减小，所述伸长在导体的整个使用寿命期间将小于1％；

·低热膨胀系数，以便限制操作温度升高情况下电缆的伸长；

·对于由风导致的振动，良好的疲劳强度。这在没有专门为此设计横截面的几何结构的情况中尤为重要。

本发明的基本理念是作为上述问题的解决方案提供一种用于电线的导体，所述导体具有包括芳族聚酰胺纤维的承载芯部，上述问题长期存在但一直没有得到有效解决。如在权利要求1中所述的，本发明涉及一种用于裸露架空电线的导体，所述导体包括承载芯部，在所述承载芯部上布置有用于电力输送的导电部件，其特征在于，所述承载芯部包括多根对齐的芳族聚酰胺纤维，所述多根对齐的芳族聚酰胺纤维限定了卷绕在一个或多个护套中的一根或多根绳。

优选地，芳族聚酰胺纤维由或者或者制成。

优选地，护套由热塑性材料制成。

本发明解决了现有技术的电导体解决方案在挠性、热膨胀、操作温度方面所遭受的问题，同时不会增加导体重量。另外，本发明的导体的芳族聚酰胺纤维因为其不遭受脆性而损坏，所以能够在不需要支撑基体的情况下使用，从而消除了装配有合成材料增强件的导体所受到的约束。

本发明还解决了由现有技术的解决方案所遭受的问题，其中，其防止UV射线撞击芳族聚酰胺纤维，否则芳族聚酰胺纤维将在暴露于这样的辐射的情况下经受显著退化。

本发明还解决了现有技术的解决方案所遭受的关于在使用过程中由各种材料层中的不同热膨胀导致的应变的问题。

本发明还涉及一种联接端子，其用于将用于电线的导体的终端零件联接到电线塔。

本发明的特定目的是如作为本说明书的一整体部分的权利要求中更好地陈述的那样，提供一种用于裸露架空电线的导体，特别地用于大功率、用于高电负载下的受限膨胀和中高热限制。

附图说明

参照附图，按照根据本发明的导体的优选但非限制性的实施例的描述，本发明的进一步的特征和优点将变得更加显而易见，其中：

图1a和图1b示出了根据本发明的导体的横截面的两个变型；

图2示出了表示一些纤维和金属材料以及的耐化学性的表格；

图3示出了用于基于碳纤维、玻璃纤维、铝、和芳族聚酰胺纤维的合成材料的应力-应变对比曲线；

图4.1至图4.4示出了关于的耐化学性能相对于诸如酸(图4.1)、碱(图4.2)的物质、盐溶液和其它物质(图4.3)、有机溶剂(图4.4)的物质的一些对比表格；

图5示出了用于具有由芳族聚酰胺纤维制成的承载芯部的导体的联接端子的示例；

图6示出了关于高强度钢丝、ACI 20SA(铝包殷钢)丝、和芳族聚酰胺纤维丝的一些性能的对比表格。

在附图中，相同的附图标记和字母标识相同的项目或部件。

具体实施方式

根据本发明的用于裸露架空电线的导体的特征在于，其采用了芳族聚酰胺性质的纤维增强件，特别地用于高达120℃的操作范围以及高达150℃的峰值。

作为非限制性示例，在此将考虑芳族聚酰胺纤维。

如从图2中示出的表格可以理解的那样，与能够用于增强用于架空电线的导体的其它材料相比，纤维具有高比断裂模量(比碳的比断裂模量高70％)和高比弹性模量(高于钢的弹性模量的三倍)。与作为典型增强材料的钢相比，纤维轻五倍并且具有高于超过30％的更高的断裂负载，而且这决定了高大约七倍的比断裂模量。当与也用作用于架空导体的增强件的最佳的铝合金相比时，芳族聚酰胺纤维的弹性模量高86％，断裂负载高450％，这与它们的密度组合，提供了高于超过三倍的比弹性模量以及提供了两倍的比断裂模量。

如图3中可见的，其示出了基于碳纤维、玻璃、铝和芳族聚酰胺纤维(例如，作为非限制性示例的)的合成材料与用于增强架空电线的导体的其它已知材料相比较的应力-应变对比曲线图，该合成材料在断裂之前吸收更多的能量，由此实际上导致产生了易延展的增强件。如果一方面基于石墨的增强件具有高弹性模量和断裂负载，则另一方面需要在存储和处理两个阶段期间更关注脆性拉伸行为。相反，芳族聚酰胺增强件的行为就破坏形态而言与金属类似，这确保在处理期间更加便捷的操持。

考虑到恒定负载作用下(蠕变)的芳族聚酰胺纤维的行为，已经发现，在10％断裂负载的情况下，芳族聚酰胺纤维纱线不会遭受湿度而损坏并且即使在大约120℃下也保持非常有限的蠕变速度。

考虑到增强相，碳纤维可以引发与铝的电偶腐蚀，尽管除了氧化之外在超过600℃的高温下碳纤维并没有经历任何退化。

如图4.1和4.2所列出的，芳族聚酰胺纤维不会暴露于化学品，在芳族聚酰胺纤维使用寿命期间，导体将有可能接触化学品。必须指出的是，它们不会遭受暴露于有机溶剂(例如丙酮和煤油)和海水而损坏。特别地，可以发现的是，芳族聚酰胺纤维不会遭受与10％浓度的硫酸接触100小时而损坏，并且不会遭受与99℃的、10％浓度的氯化钠接触100小时而损坏。

虽然已知芳族聚酰胺纤维不会遭受温度、湿度和腐蚀方面的严苛环境而损坏，但是考虑到大约40年的使用寿命，优选采用防护套卷绕在芳族聚酰胺纤维增强件上。

在长期运行中，实际上，可能产生关于UV辐射的敏感性的问题(这对于包含苯环的聚合物材料是典型的)，暴露于强酸和强碱(100℃的乙酸和苯甲酸、盐酸、硝酸、氢溴酸、磷酸、硫酸、氢氧化钠和漂白剂)的问题，以及暴露于一些浓盐(100℃的硫酸铜、磷酸钠和氯化铁以及高于120℃的氯化钠)的问题。

即使芳族聚酰胺纱线众所周知地非常耐剪切和耐疲劳、拥有长的使用寿命以及动态负载，它们承受的热负载和相对摩擦也可能会随着时间一根纤维一根纤维地损坏芳族聚酰胺增强纱线，除非对其进行足够保护。

因此，护套执行将芳族聚酰胺纤维与来自大气的局部累积浓度的溶剂/酸/碱/盐化学地隔离开以及通过物理地隔离芳族聚酰胺纤维使之不接触导体的上层而保护芳族聚酰胺纤维增强件纱线的功能。护套将还用作这样的元件，所述元件用于保持纱线受约束和紧凑并且用于保护芳族聚酰胺纤维免于暴露于UV辐射。

在此应当考虑使用由弹性体聚合物材料，诸如，作为非限制性示例的(热塑性弹性体聚酯)或者TPU(热塑性聚氨酯)制成的护套，耐高达150℃的温度。当与添加剂、色素和稳定剂(例如作为非限制性示例的受阻胺光稳定剂(HALS)适当混合时，护套能够抵抗由紫外线辐射、湿度、有机溶剂、极性溶剂以及稀释的酸和碱溶液引起的环境侵蚀。

参照图1a、1b，示出了一种用于电线的导体，所述导体整体用附图标记1表示。

导体1包括承载芯部4，在所述承载芯部上布置有用于电力输送的导体3。

芯部2至4由卷绕在热塑性材料护套中的由芳族聚酰胺纤维丝制成的一根或多根绳4构成。

优选地，芳族聚酰胺纤维的直径介于1微米和100微米之间。

优选地，芯部的直径介于1毫米和100毫米之间。

芳族聚酰胺纤维借助于在与具有钢承载元件的普通导体的使用寿命兼容的时间内能够承受高温度的容纳护套组装。

通过高压塑性挤压施加围绕绳4的热塑性材料护套2。

热塑性材料护套2被挤压在芳族聚酰胺纤维的绳4上，用于容纳所述绳而且用于保护它们以免被UV太阳射线损坏，如前所述。由作为非限制性示例的或者TPU制成的所述护套耐150℃的温度峰值并且能够在120℃的操作温度下工作高达40年。

此外，导体1包括多根导线3，所述多根导线覆盖(以螺旋方式卷绕)在芯部2-4上，以便围绕芯部2-4限定圆形冠部。

然而，在其它示例中，可以设置导线3的多于一个的圆形冠部，所述圆形冠部一个套一个地同心布置；有利地，导线3的叠置的圆形冠部可以为5个。

导线3具有圆形横截面或者可以成形为像圆形冠部扇区一样；作为替代方案，它们可以具有任何其它横截面，所述任何其它横截面可以与在电力输送的框架内应用导体1兼容。

对于电应用，导线3由纯度高于99.5％的退火铝或者Al-Mg-Si或Al-Mn或Al-Zr合金或者其它铝合金制成。

在优选但非限制性的实施例中，芳族聚酰胺纤维由或者或者制成，芯部2的护套2a由或者TPU热塑性弹性体聚酯制成，并且导电裙部通过由Al-Zr合金制成的导线3形成。

基本如下所述，根据本发明的导体1的操作鉴于上文描述以及附图显而易见。

当安装导体1时，芯部2-4(包括芳族聚酰胺纤维的绳4和护套2)支撑导体1，而导线3特别地专用于能量输送。

在操作时，在跨接安装之后，导体的温度升高并且超过某一预定值(应力过渡点或者曲线拐点)，将在芯部(包括绳4和护套2)和导线3的冠部之间由于它们不同的热膨胀而发生脱离。

然后，随着温度进一步升高，导体1将根据芯部的膨胀系数(其极其小)而膨胀，不是根据导体1整体的平均膨胀系数(包括导线3，平均膨胀系数因铝或其合金的更高比例而更高)而膨胀。

这将致使跨接挠曲(span deflection)尽管高温(＞100℃)也保持与安全规则兼容。

从上述描述清楚的是本发明的电导体适于在高于90℃的操作温度下应用并且其热膨胀系数小于18*10^-6/℃。

作为当前导体的替代物而构思用于安装在当前的电线上的导体需要适当的端子联接件。优化的解决方案是基于在锥形插入件上发展的摩擦的构造。

负载因锥形部均匀地分布在纤维上，所述锥形部压抵在相应插入件的仅一层纤维上。一旦处于牵引中，纤维便将通过摩擦拖曳锥形部，从而通过压缩紧固纤维。

图5示出了适于将电导体的端子部分联接到电线塔的联接端子的实施例的示例。

联接端子主要包括以下元件：

-端盖51，所述端盖在一侧上包括待联接到电线塔的销52，在另一侧上包括螺纹开口53；

-中空末端体54，其具有截锥形状，所述中空末端体在其较大的一侧上包括螺纹55，所述螺纹适于旋拧到螺纹开口53中；

-紧固锥形部56，其适于插入到中空末端体54中，以便将导体的末端部分的所述多根芳族聚酰胺纤维紧固到中空末端体54中；

-优选地，还设置有垫片57，所述垫片密封中空末端体。

首先，在移除外部垫片的第一部分(长度等于紧固锥形部56的长度)之后，需将绳58插入到中空末端体54中，中空末端体优选由铝合金(或者钢)制成。然后，需将适当布置由垫片释放的所有纤维：实际上，需将纱线相对于中心打开，并且需将纤维适当地彼此分离并且均匀分布在仅一层上。最后，需将锥形部56的末端朝绳的中心部分插入，使得纤维自身将布置在其倾斜表面上。

闭合末端体之前的最后操作将是，借助工具或者小锤子，通过将锥形部推向末端体54的内部而将楔子56定位到其座部中。在使用之前，因两个主要原因需将施加一些牵引力。第一个原因是必须使楔子-纤维连接稳固，以避免在操作中因安置导致任何不希望的伸长。第二个原因是必须消除绳内纤维因在作为线圈储存期间呈现的曲率导致的任何可能的未对准。

为了确保良好隔离防止湿气通过毛细管作用进入绳，可以在末端体上使用挠性垫片57，例如基于硅树脂的密封剂或者硫化带。

应用本发明得出的优点显而易见。

与具有钢承载元件的传统导体相比，芳族聚酰胺纤维允许制成的导体能够因其轻质以及高断裂负载而在高于100℃的操作温度下以相同的挠曲工作。

导体允许较之具有钢承载绳的等效传统导体增加大约20％的导电率；实践中，根据本发明的导体允许制成这样的架空电线，使得在导体质量和大小相等的情况下允许关于它们的操作温度传输50-70％更多的电力。

作为ACI(铝包殷钢)丝的替代，芳族聚酰胺纤维丝能够应用在具有高电负载下减小的膨胀和中高热限制的导体中，从而使得质量大幅减少，由此能够利用差异增加导电材料的质量(铝或者其合金)而不会增加导体的总质量。

由于芳族聚酰胺纤维的接近零的膨胀系数，能够制造用于高热限制的导体，其中，120℃下的挠曲等于或者小于具有钢或者Invar(铁镍合金)承载元件的导体的挠曲，从而消除了关于电线塔过载和跨接挠曲的问题。

可以对实施例的上述示例作出修改而不背离本发明的保护范围，包括本领域技术人员所知的所有等同设计。

可以将各个优选实施例中示出的元件和特征组合在一起而不背离本发明的保护范围。

由上述描述，本领域技术人员将能够在没有引入任何其它构造细节的情况下实现本发明的目的。

Claims (8)

1.一种用于裸露架空电线的电导体，其包括承载芯部，用于电能传输的导电部件布置在所述承载芯部上，其特征在于，所述承载芯部(4)包括多根对齐的芳族聚酰胺纤维，所述芳族聚酰胺纤维限定了一根或多根绳，所述绳卷绕在一个或多个护套(2)中，并且所述电导体适于在高于90℃的操作温度下应用，其热膨胀系数低于18*10^﹣6/℃。

2.根据权利要求1所述的电导体，其特征在于，所述芳族聚酰胺纤维由或者或者制成。

3.根据权利要求1所述的电导体，其特征在于，所述芳族聚酰胺纤维的直径在1微米至100微米的范围内。

4.根据权利要求1所述的电导体，其特征在于，所述承载芯部的直径在1毫米至100毫米的范围内。

5.根据权利要求1所述的电导体，其特征在于，所述一个或多个护套由热塑性材料制成。

6.根据权利要求5所述的电导体，其特征在于，所述热塑性材料是弹性体聚合物材料、优选或者TPU、热塑性聚氨酯，这些材料与添加剂、色素和稳定剂混合。

7.根据权利要求6所述的电导体，其特征在于，所述稳定剂是受阻胺光稳定剂(HALS)。

8.根据权利要求1所述的电导体，其特征在于，所述导电部件包括多根圆形或异形导线，所述多根圆形或异形导线布置在所述承载芯部上，所述导线在所述承载芯部上限定了至少一个圆形冠部。