CN108461205A - 一种新型导线及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种新型导线及其应用，由内到外依次为承力芯、导体包覆层、导体绞合层；所述承力芯为一根异形空心承力芯，所述异形空心承力芯内设有一根或者数根光纤。所述一根或者数根光纤作为通讯应用、温度的感应器,提供导线运行温度、运载电流，风阻及冰阻，包括结冰速度及结冰厚度，线路事故准确定位等智能导线功能。本发明意在通过特殊的结构、设计来解决现有复合材料芯导线的弊端并提供光电混合输送功能。

Description

一种新型导线及其应用
技术领域
本发明专利属于电力输配领域用电线电缆技术领域，具体涉及一种新型导线及其应用。
技术背景
随着我国经济的迅速发展，城市现代化进程的明显加快，城市规模的不断扩大和新农村建设的快速发展，电力需求快速增长。而且由于能源分布和东西部发展的不平衡，急需解决能源大功率、长距离输送的瓶颈问题。虽然超高压的建设部分缓解了这种矛盾，但受制于传统钢芯铝绞线承载能力的限制，输电线路已不堪承受传输容量快速扩容的需求，电力传输成为电力工业发展的“瓶颈”。
ACSR普通钢芯铝绞线，其缺陷：不能高温运行，限制导线的容量，载流量有限；钢芯重，热膨胀系数大，热弧垂大；节能需要靠大导线，导线本身很重，需要更高的铁塔，工程成本高。
碳纤维导线采用了碳纤维复合材料的强度高、重量轻、热胀冷缩小特性,替代了普通导线中的钢芯作为承力芯材料。所用碳纤维复合材料为圆形棒式结构,可粗可细,可以是单根(美国 CTC或欧洲Nexans)或者多股(东立制钢或美国南线),碳纤维复合材料芯中的增强纤维除碳纤维外,还可以包括玻璃纤维及类似增强纤维,基体材料包括热塑型塑料或者热固型树脂。因碳纤维复合材料承力芯强度高、碳纤维导线一般采用退火软铝作导电介质,也可以用铝合金或硬铝。碳纤维导线，节能减排，电流密度比普通的钢芯铝绞线增加30％，线损减少30％，与线损相关联的是发电所产生的二氧化碳可以减少30％。其缺陷：导线芯用玻纤和碳纤复合材料来做，承力芯的模量比钢芯小很多，形成较大的冰区弧垂，大跨越以及大导线因为自重，或者因为覆冰，风阻之类的载荷形成大弧垂，而导致电塔加高或者增加电塔，减少塔距，工程成本增加；承力芯的耐压能力不足，径向压力时，易分裂损伤，需用昂贵的专用金具；弯曲时，承力芯尤其是碳纤维承力芯，因为剩余的应力作用，容易折损；复合材料暴露于环境，使用寿命受环境影响较大,尤其水化及氧化分解对复合材料芯的严重破坏。
碳纤维导线在过去的十年里得到了广泛的认可和应用，其碳纤维承力芯具有最低的热膨胀系数，所以其在热拐点以上的热弧垂很小，其载流的的运行温度可以达到200℃，它的载流量也远优于传统导线，因为其强度高，重量轻，耐腐蚀等优良特性，现在已经逐渐开始有代替传统钢芯铝绞线的趋势。
然而，其碳纤维承力芯的热拐点温度大于70℃，因此在该温度以下，导线的伸长率依然由铝绞线决定，存在较大的热弧垂。碳纤维导线相比于传统导线，其施工工艺复杂且安装时需要特殊的金具，某些工程造价中，施工以及金具成本可以占到工程造价的三分之一以上。同时，施工的风险较大，碳纤维承力芯易折，在施工过程中，如果遇到尖角，承力芯会受到过度的轴向力，会发生损伤，若承力芯仅受部分损伤，导线断裂可能会推迟几个月甚至几年，严重威胁到电网的安全以及可靠性。施工中出现的“灯笼”问题也是碳纤维导线的一大弊端。碳纤维导线因为没有进行过张力预处理，所以在施工安装后弧垂变化大，且随机不可预测，对施工后的后期维护是一大挑战。随着高压特高压项目的实施，和一些直流项目的试点，碳纤维导线一直向着更大截面的目标发展，而更大截面的导线，加强芯的弯曲一直是一个大问题。
陶瓷纤维增强的铝基复合材料也被美国3M公司成功用于替代钢芯作为复合导线的承力芯(ACCR导线)。此类导线一般采用多股小芯棒结构,来实现芯棒及导线的必要柔软性。因陶瓷纤维的伸长变形极为有限,陶瓷纤维导线即使采用多股小圆线,与碳纤维导线类似,遭遇锐角弯曲时,仍然容易损伤断线,造成巨大安全隐患。
发明专利内容
本发明专利的目的在于针对现用碳纤维导线的弊端，提供一种新型导线及其应用。
本发明专利的技术方案为:一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层、导体绞合层；其特征在于：所述承力芯为一根异形空心承力芯，所述异形空心承力芯的空心内设有一根或者数根光纤。
所述一根或者数根光纤作为温度的感应器,提供实时导线弧垂、导线运行温度、运载电流，风阻及冰阻，包括结冰速度及结冰厚度，线路事故准确定位等智能导线功能。
作为优选的，所述承力芯表层与导体包覆层之间或导体包覆层内设有一根或数根光纤；作为应力及应变的实时监测。
作为优选的，承力芯中的空心位置，距离导线中心轴越近越优,以最大地减免光纤所经的应力应变，从而减小光信号传输中的损耗。
作为优选的，所述空心承力芯的周长除以其等效圆的周长，比值大于1.0001。所谓空心承力芯的等效圆意思是与空心承力芯面积相等的圆。
为了帮助理解，下文将详细比较等面积情况下圆形，长方形，椭圆形正方形的应力应变情况。为了方便计算以及对比，如图7所示，我们考虑选择了四种具有典型代表性的空心承力芯结构，它们的截面积相同，应力应变分析时的弯曲直径D相同(弯曲直径D远大于圆的直径R)长方形长边长度为短边的两倍，椭圆长轴长度为短轴的三倍。
圆形空心承力芯的周长除以面积的比值为
其以D的弯曲直径弯曲时最大的应力应变为
因为弯曲直径D远大于圆的半径R，为了后面的比较更加方便，做了计算简化，同理可以算出其他三种承力芯的周长除以面积的比值和同等弯曲直径时的最大张力应变。
正方形的周长除以面积的比值为
其以D的弯曲直径弯曲时最大的应力应变为
长方形面积除以周长的比值为
其以D的弯曲直径弯曲时最大的应力应变为
椭圆的周长除以面积的比值为
其以D的弯曲直径弯曲时最大的应力应变为
通过上面的计算比较，在截面积相等的情况下，椭圆的周长为圆的1.356倍，正方形是圆的1.128倍，长方形是圆的1.194倍。在进行同等直接的弯曲时，椭圆所受的应力应变最小，其次是长方形，正方形，圆所受的应力应变最大。圆线空心承力芯结构需要加预张力应变才能减小损伤折断的风险，异形线结构尤其是扁线结构有优越的弯曲特性，外加张力应变可以使异形线承力件更耐弯折折损。上述的正方形、长方形、椭圆形为非圆的异形结构。异形结构还包括其他非圆形的结构。由此可以得到这样的结论，非圆的异形线结构,比如扁形线承力芯结构有更大的表面积，可以使压接的时候的摩擦力最大化，承力芯与包覆铝的接触面积越大，压接后的摩擦力就越大，有利于金具小型化，简化施工，降低施工难度；碳纤维导线施工难度大，施工成本高一直是限制碳纤维导线大规模推广的一个重要的瓶颈条件。同时异形的扁线结构抗应力应变的能力远远优于圆形结构，大幅度改善导线和承力芯在弯曲过程中承受应力的能力，减小承力芯弯曲损伤的概率，减小施工用滑车的尺寸以及生产运输线盘的尺寸，可以降低生产成本，减小施工难度和成本。
作为优选的，所述异形空心承力芯的有效直径为1-25mm；所述异形空心承力芯的截面为正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形；所述异形空心承力芯为增强纤维和基体材料构成，其形状非圆形，异形空心承力芯表面可以短时间内承受至少300℃的温度；所述增强纤维包括碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维增强复合材料，基体材料包括树脂、塑料或金属基。
更为优选的，所述异形空心承力芯的截面为椭圆形；所述异形空心承力芯的空心呈椭圆形或长方形。
作为优选的，所述异形空心承力芯经过预张力处理，在过第一施工滑轮前至少有0.01％剩余张力应变保留在异形空心承力芯上；异形空心承力芯的线膨胀系数不超过15*10-6(1/℃), 至少3KN的径向抗压能力，以避免异形空心承力芯在金具压制时可能出现损伤。
作为优选的，所述异形空心承力芯的表面设有凸凹构造或者进行过表面粗糙化处理；所述异形空心承力芯表层设有防腐绝缘层，可避免异形空心承力芯与导体包覆层可能出现的电耦合反应。
更为优选的，所述防腐绝缘层为玻璃纤维层或树脂层。
作为优选的，所述导体包覆层的厚度≥0.2mm；导体包覆层的填充系数≥94％；导体包覆层为铝、铝合金、铜或铜合金包覆层，导体包覆层为一层或多层；导体包覆层上设有位置标定；位置标定是为了标定承力芯在导体包覆层中的方位，方便现场的压接工作。
更为优选的，所述导体包覆层的厚度为0.5-6mm；所述导体包覆层为一层铝管、铝合金管、铜管或铜合金管或多层同心铝管、铝合金管、铜管或铜合金管；所述导体包覆层的上、下两面的外层设有细直线、凹槽或色标线位置标定，所述细直线、凹槽或色标线位置标定所在平面平行于承力芯的长轴所在平面。
使用异形空心承力芯，不同于圆形承力芯，在绞合导体时，工艺非常困难；本发明专利在异形空心承力芯上包覆圆形的导体包覆层，方便后续绞合，在充分利用异形空心承力芯优越性的基础上，规避了它的生产、使用弊端。
作为优选的，所述导体绞合层为铝、铝合金、铜或铜合金线绞绕在导体包覆层上；所述导体绞合层为一层或多层；所述铝、铝合金、铜或铜合金线为梯形、Z、S、C型或圆线丝；所述导体绞合层为多层时，可选用梯形、Z、S、C型或圆线丝中的一种或多种，即每层可选用不一样的线丝。
本发明专利中，所述异形空心承力芯是由基体材料和增强纤维通过拉挤成型制得。
本发明专利的目的还在于提供一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层、导体绞合层，其特征在于：所述承力芯为异形承力芯组，所述异形承力芯组由多根芯棒组成；所述芯棒的直径为0.5-6mm，所述多根芯棒平行于导线轴向排列成空心腔体；所述空心腔体设有一根或者数根光纤；所述异形空心承力芯组的截面为圆形、正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形。
作为优选的，所述异形空心承力芯组的截面为椭圆形；所述芯棒为空心结构。
本发明专利的目的还在于提供上述新型导线在绝缘导线中的应用；一种绝缘导线，由内到外依次为碳纤维承力芯、导体包覆层、导体绞合层和绝缘层；其特征在于：所述碳纤维承力芯为一根或多根非圆形的碳纤维空心承力芯。
有益效果：本发明专利提供的一种新型导线，优点如下：
1、大幅度降低施工成本，采用和传统钢芯铝绞线相类似的金具设计，金具成本大大降低，同时降低施工难度；可以大幅度减小施工用接续金具的长度，使得施工更加安全；
2、碳纤维空心承力芯弯曲能力更强，降低了其在施工过程中过滑车时折断的风险，碳纤维空心承力芯被充分保护在导体包覆层内，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其的剪切破坏损伤，这对小型碳纤维空心承力芯的导线尤其重要；碳纤维导线在施工过程中被不当操作，比如出现尖角弯曲状况，可以直接通过检查导体包覆层的损伤，即张力边永久伸长变形或压力边有明显压痕；
3、高压以及特高压项目对于导线强度要求极高，通常使用硬铝或者半硬铝进行导线绞合，采用传统碳纤维导线结构压接时内层硬铝或者半硬铝的伸长率较小，型线容易形成尖角切到承力芯，对承力芯造成损伤；本发明专利中因为导体包覆层的存在，对碳纤维承力芯的保护更佳；因为特高压线路中电晕耗能及燥音最严重,一般选择大截面导线来控制电晕及相关线路损耗。本发明适合于扩经大导线。空心复合材料承力芯还可减少承力芯及整体导线重量,本发明导线将非常适合超高压及特高压线路。
4、空芯承力芯结构，还可以把通讯用光纤放入空心部分，并作为温度的感应器及通迅信号输送介体。承力芯表层与导体包覆层之间或导体包覆层内设有一根或数根光纤，作为应力及应变的实时监测；本发明的导线可以用于智能导线,提供实时导线弧垂、导线运行温度、运载电流，风阻及冰阻，包括结冰速度及结冰厚度，线路事故准确定位等；尤其适合在地线或配电线路上使用。
5、使用扁形碳纤维承力芯结构，可以将滑车直径减小60％，可以减小线盘直径60％，可以大大降低施工和生产成本；在金具压接施工过程中，可以有效减少作用在碳纤维承力芯上的最大应力。
附图说明
本发明专利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，仅仅描述发明专利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专利的理解，并不用于对本发明专利的范围进行限制(即不应被考虑限制本发明专利的广度，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。本发明专利中包括的一些图从不同角度说明发明专利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像“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专利被实施用于某一特定空间取向除非明确陈述。
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例2的结构示意图；
图3、4为实施例3的结构示意图；
图5、6为异形空心承力芯的结构示意图；
图7为四种具有典型代表性的空心承力芯结构；
图中，A1-异形空心承力芯，A2-异形空心承力芯组，2-导体包覆层，3、导体绞合层，4、光纤，5、位置标定，6-防腐绝缘层，7-绝缘层；
A-碳纤维空心承力芯，A11-凸凹构造，A201-芯棒，A202-空心腔体。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明专利做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层2、导体绞合层3；所述承力芯为一根异形空心承力芯A1，所述异形空心承力芯A1的空心内、承力芯表层与导体包覆层之间及导体包覆层内设有一根或数根光纤4。
所述异形空心承力芯A1的有效直径为1-25mm；所述异形空心承力芯的截面为正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形；所述异形空心承力芯由增强纤维和基体材料构成，其形状非圆形；异形空心承力芯表面可以短时间内承受至少300℃的温度。
所述增强纤维包括碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维增强复合材料，基体材料包括树脂、塑料或金属基。
本实施中，所述异形空心承力芯的截面为椭圆形；所述异形空心承力芯的空心呈椭圆形或长方形。
所述异形空心承力芯经过预张力处理，在过第一施工滑轮前至少有0.01％剩余张力应变保留在异形空心承力芯上；异形空心承力芯的线膨胀系数不超过15*10-6(1/℃),至少3KN 的径向抗压能力，以避免异形空心承力芯在金具压制时可能出现损伤。
如图5所示，所述异形空心承力芯A1的表面设有凸凹构造A11或者进行过表面粗糙化处理；所述异形空心承力芯表层设有防腐绝缘层6，可避免异形空心承力芯与导体包覆层可能出现的电耦合反应。
所述防腐绝缘层为玻璃纤维层或树脂层。
所述导体包覆层2的厚度≥0.2mm；导体包覆层的填充系数≥94％；导体包覆层为铝、铝合金、铜或铜合金包覆层，导体包覆层为一层或多层；导体包覆层上设有位置标定；位置标定是为了标定承力芯在导体包覆层中的方位，方便现场的压接工作。
本实施中，所述导体包覆层的厚度为0.5-5mm；所述导体包覆层为一层铝管、铝合金管、铜管或铜合金管。
此外，所述导体包覆层可为多层同心铝管、铝合金管、铜管或铜合金管；所述导体包覆层的上、下两面的外层设有细直线、凹槽或色标线位置标定，所述细直线、凹槽或色标线位置标定所在平面平行于承力芯的长轴所在平面。
所述导体绞合层3为铝、铝合金、铜或铜合金线绞绕在导体包覆层2上；所述导体绞合层为一层或多层；所述铝、铝合金、铜或铜合金线为梯形、Z、S、C型或圆线丝；所述导体绞合层为多层时，可选用梯形、Z、S、C型或圆线丝中的一种或多种，即每层可选用不一样的线丝。
作为优选的，承力芯中的空心位置，距离导线中心轴越近越优,以最大地减免光纤所经的应力应变，从而减小光信号传输中的损耗。
所述空心承力芯的周长除以其等效圆的周长，比值大于1.0001；所谓空心承力芯的等效圆意思是与空心承力芯面积相等的圆。
实施例2
如图2所示，一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层2、导体绞合层3，所述承力芯为异形承力芯组A2，所述异形承力芯组A2由多根芯棒A201组成；所述芯棒A201的直径为0.5-6mm；所述多根芯棒A201平行于导线轴向排列成空心腔体A202；所述空心腔体A202设有一根或者数根光纤4；所述异形空心承力芯组的截面为圆形、正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形。
本实施例中，所述异形空心承力芯组的截面A2为椭圆形。
所述芯棒A201由增强纤维和基体材料构成，其形状非圆形，其表面可以短时间内承受至少300℃的温度；所述增强纤维包括碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维增强复合材料，基体材料包括树脂、塑料或金属基。
作为优选的，所述芯棒A201为空心结构。
实施例3
如图3、4所示，一种绝缘导线，由内到外依次为碳纤维承力芯、导体包覆层2、导体绞合层3和绝缘层7；所述碳纤维承力芯为一根或多根非圆形的碳纤维空心承力芯A。
本发明不受限制于上述导线以及内层承力芯的例子，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承力芯结构，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。
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 (16)

1.一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层、导体绞合层；其特征在于：所述承力芯为一根异形空心承力芯，所述异形空心承力芯的空心内设有一根或者数根光纤。
2.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述承力芯表层与导体包覆层之间或导体包覆层内设有一根或数根光纤，作为应力及应变的实时监测。
3.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：承力芯中的空心位置，距离导线中心轴越近越优,以最大地减免光纤所经的应力应变，从而减小光信号传输中的损耗。
4.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述空心承力芯的周长除以其等效圆的周长，比值大于1.0001；所谓空心承力芯的等效圆意思是与空心承力芯面积相等的圆。
5.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述异形空心承力芯的有效直径为1-25mm；所述异形空心承力芯的截面为正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形；所述异形空心承力芯由增强纤维和基体材料构成，其形状非圆形。
6.根据权利要求5所述的一种新型导线，其特征在于：所述增强纤维包括碳纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维或玄武岩纤维增强复合材料，基体材料包括树脂、塑料或金属基；异形空心承力芯表面可以短时间内承受至少300°C的温度。
7.根据权利要求5所述的一种新型导线，其特征在于：所述异形空心承力芯的截面为椭圆形；所述异形空心承力芯的空心呈椭圆形或长方形。
8.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述异形空心承力芯经过预张力处理，在过第一施工滑轮前至少有0.01%剩余张力应变保留在异形空心承力芯上；异形空心承力芯的线膨胀系数不超过15*10-6（1/℃）,至少3KN的径向抗压能力，以避免异形空心承力芯在金具压制时可能出现损伤。
9.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述异形空心承力芯的表面设有凸凹构造或者进行过表面粗糙化处理；所述异形空心承力芯表层设有防腐绝缘层，可避免异形空心承力芯与导体包覆层可能出现的电耦合反应。
10.根据权利要求9所述的一种新型导线，其特征在于：所述防腐绝缘层为玻璃纤维层或树脂层。
11.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述导体包覆层的厚度≥0.2mm；导体包覆层的填充系数≥94%；导体包覆层为铝、铝合金、铜或铜合金包覆层，导体包覆层为一层或多层；导体包覆层上设有位置标定；位置标定是为了标定承力芯在导体包覆层中的方位，方便现场的压接工作。
12.根据权利要求11所述的一种新型导线，其特征在于：所述导体包覆层的厚度为0.5-5mm；所述导体包覆层为一层铝管、铝合金管、铜管或铜合金管或多层同心铝管、铝合金管、铜管或铜合金管；所述导体包覆层的上、下两面的外层设有细直线、凹槽或色标线位置标定，所述细直线、凹槽或色标线位置标定所在平面平行于承力芯的长轴所在平面。
13.根据权利要求1所述的一种新型导线，其特征在于：所述导体绞合层为铝、铝合金、铜或铜合金线绞绕在导体包覆层上；所述导体绞合层为一层或多层；所述铝、铝合金、铜或铜合金线为梯形、Z、S、C型或圆线丝；所述导体绞合层为多层时，可选用梯形、Z、S、C型或圆线丝中的一种或多种，即每层可选用不一样的线丝。
14.一种新型导线，由内到外依次为承力芯、导体包覆层、导体绞合层，其特征在于：所述承力芯为异形承力芯组，所述异形承力芯组由多根芯棒组成；所述芯棒的直径为0.5-6mm；所述多根芯棒平行于导线轴向排列成空心腔体；所述空心腔体设有一根或者数根光纤；所述异形空心承力芯组的截面为圆形、正方形、长方形、椭圆形、扁形或多边形。
15.根据权利要求14所述的一种新型导线，其特征在于：所述异形空心承力芯组的截面为椭圆形；所述芯棒为空心结构。
16.一种绝缘导线，由内到外依次为碳纤维承力芯、导体包覆层、导体绞合层和绝缘层；其特征在于：所述碳纤维承力芯为一根或多根非圆形的碳纤维空心承力芯。
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