CN1137828A - 半导电线形部件 - Google Patents
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Abstract
一种线形部件(1,61),适合于在架空电力传输系统的塔架之间延伸并由塔架支持,它包括一个或多个半导电组成部分(54,62),使得部件具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻,并且该电阻呈现负的电阻温度系数。该部件可以是用于拉紧系统的导线的绳索,或光缆。最好形成半导电组成部分的材料包括由热解丙烯腈形成的含碳纤维丝束。该部件具有减小或消除干燥带飞弧的可控和可再生产的电阻。
Description
本发明涉及用于沿架空电力传输系统延伸的线形部件,特别是(虽然不是必须是)涉及借助于塔架、支柱或其它竖立的支架沿系统线路支持的光缆,这些塔架等还用来支持电力电缆。
在这种系统中,通常的作法是将塔架、支柱或其它支架(以下简单地称为塔架)上的光缆或电缆接地。当电力线加载时,由于电缆和电力线之间的分布电容的影响,在光缆上可能容性地感应出电流来。在塔架之间的中间段,光缆上感应出来的电压将达到最大值,而在塔架区沿电缆流动的电流将最大。在干燥条件下,由于电缆纵向的电阻相对较高,例如在1012MΩm-1的范围内,所以感应电流相对较小,但在潮湿条件下,当电缆的表面电阻非常低时,例如在10MΩm-1的范围内,将感应出大许多的电流。由感应电流引起的电缆表面的焦耳热可以使电缆表面的很短的长度(通常是在电流最大的塔架区)变干燥。当这种情况发生时,由于电缆纵向电阻高,所以电缆上感应电压的主要部分将分配在短的干燥带上,可能造成所谓的“干燥带飞弧”,这可能对电缆造成严重的损害。类似的问题也可能在传输系统的塔架之间延伸的其它线形部件(例如用绳索按装电力传输系统中的电缆)中出现。虽然这种绳索只是暂时悬挂在塔架之间,但是在潮湿的环境下它们仍将吸收大量的水分,其结果可能感应出有害的电流。
通过为电缆提供纵向延伸的导电通路可以解决光缆中干燥带飞弧的问题。然而,具有这种导电通路的光缆有这样的缺点,即如果光缆安装在加载的架空电力传输线的塔架之间的话,鉴于触摸一根传输线会产生危险,所以必须考虑良好的安全措施。此外,把通过架空电力传输线传输的电力中断一段时间,来安装这种光缆,这样做不总是可行或需要的。
例如,在欧洲专利申请第214,480号中已经提出了利用具有半导电部件和10至106MΩm-1的线性电阻的电缆。然而,由于特定的电阻值对填充物装载等是极端敏感的,所以采用常规方法以一致性和可再生产性的方式形成具有这种电阻值的半导电部件通常是非常困难的,其结果是标称值相同的电缆可能具有极不相同的电阻,并且电缆的电阻沿其长度方向可能变化非常大。另外,我们已经发现由于这种电缆的线性导电性可以由潮湿条件下电缆上存在的污染物例如酸和盐决定,所以这种线性电阻值非常高,这是不希望的。
根据本发明,线形部件例如光缆或用于安装光缆的绳索包括至少一个半导电部件,它使线形部件具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻,并且该电阻呈现负的电阻温度系数。
本发明具有这样的优点,即如果由于种种原因,例如较大的感应电流或较高的原始电阻,电缆的任何区域受到较高的焦耳热的影响,那么半导电部件的局部相关温度的升高将减小部件的电阻,从而减小热效应。相反,若采用其它系统,如通常呈现正温度系数(PTC)特性的渗透系统,可以导致系统不稳定甚至局部热故障。
最好每个部件具有在环境温度下(即300K)的至少1%K-1的负温度系数,特别是至少1.5%K-1的负温度系数,但是通常不大于5%K-1,更一般的情况是不大于3%K-1。显著大于5%K-1的温度系数通常与部件的太高的环境电阻值有关。
特别适用于本发明的组成部分的一种形式包括含碳纤维,因此,本发明的一个最佳方案包括适合于在架空电力传输系统的塔架之间延伸并被塔架支持的线形部件,该部件包括一个或多个组成部分,每部分包括半导电含碳纤维,它使得部件具有在0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻。在组成部分中采用含碳纤维使得能够以非常简单的方式控制部件的线性电阻,从而能够生产便于再生产的半导电部件。
由于光缆的模量和重量比相线低,所以在强风中它们的相线横向位移量更大,因此可进入强电场区。如果电缆沿其长度方向是低电阻的导体,例如金属导体,那么在塔架之间的整个距离,其电位将基本为地电位,结果在强风中将出现电晕放电。甚至存在这样的可能性,即电缆非常靠近相线,在相线之间击穿,并且电缆可出现这样的情况,使得沿光缆延伸的导体逸散,并且将使供电中断。鉴于根据本发明的部件具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻这一事实,该部件的电位可达到或接近跨度中间区中的系统相线电位的优点,其结果减小或消除了部件表面的电晕放电和击穿。
下面将结合光缆来描述本发明,所描述的本发明的实施例也适用于其它的线形部件,如绳索等。
用于半导电组成部分的含碳纤维可以由聚合物的部分热解形成,例如用聚丙烯腈或丙烯腈共聚物,丙烯腈的含量至少是85摩尔百分比,共聚物(PAN)的含量至多是15摩尔百分比。这种纤维的碳含量可以是65%至92%,最好是少于85%,氮含量在5至20%的范围内,最好是16至20%。适用于本发明的含碳纤维丝束可以从例如R.K.Technologies Ltd of Heaton Norris,Stockport,Cheshire,UnitedKingdom获得。
含碳纤维可以以许多不同的结构用于电缆。通常每种半导电组成部分可以是含碳纤维的连续丝束形式,在这种情况下,它可以在其外皮下包裹在电缆芯的周围,或者包裹在电缆外皮的周围。在半导电组成部分是包裹电缆外皮周围的丝束形式的情况下,该丝束最好包在护套中,以便在处理期间保护它,并使之不受环境的影响。如果采用绝缘护套,或在丝束位于电缆的外皮之下,并且采用绝缘电缆外皮时,丝束将与护套或外皮上的表面水分容性耦合。如果容性耦合不够大时,在不损害纵向电阻的情况下采取措施提高护套或外皮的径向导电性。这些措施可以包括使用由于不完全扩散填充物而导致导电不均匀的护套或外皮,或采用吸水材料作为护套或外皮。每条丝束最好至少是5K纤维,至少10K纤维则更好,但最好不多于40K纤维。采用丝束的具体尺寸将取决于纤维的导电率并由此进行选择,因此丝束具有0.05至100MΩm-1、最佳达到0.5至10MΩm-1的所需的整体电阻。含碳纤维可以是连续的,但是这不是必须的。例如,可以在聚合物的阵列中采用切断的纤维。此外,纤维可以用作非编织部件,例如作为垫层或纸的复合物。
半导电组成部分可以在制造时,如当包裹在外皮之下的电缆芯周围时,包含在电缆中,或者如果需要,可以仅在电缆悬挂在塔架上之后包含在电缆中,例如在国际专利申请No.WO93/23779中描述的那样。
每个半导电组成部分最好是可拉伸的,以便避免破坏光缆或切入光缆,使之损坏。此外,在重复延伸以后,最好半导电组成部分的电特性不会显著地改变,使之在1%的数量级以内。
本发明还提供了组合的架空电力和光传输系统,该系统包括在塔架之间延伸并由塔架支持的架空电力线,在塔架之间延伸并由塔架自由支持的至少一根光缆,每根光缆包括沿其长度方向延伸的至少一个组成部分,它使得光缆具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻,并且该电阻呈现负的电阻温度系数,该组成部分最好包括导电的含碳纤维。
下面将参照附图以举例的方式描述本发明的两种形式的光缆,附图中:
图1是表示分布电容的常规的全介电光缆和电力线的示意图;
图2表示在干燥条件下光缆上的感应电压和电流;
图3表示在潮湿条件下无干燥带的光缆上的感应电压和电流;
图4是上面形成了干燥带的常规的光缆的示意图;
图5是根据本发明的电缆的另一种形式的示意性截面图;
图6是根据本发明的电缆的另一种形式的局部侧视图;以及
图7表示用于本发明的各种含碳纤维丝束的电阻值和温度之间的关系。
参照附图,图1表示常规的由一对塔架支持的“全介电自支持”(ADSS)光缆1,塔架也用来支持电力电缆2。ADDS电缆1通过金属夹具或固定物4被支持在塔架上,金属夹具或固定物4通过塔架接地。在这一系统中,在光缆1和电缆2之间存在由许多电容C1表示的分布电容,以及光缆1和地之间存在的由电容C2表示的分布电容。此外,电缆还具有由许多电阻R表示的大的但有限的纵向电阻。
在干燥条件下电缆上产生的感应电压(Vd)和电流(Id)如图2所示。感应电压在跨度的中点最大,一般在400kV的电力线上高达30kV,在塔架显然为地电位,而在塔架电流将为最大值,例如高达100微安。在潮湿条件下,光缆的纵向电阻相当低,其结果光缆上的最大电压(Vw)较小,但是感应电流(Iw)显著升高,一般到达10毫安,如图3所示。
在这样的条件下,如图4所示,由于电缆焦耳加热其表面水分,在塔架的夹具4的区域中的电缆1上形成了典型长度为50毫米的干燥带6。其结果几乎全部感应电压都落在了电缆的这一长度上,并在此处出现飞弧,对电缆外皮造成了损坏。
图5表示根据本发明的光缆1的一种形式,它被自由地支持在电力分配系统的塔架之间。该电缆包括由pultruded E-玻璃形成的支持许多光纤52的常规的加强部件51,光纤52适合于传输波长在0.8微米至2.1微米之间的光,该电缆还包括由填充的聚乙烯或EVA混合物形成的外皮53。在上面形成外皮53之前,一对局部热解PAN纤维的半导电丝束54以相反方向缠绕在加强部件51的周围,以便沿塔架之间的电缆长度方向提供半导电通路。在塔架上,丝束54将通过与电缆夹具耦合的电容接地。每条丝束54具有大约10000根纤维,并具有大约0.8MΩm-1的电阻。
图6表示一段“全介电自支持”(ADSS)光缆61,它包括参照图5描述的加强部件和光纤(未示出)以及外皮。在这种电缆中,在外皮63中包裹了40K的局部热解PAN丝束62,电阻为0.4MΩm-1,并且螺旋缠绕在电缆周围。
图7表示局部热解的PAN的各种丝束的线性电阻(kΩ/10cm)的自然对数与绝对温度的倒数之间的关系。不同样品的电阻值的差别是由丝束的不同的纤维数造成的。从图中可以看到,电阻值将符合以下形式的直线:
R=常数x exp(2044/T)它对应于300K时的2.2%K-1的电阻的负温度系数。
Claims (15)
1.一种线形部件(1,61),适合于在架空电力传输系统的塔架之间延伸并由塔架支持,它包括至少一个半导电组成部分(54,62),使得线形部件具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻,并且该电阻呈现负的电阻温度系数。
2.如权利要求1的部件,其中每个组成部分(54,62)具有在环境温度下的至少1%K-1的电阻的负温度系数,最好至少是1.5%K-1。
3.如权利要求1或2的部件,其中每个组成部分具有在环境温度下不大于3%K-1的电阻的负温度系数。
4.一种线形部件(1,61),适合于在架空电力传输系统的塔架之间延伸并由塔架支持,它包括一个或多个半导电组成部分(54,62),该组成部分包括半导电的含碳纤维,使得部件具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻。
5.如权利要求1至4的任何一项的部件,它是光缆。
6.如权利要求1至4的任何一项的部件,它是用来安装电力传输系统中的光缆的绳索。
7.如权利要求4中的部件,其中每个组成部分是含碳纤维丝束。
8.如权利要求7中的部件,其中每根丝束缠绕在部件外皮之下的部件的芯的周围。
9.如权利要求7或8的部件,其中每根丝束缠绕在部件的外皮周围。
10.如权利要求9的部件,其中每根丝束被包裹在电绝缘护套中。
11.如权利要求4或7至10的任何一项的部件,其中含碳纤维包括局部热解的聚丙烯腈。
12.如权利要求4或7至11的任何一项的部件,其中部件的线性电阻至少在干燥条件下基本上完全由含碳纤维部件或部件确定。
13.如权利要求1至12的任何一项的部件,它具有从0.1至10MΩm-1范围内的线性电阻。
14.一种架空电力传输和光传输的组合系统,它包括在架空电力传输系统的塔架之间延伸并由塔架支持的架空电力线(2),在塔架之间延伸并由塔架自由支持的至少一条光缆(1,61),每条光缆包括至少一个半导电部件(54,62),使得光缆具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻,并且该电阻呈现负的电阻温度系数。
15.一种架空电力传输和光传输的组合系统,它包括在架空电力传输系统的塔架之间延伸并由塔架支持的架空电力线(2),在塔架之间延伸并由塔架自由支持的至少一条光缆(1,61),每条光缆包括至少一个沿其长度方向延伸的部件(54,62),它包括半导电的含碳纤维,使得光缆具有从0.05至100MΩm-1范围内的线性电阻。
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