CN114008725B - 容量增大的架空绝缘线 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种架空绝缘线，其中，导体或导体之间的表面已通过使用绝缘体而绝缘，所述架空绝缘线包括：导电体层(10)，包括围绕加强线(1)的铝线(2)；包含碳基纳米粒子的半导体层(20)，围绕所述导电体层(10)；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的绝缘层(30)，围绕所述半导体层(20)；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的导热层(40)，围绕所述绝缘层(30)；以及包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的耐风化覆盖层(50)，围绕所述导热层(40)，由此使所述架空绝缘线的连续使用温度增大到150℃，并且使可容许电流量相对于现有可容许电流量提高50％，以由此应对对架空绝缘线的输电量的需求的增加而无需过多的投资成本，并且解决其垂度的增加。

Description

容量增大的架空绝缘线
技术领域
本发明涉及已通过使用绝缘体而使导体的表面绝缘的架空绝缘线，更具体地涉及以下架空绝缘线：将架空绝缘线的覆盖层分成导热层和耐风化覆盖层，从而可以提高架空绝缘线的连续使用温度和可容许电流量。
背景技术
通常，电厂中产生的电在升压变电所中升压之后通过由钢输电塔和架空输电线组成的输电线供应到每个使用场所。具有铝导体或钢芯的铝导体钢加强(ACSR)线被用作输电线。
韩国电力系统中的输电线在765kV、345kV和154kV的三种输电电压下工作。一次变电所或二次变电所执行降压操作，其中，下降的电压从输电线施加到由电杆和绝缘线组成的配电线。例如，执行将下降的电压从154kV的输电线施加到22kV的配电线的降压操作。在韩国2018年的基础上，输电线的长度约是33,000c-km，并且配电线的长度约是436,000c-Km。
在建设输电线和配电线时，现在的社会矛盾是由对在高压下生成的电磁波的风险和对景观的破坏的担心而引起的。作为对这个问题的应对措施，希望将输电线和配电线掩埋在地下，但是其建设成本相对于架空线极大地增加，导致将巨大的成本转移到用电者的问题的出现。
作为解决这个问题的方法，已经开发了使输电线中的导体的耐热性提高的高容量架空输电线，以使正常使用温度从90℃升高到150℃至230℃，并且通过使用具有低的热膨胀系数的Invar(不变钢)线而抑制加强线在使用温度下的热膨胀，以使架空输电线的可容许电流量增加50％至100％。因此，只有通过使用诸如现有钢输电塔等的设施将以前安装的架空输电线替换为具有与以前安装的架空输电线的尺寸相同的尺寸的高容量架空输电线，使得能够应对对输电量的需求的增加而没有市民的抱怨或过多的投资成本。
然而，架空配电线中使用的传统绝缘线具有由加强线、导体层、半导体层、绝缘层和覆盖层组成的同心结构，并且根据KEPCO的技术标准“ES 6145-0021”在90℃的连续使用温度下使用，使其难以增加可容许电流量。
在这种情况下，绝缘线存在的问题在于：如果绝缘线的连续使用温度超过90℃，那么作为绝缘层的材料使用的交联聚乙烯的绝缘击穿电压和力学性质的劣化加速，从而导致架空配电线的故障。出于这个原因，传统绝缘线使其难以应用于使用增加架空输电线的容量的现有技术的架空绝缘线。
为了尝试解决以上问题，韩国专利公开No.10-2011-0020126公开了，通过对绝缘层的树脂成分的改进，绝缘层的连续使用温度是120℃或更高，并且其可容许电流量相对于传统架空绝缘线增加33％。然而，难以解决当架空绝缘线的连续使用可容许温度升高到120℃或更高时所导致的导体层中的劣化的问题和钢芯的垂度(sag)由于热膨胀而增加的问题。
同时，韩国专利公开No.10-2011-0098548公开了，通过采用作为导体层的材料的包含锆的耐热铝合金和改进绝缘层的交联聚乙烯树脂成分，绝缘线的连续使用温度是125℃或更高，并且其可容许电流量相对于传统架空绝缘线增加37％。然而，绝缘线涉及加强线的垂度由于热膨胀而增加的问题。
此外，以上韩国专利公开了架空绝缘线的连续使用可容许温度被限制在120℃至125℃，并且其可容许电流量相对于传统架空绝缘线增加33％至37％。然而，以上专利仍然遇到的问题在于：它们没有获得将架空绝缘线的可容许电流量增加大于50％的效果，增加大于50％可以有效地应对架空配电线的需求量的增加并且相对于新的成本投资提供极好的经济效率。
[现有技术文献]
[专利文献]
专利文献1：韩国专利公开No.10-2011-0020126A(02.03.2011公开)
专利文献2：韩国专利公开No.10-2011-0098548A(01.09.2011公开)
专利文献3：韩国专利公开No.10-2019-0000063A(02.01.2011公开)
专利文献4：韩国专利No.10-0747932B1(02.08.2007公开)
发明内容
技术问题
因此，已经做出本发明以解决现有技术中出现的上述问题，并且本发明的目的是提供将架空绝缘线的覆盖层分成导热层和耐风化覆盖层、从而可以提高架空绝缘线的连续使用温度和可容许电流量的架空绝缘线。
技术方案
为了实现以上目的，本发明提供了本发明的高容量架空绝缘线，包括：加强线；导体层，包括围绕所述加强线的铝线；包含碳基纳米粒子的半导体层，所述半导体层围绕所述导体层；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的绝缘层，所述绝缘层围绕所述半导体层；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的导热层，所述导热层围绕所述绝缘层；以及包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的耐风化覆盖层，所述耐风化覆盖层围绕所述导热层。
有益效果
根据本发明的高容量架空绝缘线具有以下有益效果。
将所述架空绝缘线的覆盖层分成导热层和耐风化覆盖层，并且将聚合物基质成分应用于所述架空绝缘线，以使所述架空绝缘线的连续使用温度可以增大到150℃，并且使可容许电流量相对于现有可容许电流量可以提高50％，以由此应对对架空绝缘线的输电量的需求的增加而无需过多的投资成本，并且解决其垂度的增加的问题。
附图说明
图1是示出根据本发明的架空绝缘线的示例的截面图。
*附图中的主要元件的附图标记的说明*
100：架空绝缘线 1：加强线
2：铝线 10：导体层
20：半导体层 30：绝缘层
40：导热层 50：耐风化覆盖层
具体实施方式
现在将在下文参考附图详细描述根据本发明的高容量架空绝缘线的优选实施例。
如图1所示，本发明的高容量架空绝缘线包括：加强线1；导体层10，包括围绕加强线1的铝线2；包含碳基纳米粒子的半导体层20，其围绕导体层10；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的绝缘层30，其围绕所述半导体层20；包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的导热层40，其围绕绝缘层30；以及包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的耐风化覆盖层50，其围绕导热层40。
首先，为了使用现有架空输电线增加架空输电线的可容许电流量，架空输电线和现有架空输电线需要在线的长度、可容许的垂度和线初始张力方面彼此相同。此外，需要在架空输电线和现有架空输电线中使用的相同的电连接零件。当架空绝缘线的可容许电流量在以上情况下增加时，导体的温度通过焦耳加热增大。当前正在使用的传统架空绝缘线导体的最大连续使用温度是90℃。当架空绝缘线的最大可容许电流量增加50％时，导体的最大连续使用温度变为150℃。此时，出现的问题在于：加强线和导体的热膨胀量的增加导致架空绝缘线的垂度的增加。
此外，因为由于在150℃的连续使用温度下比在90℃的连续使用温度下热量加快而引起的导体的劣化(或热老化)，传统架空绝缘线中用作导电层的线的硬拉铝线和用作钢线的具有200kgf/mm2或更小的拉伸强度的加强线不可以用于具有50％的高容量的架空绝缘线。
因此，本发明的高容量架空绝缘线的特征在于：将超高强度加强线和软化的热处理铝线用于将架空绝缘线的最大连续使用温度增大到150℃，以使架空绝缘线的最大可容许电流量增加50％。
同时，当架空绝缘线的最大可容许电流量增加时要解决的另一技术问题是力学性质和物理性质以及绝缘击穿电压由于绝缘层的聚合材料的热老化而劣化。
因此，本发明的高容量架空绝缘线的特征在于：其包括围绕绝缘层的导热层，以使力学性质和物理性质以及绝缘击穿电压由于绝缘体的热老化而引起的劣化最小化，以使架空绝缘线的最大可容许电流量增加50％。
在这种情况下，架空绝缘线的可容许电流量根据绝缘体可以忍受的没有热老化的最大温度确定。这个温度一般被设置为90℃。绝缘体的最高温度在绝缘体与导体之间的界面处生成，因此可容许电流量由导体的温度确定。
本发明的高容量架空绝缘线的特征在于：架空绝缘线的最大可容许电流量通过减小传统架空绝缘线的半导体层、绝缘层和覆盖层的热电阻或增加导热性来增加。本发明的高容量架空绝缘线包括：导热层40具有比绝缘层30与耐风化覆盖层50之间的现有覆盖层明显更高的导热性，以进一步增加架空绝缘线的最大可容许电流量。
在下文中，将描述架空绝缘线100的构成元件。
①加强线(1)
加强线1具有大于200kgf/mm2的拉伸强度。将拉伸强度限制在大于200kgf/mm2的范围的原因是因为：具有比铝的线热膨胀系数低的线热膨胀系数的加强线在小于200kgf/mm2的拉伸强度下的张力分担比低，由此由于架空绝缘线的垂度在150℃下增加而使其难以使用现有电杆(electric pole)。
具有极低热膨胀系数的Invar线可以用作加强线1，但是因为Invar线昂贵，所以考虑经济效率而将超高强度加强线1优选地用作本发明的示例。加强线1优选地经历在其外周上执行的从镀锌、锌铝稀土金属合金电镀和铝涂覆中选择的任意一种表面处理，并且执行加强线1的所述表面处理是为了提高耐腐蚀性。
②导体层(10)
铝线2具有7kgf/mm2至12kgf/mm2的拉伸强度。将作为导体层的线的软化的热处理铝线的拉伸强度的范围限制在7kgf/mm2至12kgf/mm2的原因是：在小于7kgf/mm2的拉伸强度下的绞合操作期间可能出现频繁的断裂；并且在超过12kgf/mm2的拉伸强度下，导体使用的年数可能由于由热老化导致的拉伸强度的劣化而减少。
铝线的截面形状优选是圆形形状或梯形形状，具体地，在间隙式(gap-type)垂度抑制架空绝缘线中采用梯形形状，其中，间隙被限定在加强线与导体层之间，以使加强线专门保证垂度保持张力。
可以使用铝线的软化热处理方法和热处理条件而无需进行具体限制，只要其是通常使用的背离本发明所属领域中广为人知的本发明的技术精神和范围即可。
③半导体层(20)
作为构成被用作所述半导体层20的材料的聚合基质的基础树脂，可以将从由以下项组成的组中选择的至少一种组合使用：低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯酸甲酯、乙烯醋酸乙烯酯、乙烯丙烯酸乙酯(EEA)、乙烯丙烯酸丁酯(EBA)、聚丙烯酸酯、多元酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺和聚苯乙烯。
碳基纳米粒子可以将从由以下项组成的组中选择的至少一种组合使用：各种碳基纳米材料，例如碳纳米管(CNT)石墨烯、石墨烯纳米片和纳米炭黑。
半导体层包括：半导体聚合基质，在100份的重量的树脂成分的基础上包含2份至20份的重量的碳基纳米粒子。如果碳基纳米粒子包含了小于2份的重量的量，则导电性提高效果下降，并且如果碳基纳米粒子包含了大于20份的重量的量，则挤压加工性能降低。
将诸如交联剂、抗氧化剂、加工助剂等的添加剂添加到包含碳基纳米粒子的基础树脂成分，以形成半导体聚合物基质成分。可以无需进行具体限制地使用每个添加剂的种类和在100份的重量的基础树脂成分的基础上的多份的重量，只要其是通常使用的背离本发明所属领域中广为人知的本发明的技术精神和范围即可。
④绝缘层(30)
作为形成用作绝缘层30的材料的聚合基质的基础树脂，低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)可以单独使用或以其两个或更多个的组合来使用。
碳基纳米粒子可以将从由以下项组成的组中选择的至少一种组合使用：各种碳基纳米材料，例如碳纳米管(CNT)石墨烯、石墨烯纳米片和纳米炭黑。
无机纳米粒子可以将从由以下无机纳米材料组成的组中选择的至少一种组合使用：例如AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝或矾土)、Al(OH)3(氢氧化铝)、ATH(三水合氧化铝)、BN(氮化硼)、BeO(氧化铍)、BaTiO3(钛酸钡)、CaCO3(碳酸钙)、LS(层状硅酸盐)、MgO(氧化镁)、SiC(碳化硅)、SiO2(二氧化硅或硅石)、TiO2(氧化钛或钛白)和ZnO(氧化锌)。
绝缘层包括：绝缘聚合基质，在100份的重量的树脂成分的基础上包含0.5份至5.0份的重量的碳基纳米粒子和无机纳米粒子。如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了小于0.5的份的重量的量，则不可以显示力学性质提高效果，并且如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了大于0.5份的重量的量，则绝缘击穿电压性能可以下降。
将诸如交联剂、氧化稳定剂、UV稳定剂、加工助剂等的添加剂添加到包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的基础树脂，以形成绝缘聚合物基质成分。
可以无需进行具体限制地使用每个添加剂的种类和在100份的重量的树脂成分的基础上的多份的重量，只要其是通常使用的背离本发明所属领域中广为人知的本发明的技术精神和范围即可。
⑤导热层(40)
作为形成用作导热层的材料的聚合基质的基础树脂，低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)可以单独使用或以其两个或更多个的组合来使用。
碳基纳米粒子可以将从由以下项组成的组中选择的至少一种组合使用：各种碳基纳米材料，例如碳纳米管(CNT)石墨烯、石墨烯纳米片和纳米炭黑。
无机纳米粒子可以将从由以下无机纳米材料组成的组中选择的至少一种组合使用：例如AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝或矾土)、Al(OH)3(氢氧化铝)、ATH(氢氧化铝)、BN(氮化硼)、BeO(氧化铍)、BaTiO3(钛酸钡)、CaCO3(碳酸钙)、LS(层状硅酸盐)、MgO(氧化镁)、SiC(碳化硅)、SiO2(二氧化硅或硅石)、TiO2(氧化钛或钛白)和ZnO(氧化锌)。
导热层包括：导热聚合基质，在100份的重量的树脂成分的基础上包含5.0份至15.0份的重量的碳基纳米粒子和无机纳米粒子。如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了小于5.0的份的重量的量，则不可以显示导热性质提高效果，并且如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了大于15.0份的重量的量，则绝缘击穿电压性能可以下降。
将诸如交联剂、氧化稳定剂、UV稳定剂、加工助剂等的添加剂添加到包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的基础树脂，以形成绝缘聚合物基质成分。可以无需进行具体限制地使用每个添加剂的种类和在100份的重量的树脂成分的基础上的多份的重量，只要其是通常使用的背离本发明所属领域中广为人知的本发明的技术精神和范围即可。
⑥耐风化覆盖层(50)
作为形成用作耐风化覆盖层50的材料的聚合基质的基础树脂，低密度聚乙烯(LDPE)、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯(UHMW-PE)可以单独使用或以其两个或更多个的组合来使用。
碳基纳米粒子可以将从由以下项组成的组中选择的至少一种组合使用：各种碳基纳米材料，例如碳纳米管(CNT)石墨烯、石墨烯纳米片和纳米炭黑。
无机纳米粒子可以将从由以下无机纳米材料组成的组中选择的至少一种组合使用：例如AlN(氮化铝)、Al2O3(氧化铝或矾土)、Al(OH)3(氢氧化铝)、ATH(氢氧化铝)、BN(氮化硼)、BeO(氧化铍)、BaTiO3(钛酸钡)、CaCO3(碳酸钙)、LS(层状硅酸盐)、MgO(氧化镁)、SiC(碳化硅)、SiO2(二氧化硅或硅石)、TiO2(氧化钛或钛白)和ZnO(氧化锌)。
耐风化覆盖层50包括：聚合基质，在100份的重量的树脂成分的基础上包含2.0份至9.9份的重量的碳基纳米粒子和无机纳米粒子。如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了小于2.0的份的重量的量，则不可以显示抗电弧径迹性和力学性质提高效果，并且如果碳基纳米粒子和无机纳米粒子包含了大于9.9份的重量的量，则绝缘击穿电压性能可以下降。
将诸如交联剂、氧化稳定剂、UV稳定剂、加工助剂、憎水剂等的添加剂添加到包含碳基纳米粒子和无机纳米粒子的基础树脂，以形成耐风化覆盖聚合物基质成分。可以无需进行具体限制地使用每个添加剂的种类和在100份的重量的基础树脂成分的基础上的多份的重量，只要其是通常使用的背离本发明所属领域中广为人知的本发明的技术精神和范围即可。根据本发明的架空绝缘线100通过将连续使用温度增大到150℃而具有相对于现有架空绝缘线增加50％的可容许电流量。
虽然已经结合附图所示的示例性实施例描述了本发明，但是它们仅是示例性实施例，并且本发明不限于这些实施例。要理解，本领域普通技术人员可以做出实施例的各种等同修改和变化而不背离本发明的精神和范围。因此，本发明的真实技术范围应由所附权利要求的技术精神限定。

Claims (3)

1.一种高容量架空绝缘线，包括：
加强线（1）；
导体层（10），包括围绕所述加强线（1）的铝线（2）；
包含碳基纳米粒子的半导体层（20），所述半导体层（20）围绕所述导体层（10）；
包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的绝缘层（30），所述绝缘层（30）围绕所述半导体层（20）；
包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的导热层（40），所述导热层（40）围绕所述绝缘层（30）；以及
包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的耐风化覆盖层（50），所述耐风化覆盖层（50）围绕所述导热层（40），
其中，所述加强线（1）具有大于200 kgf/mm2的拉伸强度，并且经历在所述加强线（1）的外周上执行的从镀锌、锌铝稀土金属合金电镀和铝涂覆中选择的任意一种表面处理，
其中，所述半导体层（20）在100份的重量的树脂成分的基础上包含2份至20份的重量的碳基纳米粒子，并且其中，所述铝线（2）具有7 kgf/mm2至12 kgf/mm2的拉伸强度，从由低密度聚乙烯、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯酸甲酯、乙烯醋酸乙烯酯、乙烯丙烯酸乙酯EEA、乙烯丙烯酸丁酯EBA、聚丙烯酸酯、多元酯、聚碳酸酯、聚氨基甲酸酯、聚酰亚胺和聚苯乙烯组成的组中选择的至少一种被用作所述半导体层（20）的基础树脂，并且从由各种碳基纳米材料组成的组中选择的至少一种被用作所述碳基纳米粒子，
其中，向包含所述半导体层（20）的碳基纳米粒子在内的基础树脂添加添加剂，以形成半导体聚合基质，
其中，所述绝缘层（30）在100份的重量的树脂成分的基础上包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的总重量为0.5份至5.0份，并且低密度聚乙烯LDPE、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯UHMW-PE被单独用作或低密度聚乙烯LDPE、中密度聚乙烯、高密度聚乙烯和超高分子量聚乙烯UHMW-PE中的两种或更多种被组合用作形成用于所述绝缘层（30）的聚合基质的基础树脂，
其中，所述导热层（40）在100份的重量的树脂成分的基础上包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的总重量为5.0份至15.0份，并且
其中，所述耐风化覆盖层（50）在100份的重量的树脂成分的基础上包含碳基纳米粒子和除碳基纳米粒子之外的无机纳米粒子的总重量为2.0份至9.9份。
2.根据权利要求1所述的高容量架空绝缘线，其中所述碳基纳米粒子是碳纳米管CNT石墨烯、石墨烯纳米片和纳米炭黑。
3.根据权利要求1所述的高容量架空绝缘线，其中所述添加剂是交联剂、抗氧化剂或加工助剂。
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