CN1523611A - 无磁性不锈钢丝与架空电导线及制造钢丝和架空电导线方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种无磁性不锈钢丝与架空电导线及制造钢丝和架空电导线方法，是提供一种低损耗架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝、一种使用此高强度无磁性不锈钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线以及其个别制造方法。藉由使用本身为无磁性材料的无磁性不锈钢丝而不使用本身为强磁性材料的高碳钢丝，上述高强度无磁性不锈钢丝能够减少铁心损耗及涡流损耗并且最小化上述导线的有效电阻。此外，藉由强化上述钢丝的抗张强度以及减少其截面积能够最小化整体电力传输损耗，并使得焊铝层变厚，且可增加铝导线的截面积。
Description
技术领域
本发明涉及一种无磁性不锈钢丝与架空电导线及制造钢丝和架空电导线方法，特别是涉及一种架空电导线的高强度不锈钢丝、一种使用此钢丝的低损耗架空电导线以及制造此钢丝和架空电导线的方法。
相关申请的相互参照：本申请案主张要求对于在2003年1月10日于韩国智慧财产局提出的编号为2003-1602的韩国专利申请案的优先权，在此完整揭露其内容以作为参考。
背景技术
架空电导线广泛使用于从发电厂传输电力至变电所。然而，若使用架空电导线，则在传输期间将不可避免地发生电力损耗，因此如何在电力传输期间减少电力损耗是一件迫切的工作。
请参阅图1所示，是以高强度无磁性不锈钢丝强化的圆柱形铝导线的横截面或根据现有习知方法以镀锌高碳钢丝强化的圆柱形铝导线的横截面。位于由几根镀锌或焊铝的高碳钢丝1所制成的钢丝束铁心10外围的几根铝或铝合金导线3传统上是使用于架空电导线。高碳钢丝1具有铁磁性物质的特性以及大约130kg/mm2的抗张强度。
然而，对于上述现有习知的架空电导线，在电力传输期间出自高碳钢丝的磁场将干扰电流流动，且因为铝导线的有效电阻增加而会导致电阻损耗。此外，高碳钢丝因为磁性物质所特有的铁心损耗及涡流损耗而释放出焦耳热(Joule heat)，由此增加电导线的温度，并存在对其稳定性产生致命的问题。
由此可见，上述现有的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的架空电导线仍存在有诸多的缺陷，而亟待加以进一步改进。为了解决现有的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的架空电导线的缺陷，相关厂商莫不费尽心思来谋求解决之道，但长久以来一直未见适用的设计被发展完成，此显然是相关业者急欲解决的问题。
有鉴于上述现有的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的架空电导线存在的缺陷，本发明人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种新的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的低损耗架空电导线以及制造此钢丝和架空电导线的方法，能够改进一般现有的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的架空电导线，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本发明。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的架空电导线存在的缺陷，而提供一种新型结构的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝以及一种使用此钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的另一目的在于，提供一种制造架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝及使用此钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线的方法，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。
本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝，该钢丝的总重量当中包括：重量百分比0.07至0.12％的碳(C)、重量百分比0.05至1.00％的硅(Si)、重量百分比4.5至12.0％的锰(Mn)、重量百分比16.0至19.5％的铬(Cr)、重量百分比2.5至6.0％的镍(Ni)、重量百分比0.10至3.0％的铜(Cu)、重量百分比0.05至0.15％的铌(Nb)、重量百分比0.20至0.40％的氮(N)、重量百分比0.01至0.10％的铝(Al)、以及其余重量百分比的铁(Fe)与其它不可避免的杂质。
本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。
前述的高强度无磁性不锈钢丝，其中所述的高强度无磁性不锈钢丝以铝焊接。
前述的高强度无磁性不锈钢丝，其中所述的高强度无磁性不锈钢丝作为一低损耗架空电导线的一铁心。
前述的高强度无磁性不锈钢丝，其中绞合七根钢丝作为该低损耗架空电导线的该铁心。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种制造高强度无磁性不锈钢丝的方法，该高强度无磁性不锈钢丝作为一低损耗架空电导线的一铁心，该方法包括以下步骤：拉制复数根高强度无磁性不锈钢丝条；以及铝焊所拉的该些高强度无磁性不锈钢丝。
本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种制造低损耗架空电导线的方法，该低损耗架空电导线包括用以支撑一电导线的一钢丝铁心以及位于该铁心外围用以传输电流的一铝或铝合金导线，该方法包括以下步骤：拉制复数根高强度无磁性不锈钢丝条；铝焊所拉的该些高强度无磁性不锈钢丝；制造该钢丝束铁心，其中该铁心绞合了七根该些高强度无磁性不锈钢丝条；以及绞合位于该铁心外围的该铝或铝合金导线。
本发明与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。由以上技术方案可知，为了达到前述发明目的，本发明的主要技术内容如下：
根据本发明的一方面，本发明提供一种低损耗架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝，该钢丝的总重量当中包括：重量百分比0.07至0.12％的碳(C)、重量百分比0.05至1.00％的硅(Si)、重量百分比4.5至12.0％的锰(Mn)、重量百分比16.0至19.5％的铬(Cr)、重量百分比2.5至6.0％的镍(Ni)、重量百分比0.10至3.0％的铜(Cu)、重量百分比0.05至0.15％的铌(Nb)、重量百分比0.20至0.40％的氮(N)、重量百分比0.01至0.10％的铝(Al)、以及其余重量百分比的铁(Fe)与其它不可避免的杂质。
上述高强度无磁性不锈钢丝以铝焊接。
上述高强度无磁性不锈钢丝作为低损耗架空电导线的铁心。
七根高强度无磁性不锈钢丝将绞合在一起，并且作为低损耗架空电导线的铁心。
根据本发明的另一方面，本发明还提供一种制造作为低损耗架空电导线的铁心的高强度无磁性不锈钢丝的方法，该方法包括：拉制高强度无磁性不锈钢丝条；以及铝焊所拉的高强度无磁性不锈钢丝。
根据本发明的再一方面，本发明再提供一种制造低损耗架空电导线的方法，该电导线包括用以支撑电导线的高强度无磁性不锈钢丝铁心以及位于该铁心外围用以传输电流的铝或铝合金导线，上述方法包括：拉制高强度无磁性不锈钢丝条；铝焊所拉的高强度无磁性不锈钢丝；制造绞合了七根高强度无磁性不锈钢丝的钢丝束铁心；以及绞合位于上述铁心外围的铝或铝合金导线。
经由上述可知，本发明是关于一种架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的低损耗架空电导线以及制造此钢丝和架空电导线的方法，其提供了一种低损耗架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝、一种使用此高强度无磁性不锈钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线以及其个别制造方法。借由上述技术方案，本发明至少具有以下优点：
藉由使用本身为无磁性材料的无磁性不锈钢丝而不使用本身为强磁性材料的高碳钢丝，上述的高强度无磁性不锈钢丝能够减少铁心损耗及涡流损耗，并且可以最小化上述导线的有效电阻。
此外，藉由强化上述钢丝的抗张强度以及减少其截面积，而能够最小化整体电力传输损耗，并使得焊铝层变厚，且可增加铝导线的截面积。
因此，本发明利用高强度无磁性不锈钢丝作为其铁心的架空电导线可以明显地减少铁心损耗及涡流损耗，并且可最小化有效电阻，而能够达成有效的电能传输。
此外，藉由降低在电力传输时所发生的电导线温度增加，对于锈蚀环境的耐蚀力，以及风力所引起的振动疲劳的耐劳性，能够明显地加强架空电导线的稳定性及可靠性。因此，本发明能够在缺乏能源的情况下有效的使用电能，并且能够稳定传输作为高科技时代重要且基本电源的电能。
综上所述，本发明提供了一种架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝以及一种使用此钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线，从而更加实用。
本发明还提供了一种制造架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝及使用此钢丝作为其铁心的低损耗架空电导线的方法。其具有上述诸多的优点及实用价值，并在同类产品及方法中未见有类似的结构设计及方法公开发表或使用而确属创新，其不论在产品结构、方法或功能上皆有较大的改进，在技术上有较大的进步，并产生了好用及实用的效果，而具有产业的广泛利用价值诚为一新颖、进步、实用的新设计。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1是以高强度无磁性不锈钢丝强化的圆柱形铝导线的横截面或根据现有习知方法以镀锌高碳钢丝强化的圆柱形铝导线的横截面。
图2是焊铝的高强度无磁性不锈钢丝的抗张强度与铝焊接厚度伸长率之间的关系图。
图3是高强度无磁性不锈钢丝及高碳钢丝的抗张强度相对于温度的变化图。
图4是当3.0毫米高碳钢丝及高强度无磁性不锈钢丝维持在150℃时其剩余抗张强度比相对于时间的变化图。
图5是当分别喷盐试验3.0毫米及3.5毫米高碳钢丝与3.0毫米及3.5毫米高强度无磁性不锈钢丝时其重量相对于时间的变化图。
图6是高碳钢丝及高强度无磁性不锈钢丝的抗张特性与抗张疲劳特性的比较图。
图7是焊铝的高碳钢丝及高强度无磁性不锈钢丝的三端挠曲疲劳试验结果示意图。
图8是具有高碳钢丝铁心的习知架空电导线与具有高强度无磁性不锈钢丝铁心的低损耗架空电导线的交流阻抗相对于导线温度的比较结果示意图。
图9是具有高碳钢丝铁心的习知架空电导线与具有高强度无磁性不锈钢丝铁心的低损耗架空电导线的电力传输损耗相对于导线温度的减少比率示意图。
1： 高强度无磁性不锈钢丝或高碳钢丝 3： 铝或铝合金导线
10：钢丝束铁心 HC：高碳钢丝
NM：高强度无磁性不锈钢丝
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝与使用此钢丝的低损耗架空电导线以及制造此钢丝和架空电导线的方法其具体结构、制造方法、步骤、特征及其功效，详细说明如后。
本发明现将举较佳实施例，并参照附图，予以更完整地说明。
本发明利用绞合几根焊铝/不焊铝的高强度无磁性不锈钢丝作为低损耗架空电导线的铁心，以取代现有的绞合几根镀锌或焊铝的高碳钢丝。
根据本发明的高强度无磁性不锈钢丝的主要化学成份及重量组成比例揭露于日本专利公报第2618151号所示的下列表1。
表1
| 化学成份 | C | Si | Mn | Cr | Ni | Cu | Nb | N | Al | Fe |
| 组成比例(重量％) | 0.07-0.12 | 0.05-1.00 | 4.5-12.0 | 16.0-19.5 | 2.5-6.0 | 0.10-3.0 | 0.05-0.15 | 0.20-0.40 | 0.01-0.10 | bal |
具有上述化学成份组成比例的不锈钢丝将利用拉线模板(wire-drawing dies)重复地拉线以便拥有180kg/mm2或更大的抗张强度、2.0％或更大的伸长率以及1.02μm或更小的磁导率。在藉由除油完全消除包括所拉的钢丝表面的润滑油的杂质之后，将执行铝焊程序至预定厚度。上述不锈钢丝由于其优良的耐蚀力因此未必需要铝焊，但是铝焊可增加其导电率及耐蚀力。根据韩国工业标准KS D 7007，将七根焊铝的高强度无磁性不锈钢丝绞合在一起，并且作为低损耗架空电导线的铁心。
(1)抗张强度及导电率与焊铝层厚度之间的关系
图2是焊铝的高强度无磁性不锈钢丝的导电率及抗张强度相对于铝焊接厚度的变化。
请参阅图2所示，若焊铝层变厚，则不锈钢丝的导电率线性地增加，但抗张强度却线性地减少。亦即，当焊铝层变厚时，不锈钢丝的导电率将增加，但抗张强度却由于不锈钢丝的截面积缩减而减少。
高强度无磁性不锈钢丝所具有的抗张强度高于现有习知高碳钢丝。因此，相较于现有习知的高碳钢丝，焊铝的高强度无磁性不锈钢丝维持相等或较高的抗张强度，纵使其铝焊接厚度变得较厚。这将增加焊铝的高强度无磁性不锈钢丝的导电率。
结果，焊铝的高强度无磁性不锈钢丝维持等于或高于现有习知高碳钢丝的抗张强度，且具有较厚的铝焊接厚度并增加导电率。
(2)热试验
对于架空电导线而言，当交流电流施加于架空电导线时由于电阻产生焦耳热使得电导线温度增加。为了研究上述温度增加的影响，因此将观察在-50℃至300℃的广大温度范围内钢丝抗张强度的变化。
请参阅图3所示，相较于高碳钢丝(图中以HC表示)，高强度无磁性不锈钢丝(图中以NM表示)具有明显较高的抗张强度。
因此，若使用高强度无磁性不锈钢丝作为架空电导线的铁心，则可避免抗张强度的衰减，同时相较于高碳钢丝可增加高强度无磁性不锈钢丝的铝焊接厚度。由此，焊铝的高强度无磁性不锈钢丝的导电率高于焊铝的高碳钢丝。
架空电导线将根据适当的电流容量设定最大容许温度。若是钢心铝线(aluminium conductor steel reinforced，ACSR)，则最大连续容许温度通常限制在90℃。因此，若在固定温度下连续使用钢丝铁心作为钢心铝线(ACSR)的支撑线，则了解其机械特性变化是很重要的。一旦安装钢心铝线(ACSR)则其应持续大约20至30年，因此对于如此长的期间去获取钢心铝线(ACSR)的机械特性变化数据是不切实际的。取而代之，一种可执行的钢心铝线(ACSR)为将其置于较实际使用温度高的温度下(例如150℃)达许多小时之久，并且取出其每一小时的试验数据。然后，观察相对于所经历时间的抗张强度变化，最后能够利用这些取出的试验数据来预测其机械特性。
图4是高强度无磁性不锈钢丝及高碳钢丝的抗张强度相对于时间的变化。请参阅图4所示，若是高强度无磁性不锈钢丝(图中以NM表示)，则其抗张强度在5000小时之后增加至107％，然后接下来的时间予以维持。相反地，若是高碳钢丝(图中以HC表示)，则其抗张强度在5000小时期间内剩余100％，然后接下来的时间些微减少。
因此，相较于现有习知的高碳钢丝，高强度无磁性不锈钢丝呈现能够长时间在高温下使用的优良耐热特性。
(3)喷盐试验
为了避免任何不预期的锈蚀事故，因此安装在靠近海边或污染区域的架空电导线的铁心钢丝束的材料应具有良好的耐蚀力。
将执行用以评估高强度无磁性不锈钢丝及镀锌高碳钢丝的耐蚀力的喷盐试验。图5是当分别喷盐试验3.0毫米及3.5毫米高碳钢丝与3.0毫米及3.5毫米高强度无磁性不锈钢丝时其重量相对于时间的变化图。请参阅图5所示，高强度无磁性不锈钢丝(图中以NM表示)并未因锈蚀而出现任何重量变化，但镀锌高碳钢丝(图中以HC表示)则因锈蚀而出现明显重量变化。
因此，相较于镀锌高碳钢丝，高强度无磁性不锈钢丝对于盐水具有优良的耐蚀力。这个特性对于评估架空电导线的稳定性而言是非常重要的测量标准。
(4)铁心钢丝的疲劳
固定张力负载总是施加在安装于钢电塔的绝缘子上的架空电导线。因此，钢丝的铁心暴露在例如张力、挠曲以及扭力负载的复杂且多重的负载下。在这种环境下，必须确保耐劳特性以抵挡复杂且多重的负载。
图6是3.0毫米高强度无磁性不锈钢丝及3.0毫米镀锌高碳钢丝的张力-张力疲劳特性。将利用10吨Instron液压试验机器来执行张力-张力疲劳试验并将利用伸长计来测量延伸率。如图6所示，相较于镀锌高碳钢丝(图中以HC表示)，高强度无磁性不锈钢丝(图中以NM表示)具有较佳的疲劳寿命。
因此，根据本发明的高强度无磁性不锈钢丝具有良好的稳定性及可靠性，能够降低疲劳所导致的断线意外。
(5)线束试验
图7是分别以7根3.5毫米焊铝的高强度无磁性不锈钢丝及7根3.5毫米焊铝的高碳钢丝绞合的线束的三端挠曲疲劳。
请参阅图7所示，对于常常因风力而产生的15毫米或更小的振幅，高强度无磁性不锈钢丝相较于高碳钢丝具有许多较佳的疲劳特性。对于20毫米或更大的振幅，前者相较于后者具有类似的疲劳特性。
结果，相较于现有习知的高碳钢丝，高强度无磁性不锈钢丝由于该显着的疲劳特性而具有较佳的稳定性及可靠性，并且具有降低电力损耗的效益。
<试验实例>
首先，对于其总重量当中包括铁(Fe)再加上重量百分比为0.090％碳(C)、0.53％硅(Si)、9.76％锰(Mn)、5.55％镍(Ni)、17.59％铬(Cr)、0.18％铜(Cu)、0.12％铌(Nb)以及0.294％氮(N)的高强度无磁性不锈钢丝施以溶液热处理及浸蚀。在涂布处理之后，钢丝将通过一连续拉线机器的六个模板并将降低其截面积至3.2mm2(或面积下降百分比为75.8％)。在本例中，3.20毫米钢丝的抗张强度为190.5kg/mm2并且其伸长率为2.2％。
在除去所拉的3.20毫米钢丝表面的涂料及润滑油之后，藉由0.70毫米厚度的铝焊将其模压成3.90毫米钢丝。最后，藉由以0.62毫米厚度拉在线述3.90毫米焊铝的钢丝来获得3.50毫米焊铝的高强度无磁性不锈钢丝。
上述3.50毫米焊铝的钢丝具有140kg/mm2抗张强度、3.0％伸长率以及24％IACS导电率。这些满足KEPCO的标准，亦即130kg/mm2或更大的抗张强度、1.5％或更大的伸长率以及20.3％IACS的导电率。
然后，根据韩国工业标准KS D 7007绞合七根3.50毫米焊铝的高强度无磁性不锈钢丝以制造电导线的铁心。高强度无磁性不锈钢丝束及现有习知高碳钢丝束两者的铁心都制成两种类型的410mm2架空电导线。
利用上述两种类型的架空电导线，可侦测高强度无磁性不锈钢丝在电力传输期间的交流阻抗特性及损耗降低效果。其结果是表示于图8中。
可看出当电导线的温度上升时交流阻抗将线性地增加，并且相较于以焊铝的高碳钢(图中以HC表示)强化的架空电导线，以焊铝的高强度无磁性不锈钢(图中以NM表示)强化的架空电导线的交流阻抗显著地减少。
图9是以焊铝的高强度无磁性不锈钢强化的架空电导线的交流阻抗值相对于温度的减少倾向。亦即，图9是AChc与ACnm之间的差异相对于AChc的比例。其中AChc表示以焊铝的高碳钢强化的架空电导线的交流阻抗值，而ACnm表示以焊铝的高强度无磁性不锈钢强化的架空电导线的交流阻抗值。
请参阅图9所示，以焊铝的高强度无磁性不锈钢强化的架空电导线相较于以焊铝的高碳钢强化的架空电导线，在改善其交流阻抗方面具有大于20％的效率。
结果，利用高强度无磁性不锈钢丝作为其铁心的架空电导线藉由明显地减少铁心损耗及涡流损耗并且最小化有效电阻能够达成有效的电能传输。
此外，藉由降低在电力传输时所发生的电导线温度增加，对于例如盐水的锈蚀环境的耐蚀力，以及风力所引起的15毫米或更小振幅振动疲劳的耐劳性，能够明显地加强架空电导线的稳定性及可靠性。
因此，能够在缺乏能源的情况下有效使用电能并且稳定传输作为高科技时代重要且基本电源的电能。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (6)
1、一种架空电导线的高强度无磁性不锈钢丝，其特征在于该钢丝的总重量当中包括：重量百分比0.07至0.12％的碳(C)、重量百分比0.05至1.00％的硅(Si)、重量百分比4.5至12.0％的锰(Mn)、重量百分比16.0至19.5％的铬(Cr)、重量百分比2.5至6.0％的镍(Ni)、重量百分比0.10至3.0％的铜(Cu)、重量百分比0.05至0.15％的铌(Nb)、重量百分比0.20至0.40％的氮(N)、重量百分比0.01至0.10％的铝(Al)、以及其余重量百分比的铁(Fe)与其它不可避免的杂质。
2、根据权利要求1所述的高强度无磁性不锈钢丝，其特征在于其中所述的高强度无磁性不锈钢丝以铝焊接。
3、根据权利要求1或2所述的高强度无磁性不锈钢丝，其特征在于其中所述的高强度无磁性不锈钢丝作为一低损耗架空电导线的一铁心。
4、根据权利要求1或2所述的高强度无磁性不锈钢丝，其特征在于其中绞合七根钢丝作为该低损耗架空电导线的该铁心。
5、一种制造高强度无磁性不锈钢丝的方法，其特征在于该高强度无磁性不锈钢丝作为一低损耗架空电导线的一铁心，该方法包括以下步骤：
拉制复数根高强度无磁性不锈钢丝条；以及
铝焊所拉的该些高强度无磁性不锈钢丝。
6、一种制造低损耗架空电导线的方法，其特征在于该低损耗架空电导线包括用以支撑一电导线的一钢丝铁心以及位于该铁心外围用以传输电流的一铝或铝合金导线，该方法包括以下步骤：
拉制复数根高强度无磁性不锈钢丝条；
铝焊所拉的该些高强度无磁性不锈钢丝；
制造该钢丝束铁心，其中该铁心绞合了七根该些高强度无磁性不锈钢丝条；以及
绞合位于该铁心外围的该铝或铝合金导线。
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