JP3845175B2

JP3845175B2 - 複合素線、それを用いた軽量低弛度架空電線

Info

Publication number: JP3845175B2
Application number: JP12738297A
Authority: JP
Inventors: 秀夫伴瀬; 武男宗像; 進富田; 潤贄川; 厚東浦; 治郎廣石; 光一郎三田; 啓明柴
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.
Priority date: 1997-05-16
Filing date: 1997-05-16
Publication date: 2006-11-15
Anticipated expiration: 2017-05-16
Also published as: JPH10321050A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合素線とそれを用いた軽量低弛度架空電線に関し、更に詳しくは、軽量であり、かつ高温下における弛度抑制効果が優れ、しかも実働時における疲労破壊が起こりにくい複合素線と、それをテンションメンバとする軽量低弛度架空電線に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から多用されている架空送電線は、鋼線を撚り合わせた鋼心をテンションメンバとし、その外周に例えばＡｌやＡｌ合金から成る送電線を撚り合わせて配置した構造になっている。そして全体を鉄塔間に高張力で張り渡して送電線路が形成される。
【０００３】
ところで、架空送電線の場合、負荷電流を増大させることにより送電容量を増加させることができる。したがって、送電容量を増加させるためには、送電線に大電流を流すことが必要になってくる。
しかしながら、上記した鋼心Ａｌ撚線の場合、負荷電流の増大に伴う温度上昇により、テンションメンバである鋼心の分担張力が増大し、また温度変化に伴って弛度張力も変動する。そのため、鋼心をテンションメンバにした架空送電線では、送電容量を増加させたときの弛度抑制効果は期待できないという問題がある。また、鋼心は単位長さ当りの重量も大きいので、鋼心アルミニウム撚線は自重で垂れ下がりやすく、そのため、それに耐え得る付帯設備が必要になってくる。
【０００４】
このようなことから、鋼心に代えて、軽量でかつ線膨張係数が小さい材料をテンションメンバにした各種の軽量低弛度架空電線が開発されている。
例えば、長尺な炭素繊維を強化材とし、各種のプラスチックをマトリックスとして前記強化材を埋設した構造のＦＲＰ線材をテンションメンバとするものが知られている。
【０００５】
上記したＦＲＰ線材を架空送電線のテンションメンバとして実働させた場合、架空送電線への負荷の増減に基づいて当該架空送電線の温度上昇や温度下降が起こると、それに伴って前記ＦＲＰ線材も伸縮する。
しかしながら、前記したＦＲＰ線材の場合、強化材である炭素繊維の線膨張係数と、炭素繊維を結束する樹脂マトリックスの線膨張係数との間には大きな差がある。一般に、炭素繊維の値は小さく、樹脂マトリックスの値は大きい。
【０００６】
そのため、前記した電線温度の変化に伴うＦＲＰ線材の伸縮時には、強化材とマトリックスとの間に熱応力が発生し、経時的に熱疲労が蓄積し、最悪の場合にはＦＲＰ線材（テンションメンバ）が疲労破壊を起こすこともある。
また、上記したＦＲＰ線材は、軽量で全体の線膨張係数は小さく、高張力特性を備えた素材であるが、このようなＦＲＰ線材をテンションメンバにしても、得られた架空送電線全体の線膨張係数（以下、等価線膨張係数という）は１８×１０^-6／℃程度の値を示し、電線温度が上昇するにつれて弛度は大きくなってくる。
【０００７】
また、分担張力がテンションメンバに１００％移行する遷移点温度以上に温度上昇したときであっても、ＦＲＰ線材（テンションメンバ）の伸びが生ずるので、温度上昇に伴って架空送電線の弛度は大きくなってくる。
一方、別のテンションメンバとしては、強化材として炭素繊維、シリカ繊維、ＳｉＣ繊維、ボロン繊維などの軽量な無機質繊維を用い、マトリックスとして亜鉛、すず、ビスマスなどの低融点金属を用いたＦＲＭの複合素線が知られている（特開平１−１０４７３２号公報参照）。
【０００８】
この複合素線の場合、テンションメンバとしての実働時に、ＦＲＰ線材の場合に起こりうるような疲労破壊は起こりにくい。
しかしながら、例えば、架空送電線への負荷が大きくなることによって、その電線温度がマトリックスである低融点金属の融点以上になると、当該低融点金属は溶融し、テンションメンバの外側に配置されている送電線の隙間から流出するという事態が起こる。
【０００９】
そのため、この複合素線の場合は、電線温度がマトリックスの融点より低くなる状態でしか実働させることはできない。すなわち、この複合素線をテンションメンバとする架空送電線では、大きな負荷電流を送電することは事実上できないことになる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は従来のテンションメンバにおける上記した問題を解決し、軽量、高張力特性を備えていることは勿論のこと、高温下における弛度増加は少なく、しかも実働時に疲労破壊を起こしにくい複合素線と、それをテンションメンバにした軽量低弛度架空電線の提供を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記した目的を達成するために、本発明においては、軽量でしかも引張強度などの強度特性が優れている繊維（以下、長尺繊維と呼ぶ）を強化材とし、前記長尺繊維を埋設する比較的低温で軟化または溶融する金属材料（以下、易融金属材料と呼ぶ）をマトリックスとし、前記マトリックスの外側がアルミニウム系または銅系の材料で被覆されていることを特徴とする複合素線が提供される。とくに、長尺繊維がポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維から成り、易融金属材料が、亜鉛、ビスマス、タリウム、すず、鉛またはそれらの合金から成る複合素線が提供される。
【００１２】
また、本発明においては、上記の複合素線の集束体をテンションメンバとすることを特徴とする軽量低弛度架空電線が提供される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、複合素線について説明する。
この複合素線は、断面図である図１に示したように、長尺繊維１を強化材とし、それを埋設するマトリックス２と、マトリックス２の外側を被覆する層３で構成されている。
【００１４】
すなわち、長尺繊維１とマトリックス２は繊維強化複合体（コンポジット）になっていて、その外側が層３を構成する材料で被覆されたものである。ここで、長尺繊維１は、複合素線全体の強度特性を規定する要素であり、軽量で、しかも引張強度などの強度特性に優れているものが用いられる。このような長尺繊維１としては、例えば、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、アラミド繊維などの有機質繊維；炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、ガラス繊維などの無機質繊維をあげることができる。
【００１５】
そして、この複合素線が架空送電線のテンションメンバとして実働することを考えると、電線温度の上昇に基づく熱伸長が小さくなるように、線膨張係数が小さい値であればあるほど好ましく、とくに負の値になるような繊維であることが最も好ましい。
このようなことからすると、本発明で用いる長尺繊維１としては、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維が最も好適である。
【００１６】
このポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維（Poly(p-phenylene-2,6-benzobisoxazole)fiber、以下、ＰＢＯ繊維という）は、次式：
【００１７】
【化１】

【００１８】
を繰り返し単位とするポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾールを液晶紡糸した繊維である。このＰＢＯ繊維は、引張強度（Ｔｓ）が約5.５ＧＰａ、弾性率（Ｅ）が約２８０ＧＰａ、融点が６００〜６５０℃、酸素指数が５０〜５５、密度（ρ）が約1.５６ｇ／ｃｍ³、線膨張係数（α）が−６×１０^-6／℃程度であって、高強度、高弾性であり、耐熱性と難燃性が優れ、しかも軽量である。そして、線膨張係数は負の値であるため、温度上昇に伴い熱収縮するという性質を備えている。
【００１９】
このＰＢＯ繊維１を埋設するマトリックス２としては、比較的低温で軟化または溶融する易融金属材料が使用される。とくに、その融液のＰＢＯ繊維に対する濡れ性が良好で、常温下で軟質である材料が好適であり、例えば、はんだ（融点２００〜３００℃）、すず（融点２３２℃）、亜鉛（融点４１９℃）、鉛（融点３２８℃）、ビスマス（融点２７１℃）、タリウム（融点３０３℃）などをあげることができる。これらは単独で用いてもよいし、２種以上を組み合わせた合金として用いてもよい。とくに、はんだは好適である。
【００２０】
ここで、前記した長尺繊維１とマトリックス２とから成る複合材において、長尺繊維の体積占有率は１５〜９０％（したがって、マトリックスの体積占有率は１０〜８５％）となるように設定することが好ましい。長尺繊維の体積占有率が１５％よりも小さくなると、複合材全体の強度特性、とりわけ引張強度が低下しはじめる傾向が現れ、テンションメンバとしての効果は減退する。逆に９０％より大きくなると、易融金属材料が少なすぎて長尺繊維を充分に結束できなくなり、そのため同じく複合材としての強度特性の低下が起こりはじめる。とくに好ましい長尺繊維の体積占有率は４０〜６０％である。
【００２１】
この易融金属材料から成るマトリックス２の外側は、銅系またはアルミニウム系の材料３で被覆されている。これらの材料は、いずれも、導電性が優れているとともに、その融点がそれぞれ１０８４℃、６６０℃程度であり、マトリックス２を構成する材料よりも高融点である。したがって、マトリックスの易融金属材料が溶融する温度になっても、この被覆材料３が溶融するという事態は起こらない。
【００２２】
上記した材料としては、銅系の場合には、銅単独、または銅合金が好適であり、またアルミニウム系の場合には、アルミニウム単独、またはアルミニウム合金が好適である。
この被覆の厚みは格別限定されるものではないが、厚すぎると複合素線が重くなって軽量化の要求に逆行するようになり、また薄すぎると、その機械的強度が低下して外力で簡単に破損するような事態を招くので、その厚みは0.３〜1.０ｍｍ程度にすることが好ましい。
【００２３】
この複合素線は次のような作用効果を発揮する。
すなわち、架空送電線のテンションメンバとして組み込まれたときに、電線温度の上昇により、その温度がマトリックスを構成する易融金属材料の融点近傍または融点以上になると、当該易融金属材料は軟化または溶融する。
そのため、強化材である長尺繊維に対するマトリックスの拘束力は弱くなり、長尺繊維は複合素線の長手方向を遊動する自由度が増し、熱膨張する長尺繊維と軟化または溶融しているマトリックスとの間では熱応力が著しく緩和される。
【００２４】
そして温度降下が起こった場合、長尺繊維は、軟化または溶融している易融金属材料の中を熱収縮するので、そのとき、熱収縮する長尺繊維と易融金属材料との間に発生する熱応力は極めて小さい。
すなわち、複合素線に温度上昇−温度降下の熱変化が反復して加わった場合でも、長尺繊維とマトリックスとの間ではほとんど熱応力が発生しないので、疲労破壊は良好に阻止される。
【００２５】
また、易融金属材料が完全に溶融して液状化した場合、長尺繊維はマトリックスによる拘束をほとんど受けることなく熱伸縮をすることができる。そしてその場合、最外層の被覆３は溶融していないので、易融金属材料の融液が外部に流出するという事態は起こらない。
このような状態にある複合素線では、その熱伸縮は、基本的には、長尺繊維の線膨張係数によって規制されることになる。したがって、長尺繊維として線膨張係数が小さい値のものを用いることにより、高温下においても、その複合素線の弛度増加を抑制することができる。
【００２６】
また、最外層の被覆は、前記したように、易融金属材料が溶融したときにその融液を外部に流出させないためのシースの働きをするが、その外にも、次のような働きをする。
例えば、長尺繊維が、ＰＢＯ繊維のように紫外線劣化を起こしやすいような繊維である場合、その繊維を光劣化から防ぎ、もって長期に亘ってテンションメンバとしての信頼性を確保するという働きをする。
【００２７】
この複合素線は次のようにして製造することができる。
すなわち、まず、長尺繊維を所定の太さに集束したのち、例えば溶融はんだのような易融金属材料の融液に浸漬または連続走行させることにより各繊維間に前記融液を含浸させ、ついで全体を冷却する。その結果、所定径の繊維強化金属複合材である線材が得られる。
【００２８】
その後、上記線材を銅系またはアルミニウム系から成り、所定の肉厚と内径を有する金属管の中に導入し、全体に例えば伸線処理を行うことにより、所定径の複合素線が得られる。このとき、長尺繊維の集束本数、集束後の太さなどを調節することにより、長尺繊維と易融金属材料との体積占有率を適宜な値に設定することができる。
【００２９】
図２は、本発明の軽量低弛度架空電線の例を示す断面図である。
この電線は図１で示した複合素線の複数本（図では７本）を集束して、テンションメンバとし、その外側に、複数本（図では２６本）の例えばアルミニウムまたはアルミニウム合金から成る素線を送電線として配置して全体を撚り合わせたものである。
【００３０】
この電線は、テンションメンバが前記したような複合素線であるので、全体として軽量であり、電線温度が上昇しても大きな弛度増加は起こらず、また、電線温度が変化しても前記テンションメンバの疲労破壊は起こらず、長期に亘って実働することができる。
【００３１】
【実施例】
東洋紡（株）製のＰＢＯ繊維（線膨張係数：−６×１０^-6／℃）を集束して太さ2.１ｍｍの集束体とし、この集束体を、Ｐｂ：３２重量％、Ｓｎ：１６重量％、Ｂｉ：５２重量％から成るはんだ（融点：１５０℃）の融液の中に連続走行させたのち冷却し、更に、内径５ｍｍ、肉厚0.２ｍｍのＡｌ管の中に導入したのち、全体に伸線加工を行って、線径3.５ｍｍの複合素線を連続的に製造した。
【００３２】
この複合素線では、ＰＢＯ繊維、はんだ、Ａｌの体積占有率は、それぞれ、３５％、１５％、５０％になっている。
ついで、この複合素線を７本集束してテンションメンバとし、その外側に、線径4.５ｍｍのアルミニウム導体２６本を配置して全体を撚り合わせ、図２で示した電線にした。
【００３３】
上記した複合素線とアルミニウム導体の線膨張係数および弾性係数、また電線全体の単位長さ当りの質量、線膨張係数、弾性係数を測定し、その結果を表１に示した。
ついで、上記電線を、最大使用張力４9.０ｋＮで径間長３００ｍに亘って張設し、温度２０℃、温度９０℃、温度２００℃における弛度をそれぞれ測定し、その結果も表１に示した。
【００３４】
比較のために、線径3.５ｍｍの鋼心を７本集束してテンションメンバとし、その外側に、寸法と特性が前記したアルミニウム導体と同じであるアルミニウム導体２６本を配置して従来の鋼心アルミニウム撚線を製造した。
この電線に対しても、実施例と同様の弛度測定を行い、その結果を表１に示した。
【００３５】
【表１】

【００３６】
表１から以下のことが明らかである。
１）本発明の複合素線は、鋼心よりも弾性係数が小さく強度特性は若干低下しているが、線膨張係数は著しく小さくなっていて、熱伸長量は少なくなり、そのため、電線全体の熱膨張係数を小さくすることに貢献している。
２）この複合素線をテンションメンバにすると、得られた電線の強度特性は、従来の鋼心アルミニウム線に比べて若干低下するものの、約１８％程度軽量化している。
【００３７】
３）しかも、電線温度が高温になっても弛度増加は鋼心アルミニウム撚線に比べて著しく抑制されている。したがって、送電する負荷電流を従来以上に大きくすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明の複合素線は軽量であり、線膨張係数も小さく、高温下において優れた弛度抑制効果を発揮するとともに、長尺繊維とマトリックスである易融金属材料との間で熱応力の発生も起こりにくいので、長期に亘る温度変化を受けても熱応力に基づく疲労破壊は起こらない。
【００３９】
したがって、この複合素線を用いて製造した架空送電線は、軽量であるとともに、負荷電流の増大による電線温度の上昇があっても弛度は少なく、しかも弛度変動はほとんど起こらない。
そのため、その架空送電線は鉄塔への負担を軽減することができ、しかも鉄塔を低く建設することもできる。すなわち、逆にいえば、既設の鉄塔に本発明の軽量低弛度架空電線を架線しても、当該電線に従来よりも大きな負荷電流を流して送電容量を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の複合素線を示す断面図である。
【図２】本発明の軽量低弛度架空電線の１例を示す断面図である。
【符号の説明】
１長尺繊維
２易融金属材料
３銅系またはアルミニウム系の材料
４アルミニウム導体

Claims

線膨張係数が負の値を示す繊維を強化材とし、当該強化材を埋設するマトリックスが、融点３００℃以下の金属材料からなり、前記マトリックスの外側が融点６６０℃程度のアルミニウム系または融点１０８４℃程度の銅系の材料で被覆されて前記マトリックスの金属材料が溶融したときに外部に流出させないシースとなっていることを特徴とする複合素線。
線膨張係数が負の値を示す繊維を強化材とし、当該強化材を埋設するマトリックスが、亜鉛、ビスマス、タリウム、すず、鉛の群から選ばれる少なくとも１種またはそれらの合金からなり、前記マトリックスの外側が融点６６０℃程度のアルミニウム系または融点１０８４℃程度の銅系の材料で被覆されて前記マトリックスの金属材料が溶融したときに外部に流出させないシースとなっていることを特徴とする複合素線。
前記強化材が、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維である請求項１または２の複合素線。
請求項１または２の複合素線の集束体をテンションメンバにしたことを特徴とする軽量低弛度架空電線。