RU167951U1 - Провод самонесущий изолированный с композиционным несущим элементом - Google Patents

Abstract

Техническое решение относится к кабельной технике, а именно к конструкциям многожильных самонесущих изолированных проводов (СИП) высокого напряжения и могут быть использованы для магистральных воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и ответвлений к вводам в жилые дома, хозяйственные постройки. Техническая задача - создание недорогого самонесущего изолированного провода с эксплуатационными прочностными свойствами, соответствующими нормативам и возможностью использования во всех конструкциях самонесущих изолированных проводов. В самонесущем изолированном проводе алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %. В качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола, а степень объемного наполнения термореактивного связующего базальтовым волокном равна 75-85%. Несущий элемент может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции, а токопроводящие жилы провода выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98. Илл. 2

Description

Техническое решение относится к кабельной технике, а именно к конструкциям многожильных самонесущих изолированных проводов (СИП) высокого напряжения и могут быть использованы для магистральных воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и ответвлений к вводам в жилые дома, хозяйственные постройки.

Самонесущий изолированный провод, в зависимости от назначения, состоит от двух до четырех алюминиевых изолированных токопроводящих жил, свитых вокруг токопроводящей нулевой несущей упрочненной жилы (СИП-1; 2) или из одной алюминиевой изолированной упрочненной токопроводящей жилы, одновременно являющейся несущей жилой (СИП-3). Несущая жила выполняет функцию несущего элемента, предназначенного для крепления или подвески провода.

Известен самонесущий изолированный провод, в котором многопроволочная токопроводящая несущая жила выполнена из сплава алюминия (патент РФ №63596 «Провод самонесущий изолированный» с приоритетом от 24.08.2006).

Повышенная стоимость СИП с несущей жилой, изготовленной из сплава алюминия, связана с высокой стоимостью сплава. Кроме того, используемый сплав имеет повышенное (относительно алюминия) удельное электрическое сопротивление, что приводит к электрическим потерям в несущей жиле и в проводе в целом. Для обеспечения необходимой электрической пропускной способности несущей жилы увеличивают ее сечение, что приводит к повышению веса несущей жилы и провода в целом и, следовательно, требует использования более дорогой усиленной монтажной арматуры и увеличивает механическую нагрузку на опоры линий электропередач.

Известен самонесущий изолированный провод, в котором алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит пластически обжатый сердечник из стальных проволок с коррозионно-защитным покрытием из цинка, алюминия или сплава алюминия с цинком (патент РФ №119161 «Провод самонесущий изолированный» с приоритетом от 01.02.2012).

Провода, выполненные с использованием стального сердечника в несущей жиле, имеют высокие механические свойства, которые обеспечиваются прочностью стали.

Стоимость провода напрямую связана со стоимостью используемого стального сердечника с коррозионно-защитным покрытием, технология получения которого достаточно сложная и дорогая:

- для повышения гибкости, прочности и структурной устойчивости сердечника производят его пластическое обжатие методом холодной прокатки с использованием специальных твердосплавных роликов, а для придания проволоке пластичности, после определенного количества проходов ее подвергают термохимической обработке (патентированию);

- коррозионно-защитное покрытие определенной толщины наносят на стальную проволоку гальваническим методом или методом газотермического напыления.

При эксплуатации в условиях больших динамических нагрузок (ветер, вибрации и т.п.) возможно отслоение коррозионно-защитного покрытия от поверхности проволоки, что в дальнейшем приводит к коррозии стали и, как следствие, к обрыву провода.

При использовании многопроволочной стальной конструкции сердечника увеличивается сечение и вес несущей жилы и провода в целом, а, следовательно, усложняется арматура и увеличивается механическая нагрузка на опоры линий электропередач.

Также известен самонесущий изолированный провод, описанный в патенте РФ №85736 «Самонесущий изолированный провод с несущим элементом из углеволокна» с приоритетом от 16.04.2009 и выбранный в качестве прототипа.

В данном проводе алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из волокнистого материала, в качестве которого использованы углеродные волокна.

Использование углеродных волокон в качестве несущего элемента (сердечника) позволяет снизить погонный вес провода, то есть снизить механическую нагрузку на опоры линий электропередач.

Не смотря на использование в качестве несущего сердечника высокопрочных углеродных волокон, эксплуатационная прочность сердечника невелика. Это связано с тем, что волокна в сердечнике связаны между собой только механически, а это не обеспечивает равномерного распределения статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, которые при этом имеют поверхностные дефекты - поры, микротрещины, что приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и провода в целом, а также к преждевременной замене провода, изготовленного с использованием данного сердечника.

Кроме того, исходные механические свойства углеродных волокон сохраняются только при эксплуатации в условиях отсутствия кислорода, поэтому невозможно использование рассматриваемого несущего сердечника в проводе с неизолированной несущей жилой (СИП-1): при работе сердечника в условиях рабочих температур провода (70-90°C) и присутствия атмосферного кислорода происходит неконтролируемое окисление поверхности углеродных волокон, приводящее к ухудшению их прочностных свойств.

Повышенная стоимость СИП с использованием волокнистого несущего сердечника связана с использованием дорогостоящих углеродных волокон.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание недорогого самонесущего изолированного провода с пониженным весом и эксплуатационными прочностными свойствами, соответствующими нормативам.

Решением данной задачи является самонесущий изолированный провод, в котором алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из волокнистого материала, новым в котором является то, что сердечник выполнен из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %.

В качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.

Степень объемного наполнения термореактивного связующего базальтовым волокном равна 75-85%.

Сердечник может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

Токопроводящие жилы провода выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98.

Базальтопластик - это композиционный материал на основе базальтовых волокон и органического связующего.

Заявляемый провод имеет невысокую стоимость за счет использования для изготовления композиционного сердечника недорогих и эффективных наполнителей - базальта и технического углерода (часто используют, как синоним, термин - сажа), позволяющих получить композитный материал (базальтопластик) с высокими физико-механическими свойствами, способный к длительной эксплуатации в жестких условиях.

Механические свойства композиции определяются прочностью адгезионных связей между всеми компонентами композита.

Используемый в заявляемом решении технический углерод имеет размер частиц 13-60 нм сферической формы с шероховатой поверхностью, состоящей из тончайших графитовых слоев, на поверхности которых расположены кислородсодержащие карбоксильные группы, количества которых при концентрации технического углерода 1,0-5,0 масс % достаточно для получения прочной адгезионной связи между частицами технического углерода, термореактивным полимерным связующим (эпоксидной смолой) и базальтовым волокном.

Прочность композита зависит не только от прочности сцепления на границе волокно-связующее, но и от прочности используемых волокон, которые имеют неидеальную (дефектную) поверхность с размером пор и трещин до 30 нм. Благодаря тому, что базальтовые волокна и технический углерод являются однополярными материалами, происходит объемное заполнение дефектов базальтового волокна частицами технического углерода с образованием прочного соединения, а чем прочнее поверхностный слой, тем выше прочность волокна.

Введение технического углерода в заявляемой концентрации 1-5 масс % уменьшает усадку связующего при полимеризации, что снижает тангенциальные напряжения на межфазной поверхности, ослабляющие адгезионное соединение компонентов композита и отрицательно влияющие на его прочностные свойства.

Одновременно технический углерод повышает термостойкость связующего и несущего сердечника в целом, который устойчиво эксплуатируется в регламентированном температурном диапазоне рабочих температур 70-90°C и позволяет без разрушения выдерживать пиковую температуру до 180°C.

В композите объемная доля базальтового волокна 75-85% является оптимальной и позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокна в получаемом композите. При этом волокна расположены вдоль несущего сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации. При степени армирования более 85% недостаток связующего для заполнения межволоконного пространства приводит к нарушению монолитности композита и, соответственно, к появлению в нем неравномерности напряжений, приводящих к разрушению при меньших значениях механических напряжений, чем для монолитных образцов. При степени армирования менее 75% связующее под действием нагрузок деформируется, в том числе и в межволоконном пространстве, и увлекает волокна за собой, что приводит к их разрушению.

В зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений композиционный несущий сердечник может быть выполнен в виде одножильной или многожильной конструкции, состоящей, например, из семи элементов, что повышает гибкость несущего сердечника и увеличивает эксплуатационную надежность.

Прогнозирование свойств композитов при определенных концентрациях наполнителей нанометрового диапазона является очень сложной задачей, которая может быть решена только путем проведения соответствующих исследований.

Проведенные исследования показали, что композиционный несущий сердечник с концентрацией технического углерода 1,0 масс % имеет нормативную прочность на разрыв 105 кГс/мм², необходимую для эксплуатации самонесущих изолированных проводов; при концентрации 2,0 масс % - прочность на разрыв увеличилась до 165 кГс/мм², что позволяет без разрушения эксплуатировать провода с заявляемым несущим сердечником в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (вибрации, налипание снега и гололеда). Увеличение концентрации технического углерода до 5 масс % дает незначительный прирост прочностных свойств, относительно концентрации 2 масс %, поэтому оптимальная концентрация технического углерода в получаемом композите составляет 2,0%, а дальнейшее ее увеличение не рационально с точки зрения перерасхода сырья и увеличения стоимости композиционного несущего сердечника.

Выполнение токопроводящих жил провода уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98 позволяет уменьшить диаметр каждой жилы и габаритные размеры провода в целом, повысить его эксплуатационные характеристики и уменьшить расход дорогостоящего изоляционного материала.

Композиционный несущий сердечник для заявляемого самонесущего изолированного провода и сам провод изготавливают на стандартном оборудовании с использованием известных методик.

При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «новизна».

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлено сечение многожильной токопроводящей несущей жилы с одножильным композиционным несущим сердечником, на фиг. 2 - сечение самонесущего изолированного провода.

Самонесущей изолированный провод (СИП-1, 2) содержит от двух до четырех алюминиевых многопроволочных токопроводящих жил 1 и алюминиевую многопроволочную токопроводящую нулевую несущую жилу 2, которая содержит сердечник 3 из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %. В одножильном самонесущем изолированном проводе СИП-3 в качестве токопроводящей жилы используют алюминиевую многопроволочную токопроводящую несущую жилу 2 с сердечником 3 из базальтопластика. Токопроводящие жилы 1 и 2 выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98.

Несущий сердечник 3 содержит термореактивную матрицу (связующее) 4 с углеродным наноструктурным наполнителем - техническим углеродом (на чертеже не показан), концентрация которого равна 1,0-5,0 масс %. Матрица 4 непрерывно армирована базальтовым волокном 5 со степенью объемного наполнения 75-85%.

В качестве углеродного наноструктурного наполнителя использован технический углерод с дисперностью 13-60 нм.

В качестве матрицы 4 использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).

Для создания изоляционного слоя 6 на токопроводящих жилах 1 и 2 используют поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен термопластичный, полиэтилен силанольносшиваемый.

Несущий сердечник 3 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

Заявляемый провод изготавливают по следующей технологии.

Из-за склонности технического углерода к образованию агломератов перед введением его в связующее 4 и после этого проводят ультразвуковую обработку в соответствии с известной методикой для получения равномерного распределения частиц технического углерода по объему связующего 4 и после этого вводят отвердитель. Базальтовые волокна 5 пропитывают полученным составом и формуют сердечник 3, который после полимеризации связующего 4 готов к использованию. При необходимости методом скрутки изготавливают многожильную конструкцию сердечника 3.

После этого на крутильной машине из круглых алюминиевых проволок вокруг сердечника 3 скручивают повивы, формируя многожильную токопроводящую несущую жилу 2. Во время скрутки токопроводящую жилу 2 уплотняют обжимными роликами с коэффициентом заполнения сечения 0,95-0,98. Поверх жилы 2 накладывают изоляционный слой 6.

Жилы 1 изготавливают скручиванием алюминиевых проволок с уплотнением обжимными роликами и с последующим наложением изоляции.

Затем жилы 1 скручивают вокруг несущей жилы 2 с композиционным сердечником 3.

В процессе эксплуатации самонесущего провода несущий сердечник 3 жилы 2 воспринимает статические и динамические нагрузки, направленные на растяжение и изгиб, и надежно работает в условиях регламентированных температур, а токопроводящие жилы 1 и 2 обеспечивают электрическую проводимость каждого провода.

Claims (5)

1. Самонесущий изолированный провод, в котором алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из волокнистого материала, отличающийся тем, что сердечник выполнен из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %.

2. Провод по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.

3. Провод по п. 1, отличающийся тем, что степень объемного наполнения термореактивного связующего базальтовым волокном равна 75-85%.

4. Провод по п. 1, отличающийся тем, что сердечник выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.

5. Провод по п. 1, отличающийся тем, что токопроводящие жилы выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98.

Images