RU2609129C1

RU2609129C1 - Electrical conductor

Info

Publication number: RU2609129C1
Application number: RU2015145478A
Authority: RU
Inventors: Андрей Витальевич Андреев
Original assignee: Андрей Витальевич Андреев
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2017-01-30

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: conductor consists of continuously reinforced metal conductive material, in which the reinforcing elements are distributed over the conductor cross section and made of high-strength fiber filament yarns with a low density. Filament yarn is formed by individual fibers, twisted or without twisting. Basalt, carbon or para-aramid fibers are used as high-strength fiber with a low density.

EFFECT: creating an electrical conductor with an increased operational durability.

6 cl, 4 dwg

Description

Техническое решение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.The technical solution relates to electrical engineering and can be used in the construction of multi-wire wires and cables for overhead power lines and electric transport lines, amplifying, supplying and suction lines.

Известен электрический проводник, из непрерывно армированного металлического проводникового материала, в котором армирующий элемент выполнен в виде сердечника из непрерывно армированной металлической матрицы (алюминия или его сплавов) содержанием 8-55 мас.% и предварительно металлизированных углеродных волокон содержанием 45-92 мас.%, в качестве металлического проводникового материала (покрытия) используют медь, или алюминий, или сплавы меди, или сплавы алюминия (заявка РФ №2013126953 «Провод для воздушных линий электропередачи и способ его изготовления» с приоритетом от 14.06.2013).Known electrical conductor, from a continuously reinforced metal conductor material, in which the reinforcing element is made in the form of a core from a continuously reinforced metal matrix (aluminum or its alloys) with a content of 8-55 wt.% And pre-metallized carbon fibers with a content of 45-92 wt.%, copper or aluminum, or copper alloys, or aluminum alloys are used as the metallic conductor material (coating) (RF application No. 2013126953 "Wire for overhead power lines and its method and gotovleniya "with priority of 06.14.2013).

Недостатками данного проводника являются невысокая эксплуатационная прочность и технологическая сложность. Недостатки данного проводника связаны с наличием оксидной алюминиевой пленки на поверхности сердечника, который расположен в центре проводника.The disadvantages of this conductor are the low operational strength and technological complexity. The disadvantages of this conductor are associated with the presence of an aluminum oxide film on the surface of the core, which is located in the center of the conductor.

Коэффициент теплового расширения оксидной пленки почти в три раза меньше коэффициента расширения алюминия, поэтому при нагреве проводника и металла матрицы в оксидной пленке образуются трещины. При большом (более 80 мас.%) содержании армирующих волокон в матрице, волокна, расположенные близко к поверхности сердечника, первыми попадают в зону распространения трещин оксидной пленки, что приводит к их разрушению и все действующие статические и динамические нагрузки распределяются между оставшимися в целости волокнами внутри единственного армирующего элемента (сердечника), которые не могут во время эксплуатации длительно и без разрушения выдерживать такие нагрузки и также начинают разрушаться, то есть происходит постепенное уменьшение прочностных свойств сердечника и проводника в целом, что приводит к преждевременной замене проводов, выполненных с использованием данного проводника.The coefficient of thermal expansion of the oxide film is almost three times lower than the coefficient of expansion of aluminum, therefore, when the conductor and the matrix metal are heated, cracks form in the oxide film. With a large (more than 80 wt.%) Content of reinforcing fibers in the matrix, the fibers located close to the core surface are the first to fall into the zone of propagation of cracks in the oxide film, which leads to their destruction and all existing static and dynamic loads are distributed between the remaining intact fibers inside the only reinforcing element (core), which cannot withstand such loads for a long time and without destruction and also begin to collapse, that is, a gradual decrease the strength properties of the core and conductor as a whole, which leads to premature replacement of wires made using this conductor.

Оксидная пленка на поверхности сердечника является барьерным слоем, препятствующим диффузионному взаимодействию металлического проводникового материала и металла сердечника. Слабая адгезия между этими металлами в процессе эксплуатации может привести к отслоению токопроводящего покрытия от поверхности армирующего элемента, что является недопустимым, так как исключает работу проводника, а значит и провода в целом, как целостной взаимосвязанной системы с гарантированным требуемым уровнем работоспособности.The oxide film on the surface of the core is a barrier layer that prevents the diffusion interaction of the metallic conductive material and the core metal. Weak adhesion between these metals during operation can lead to detachment of the conductive coating from the surface of the reinforcing element, which is unacceptable, since it excludes the operation of the conductor, and hence the wire as a whole, as an integrated interconnected system with a guaranteed required level of performance.

Удаление оксидной пленки с поверхности алюминия механическим путем практически невозможно, так как мгновенно после удаления пленки чистый металл вновь покрывается новой оксидной пленкой, поэтому для удаления оксидной пленки с поверхности сердечника используют травление в растворах кислот или щелочей с последующей тщательной промывкой с применением нейтрализующих растворов, что усложняет технологический процесс и, следовательно, увеличивает стоимость проводника.Removing the oxide film from the aluminum surface by mechanical means is practically impossible, since immediately after removing the film, the pure metal is again covered with a new oxide film, therefore, to remove the oxide film from the core surface, etching in acid or alkali solutions is used followed by thorough washing with neutralizing solutions, which complicates the process and, therefore, increases the cost of the conductor.

Также известен электрический проводник, описанный в патенте РФ №86345 «Проволока с упрочняющим сердечником» с приоритетом от 10.04.2009 и выбранный в качестве прототипа.Also known is the electrical conductor described in RF patent No. 86345 "Wire with a reinforcing core" with a priority of 04/10/2009 and selected as a prototype.

Данный проводник из непрерывно армированного металлического проводникового материала, содержит армирующий элемент, выполненный в виде сердечника из плотно упакованных высокопрочных волокон с низкой плотностью, на поверхность сердечника нанесено покрытие из эпоксидной смолы (без отвердителя) - 0,7-2,0 мас.%, а в качестве металлического проводникового материала (покрытия) используют медь, и/или алюминий, или сталь, или их сплавы с другими веществами.This conductor is made of continuously reinforced metal conductive material, contains a reinforcing element made in the form of a core of tightly packed high-strength fibers with low density, an epoxy resin coating (without hardener) is applied to the core surface - 0.7-2.0 wt.%, and as a metallic conductor material (coating) use copper, and / or aluminum, or steel, or their alloys with other substances.

Волокна расположены вдоль сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации.The fibers are located along the core, which coincides with the direction of the main mechanical stresses acting on the wire under operating conditions.

Данный проводник технологически прост, но при этом, не смотря на использование в качестве сердечника высокопрочных волокон, эксплуатационная прочность проводника невелика. Это связано с тем, что волокна в сердечнике связаны между собой только с помощью скрутки, а покрытие из эпоксидной смолы нанесено только на поверхность сердечника и играет роль защитного покрытия для исключения повреждения и разрушения при формировании сердечника. В таком сердечнике, являющимся единственным армирующим элементом с достаточно большим сечением, при эксплуатации не обеспечено равномерное распределение статических и динамических нагрузок между волокнами на всю глубину сечения сердечника, что приводит к постепенному разрушению наиболее нагруженных волокон и происходит снижение прочностных свойств сердечника и проводника в целом, что требует преждевременной замены проводов, изготовленных с использованием данного проводника.This conductor is technologically simple, but despite the use of high-strength fibers as the core, the operational strength of the conductor is small. This is due to the fact that the fibers in the core are interconnected only by twisting, and the epoxy resin coating is applied only to the surface of the core and acts as a protective coating to prevent damage and destruction during core formation. In such a core, which is the only reinforcing element with a sufficiently large cross section, during operation, there is no uniform distribution of static and dynamic loads between the fibers over the entire depth of the core section, which leads to a gradual destruction of the most loaded fibers and a decrease in the strength properties of the core and conductor as a whole, which requires premature replacement of wires made using this conductor.

Кроме того, начавшийся необратимый процесс разрушения волокон приводит к уменьшению сечения армирующего элемента и, как следствие, к отслоению токопроводящего покрытия от поверхности армирующего элемента. При динамических нагрузках в процессе эксплуатации на участке отслоения между токопроводящим покрытием и поверхностью армирующего элемента действуют силы трения, что ускоряет процесс разрушения волокон.In addition, the irreversible process of fiber destruction that has begun leads to a decrease in the cross section of the reinforcing element and, as a result, to detachment of the conductive coating from the surface of the reinforcing element. Under dynamic loads during operation, friction forces act on the delamination section between the conductive coating and the surface of the reinforcing element, which accelerates the process of fiber destruction.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание электрического проводника с повышенной эксплуатационной прочностью.The technical problem, the solution of which the claimed solution is directed, is the creation of an electrical conductor with increased operational strength.

Решением данной задачи является электрический проводник из непрерывно армированного металлического проводникового материала, новым в которой является то, что армирующие элементы распределены по сечению проводника и выполнены из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью.The solution to this problem is an electric conductor made of continuously reinforced metal conductive material, new in which the reinforcing elements are distributed over the cross section of the conductor and are made of complex threads of high-strength fibers with low density.

Комплексная нить сформирована скрученными или без крутки элементарными волокнами.The complex thread is formed by twisted or twisted by elementary fibers.

В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью использованы базальтовые, углеродные или пара-арамидные волокна.Basalt, carbon or para-aramid fibers are used as high-strength fibers with a low density.

Суммарное сечение армирующих элементов составляет 8-80% от сечения проводника.The total cross section of the reinforcing elements is 8-80% of the cross section of the conductor.

Минимальное расстояние от поверхности проводника до армирующих элементов составляет не менее 5% от диаметра проводника.The minimum distance from the surface of the conductor to the reinforcing elements is at least 5% of the diameter of the conductor.

В качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами.Copper and / or aluminum, or their alloys with other substances, are used as the metallic conductive material.

Распределение армирующих элементов по сечению проводника позволяет при эксплуатации перейти от сосредоточенной нагрузки в центре проводника к равномерно распределенной нагрузке между армирующими элементами, каждый из которых выполнен в виде отдельного длинномерного элемента из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью.The distribution of reinforcing elements over the cross-section of the conductor during operation allows you to switch from a concentrated load in the center of the conductor to a uniformly distributed load between the reinforcing elements, each of which is made as a separate lengthy element from complex threads of high-strength fibers with low density.

Комплексная нить - нить из элементарных нитей (филаментов), сложенных без крутки (пучок) либо соединенных скручиванием (шнур, трос, канат).A complex thread is a thread of elementary threads (filaments) folded without twisting (a bundle) or connected by twisting (cord, cable, rope).

Так как все армирующие элементы отделены друг от друга токопроводящим материалом, то повреждение или разрушение одного из армирующих элементов влечет за собой только перераспределение нагрузки на остальные армирующие элементы, но не вовлекает их в процесс разрушения, и при этом провод, изготовленный с использованием данного проводника, остается в рабочем состоянии, вплоть до полного разрушения всех армирующих элементов, то есть увеличивается ресурс работы проводника и провода в целом.Since all reinforcing elements are separated from each other by conductive material, damage or destruction of one of the reinforcing elements entails only a redistribution of the load on the remaining reinforcing elements, but does not involve them in the destruction process, and the wire made using this conductor remains in working condition, up to the complete destruction of all reinforcing elements, that is, the resource of the conductor and the wire as a whole increases.

Суммарное сечение армирующих элементов составляет 8-80% от сечения проводника, то есть сечение каждого из армирующих элементов невелико, что позволяет обеспечить равное напряжение всех волокон армирующего элемента на всю его глубину, исключая перенапряжение одних волокон и недогруженность других волокон, что позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокон и увеличить ресурс работы каждого армирующего элемента.The total cross-section of the reinforcing elements is 8-80% of the cross-section of the conductor, that is, the cross-section of each of the reinforcing elements is small, which ensures equal tension of all fibers of the reinforcing element to its entire depth, excluding the overvoltage of some fibers and the underload of other fibers, which makes it possible to realize mechanical characteristics of the fibers and increase the life of each reinforcing element.

Выбор суммарного сечения армирующих элементов осуществляется исходя из условий эксплуатации провода и требований, предъявляемых к характеристикам провода. Так для использовании провода на участках со сложным рельефом (реки, горы и т.п.) предъявляются высокие требования к прочностным характеристикам провода, для удовлетворения которых выбирают армирующие элементы с суммарным сечением 50-80% от сечения проводника. При использовании провода на участках, где требуется высокая пропускная способность, выбирают армирующие элементы с суммарным сечением 8-20% от сечения проводника. Для всех остальных случаев используют армирующие элементы с суммарным сечением 21-49% от сечения проводника.The selection of the total cross section of the reinforcing elements is carried out based on the operating conditions of the wire and the requirements for the characteristics of the wire. So, to use the wire in areas with complex terrain (rivers, mountains, etc.), high demands are made on the strength characteristics of the wire, for which reinforcing elements with a total cross section of 50-80% of the conductor cross section are selected. When using wire in areas where high throughput is required, reinforcing elements with a total cross section of 8-20% of the conductor cross section are selected. For all other cases, reinforcing elements with a total cross section of 21-49% of the conductor cross section are used.

В качестве высокопрочных волокон с низкой плотностью наиболее перспективным является использование базальтовых волокон, которые имеют низкую стоимость и характеристики которых удовлетворяют всем требованиям, предъявляемым к армирующим элементам. Углеродные волокна при всех своих достоинствах весьма хрупки и могут подвергаться повреждениям и разрушению при формирования армирующих элементов и требуют соответствующей подготовки, что усложняет технологический процесс и увеличивает стоимость проводника. Высокая стоимость пара-арамидных волокон ограничивает их применение особо ответственными участками электрических сетей.As high-strength fibers with a low density, the most promising is the use of basalt fibers, which are of low cost and whose characteristics satisfy all the requirements for reinforcing elements. Carbon fibers, for all their advantages, are very fragile and can be damaged and destroyed during the formation of reinforcing elements and require appropriate preparation, which complicates the process and increases the cost of the conductor. The high cost of para-aramid fibers limits their use to particularly critical sections of electrical networks.

Для обеспечения заданных механических характеристик армирующего элемента могут применяться волокна одного вида или сочетание нескольких видов волокон. Так, например, для армирующего элемента, выполненного из пара-арамидного волокна, вторым компонентом может являться углеродное волокно, необходимое для повышения прочности армирующего элемента в поперечном направлении, что важно при воздействии на провод вертикальной нагрузки от гололеда и горизонтальной - от ветра. Таким образом, изменяя качественный состав волокон, можно целенаправленно влиять на требуемые характеристики армирующего элемента и провода в целом.To ensure the specified mechanical characteristics of the reinforcing element, fibers of the same type or a combination of several types of fibers can be used. So, for example, for a reinforcing element made of para-aramid fiber, the second component can be carbon fiber, which is necessary to increase the strength of the reinforcing element in the transverse direction, which is important when the wire is exposed to vertical loads from ice and horizontal loads from wind. Thus, by changing the qualitative composition of the fibers, it is possible to purposefully influence the required characteristics of the reinforcing element and the wire as a whole.

Армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, сложенных без крутки (пучок), используют на малонагруженных участках сети, где нагрев провода не превышает 70-90°. На участках сети с большим потреблением электроэнергии, в которых нагрев провода превышает 90°, используют армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, соединенных скручиванием в виде шнура, троса, каната. Это объясняется тем, что при нагреве проводника выше 90° происходит значительное удлинение проводникового материала, а используемые высокопрочные волокна имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что может привести к разрыву волокон. Использование скрученных нитей позволяет увеличить упругие свойства армирующего элемента и тем самым сохранить его целостность.Reinforcing elements in which the multifilament yarn is formed of filaments folded without twisting (a bundle) is used in lightly loaded sections of the network where the heating of the wire does not exceed 70-90 °. Reinforcing elements are used in sections of the network with high energy consumption, in which the heating of the wire exceeds 90 °, in which the multifilament thread is formed of elementary threads connected by twisting in the form of a cord, cable, rope. This is because when the conductor is heated above 90 °, a significant elongation of the conductor material occurs, and the high-strength fibers used have almost zero linear expansion coefficient, which can lead to rupture of the fibers. The use of twisted threads allows to increase the elastic properties of the reinforcing element and thereby maintain its integrity.

Минимальное расстояние от поверхности проводника до армирующих элементов не менее 5% от диаметра проводника исключает повреждение волокон при возникновении трещин в алюминиевой оксидной пленки на поверхности проводника.The minimum distance from the surface of the conductor to the reinforcing elements is not less than 5% of the diameter of the conductor eliminates damage to the fibers when cracks occur in the aluminum oxide film on the surface of the conductor.

В качестве металлического проводникового материала в заявляемом проводнике преимущественно используются медь, и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами. При этом для проводов воздушных линий электропередач используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80) как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевого проводника на его поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равна 10-30% от общей площади сечения проводника, при этом площадь сечения проводника не увеличивается. При этом вес проводника увеличивается на 20-60%, что является допустимым в заявляемом проводнике благодаря высоким прочностным свойствам армирующих элементов и схеме их распределения по сечению проводника.As the metallic conductor material in the inventive conductor, copper and / or aluminum, or their alloys with other substances, are mainly used. At the same time, aluminum or an ABE grade alloy (GOST 839-80) is used as light and cheap materials with good electrical conductivity for overhead power line wires; in electrified transport lines, copper or bronze is used as load-bearing cables, reinforcing, feeding and suction lines, as materials with increased electrical conductivity. To further increase the permissible throughput of an aluminum conductor by 5-15%, a copper coating layer is applied to its surface, the cross-sectional area of which is respectively 10-30% of the total cross-sectional area of the conductor, while the cross-sectional area of the conductor does not increase. In this case, the weight of the conductor increases by 20-60%, which is permissible in the inventive conductor due to the high strength properties of the reinforcing elements and their distribution pattern over the cross section of the conductor.

В заявляемом проводнике все расчеты и выбор схемы армирования производятся по авторской методике, а изготавливается проводник на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы авторов, и в данной заявке не рассматривается.In the inventive conductor, all calculations and the choice of reinforcement schemes are made according to the author’s method, and the conductor is manufactured on standard equipment, according to the author’s technology, based on personal knowledge and experience of the authors, and is not considered in this application.

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 и 2 представлен заявляемый проводник с различными схемами армирования, на фиг. 3 - проводник с покрытием из металлического проводникового материала, на фиг. 4 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проводников.The claimed technical solution is illustrated by drawings, where in FIG. 1 and 2 show the inventive conductor with various reinforcement schemes, in FIG. 3 shows a conductor coated with a metallic conductive material; FIG. 4 - an example of the implementation of the electric wire of the claimed conductors.

Проводник 1 из металлического проводникового материала 2, непрерывно армированного элементами 3, распределенными по сечению проводника 1. Армирующие элементы 3 выполнены из комплексных нитей базальтовых, углеродных или пара-арамидных волокон.The conductor 1 is made of metallic conductor material 2 continuously reinforced with elements 3 distributed over the cross section of conductor 1. The reinforcing elements 3 are made of multifilament basalt, carbon or para-aramid fibers.

Суммарное сечение армирующих элементов 3 составляет 8-80% от сечения проводника 1.The total cross section of the reinforcing elements 3 is 8-80% of the cross section of the conductor 1.

Минимальное расстояние b от поверхности проводника 1 до армирующих элементов 3 составляет не менее 5% от диаметра проводника 1.The minimum distance b from the surface of the conductor 1 to the reinforcing elements 3 is at least 5% of the diameter of the conductor 1.

В качестве металлического проводникового материала 2 преимущественно использованы медь, алюминий, их сплавы с другими веществами. На поверхность проводника 1, выполненного из алюминия или его сплава, может быть нанесено покрытие 4 из меди.As the metallic conductor material 2, copper, aluminum, their alloys with other substances are mainly used. On the surface of the conductor 1 made of aluminum or its alloy, a copper coating 4 can be applied.

Для изготовления проводника 1 предварительно рассчитывают суммарное сечение элементов 3 исходя из условий эксплуатации, выбранных волокон и типа комплексной нити (скрученная или без крутки). После этого разрабатывают схему армирования проводникового материала 2. Проводник 1 получают путем совместной деформации проводникового материала 2 и армирующих элементов 3, расположенных по выбранной схеме.For the manufacture of the conductor 1, the total cross section of the elements 3 is preliminarily calculated based on the operating conditions, the selected fibers and the type of multifilament yarn (twisted or without twist). After that, a reinforcement scheme for the conductive material 2 is developed. The conductor 1 is obtained by joint deformation of the conductive material 2 and the reinforcing elements 3 located according to the selected scheme.

Затем из полученных проводников 1 методом скрутки изготавливают провода, которые используют по назначению. Приведенный на фиг. 4 пример является не единственной конструкцией таких проводов.Then from the obtained conductors 1 by the method of twisting, wires are made that are used for their intended purpose. Referring to FIG. 4 example is not the only design of such wires.

В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проводников 1, в процессе эксплуатации действующие нагрузки равномерно распределяются между всеми армирующими элементами 3, а проводниковый материал 2 и покрытие 4 обеспечивают электрическую проводимость каждого проводника 1 провода.In an electrical wire made of the inventive conductors 1, during operation, the effective loads are evenly distributed between all reinforcing elements 3, and the conductive material 2 and the coating 4 provide the electrical conductivity of each conductor 1 of the wire.

Кроме того, при наличии покрытия 4 из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проводника 1 (проводов), необходимые для соединения с выводами электротехнических устройств и соединения проводников (проводов) между собой.In addition, with a copper coating 4, good contact properties of the conductor 1 (wires) are provided, which are necessary for connecting to the terminals of electrical devices and connecting the conductors (wires) to each other.

Claims

1. An electric conductor made of continuously reinforced metal conductor material, characterized in that the reinforcing elements are distributed over the cross section of the conductor and are made of complex threads of high-strength fibers with low density.

2. The electrical conductor according to claim 1, characterized in that the multifilament yarn is formed by twisted or twisted by elementary fibers.

3. The electrical conductor according to claim 1, characterized in that basalt, carbon or para-aramid fibers are used as high-strength fibers with low density.

4. The electrical conductor according to claim 1, characterized in that the total cross section of the reinforcing elements is 8-80% of the cross section of the conductor.

5. The electrical conductor according to claim 1, characterized in that the minimum distance from the surface of the conductor to the reinforcing elements is at least 5% of the diameter of the conductor.

6. The electrical conductor according to claim 1, characterized in that copper is used as the metallic conductive material. and / or aluminum, or alloys thereof with other substances.