RU86345U1 - Проволока с упрочняющим сердечником - Google Patents

Abstract

1. Проволока с упрочняющим сердечником, покрытым слоем металлического проводникового материала высокой проводимости, отличающаяся тем, что сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных. ! 2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами. ! 3. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве арамидных волокон использованы пара-арамидные волокна. ! 4. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности стержня выполнено шлихтующее покрытие.

Description

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов для воздушных линий, предназначенных для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях и линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий и нагревательных элементов.

Согласно ГОСТ 19880-74 «Электротехника. Основные понятия. Термины и определения» под проводником понимают вещество, основным электрическим свойством которого является электропроводность.

Согласно ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения»:

- под проводниковым материалом понимают материал, обладающий свойствами проводника и предназначенный для изготовления кабельных изделий и токоведущих деталей;

- под металлическим проводниковым материалом понимают проводниковый материал из металла или сплава;

- под проводниковым материалом высокой проводимости понимают проводниковый материал с удельным электрическим сопротивлением при нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м (серебро, медь, алюминий, сталь и их сплавы с другими веществами). Серебро чаще всего применяют для изготовления контактов реле и аппаратов (см. http://www.byminsk.com/conductivity_theory.htm «Природа проводимости», http://www.licevim.ru/articles_529.html «Проводниковые материалы»).

Известна проволока, содержащая упрочняющий сердечник, покрытый металлическим проводниковым материалом высокой проводимости, при этом сердечник выполнен из стали, а в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использована медь.

Данная проволока используется для изготовления электрического многопроволочного провода ПБСМ (ГОСТ 4775-91 «Провода многопроволочные сталемедные марки ПБСМ»). При номинальном диаметре проволок 2,2-2.8 мм толщина медной оболочки каждой из проволок равна 0,12-0,15 мм, остальное - стальной сердечник.

В качестве прототипа выбрана проволока, содержащая упрочняющий сердечник, покрытый металлическим проводниковым материалом высокой проводимости, при этом сердечник выполнен из стали, а в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использован алюминий. Данная проволока используется для изготовления электрического многопроволочного провода ПБСА (провод биметаллический сталеалюминиевый) (см. РД 34.20.504-94 «Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ», введенная в действие с 1 января 1996 г.). При диаметре проволоки 2,8 мм, толщина алюминиевой оболочки каждой проволоки равна 0,2 мм, остальное - стальной сердечник.

Провода, выполненные из таких проволок, имеют достаточно высокую электропроводность и высокие механические свойства, которые обеспечиваются прочностью стали, удельная проводимость которой в 6 - 7 раз меньше, чем у меди, что приводит к потерям электроэнергии. Стальной сердечник, содержащийся в каждой из проволок, может перегреваться в условиях пиковых электрических нагрузок, что приводит к растяжению провода и его провисанию ниже допустимой нормы, следствием чего может являться электрический разряд, приводящий к отключению цепи.

Следует отметить, что ограничение пропускной способности проводов, выполненных из проволок со стальным сердечником, связано именно с большим коэффициентом линейного расширения стали. Увеличение пропускной способности линий электропередачи, в которых использованы такие электрические провода, возможно за счет увеличения количества проводов со стальными сердечниками или за счет увеличения диаметра используемых проводов, что в любом случае увеличивает вес проводов линии электропередачи, а, следовательно, усложняется арматура и увеличивается механическая нагрузка на опоры линий электропередач, которые необходимо заменять на более мощные.

Кроме того, использование в проводах тяжелых проволок со стальными сердечниками приводит к тому, что большинство воздушных линий электропередач не в состоянии нести на себе дополнительно вес изоляции, поскольку при принятом оптимальном расстоянии между опорами велика вероятность разрыва проводов под собственным весом. Поэтому большая часть линий электропередач выполнена из алюминиевых неизолированных проводов. Это повышает риск эксплуатации (велика вероятность обрыва, опасность поражения током и т.п.) и частоту отказов: так, например, частота отказов неизолированных проводов составляет 33 на 100 км проводов, а изолированных не превышает 5.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание проволоки с увеличенной пропускной способностью и обладающей меньшей массой, большой прочностью и устойчивостью к провисанию.

Решением данной задачи является проволока с упрочняющим сердечником, покрытым металлическим проводниковым материалом высокой проводимости, новым в которой является то, что сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных.

В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами.

В качестве арамидных волокон могут быть использованы пара-арамидные волокна. На поверхности стержня может быть выполнено шлихтующее покрытие.

В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости (далее - покрытие) в заявляемой проволоке могут использоваться медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами. При этом для проводов воздушных линий электропередач в качестве покрытия 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 нагревательных элементов, используемых для борьбы с обледенением проводов, применяют сталь, как материал с большим электрическим сопротивлением. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевой проволоки с сердечником, на ее поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равно 10-30% от общей площади сечения покрытия, при этом площадь сечения проволоки не увеличивается. При этом вес проволоки увеличивается на 20-60%, что является допустимым в заявляемой проволоке благодаря высоким прочностным свойствам сердечника.

Использование высокопрочных волокон, обладающих низкой плотностью, позволяет при той же площади сечения проволоки, что и у биметаллических проволок, уменьшить сечение сердечника, увеличив при этом площадь сечения металлического проводникового материала высокой проводимости, что повышает допустимую пропускную способность проволоки без увеличения ее веса. Вес проволоки при этом соизмерим с весом проводникового материала. Провода, выполненные из таких проволок и используемые в линиях электропередачи, не увеличивают механическую нагрузку на опоры линий электропередач и не усложняют арматуру, что позволяет применять данные провода на существующих опорах и со стандартной арматурой. Если необходимость в увеличении пропускной способности проволоки (провода) отсутствует, то, уменьшив сечение сердечника, сечение проводникового материала оставляют прежним, при этом общее сечение проволоки (провода) уменьшается. Если условия эксплуатации линии электропередач в первую очередь предписывают безопасность эксплуатации, например, на лесных просеках и в городах, то провод, имея меньшее сечение, может быть выполнен изолированным, но пропускная способность при этом остается на прежнем нормативном уровне, а нагрузка на опоры не увеличивается.

Упрочняющий сердечник выполнен из плотно упакованных волокон (в виде жгута, пучка волокон или нитей), расположенных вдоль сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации.

В настоящее время для изготовления упрочняющего стержня наиболее приемлемыми являются углеродные, наноуглеродные и арамидные волокна, в частности, пара-арамидные, относящиеся к высокопрочным волокнам с низкой плотностью, то есть обладающие малым весом. Пара-арамидные волокна характеризуются высокой прочностью на разрыв (в пять раз прочнее стали), низкой плотностью, высоким уровнем термостойкости, почти полной безусадочностью при высоких температурах (до 400°С) и высокой устойчивостью к воздействию открытого пламени (до 500°С). К числу данных волокон относятся кевлар, тварон, технора, армос (прочность 500-550 кг/мм²). Мета-арамидные волокна огнестойки, имеют высокие показатели термостойкости и теплоизоляции. Однако данные волокна в чистом виде не пригодны для изготовления упрочняющего сердечника в электрическом проводе, что связано с их большим удлинением при разрыве (19%), и невысокими показателями прочности. Высокопрочное углеродное волокно характеризуется высокой прочностью на разрыв и на сдвиг, высоким модулем упругости (E=200-250 ГПа), статической и динамической выносливостью, низкой плотностью, вибропрочностью, практически нулевым коэффициентом линейного расширения, сохранением прочности при очень высоких температурах и при низких температурах. Благодаря этим свойствам для изготовления упрочняющего сердечника с заранее заданными прочностными свойствами углеродного волокна требуется в десять раз меньше, чем стали, а ресурс эксплуатации при этом увеличивается до 300%. Наноуглеродные волокна - это нитевидные наночастицы без протяженных внутренних полостей. Плотность волокон не превышает 2 г/см^3, а прочность на разрыв может превышать 30 ГПа, что более чем в 70 раз превышает прочность стали. Выполнение сердечника из перечисленных выше высокопрочных волокон с малой плотностью, обладающих высоким уровнем термостойкости и практически нулевым коэффициентом линейного расширения, позволяет увеличить пропускную способность провода (проволоки), который при этом обладает высокой устойчивостью к провисанию и эксплуатация которого возможна при более высоких рабочих температурах.

Для обеспечения заданных механических характеристик упрочняющего сердечника могут применяться волокна одного вида (например, углеродные, пара-арамидные) или гибридные волокна, то есть совместно, например, углеродные и пара-арамидные. Так, например, для сердечника, выполненного из пара-арамидного волокна, вторым компонентом может являться углеродное волокно, необходимое для повышения прочности сердечника 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 сердечника и провода в целом.

Углеродные волокна, из которых выполнен упрочняющий сердечник, весьма хрупки и могут подвергаться повреждениям и разрушению при формирования сердечника. Чтобы этого избежать, перед формированием сердечника осуществляют шлихтование (нанесение клеящего состава -шлихты) волокон, нитей и жгутов, что позволяет получить сердечник со шлихтующим покрытием, увеличивающего сопротивляемость волокон и сердечника в целом к механическим повреждениям. Для получения шлихтующего покрытия достаточно 0,7-2,0% термопластичного полимера (полиэтилен, поливинилхлорид, полистирол, полипропилен), или эпоксидной смолы без отвердителя, или лака, или краски, или клея. Небольшое содержание шлихтующего агента не ухудшает прочностные свойства сердечника и практически не увеличивают его вес. В отличие от обычных углеродных волокон, наноуглеродные волокна не являются хрупкими, что позволяет формовать из них сердечник без шлихтующего покрытия.

Заявляемая проволока изготавливается на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы авторов, и в данной заявке не рассматривается.

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 изображена заявляемая проволока с покрытием из одного слоя металлического проводникового материала высокой проводимости, на фиг.2 - проволока с покрытием из двух слоев металлического проводникового материала высокой проводимости, а на фиг.3 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проволок.

Проволока 1 состоит из упрочняющего сердечника 2, покрытого слоем металлического проводникового материала 3 высокой проводимости. Сердечник 2 выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных термостойких волокон, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных. В качестве арамидных волокон могут быть использованы пара-арамидные волокна. На поверхности стержня 2 может быть выполнено шлихтующее покрытие (на чертеже не показано). В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь, алюминий, сталь, их сплавы с другими веществами или покрытие может быть выполнено из слоя 4 алюминия и слоя 5 меди.

Сердечник 2 с медной токопроводящей оболочкой 3 согласно ГОСТ 4775-91 должен выдерживать разрушающую нагрузку при растяжении от 60 до 70 кг/мм² (в зависимости от номинального сечения провода), а сердечник 2 с алюминиевой оболочкой 3 согласно РД 34.20.504-94 должен выдерживать разрушающую нагрузку при растяжении 83 кг/мм² (при номинальном сечения провода 120 мм²).

Согласно ГОСТ 4775-91: номинальный диаметр проволоки 1 равен 2,8 мм, толщина медной оболочки 3 проволоки 1 равна 0,15 мм, диаметр стального сердечника 2 равен 2,5 мм. Диаметр сердечника 2, выполненного из плотно упакованных непрерывных углеродных волокон, прочность которых в 10 раз больше, чем у стали, уменьшили в 10 раз относительно диаметра стального сердечника 2, то есть до 0,25 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина медной оболочки 3 увеличилась до 1,275 мм, а проводимость проволоки 1 увеличилась в 8,5 раз. При выполнении сердечника 2 из плотно упакованных непрерывных пара-арамидных волокон, прочность которых в 5 раз больше, чем у стали, диаметр сердечника 2 в проволоке 1 уменьшили в 5 раз относительно диаметра стального сердечника 2, то есть до 0,5 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина медной оболочки 3 увеличилась до 1,0 мм, а проводимость проволоки увеличилась в 6,6 раз.

Согласно РД 34.20.504-94: номинальный диаметр проволоки 1 равен 2,8 мм, толщина алюминиевой оболочки 3 проволоки 1 равна 0,2 мм, диаметр стального сердечника 2 равен 2,4 мм. Диаметр сердечника 2, выполненного из плотно упакованных непрерывных углеродных волокон, равен 0,24 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина алюминиевой оболочки 3 увеличилась до 1,28 мм, а проводимость проволоки увеличилась в 6,4 раза.

При выполнении сердечника 2 из плотно упакованных непрерывных пара-арамидных волокон, диаметр сердечника 2 в проволоке 1 будет равен 0,48 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина алюминиевой оболочки 3 увеличилась до 1,16 мм, а проводимость проволоки 1 увеличилась в 5,8 раз.

Использование сердечника 2 из наноуглеродных волокон позволяет увеличить проводимость проволоки 1 с медной оболочкой в 9,2 раза, а с алюминиевой - в 18,4 раза.

В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проволок 1, в процессе эксплуатации каждый их упрочняющих сердечников 2, выполненных из высокопрочных волокон с низкой плотностью (арамидных, углеродных и наноуглеродных), воспринимает нагрузки, направленные на растяжения провода, а слой 3 из металлического проводникового материала высокой проводимости (меди, алюминия) обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждой проволоки 1 провода.

Замена проводов со стальными сердечниками на провода, выполненные из проволок с сердечниками из высокопрочных волокон с низкой плотностью, позволяет увеличить пропускную способность линии электропередач без риска провисания и разрушения провода. Сочетание малого веса проводов, большой прочности и устойчивости к провисанию позволяет выполнять такие провода изолированными, увеличить расстояния между опорами и использовать существующие линии передач без усиления опор и изменения арматуры.

Кроме того, при двухслойном покрытии с внешним слоем из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проволоки (провода) при соединении с арматурой.

Claims (4)

1. Проволока с упрочняющим сердечником, покрытым слоем металлического проводникового материала высокой проводимости, отличающаяся тем, что сердечник выполнен, по крайней мере, из одного вида высокопрочных волокон с низкой плотностью, в том числе арамидных, углеродных и наноуглеродных.

2. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами.

3. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что в качестве арамидных волокон использованы пара-арамидные волокна.

4. Проволока по п.1, отличающаяся тем, что на поверхности стержня выполнено шлихтующее покрытие.