CN110164620A - 一种大截面绞合型导线 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种大截面绞合型导线，所述导线包括：同轴心设置的加强芯和由半硬铝绞线层组成的导体，所述加强芯由多股股线绞合而成，所述股线为碳纤维复合材料的股线；所述半硬铝绞线层为由半硬铝单线绞合而成的多层结构。本发明提供的采用的导线，具备强度高、耐腐蚀、载流量大、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻等特点，能够满足架空输电领域节能、环保的更高要求；同时半硬铝绞线层采用了半硬铝，导电率相较于普通硬铝线得到了较大的提高，与硬铝单丝的电阻率相比，提高了约3％，有效地降低了输电损耗，从而对建设智能电网、实现“清洁替代”、促进节能环保具有重要的经济效益和社会效益。
Description
技术领域
本发明涉及输变电技术领域，具体涉及一种大截面绞合型导线。
背景技术
现代社会的生产、生活都离不开电，输电线路是用电的必要保障。目前，输电线路所用的导线的线芯一般为钢芯，但是，传统的钢芯导线的弧垂较大，甚至会出现导线对地净距不足的问题，进而存在安全隐患。此外，传统的棒状线芯在承受大角度的弯曲时容易出现损伤，造成脆性断裂。
部分地区用电负荷快速增长，线路改造时低损耗、大容量、低弧垂的节约型复合材料输电导线引起各方关注。用碳纤维复合芯代替传统绞线中的钢芯制成的碳纤维复合芯导线是一种新概念的架空输电线路用导线。与现有的各种芯线相比，碳纤维复合芯具有抗拉强度大、质量轻、耐酸、耐碱，无电化学腐蚀、弧垂小等优点。这使碳纤维复合芯导线性能得到很大提升，弧垂增量不到普通导线的1/10，允许载流量可以达到钢芯铝绞线的2倍左右。在新建线路工程中，利用碳纤维复合芯重量轻的特点，可以在不增加导线整体重量的条件下增加导体(铝)部分的截面，从而降低运行损耗，实现节能效果。碳纤维复合芯半硬铝绞线具有很好的机械特性，其弧垂和荷载两方面的指标在所有导线中是最好的，只是其线损率较普通钢芯铝绞线略有提高，但对于距离较短而档距较大的线路增容改造，碳纤维复合芯导线仍是最佳的选择,同时适合大跨越和重要线路。与碳纤维复合芯软铝线相比，碳纤维复合芯半硬铝导线由于芯棒与外层导线之间的抗拉强度差距更小，能够更好地发挥芯棒的强度。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述不足，本发明提供一种大截面绞合型导线。
本发明提供的技术方案是：一种大截面绞合型导线，所述绞线包括：同轴心设置的加强芯和由半硬铝绞线层组成的导体，
所述加强芯由多股股线绞合而成，所述股线为碳纤维复合材料的股线；
所述半硬铝绞线层为由半硬铝单线绞合而成的多层结构。
优选的，所述股线包括：碳纤维丝和有机纤维包裹层。
优选的，所述碳纤维丝为由多根所述碳纤维丝组成的捆状结构；
所述捆状结构内的所述碳纤维丝间有树脂。
优选的，所述股线的直径为1mm～4mm；
所述碳纤维丝的直径为7μm。
优选的，所述半硬铝单线为导电率为63％的软型铝线，其横截面为圆角梯形，梯形较小的底边朝向所述加强芯。
优选的，所述半硬铝单线的等效直径为5mm～6.5mm。
优选的，所述多层为2层、3层或4层。
与最接近的现有技术相比，本发明提供的技术方案具有以下有益效果：
(1)本发明提供的技术方案，采用的导线，具备强度高、耐腐蚀、载流量大、线膨胀系数小、弧垂小、重量轻等特点，能够满足架空输电领域节能、环保的更高要求；同时半硬铝绞线层采用了半硬铝，导电率相较于普通硬铝线得到了较大的提高，与硬铝单丝的电阻率相比，提高了约3％，有效地降低了输电损耗，从而对建设智能电网、实现“清洁替代”、促进节能环保具有重要的经济效益和社会效益。
(2)本发明提供的技术方案，相同截面下，采用半硬铝导体使得导线整体的导电性能大于硬铝导线，解决了架空输电线路导线弧垂过大、对地净距不足的问题，提高了整个输电线路中的输送容量。
(3)本发明提供的技术方案，填补国内外大截面碳纤维复合芯导线的空白，对突破特高压直流输电容量提升的技术瓶颈，促进节能环保具有重要意义。
(4)本发明提供的技术方案，采用的树脂为有机纤维增强的树脂，其具有纤维的分散好、外观优异、并且拉伸断裂伸长率、冲击强度等机械强度优良、热回收容易的有机纤维增强的复合树脂组合物、以及由其得到的成形品。
(5)本发明提供的技术方案，采用的碳纤维丝，首先采用四温区预氧化处理工艺，使碳纤维原丝主要发生脱氢、环化和氧化反应；通过预氧化反应，氧元素逐渐结合到PAN大分子中，链状大分子结构转变为稳定性、耐热性良好的梯形分子结构，在此过程中，氰基随环化反应进行而形成共轭的梯形结构；然后在低温碳化过程中将低温度和高牵伸率的联合应用，使得碳纤维的钩接强力和模量都有较大提高且变异系数变小，碳纤维拉伸强度显著提高。并在高、低温碳化过程中，通过调整温度和牵伸倍率的匹配，使得纤维在运行过程中张力达到预期要求的低温碳化张力为300cN，高温碳化张力为320cN，纤维运行过程中张力提高，纤维取向度提高，分子排布更加致密化，因此碳纤维强度得到显著提高。
(6)本发明提供的技术方案，采用的有机纤维，实现其超高韧性的同时，保证其拉伸、弯曲等性能优异。
附图说明
图1为本发明的大截面绞合型导线结构示意图；
其中，1-股线；2-半硬铝单线。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合附图对本发明的技术方案做进一步详细说明。
如图1所示，本发明提供的大截面绞合型导线，所述导线包括：同轴心设置的加强芯和由半硬铝绞线层组成的导体，所述加强芯由多股股线1绞合而成，所述股线1为碳纤维复合材料的股线；所述半硬铝绞线层为由半硬铝单线2绞合而成的多层结构。
所述股线1包括：碳纤维丝和有机纤维包裹层；所述有机纤维包括按重量份数计的下述成分制得：尼龙6纤维、尼龙66纤维、尼龙46纤维、尼龙6T纤维、尼龙9T纤维、聚苯硫醚纤维、聚醚醚酮纤维、聚对苯二甲酸乙二醇酯纤维、超高分子量聚乙烯纤维、聚对苯二甲酸丙二醇酯纤维、聚对苯二甲酸丁二醇酯纤维。
所述碳纤维丝为由多根所述碳纤维丝组成的捆状结构；所述捆状结构内的所述碳纤维丝间有树脂。
所述股线1的直径为1mm～4mm；所述碳纤维丝的直径为7μm。
所述半硬铝单线2为导电率为63％的软型铝线，其横截面为圆角梯形，梯形较小的底边朝向所述加强芯。
所述半硬铝单线2的等效直径为5mm～6.5mm。
所述多层为2层、3层或4层。
具体讲，本实施例提供的大截面绞合型导线，由加强芯和导体组成；加强芯是绞合型碳纤维复合材料芯，主要由碳纤维(丝)和基体树脂组成，其在制造中首先将直径为7μm的单丝绑扎成一束，将热固树脂(改性环氧树脂或双马夹酸树脂)渗入到线束中，然后再将有机纤维覆盖在表面来制备条状材料，这样就制成了绞合型碳纤维复合材料芯的股线，其外径与钢芯相同，直径介于1mm～4mm之间。另外，一定数量的线股绞合在一起，再将树脂热固，就形成了绞合型碳纤维复合材料芯；导体为梯形截面的软铝线，铝绞线包括2层绞合、3层绞合及4层绞合。导线半硬铝单线的等效直径介于5mm～6.5mm之间，采用电导率63％的软型铝绞线。与现有的各种芯线相比，碳纤维复合芯具有抗拉强度大、质量轻、耐酸、耐碱，无电化学腐蚀、弧垂小等优点。这使碳纤维复合芯导线性能得到很大提升，弧垂增量不到普通导线的1/10，允许载流量可以达到钢芯铝绞线的2倍左右。在新建线路工程中，利用碳纤维复合芯重量轻的特点，可以在不增加导线整体重量的条件下增加导体(铝)部分的截面，从而降低运行损耗，实现节能效果。碳纤维复合芯半硬铝绞线具有很好的机械特性，其弧垂和荷载两方面的指标在所有导线中是最好的，只是其线损率较普通钢芯铝绞线略有提高，但对于距离较短而档距较大的线路增容改造，碳纤维复合芯导线仍是最佳的选择,同时适合大跨越和重要线路。与碳纤维复合芯软铝线相比，碳纤维复合芯半硬铝导线由于芯棒与外层导线之间的抗拉强度差距更小，能够更好地发挥芯棒的强度。相对于棒型碳纤维复合材料芯导线的棒型碳纤维芯的柔软性不好，在承受大角度的弯曲时容易出现损伤，造成脆性断裂。绞合碳纤维复合材料芯导线的柔软性得到很大的提高，最大弯曲半径达到40D(D为复合材料芯的直径)，更便于施工。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种碳纤维丝的生产方法，该方法包括以下步骤：
步骤一、采用预氧化炉对碳纤维原丝进行预氧化处理，所述预氧化处理采用四温区预氧化处理工艺，各温区预氧化处理的温度分别为170℃、221℃、235℃和242℃，各温区预氧化处理的时间均为14min，各温区预氧化处理过程中碳纤维原丝的牵伸率分别为0.9％、-0.8％、-1.26％和-1.36％；所述碳纤维原丝为聚丙烯腈基碳纤维原丝；
具体讲，选取品质良好、无缺陷的聚丙烯腈基碳纤维原丝，然后将该碳纤维原丝按照常规方法用去离子水喷雾加湿并干燥后，送入预氧化炉中进行预氧化处理。所述预氧化处理采用四温区预氧化处理工艺，可通过一台或相串联的多台预氧化炉来完成，各温区预氧化均以空气为介质，在各温区预氧化处理的温度分别为170℃、221℃、235℃和242℃的条件下，对碳纤维原丝进行梯度式预氧化处理；四个温区之间均通过传动辊实现碳纤维原丝的传输。预氧化过程中，碳纤维原丝在传动辊的牵引下依低温区至高温区的次序进入各温区，并在各温区的走丝速率均为4m/min。碳纤维原丝在各温区的牵伸率分别为：第一温区0.9％、第二温区-0.8％、第三温区-1.26％和第四温区-1.36％，各个温区的预氧化时间均为14min，得到密度为1.33g/cm3～1.34g/cm3的预氧丝；
在预氧化过程中，碳纤维原丝主要发生脱氢、环化和氧化反应。通过预氧化反应，氧元素逐渐结合到PAN大分子中，链状大分子结构转变为稳定性、耐热性良好的梯形分子结构，在此过程中，氰基随环化反应进行而形成了共轭的梯形结构。
步骤二、采用低温碳化炉对步骤一中预氧化处理后的碳纤维原丝进行低温碳化处理，所述低温碳化处理采用六温区低温碳化处理工艺，各温区低温碳化处理的温度分别为500℃、670℃、725℃、725℃、725℃和725℃，各温区低温碳化处理的时间均为21s，低温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为11％；
具体讲，将步骤一中所述预氧丝(即经四温区预氧化处理后的碳纤维原丝)送入常规的低温碳化炉中进行低温碳化处理。所述低温碳化处理采用六温区低温碳化处理工艺，可通过一台或相串联的多台低温碳化炉来完成，各温区温度分别为500℃、670℃、725℃、725℃、725℃和725℃，并通过调整位于低温碳化炉出口处传动辊的速率，调整低温碳化的牵伸倍率，使预氧丝的总牵伸率达到11％；
各温区低温碳化处理过程中均以氮气为介质，对预氧丝进行梯度碳化。各温区之间通过传动辊实现预氧丝的传输。在传动辊的牵引下，预氧丝依次进入各温区，实现对所述预氧丝的低温碳化，得到低温碳化丝。低温碳化中，在各温区中的碳化时间均为21s。本实施例中，低温碳化炉入口处传动辊的速率为3.1m/min，低温碳化炉出口处传动辊的速率为3.34m/min。所述低温碳化炉出口处的传动辊即为高温碳化炉入口处的传动辊。
步骤三、采用高温碳化炉对步骤二中低温碳化处理后的碳纤维原丝进行高温碳化处理，所述高温碳化处理采用四温区高温碳化处理工艺，各温区高温碳化处理的温度分别为900℃、1050℃、1150℃和1300℃，各温区高温碳化处理的时间均为21s，高温碳化处理过程中碳纤维原丝的总牵伸率为-3％；
具体讲，将步骤二中所述低温碳化丝(即经六温区低温碳化处理后的碳纤维原丝)送入常规的高温碳化炉中进行高温碳化处理。所述高温碳化处理采用四温区高温碳化处理工艺，可通过一台或相串联的多台高温碳化炉来完成，各温区温度分别为900℃、1050℃、1150℃和1300℃，并通过调整位于低温碳化炉出口处传动辊的速率，调整高温碳化的牵伸倍率，使低温碳化丝的总牵伸率达到-3％；
各温区高温碳化过程中均以氮气为介质，对低温碳化丝进行梯度碳化。各温区之间通过传动辊实现低温碳化丝的传输。在传动辊的牵引下，低温碳化丝依次进入各温区，实现对所述低温碳化丝的高温碳化，得到高温碳化丝。高温碳化中，在各温区中的碳化时间为21s。本实施例中，高温碳化炉入口处传动辊的速率为3.34m/min，高温碳化炉出口处传动辊的速率为3.18m/min。
本实施例中，低温碳化和高温碳化反应主要是脱氢、成环等热交联、缩聚反应，在此过程中逐渐由预氧化反应的耐热梯形结构逐渐转变为乱层石墨结构，碳纤维丝的性能在高温碳化后确定。
步骤四、对步骤三中高温碳化处理后的碳纤维原丝进行上浆处理，然后将上浆处理后的碳纤维原丝置于干燥炉中干燥，得到碳纤维丝；
具体讲，步骤401、采用国产4#乳液型上浆剂，用39倍水稀释后，采用常规方法对高温碳化丝(即经四温区高温碳化处理后的碳纤维原丝)进行上浆，上浆时间为38s，上浆剂温度为26℃；
步骤402、将步骤401中上浆后的高温碳化丝送入常规的干燥炉中进行干燥处理，所述干燥处理采用六温区干燥工艺，可通过一台或多台相串联的干燥炉来完成，各温区干燥均以空气为介质，各温区干燥的温度分别为145℃、145℃、145℃、175℃、175℃和175℃，各温区的干燥时间均为21s，最终得到碳纤维丝。
经测试，本实施例生产的碳纤维丝的上浆率为1.6％，所制碳纤维丝的拉伸强度为4600MPa，弹性模量为225GPa，断裂延伸率为2.30％，钩接强力为99.3cN。
基于同一发明构思，本实施例还提供一种树脂，包括下述(a)和(b)，(a)59重量％丙烯树脂，(b)41重量％附着有环氧树脂的聚酯纤维；其中，(a)+(b)＝100重量％，(b)中环氧树脂的附着量相对于聚酯纤维为6重量％；其中，构成(b)的聚酯纤维在200℃以上具有熔点。其具有优良的拉伸断裂伸长率大、韧性好的机械特性；本发明的有机纤维增强的复合树脂组合物中，通过在作为非极性树脂的丙烯树脂基质中使用附着有环氧树脂的聚酯纤维，可以防止纤维与纤维折弯缠绕。该原因还不确定，但考虑可能是在将增强树脂颗粒熔融时，纤维即使达到玻璃化转变温度以上的温度，由于纤维表面被涂覆，因而纤维与纤维也不会粘连，而是分散在基质中。
以上仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在申请待批的本发明的权利要求范围之内。
Claims (7)
1.一种大截面绞合型导线，其特征在于，所述导线包括：同轴心设置的加强芯和由半硬铝绞线层组成的导体，
所述加强芯由多股股线绞合而成，所述股线为碳纤维复合材料的股线；
所述半硬铝绞线层为由半硬铝单线绞合而成的多层结构。
2.如权利要求1所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，
所述股线包括：碳纤维丝和有机纤维包裹层。
3.如权利要求2所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，所述碳纤维丝为由多根所述碳纤维丝组成的捆状结构；
所述捆状结构内的所述碳纤维丝间有树脂。
4.如权利要求2所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，
所述股线的直径为1mm～4mm；
所述碳纤维丝的直径为7μm。
5.如权利要求1所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，
所述半硬铝单线为导电率为63％的软型铝线，其横截面为圆角梯形，梯形较小的底边朝向所述加强芯。
6.如权利要求1所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，
所述半硬铝单线的等效直径为5mm～6.5mm。
7.如权利要求1所述的一种大截面绞合型导线，其特征在于，
所述多层为2层、3层或4层。
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2018
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