CN105139954A - 一种特高压纤维复合材料骨架架空导线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种特高压纤维复合材料骨架架空导线，由纤维增强复合材料中空骨架和外层导体构成，纤维增强复合材料中空骨架其支撑作用，外层导体起到导电作用。纤维增强复合材料中空骨架截面为环形，且纤维增强复合材料中空骨架分为两层，内层为单向纤维增强，外层为双向纤维增强。外层导体为银、铜、铝等导电金属，截面为圆形或者异形。采用环形截面纤维复合材料骨架，能够提高导线的直径、增加导线的外表面积，从而减轻导线在特高压情况下的电晕放电现象。而纤维复合材料作为骨架，重量轻、力学性能好，能够使导线的质量轻、性能好、弧垂小，适合在特高压环境中运行。

Description

一种特高压纤维复合材料骨架架空导线

技术领域

本发明属于电网建设领域，特别涉及一种特高压纤维复合材料骨架架空导线。

技术背景

随着我国综合国力的发展，全国对电能的需求增加显著增加。电能主要是通过输电导线传输，提高输电导线的输电效率势在必行，但由于国内资源的日益紧张，所以在有限的资源下提高输电导线的导电效率是我国电网发展的方向之一，也是国内学者研究重点之一。提高输电导线的电压等级能够达到上述要求。目前我国使用较多的高电压等级输电线路是500kV输电线路，500kV输电线路属于超高压输电网，构成的主网架不能满足未来更远距离、更大容量和经济性的输电需要，需要开发、使用特高压输电线路网。

比超高压输电的电压等级更高的是特高压输电，特高压电线路是指1000kV及以上的输电线路，具有容量大、线损低、造价省的特点。但是特高压输电线路由于电压等级高，导体表面电压高，会使导体外表面空气发生电离放电，这会损失电能，也是极不安全的。目前我国特高压导线中主要采用钢芯铝绞线作为输电导线，这种导线重量大、弧垂低，而且电晕放电损失严重。所以需要开发一种占用空间小、电晕放电现象轻、力学性能和电性能好的新型特高压导线。

发明内容

现有研究中为了克服钢芯铝绞线重量大、弧垂低的问题，普遍采用碳纤维材料制备架空导线，但受限于碳纤维导线性能，又无法满足特高压导线的电能传输要求。因此，申请人试图通过将二者结合利用功能叠加来满足特高压导线的传输要求；但制备过程中，为了保证导线足够的支撑强度，必须制备大尺寸的导线芯，导致制造成本过高，不具备实用性。于是，申请人转变研究思路，提出通过编制的复合材料构建中空骨架结构的新型纤维复合导线，提供足够力学支撑力的同时，满足导线的电能传输要求。本发明设计的双层复合结构骨架，赋予导线优良力学性能的同时，减少纤维复合材料的使用量和制造成本，最终实现了导电性能和力学强度的同步提高。

特别是涉及导线结构的设计、纤维复合骨架的结构与设计、外层导体，得到了一种新型导电效率高、重量轻、力学性能好、电性能好、电晕放电损失小、成本低的特高压输电导线。

本发明采用的技术方案如下：

一种特高压纤维复合材料骨架架空导线，包括起承载作用的中空芯线和包覆在芯线外侧的至少一层起导电作用的金属导线组成，所述中空芯线分为内外两层，所述内层为单向纤维增强复合材料构成，所述外层由双向纤维增强复合材料构成。

现有用于高频电路的中空芯线普遍存在强度较低，无法满足远距离的电能传输要求的问题，而纤维增强材料虽能提供一定的支撑强度，但抗挤压性能明显不足，为此，本发明中将纤维增强复合材料中空骨架分为两层，内层设置为单向纤维增强，外层设置为双向纤维增强，通过二者的组合保证中空骨架具有优良的轴向力学性能的同时，提供一定的轴向拉力，增强导线抗挤压能力。

优选的是，所述中空芯线的横街面为环形或多边形。

优选的是，所述单向纤维增强复合材料中纤维取向角为0°～90°。单相复合材料杨氏模量和拉伸强度随着纤维取向角度的增加而减少，当纤维角度θ＝45°时，它们就不再变化了，断裂应变随着纤维取向角的增加而增加，当纤维以拉伸方向排列而纤维体积含量在一定值以上时，断裂应变接近常数。因此，所述单向纤维增强复合材料中，优选的纤维体积含量为40％～80％。所述双向纤维增强复合材料中，优选的纤维体积含量为40％～80％。

优选的是，所述双向纤维增强复合材料中，同等数量的纤维排列在两个不同的方向上，二者的夹角为45°～120°。双向纤维增强复合材料，杨氏模量和拉伸强度的趋向与单向复合材料相似，而断裂应变几乎等于单向(θ＝0°)复合材料值。

优选的是，所述内层通过拉挤成型，外层通过编织成型。

优选的是，所述单向纤维增强复合材料中，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维中的一种或几种，树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂。

热固性树脂是指在加热、加压下或在固化剂、紫外光作用下，进行化学反应，交联固化成为不溶不熔物质的一大类合成树脂，热固性树脂在固化后，由于分子间交联，形成网状结构，因此刚性大、硬度高、耐温高、不易燃、制品尺寸稳定性好，常用热固性树脂有酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、丁二烯树脂、不饱和树脂、聚氨酯、聚酰亚胺等。本发明所述热固性树脂包括：环氧树脂、聚酰亚胺、丁二烯树脂、聚氨酯。环氧树脂可以为缩水甘油醚类、缩水甘油酯类、缩水甘油胺类、脂环族环氧化合物、芳香族环氧化合物中的一种或几种。其中缩水甘油醚类可以为双酚A(二酚基丙烷缩水甘油醚)、双酚F型环氧树脂、多酚型缩水甘油醚环氧树脂、聚乙二醇二缩水甘油醚、聚丙二醇二缩水甘油醚、1，4-丁二醇二缩水甘油醚中的一种或几种。缩水甘油酯类可以为邻苯二甲酸二缩水甘油酯、间苯二甲酸二缩水甘油酯、四氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯、六氢邻苯二甲酸二缩水甘油酯中的一种或几种。脂环族环氧化合物可以为二氧化双环戊二烯、环己烯酯环氧树脂、二氧化双环戊烯基醚中的一种或几种。缩水甘油胺类可以为4，4`-二氨基二苯甲烷环氧树脂、对氨基苯酚环氧树脂、三聚氰胺环氧树脂及海因环氧树脂中的一种或几种。芳香族环氧化合物可以为芳香族聚醚缩水甘油醚环氧树脂、芳香族超支化聚酯型环氧树脂等。

优选的是，所述双向纤维增强复合材料中，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维或玄武岩纤维中的一种或几种，树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂。

增强材料主要用于增加热固性树脂的韧性和强度，增强材料的分类有如木粉、矿物粉、纤维或纺织品，本发明的增强材料选用纤维，纤维为任意选自碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、聚苯并咪唑纤维中的一种或几种；碳纤维为用聚丙烯腈纤维、沥青纤维、粘胶丝或酚醛纤维经碳化制得；玄武岩纤维是玄武岩石料在1450℃～1500℃熔融后，通过铂铑合金拉丝漏板高速拉制而成的连续纤维；芳纶纤维为聚对亚苯基苯并双恶唑纤维、聚对亚苯基苯并双噻唑纤维、聚醚醚酮纤维或聚砜基酰胺纤维中的一种或几种。

优选的是，所述金属导线的横截面为环形或多边形。

优选的是，所述的复合材料中空芯线的内层和外层树脂基体为环氧树脂体系、酚醛树脂体系、氰酸酯树脂体系、聚氨酯树脂体系等热固性树脂或聚苯硫醚、聚醚醚酮等热塑性树脂中的一种或几种。

优选的是，所述的导体为银、铜、铝等导电金属。

本发明的有益效果：

1、与现有最普遍使用的钢芯铝绞线技术相比，本发明的架空导线质量轻，弧垂小，绞合紧密，有效减小外径，表面光滑减少电晕产生；

2、与现有的碳纤维复合芯导线技术相比，大电流超高压的导线芯尺寸大，本发明导线芯采用中空骨架结构，减少纤维复合材料的使用量，有效降低导线成本，具有显著经济效益并且利于导线的推广应用。

2、特别是在我国土地资源日益紧张宝贵的今天，采用大截面导线可提高单位走廊的输送功率，从而节省土地资源；采用大截面导线具有输送功率大、线损少、减少线路回路、减少电场强度等优点。

3、导线骨架的抗拉强度≥2100MPa，玻璃化转变温度≥150℃，具有良好的力学性能和耐热性。

附图说明

图1本发明的架空导线的剖面图，其中，1.复合材料中空骨架内层；2.复合材料中空骨架外层；3.导体层。

具体的实施方式

一种特高压纤维复合材料骨架架空导线，由纤维增强复合材料中空骨架和外层导体构成，纤维增强复合材料中空骨架其支撑作用，外层导体起到导电作用。纤维增强复合材料中空骨架截面为环形，且纤维增强复合材料中空骨架分为两层，内层为单向纤维增强，外层为双向纤维增强，内层的单向纤维能够提供足够的轴向力学性能，外层的双向增强能够承受导体的挤压，并提供一定的轴向拉力。纤维增强复合材料中空骨架的内层和外层均由增强纤维和树脂基体构成，增强纤维为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、玄武岩纤维等高强纤维中的一种或几种，树脂基体为环氧树脂体系、酚醛树脂体系、氰酸酯树脂体系、聚氨酯树脂体系等热固性树脂或聚苯硫醚、聚醚醚酮等热塑性树脂中的一种或几种，内层和外层的纤维体积含量为40％～80％。外层导体为银、铜、铝等导电金属，截面为圆形或者异形。采用环形截面纤维复合材料骨架，能够提高导线的直径、增加导线的外表面积，从而减轻导线在特高压情况下的电晕放电现象。而纤维复合材料作为骨架，重量轻、力学性能好，能够使导线的质量轻、性能好、弧垂小，适合在特高压环境中运行。

实施例1

纤维复合材料骨架内径9.5cm，外径为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，基体树脂为环氧树脂，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，玻璃纤维双向(轴向和径向)增强，基体树脂为环氧树脂，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例2

纤维复合材料骨架内径10cm，外径为11.6cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，基体树脂为酚醛树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为酚醛树脂，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

实施例3

纤维复合材料骨架内径9.5cm，外径为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为90°，基体树脂为环氧树脂，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，玻璃纤维双向(二者的纤维取向角分别为0°/90°)增强，基体树脂为环氧树脂，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例4

纤维复合材料骨架内径10cm，外径为11.6cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为0°，基体树脂为酚醛树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布(二者的纤维取向角分别为0°/45°)，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为酚醛树脂，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

实施例5

纤维复合材料骨架内径9.5cm，外径为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为45°，基体树脂为环氧树脂，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，玻璃纤维双向(二者的纤维取向角分别为45°/90°)增强，基体树脂为环氧树脂，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例6

纤维复合材料骨架内径10cm，外径为11.6cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为0°,基体树脂为酚醛树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布(二者的纤维取向角分别为0°/120°)，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为酚醛树脂，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

实施例7

纤维复合材料骨架为正八边形，内层边长9.5cm，外层边长为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为45°，基体树脂为环氧树脂，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，玻璃纤维双向(二者的纤维取向角分别为45°/90°)增强，基体树脂为环氧树脂，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例8

纤维复合材料骨架为正六边形，内层边长9.5cm，外层边长为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为0°,基体树脂为酚醛树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布(二者的纤维取向角分别为0°/120°)，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为酚醛树脂，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

实施例9

纤维复合材料骨架内径9.5cm，外径为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为玻璃纤维，纤维取向角θ为90°，基体树脂为聚氨酯树脂，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，芳纶纤维双向(二者的纤维取向角分别为0°/90°)增强，基体树脂为聚苯硫醚，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例10

纤维复合材料骨架内径10cm，外径为11.6cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为0°，基体树脂为氰酸酯树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布(二者的纤维取向角分别为0°/45°)，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为聚醚醚酮，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

实施例11

纤维复合材料骨架内径9.5cm，外径为10.5cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为玄武岩纤维，纤维取向角θ为90°，基体树脂为聚醚醚酮，纤维含量为60％，内层外径为10.1cm；外层采用在内层外表面编织工艺制备，作为外层增强纤维，碳纤维双向(二者的纤维取向角分别为0°/90°)增强，基体树脂为聚苯硫醚，纤维的体积含量为60％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层16根，外层25根。

实施例12

纤维复合材料骨架内径10cm，外径为11.6cm；纤维复合材料骨架内层采用拉挤工艺制备，增强纤维为单向T700碳纤维，纤维取向角θ为0°，基体树脂为氰酸酯树脂，纤维含量为62％，内层外径为11cm；外层采用缠绕玄武岩纤维布工艺制备，将玄武岩纤维编织成布(二者的纤维取向角分别为0°/45°)，浸胶后缠绕在内层外，然后拉入模具固化成型，基体树脂为聚氨酯树脂，纤维的体积含量为62％。最外层导体采用截面为T型的软铝导线，导线为两层，内层18根，外层27根。

上述实施例1-12中制备的架空导线全部符合国家颁布的《1000kV直流架空输电线路设计规范》要求。

上述虽然对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种特高压纤维复合材料骨架架空导线，其特征是，包括起承载作用的中空芯线和包覆在芯线外侧的至少一层起导电作用的金属导线组成，所述中空芯线分为内外两层，所述内层为单向纤维增强复合材料构成，所述外层由双向纤维增强复合材料构成。

2.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述中空芯线的横截面为环形或多边形。

3.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述单向纤维增强复合材料中纤维取向角为0-90°。

4.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述双向纤维增强复合材料中，同等数量的纤维排列在两个不同的方向上，二者的夹角为45°-120°。

5.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述中空芯线内层通过拉挤成型，外层通过编织成型。

6.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述单向纤维增强复合材料中，纤维体积含量为40％～80％。

7.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述单向纤维增强复合材料中，增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维或聚苯并咪唑纤维中的一种或几种，树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂。

8.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述双向纤维增强复合材料中，纤维体积含量为40％～80％。

9.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述双向纤维增强复合材料中，增强纤维为碳纤维、玄武岩纤维、玻璃纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维或聚苯并咪唑纤维中的一种或几种，树脂基体为热固性树脂或热塑性树脂。

10.如权利要求1所述的架空导线，其特征是，所述金属导线的横截面为圆形或多边形。