用于裸露架空電線的導體，尤其是用于高電負載下的低膨脹和中高熱限制的制作方法

本發明涉及一種用于電線的導體，尤其是用于裸露架空電線的導體，尤其是用于大功率、用于高電負載下的受限膨脹和中高熱限制。

背景技術：

由于鋁導體較之適于電力應用的其它可行導體(諸如，銅、金和銀)具有良好的導電性、低成本以及低重量，因此架空電力線通常由鋁導體構成。然而，由于鋁的機械性能欠佳，因此通常在內部用鋼絲增強導體，從而允許其安裝。近期需求導向例如通過增大導體橫截面來逐漸增大在現有電線上傳輸的功率。因此，需要制造這樣的系統，所述系統在保持足夠的機械性能的同時更輕。

電線導體類型的選擇由導體自身的最終操作條件確定，特別是使用壽命、機械應力和環境條件。實際上，如在文獻中廣泛記載的那樣，連同恒定施加機械應力，架空導體承受的最重要的環境影響是持續暴露于溫度、濕度、UV可見輻射以及侵蝕性化學劑。

根據國際標準，例如，意大利CEI 11-4(1998-09)標準，“室外架空電線的執行”，室外架空電線定義為“安裝在地面上方的室外的電線，其由具有相應絕緣體、支撐件和附件的裸露導體構成”。該標準還要求EDS(每日應力)條件下的導體的容許應力不應當超過固定導體情況下的斷裂負載的25％以及未固定導體情況下的斷裂負載的30％(即，在張緊階段期間)。在導體的整個使用壽命期間必須滿足這些條件，所述導體的使用壽命在需要替換導體之前估計大于40年至50年。因此導體必須在有限蠕變延伸的情況下具有隨著時間而保持其機械和疲勞強度特性。

在適用于架空傳輸電力的電導體中，鋁導體為最廣泛使用的一種導體。用于架空傳輸的導體通常分為均質導體和非均質導體。均質導體僅僅包含鋁合金(AAAC)并且既用于電流傳導又作為支撐材料，而非均質導體包含增強材料芯部，所述增強材料芯部適用于承受導體的重量。根據用作增強件的材料，可以鑒別四種類別，即，包含鋼芯部(已知為ASCR、ACSS和GAP型)、包含用于導體增強件的特殊金屬合金(鐵鎳合金，INVAR)、包含金屬復合物(具有長鋁纖維的鋁鋯合金，ACCR)、以及最后是包含聚合物基體化合物(已知為ACCC：碳纖維內層和環氧樹脂中玻璃纖維外層)。

需要從電線獲得的電力一直在增加；因此，已經研發了新系統，以便克服過量需求問題以及減小電纜損耗。由于過高溫度，因此非常重要的是試圖限制電線下沉以及增加其電流容量。首先研發的解決方案需要使用由鋼絲(ACSR)構成的內部支撐件，所述鋼絲之后進一步改進，以在高溫度下提高效率；預先張緊內部絲線(GAP型)；或者使用具有梯形狀(ACSS/TW)的退火鋁絲。這因鋼增強件而提供了更好的機械性能，但是卻面臨線性膨脹系數過大的問題，線性膨脹系數過大使得不能消除電線下沉問題。

還已經發現的是，上述類型的導體具有相對低的“傳輸電力-每米重量”比；這歸因于鋼，所述鋼大幅增加了重量而沒有有效地有助于傳輸電能；結果是實際傳輸電能的橫截面只是鋁絲的橫截面。

由增強芯部支撐導體的重量的一直增加的必需性已經引導了產品演化，以便能夠用作具有僅僅少量合金元素的導體退火鋁合金，從而較之使用由加工硬化或者熱處理和沉淀硬化的更牢固的等效物的情況具有更少的電負載損耗。朝著由導體傳輸的功率增加并且因此溫度更高的日益增長趨勢使得需要使用除了傳統鋼之外的其它材料，所述材料承受過度伸長現象。因此考慮用這樣的材料替換鋼芯部，所述材料具有類似的機械性能，但是具有更低的熱膨脹系數(如在用于高溫應用的INVAR合金的情況中)以及更低的比重(如用鋁纖維或者聚合物基體化合物增強的輕質鋁合金)。

導體在其整個使用壽命期間將承受溫度、濕度和化學侵蝕方面的潛在的惡劣環境條件。當導體放置在密集工業區域附近或者大型城市中心的郊區或者近海區域或者一直暴露于海洋風的區域中時，可能具有高濃度的鹽、氮氧化合物、二氧化硫以及大氣顆粒(由于存在SO₄^--、NO₃^-離子、SO₂沉淀物以及HNO₃沉淀物而形成的酸)。結合溫度和濕度的作用，這樣的化學劑的存在可能有損用作增強件的材料的使用壽命和性能。

盡管包括由合成材料(所述合成材料普遍由碳纖維和環氧樹脂構成)制成的承重元件的導體開始投放市場，但是這種解決方案仍然具有兩個缺陷：一個涉及材料的高成本，另一個涉及鋁和碳之間的電偶腐蝕問題。

WO2012/142129-A1描述了一種電纜，所述電纜具有外絕緣涂層并且包含電纜芯部和圍繞電纜芯部的多個導電元件。電纜芯部由合成材料制成。

如已知的那樣，在電纜和電導體之間存在明顯不同。“電纜”指的是裝配有外部絕緣涂層的用于電能傳輸的部件。“導體”指的是用于電能傳輸的部件，該部件的應用和操作不需要其外部絕緣。

高于某一操作電壓值時，用于確保適當電纜絕緣的材料層將必須變得如此之厚，以致于電纜難以安裝。因此，在WO2012/142129-A1中描述的電纜不適于應用在本發明的范圍內，所述本發明的范圍涉及“裸露”架空導體，即，沒有外部絕緣的導體。

通過組合不同種類的材料獲得諸如在WO2012/142129-A1中描述的合成材料，以與這些原始材料相比得到新的或者改進的性能。因此合成材料是由不同相構成的非均質材料，所述不同相能夠彼此分離。在其最簡單的型式中，合成材料由散落到連續相(基體)中的分散相(增強件)構成。基體的任務是保護和支撐增強件，從而將其保持在其原始位置，以及將任何外部應力均勻地傳遞至增強件。因此增強件能夠顯露其物理和機械性能，從而提高了基體的特性。為了基體和支撐件之間的這種協同效果充足發展，需要通過用基體浸漬增強件而在基體和支撐件之間建立良好的接觸，并且即使在存在高外部機械應力的情況下也保持這種接觸；后一要求可以表述為相之間的良好粘合。

如在WO2012/142129-A1中具有合成芯部的導體設置有碳纖維增強件和環氧樹脂(ACCC)基體。然而，基體意味著在撓性、熱膨脹、操作溫度方面的某些限制以及導體的重量增加，使得這些電纜不適于應用在本發明的框架內。

KR2012-0018473-A描述了一種電導體，所述電導體具有芳族聚酰胺增強件，所述芳族聚酰胺增強件的護套僅僅實施防止水和水分損壞芳族聚酰胺增強件的纖維的功能。本專利待解決的問題是防止UV射線撞擊芳族聚酰胺纖維，如已知的那樣，所述芳族聚酰胺纖維在暴露于這種輻射時顯著退化。

KR2012-0018872-A描述了一種具有多絲線芯部的電導體，其中，所述芯部的每根單絲線覆蓋有鋁管，所述鋁管的厚度介于0.05mm和0.25mm之間。在后續處理步驟期間以及在安裝導體期間，這種薄管可能會易于被損壞。另一方面，如果為了克服這種問題采用更厚的管，則這意味著因管的熱膨脹而產生更高的應變，與芳族聚酰胺纖維的負熱膨脹系數相比，這將意味著管相對于纖維超長，從而惡化了整個導體的熱膨脹特性，如果我們考慮從數百米至數千米的標稱導體長度范圍，這將不能忽略不計。而且，金屬涂層將提供對疲勞機械現象的欠佳的抵抗力以及提供低彈性。

技術實現要素：

因此，本發明旨在提供一種用于裸露架空電線的導體，所述導體克服了上述缺陷并且具有所要求的物理機械特性。

本發明的一個目的是提供一種用于裸露架空電線的導體，特別地與相同尺寸(即，外徑)和相同總質量的傳統導體相比，所述導體能夠運輸高電力。

本發明還旨在提供一種用于裸露架空電線的導體，所述導體具有足夠的物理和機械特性，其具有諸如以下性能：

·足夠的剛性，從而不會在安裝期間和操作時過度變形，并且不需要過度預拉伸；

·良好的斷裂強度，以便能夠承受初始預先拉伸并且在其使用壽命期間支撐導體重量；

·良好的靜態和動態兩方面的耐熱性，以便能夠承受由電損耗引起的熱循環；

·非常良好的蠕變阻力，從而使操作中的伸長減小，所述伸長在導體的整個使用壽命期間將小于1％；

·低熱膨脹系數，以便限制操作溫度升高情況下電纜的伸長；

·對于由風導致的振動，良好的疲勞強度。這在沒有專門為此設計橫截面的幾何結構的情況中尤為重要。

本發明的基本理念是作為上述問題的解決方案提供一種用于電線的導體，所述導體具有包括芳族聚酰胺纖維的承載芯部，上述問題長期存在但一直沒有得到有效解決。如在權利要求1中所述的，本發明涉及一種用于裸露架空電線的導體，所述導體包括承載芯部，在所述承載芯部上布置有用于電力輸送的導電部件，其特征在于，所述承載芯部包括多根對齊的芳族聚酰胺纖維，所述多根對齊的芳族聚酰胺纖維限定了卷繞在一個或多個護套中的一根或多根繩。

優選地，芳族聚酰胺纖維由或者或者制成。

優選地，護套由熱塑性材料制成。

本發明解決了現有技術的電導體解決方案在撓性、熱膨脹、操作溫度方面所遭受的問題，同時不會增加導體重量。另外，本發明的導體的芳族聚酰胺纖維因為其不遭受脆性而損壞，所以能夠在不需要支撐基體的情況下使用，從而消除了裝配有合成材料增強件的導體所受到的約束。

本發明還解決了由現有技術的解決方案所遭受的問題，其中，其防止UV射線撞擊芳族聚酰胺纖維，否則芳族聚酰胺纖維將在暴露于這樣的輻射的情況下經受顯著退化。

本發明還解決了現有技術的解決方案所遭受的關于在使用過程中由各種材料層中的不同熱膨脹導致的應變的問題。

本發明還涉及一種聯接端子，其用于將用于電線的導體的終端零件聯接到電線塔。

本發明的特定目的是如作為本說明書的一整體部分的權利要求中更好地陳述的那樣，提供一種用于裸露架空電線的導體，特別地用于大功率、用于高電負載下的受限膨脹和中高熱限制。

附圖說明

參照附圖，按照根據本發明的導體的優選但非限制性的實施例的描述，本發明的進一步的特征和優點將變得更加顯而易見，其中：

圖1a和圖1b示出了根據本發明的導體的橫截面的兩個變型；

圖2示出了表示一些纖維和金屬材料以及的耐化學性的表格；

圖3示出了用于基于碳纖維、玻璃纖維、鋁、和芳族聚酰胺纖維的合成材料的應力-應變對比曲線；

圖4.1至圖4.4示出了關于的耐化學性能相對于諸如酸(圖4.1)、堿(圖4.2)的物質、鹽溶液和其它物質(圖4.3)、有機溶劑(圖4.4)的物質的一些對比表格；

圖5示出了用于具有由芳族聚酰胺纖維制成的承載芯部的導體的聯接端子的示例；

圖6示出了關于高強度鋼絲、ACI 20SA(鋁包殷鋼)絲、和芳族聚酰胺纖維絲的一些性能的對比表格。

在附圖中，相同的附圖標記和字母標識相同的項目或部件。

具體實施方式

根據本發明的用于裸露架空電線的導體的特征在于，其采用了芳族聚酰胺性質的纖維增強件，特別地用于高達120℃的操作范圍以及高達150℃的峰值。

作為非限制性示例，在此將考慮芳族聚酰胺纖維。

如從圖2中示出的表格可以理解的那樣，與能夠用于增強用于架空電線的導體的其它材料相比，纖維具有高比斷裂模量(比碳的比斷裂模量高70％)和高比彈性模量(高于鋼的彈性模量的三倍)。與作為典型增強材料的鋼相比，纖維輕五倍并且具有高于超過30％的更高的斷裂負載，而且這決定了高大約七倍的比斷裂模量。當與也用作用于架空導體的增強件的最佳的鋁合金相比時，芳族聚酰胺纖維的彈性模量高86％，斷裂負載高450％，這與它們的密度組合，提供了高于超過三倍的比彈性模量以及提供了兩倍的比斷裂模量。

如圖3中可見的，其示出了基于碳纖維、玻璃、鋁和芳族聚酰胺纖維(例如，作為非限制性示例的)的合成材料與用于增強架空電線的導體的其它已知材料相比較的應力-應變對比曲線圖，該合成材料在斷裂之前吸收更多的能量，由此實際上導致產生了易延展的增強件。如果一方面基于石墨的增強件具有高彈性模量和斷裂負載，則另一方面需要在存儲和處理兩個階段期間更關注脆性拉伸行為。相反，芳族聚酰胺增強件的行為就破壞形態而言與金屬類似，這確保在處理期間更加便捷的操持。

考慮到恒定負載作用下(蠕變)的芳族聚酰胺纖維的行為，已經發現，在10％斷裂負載的情況下，芳族聚酰胺纖維紗線不會遭受濕度而損壞并且即使在大約120℃下也保持非常有限的蠕變速度。

考慮到增強相，碳纖維可以引發與鋁的電偶腐蝕，盡管除了氧化之外在超過600℃的高溫下碳纖維并沒有經歷任何退化。

如圖4.1和4.2所列出的，芳族聚酰胺纖維不會暴露于化學品，在芳族聚酰胺纖維使用壽命期間，導體將有可能接觸化學品。必須指出的是，它們不會遭受暴露于有機溶劑(例如丙酮和煤油)和海水而損壞。特別地，可以發現的是，芳族聚酰胺纖維不會遭受與10％濃度的硫酸接觸100小時而損壞，并且不會遭受與99℃的、10％濃度的氯化鈉接觸100小時而損壞。

雖然已知芳族聚酰胺纖維不會遭受溫度、濕度和腐蝕方面的嚴苛環境而損壞，但是考慮到大約40年的使用壽命，優選采用防護套卷繞在芳族聚酰胺纖維增強件上。

在長期運行中，實際上，可能產生關于UV輻射的敏感性的問題(這對于包含苯環的聚合物材料是典型的)，暴露于強酸和強堿(100℃的乙酸和苯甲酸、鹽酸、硝酸、氫溴酸、磷酸、硫酸、氫氧化鈉和漂白劑)的問題，以及暴露于一些濃鹽(100℃的硫酸銅、磷酸鈉和氯化鐵以及高于120℃的氯化鈉)的問題。

即使芳族聚酰胺紗線眾所周知地非常耐剪切和耐疲勞、擁有長的使用壽命以及動態負載，它們承受的熱負載和相對摩擦也可能會隨著時間一根纖維一根纖維地損壞芳族聚酰胺增強紗線，除非對其進行足夠保護。

因此，護套執行將芳族聚酰胺纖維與來自大氣的局部累積濃度的溶劑/酸/堿/鹽化學地隔離開以及通過物理地隔離芳族聚酰胺纖維使之不接觸導體的上層而保護芳族聚酰胺纖維增強件紗線的功能。護套將還用作這樣的元件，所述元件用于保持紗線受約束和緊湊并且用于保護芳族聚酰胺纖維免于暴露于UV輻射。

在此應當考慮使用由彈性體聚合物材料，諸如，作為非限制性示例的(熱塑性彈性體聚酯)或者TPU(熱塑性聚氨酯)制成的護套，耐高達150℃的溫度。當與添加劑、色素和穩定劑(例如作為非限制性示例的受阻胺光穩定劑(HALS)適當混合時，護套能夠抵抗由紫外線輻射、濕度、有機溶劑、極性溶劑以及稀釋的酸和堿溶液引起的環境侵蝕。

參照圖1a、1b，示出了一種用于電線的導體，所述導體整體用附圖標記1表示。

導體1包括承載芯部4，在所述承載芯部上布置有用于電力輸送的導體3。

芯部2至4由卷繞在熱塑性材料護套中的由芳族聚酰胺纖維絲制成的一根或多根繩4構成。

優選地，芳族聚酰胺纖維的直徑介于1微米和100微米之間。

優選地，芯部的直徑介于1毫米和100毫米之間。

芳族聚酰胺纖維借助于在與具有鋼承載元件的普通導體的使用壽命兼容的時間內能夠承受高溫度的容納護套組裝。

通過高壓塑性擠壓施加圍繞繩4的熱塑性材料護套2。

熱塑性材料護套2被擠壓在芳族聚酰胺纖維的繩4上，用于容納所述繩而且用于保護它們以免被UV太陽射線損壞，如前所述。由作為非限制性示例的或者TPU制成的所述護套耐150℃的溫度峰值并且能夠在120℃的操作溫度下工作高達40年。

此外，導體1包括多根導線3，所述多根導線覆蓋(以螺旋方式卷繞)在芯部2-4上，以便圍繞芯部2-4限定圓形冠部。

然而，在其它示例中，可以設置導線3的多于一個的圓形冠部，所述圓形冠部一個套一個地同心布置；有利地，導線3的疊置的圓形冠部可以為5個。

導線3具有圓形橫截面或者可以成形為像圓形冠部扇區一樣；作為替代方案，它們可以具有任何其它橫截面，所述任何其它橫截面可以與在電力輸送的框架內應用導體1兼容。

對于電應用，導線3由純度高于99.5％的退火鋁或者Al-Mg-Si或Al-Mn或Al-Zr合金或者其它鋁合金制成。

在優選但非限制性的實施例中，芳族聚酰胺纖維由或者或者制成，芯部2的護套2a由或者TPU熱塑性彈性體聚酯制成，并且導電裙部通過由Al-Zr合金制成的導線3形成。

基本如下所述，根據本發明的導體1的操作鑒于上文描述以及附圖顯而易見。

當安裝導體1時，芯部2-4(包括芳族聚酰胺纖維的繩4和護套2)支撐導體1，而導線3特別地專用于能量輸送。

在操作時，在跨接安裝之后，導體的溫度升高并且超過某一預定值(應力過渡點或者曲線拐點)，將在芯部(包括繩4和護套2)和導線3的冠部之間由于它們不同的熱膨脹而發生脫離。

然后，隨著溫度進一步升高，導體1將根據芯部的膨脹系數(其極其小)而膨脹，不是根據導體1整體的平均膨脹系數(包括導線3，平均膨脹系數因鋁或其合金的更高比例而更高)而膨脹。

這將致使跨接撓曲(span deflection)盡管高溫(＞100℃)也保持與安全規則兼容。

從上述描述清楚的是本發明的電導體適于在高于90℃的操作溫度下應用并且其熱膨脹系數小于18*10^-6/℃。

作為當前導體的替代物而構思用于安裝在當前的電線上的導體需要適當的端子聯接件。優化的解決方案是基于在錐形插入件上發展的摩擦的構造。

負載因錐形部均勻地分布在纖維上，所述錐形部壓抵在相應插入件的僅一層纖維上。一旦處于牽引中，纖維便將通過摩擦拖曳錐形部，從而通過壓縮緊固纖維。

圖5示出了適于將電導體的端子部分聯接到電線塔的聯接端子的實施例的示例。

聯接端子主要包括以下元件：

-端蓋51，所述端蓋在一側上包括待聯接到電線塔的銷52，在另一側上包括螺紋開口53；

-中空末端體54，其具有截錐形狀，所述中空末端體在其較大的一側上包括螺紋55，所述螺紋適于旋擰到螺紋開口53中；

-緊固錐形部56，其適于插入到中空末端體54中，以便將導體的末端部分的所述多根芳族聚酰胺纖維緊固到中空末端體54中；

-優選地，還設置有墊片57，所述墊片密封中空末端體。

首先，在移除外部墊片的第一部分(長度等于緊固錐形部56的長度)之后，需將繩58插入到中空末端體54中，中空末端體優選由鋁合金(或者鋼)制成。然后，需將適當布置由墊片釋放的所有纖維：實際上，需將紗線相對于中心打開，并且需將纖維適當地彼此分離并且均勻分布在僅一層上。最后，需將錐形部56的末端朝繩的中心部分插入，使得纖維自身將布置在其傾斜表面上。

閉合末端體之前的最后操作將是，借助工具或者小錘子，通過將錐形部推向末端體54的內部而將楔子56定位到其座部中。在使用之前，因兩個主要原因需將施加一些牽引力。第一個原因是必須使楔子-纖維連接穩固，以避免在操作中因安置導致任何不希望的伸長。第二個原因是必須消除繩內纖維因在作為線圈儲存期間呈現的曲率導致的任何可能的未對準。

為了確保良好隔離防止濕氣通過毛細管作用進入繩，可以在末端體上使用撓性墊片57，例如基于硅樹脂的密封劑或者硫化帶。

應用本發明得出的優點顯而易見。

與具有鋼承載元件的傳統導體相比，芳族聚酰胺纖維允許制成的導體能夠因其輕質以及高斷裂負載而在高于100℃的操作溫度下以相同的撓曲工作。

導體允許較之具有鋼承載繩的等效傳統導體增加大約20％的導電率；實踐中，根據本發明的導體允許制成這樣的架空電線，使得在導體質量和大小相等的情況下允許關于它們的操作溫度傳輸50-70％更多的電力。

作為ACI(鋁包殷鋼)絲的替代，芳族聚酰胺纖維絲能夠應用在具有高電負載下減小的膨脹和中高熱限制的導體中，從而使得質量大幅減少，由此能夠利用差異增加導電材料的質量(鋁或者其合金)而不會增加導體的總質量。

由于芳族聚酰胺纖維的接近零的膨脹系數，能夠制造用于高熱限制的導體，其中，120℃下的撓曲等于或者小于具有鋼或者Invar(鐵鎳合金)承載元件的導體的撓曲，從而消除了關于電線塔過載和跨接撓曲的問題。

可以對實施例的上述示例作出修改而不背離本發明的保護范圍，包括本領域技術人員所知的所有等同設計。

可以將各個優選實施例中示出的元件和特征組合在一起而不背離本發明的保護范圍。

由上述描述，本領域技術人員將能夠在沒有引入任何其它構造細節的情況下實現本發明的目的。