專利名稱：半導電線形部件的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于沿架空電力傳輸系統延伸的線形部件，特別是(雖然不是必須是)涉及借助于塔架、支柱或其它豎立的支架沿系統線路支持的光纜，這些塔架等還用來支持電力電纜。
在這種系統中，通常的作法是將塔架、支柱或其它支架(以下簡單地稱為塔架)上的光纜或電纜接地。當電力線加載時，由于電纜和電力線之間的分布電容的影響，在光纜上可能容性地感應出電流來。在塔架之間的中間段，光纜上感應出來的電壓將達到最大值，而在塔架區沿電纜流動的電流將最大。在干燥條件下，由于電纜縱向的電阻相對較高，例如在1012MΩm-1的范圍內，所以感應電流相對較小，但在潮濕條件下，當電纜的表面電阻非常低時，例如在10MΩm-1的范圍內，將感應出大許多的電流。由感應電流引起的電纜表面的焦耳熱可以使電纜表面的很短的長度(通常是在電流最大的塔架區)變干燥。當這種情況發生時，由于電纜縱向電阻高，所以電纜上感應電壓的主要部分將分配在短的干燥帶上，可能造成所謂的“干燥帶飛弧”，這可能對電纜造成嚴重的損害。類似的問題也可能在傳輸系統的塔架之間延伸的其它線形部件(例如用繩索按裝電力傳輸系統中的電纜)中出現。雖然這種繩索只是暫時懸掛在塔架之間，但是在潮濕的環境下它們仍將吸收大量的水分，其結果可能感應出有害的電流。
通過為電纜提供縱向延伸的導電通路可以解決光纜中干燥帶飛弧的問題。然而，具有這種導電通路的光纜有這樣的缺點，即如果光纜安裝在加載的架空電力傳輸線的塔架之間的話，鑒于觸摸一根傳輸線會產生危險，所以必須考慮良好的安全措施。此外，把通過架空電力傳輸線傳輸的電力中斷一段時間，來安裝這種光纜，這樣做不總是可行或需要的。
例如，在歐洲專利申請第214,480號中已經提出了利用具有半導電部件和10至106MΩm-1的線性電阻的電纜。然而，由于特定的電阻值對填充物裝載等是極端敏感的，所以采用常規方法以一致性和可再生產性的方式形成具有這種電阻值的半導電部件通常是非常困難的，其結果是標稱值相同的電纜可能具有極不相同的電阻，并且電纜的電阻沿其長度方向可能變化非常大。另外，我們已經發現由于這種電纜的線性導電性可以由潮濕條件下電纜上存在的污染物例如酸和鹽決定，所以這種線性電阻值非常高，這是不希望的。
根據本發明，線形部件例如光纜或用于安裝光纜的繩索包括至少一個半導電部件，它使線形部件具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻，并且該電阻呈現負的電阻溫度系數。
本發明具有這樣的優點，即如果由于種種原因，例如較大的感應電流或較高的原始電阻，電纜的任何區域受到較高的焦耳熱的影響，那么半導電部件的局部相關溫度的升高將減小部件的電阻，從而減小熱效應。相反，若采用其它系統，如通常呈現正溫度系數(PTC)特性的滲透系統，可以導致系統不穩定甚至局部熱故障。
最好每個部件具有在環境溫度下(即300K)的至少1％K-1的負溫度系數，特別是至少1.5％K-1的負溫度系數，但是通常不大于5％K-1，更一般的情況是不大于3％K-1。顯著大于5％K-1的溫度系數通常與部件的太高的環境電阻值有關。
特別適用于本發明的組成部分的一種形式包括含碳纖維，因此，本發明的一個最佳方案包括適合于在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并被塔架支持的線形部件，該部件包括一個或多個組成部分，每部分包括半導電含碳纖維，它使得部件具有在0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻。在組成部分中采用含碳纖維使得能夠以非常簡單的方式控制部件的線性電阻，從而能夠生產便于再生產的半導電部件。
由于光纜的模量和重量比相線低，所以在強風中它們的相線橫向位移量更大，因此可進入強電場區。如果電纜沿其長度方向是低電阻的導體，例如金屬導體，那么在塔架之間的整個距離，其電位將基本為地電位，結果在強風中將出現電暈放電。甚至存在這樣的可能性，即電纜非常靠近相線，在相線之間擊穿，并且電纜可出現這樣的情況，使得沿光纜延伸的導體逸散，并且將使供電中斷。鑒于根據本發明的部件具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻這一事實，該部件的電位可達到或接近跨度中間區中的系統相線電位的優點，其結果減小或消除了部件表面的電暈放電和擊穿。
下面將結合光纜來描述本發明，所描述的本發明的實施例也適用于其它的線形部件，如繩索等。
用于半導電組成部分的含碳纖維可以由聚合物的部分熱解形成，例如用聚丙烯腈或丙烯腈共聚物，丙烯腈的含量至少是85摩爾百分比，共聚物(PAN)的含量至多是15摩爾百分比。這種纖維的碳含量可以是65％至92％，最好是少于85％，氮含量在5至20％的范圍內，最好是16至20％。適用于本發明的含碳纖維絲束可以從例如R.K.Technologies Ltd of Heaton Norris，Stockport，Cheshire，UnitedKingdom獲得。
含碳纖維可以以許多不同的結構用于電纜。通常每種半導電組成部分可以是含碳纖維的連續絲束形式，在這種情況下，它可以在其外皮下包裹在電纜芯的周圍，或者包裹在電纜外皮的周圍。在半導電組成部分是包裹電纜外皮周圍的絲束形式的情況下，該絲束最好包在護套中，以便在處理期間保護它，并使之不受環境的影響。如果采用絕緣護套，或在絲束位于電纜的外皮之下，并且采用絕緣電纜外皮時，絲束將與護套或外皮上的表面水分容性耦合。如果容性耦合不夠大時，在不損害縱向電阻的情況下采取措施提高護套或外皮的徑向導電性。這些措施可以包括使用由于不完全擴散填充物而導致導電不均勻的護套或外皮，或采用吸水材料作為護套或外皮。每條絲束最好至少是5K纖維，至少10K纖維則更好，但最好不多于40K纖維。采用絲束的具體尺寸將取決于纖維的導電率并由此進行選擇，因此絲束具有0.05至100MΩm-1、最佳達到0.5至10MΩm-1的所需的整體電阻。含碳纖維可以是連續的，但是這不是必須的。例如，可以在聚合物的陣列中采用切斷的纖維。此外，纖維可以用作非編織部件，例如作為墊層或紙的復合物。
半導電組成部分可以在制造時，如當包裹在外皮之下的電纜芯周圍時，包含在電纜中，或者如果需要，可以僅在電纜懸掛在塔架上之后包含在電纜中，例如在國際專利申請No.WO93/23779中描述的那樣。
每個半導電組成部分最好是可拉伸的，以便避免破壞光纜或切入光纜，使之損壞。此外，在重復延伸以后，最好半導電組成部分的電特性不會顯著地改變，使之在1％的數量級以內。
本發明還提供了組合的架空電力和光傳輸系統，該系統包括在塔架之間延伸并由塔架支持的架空電力線，在塔架之間延伸并由塔架自由支持的至少一根光纜，每根光纜包括沿其長度方向延伸的至少一個組成部分，它使得光纜具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻，并且該電阻呈現負的電阻溫度系數，該組成部分最好包括導電的含碳纖維。
下面將參照附圖以舉例的方式描述本發明的兩種形式的光纜，附圖中
圖1是表示分布電容的常規的全介電光纜和電力線的示意圖；圖2表示在干燥條件下光纜上的感應電壓和電流；圖3表示在潮濕條件下無干燥帶的光纜上的感應電壓和電流；圖4是上面形成了干燥帶的常規的光纜的示意圖；圖5是根據本發明的電纜的另一種形式的示意性截面圖；圖6是根據本發明的電纜的另一種形式的局部側視圖；以及圖7表示用于本發明的各種含碳纖維絲束的電阻值和溫度之間的關系。
參照附圖，圖1表示常規的由一對塔架支持的“全介電自支持”(ADSS)光纜1，塔架也用來支持電力電纜2。ADDS電纜1通過金屬夾具或固定物4被支持在塔架上，金屬夾具或固定物4通過塔架接地。在這一系統中，在光纜1和電纜2之間存在由許多電容C1表示的分布電容，以及光纜1和地之間存在的由電容C2表示的分布電容。此外，電纜還具有由許多電阻R表示的大的但有限的縱向電阻。
在干燥條件下電纜上產生的感應電壓(Vd)和電流(Id)如圖2所示。感應電壓在跨度的中點最大，一般在400kV的電力線上高達30kV，在塔架顯然為地電位，而在塔架電流將為最大值，例如高達100微安。在潮濕條件下，光纜的縱向電阻相當低，其結果光纜上的最大電壓(Vw)較小，但是感應電流(Iw)顯著升高，一般到達10毫安，如圖3所示。
在這樣的條件下，如圖4所示，由于電纜焦耳加熱其表面水分，在塔架的夾具4的區域中的電纜1上形成了典型長度為50毫米的干燥帶6。其結果幾乎全部感應電壓都落在了電纜的這一長度上，并在此處出現飛弧，對電纜外皮造成了損壞。
圖5表示根據本發明的光纜1的一種形式，它被自由地支持在電力分配系統的塔架之間。該電纜包括由pultruded E-玻璃形成的支持許多光纖52的常規的加強部件51，光纖52適合于傳輸波長在0.8微米至2.1微米之間的光，該電纜還包括由填充的聚乙烯或EVA混合物形成的外皮53。在上面形成外皮53之前，一對局部熱解PAN纖維的半導電絲束54以相反方向纏繞在加強部件51的周圍，以便沿塔架之間的電纜長度方向提供半導電通路。在塔架上，絲束54將通過與電纜夾具耦合的電容接地。每條絲束54具有大約10000根纖維，并具有大約0.8MΩm-1的電阻。
圖6表示一段“全介電自支持”(ADSS)光纜61，它包括參照圖5描述的加強部件和光纖(未示出)以及外皮。在這種電纜中，在外皮63中包裹了40K的局部熱解PAN絲束62，電阻為0.4MΩm-1，并且螺旋纏繞在電纜周圍。
圖7表示局部熱解的PAN的各種絲束的線性電阻(kΩ/10cm)的自然對數與絕對溫度的倒數之間的關系。不同樣品的電阻值的差別是由絲束的不同的纖維數造成的。從圖中可以看到，電阻值將符合以下形式的直線R＝常數x exp(2044/T)它對應于300K時的2.2％K-1的電阻的負溫度系數。
權利要求
1.一種線形部件(1，61)，適合于在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并由塔架支持，它包括至少一個半導電組成部分(54，62)，使得線形部件具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻，并且該電阻呈現負的電阻溫度系數。
2.如權利要求1的部件，其中每個組成部分(54，62)具有在環境溫度下的至少1％K-1的電阻的負溫度系數，最好至少是1.5％K-1。
3.如權利要求1或2的部件，其中每個組成部分具有在環境溫度下不大于3％K-1的電阻的負溫度系數。
4.一種線形部件(1，61)，適合于在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并由塔架支持，它包括一個或多個半導電組成部分(54，62)，該組成部分包括半導電的含碳纖維，使得部件具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻。
5.如權利要求1至4的任何一項的部件，它是光纜。
6.如權利要求1至4的任何一項的部件，它是用來安裝電力傳輸系統中的光纜的繩索。
7.如權利要求4中的部件，其中每個組成部分是含碳纖維絲束。
8.如權利要求7中的部件，其中每根絲束纏繞在部件外皮之下的部件的芯的周圍。
9.如權利要求7或8的部件，其中每根絲束纏繞在部件的外皮周圍。
10.如權利要求9的部件，其中每根絲束被包裹在電絕緣護套中。
11.如權利要求4或7至10的任何一項的部件，其中含碳纖維包括局部熱解的聚丙烯腈。
12.如權利要求4或7至11的任何一項的部件，其中部件的線性電阻至少在干燥條件下基本上完全由含碳纖維部件或部件確定。
13.如權利要求1至12的任何一項的部件，它具有從0.1至10MΩm-1范圍內的線性電阻。
14.一種架空電力傳輸和光傳輸的組合系統，它包括在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并由塔架支持的架空電力線(2)，在塔架之間延伸并由塔架自由支持的至少一條光纜(1，61)，每條光纜包括至少一個半導電部件(54，62)，使得光纜具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻，并且該電阻呈現負的電阻溫度系數。
15.一種架空電力傳輸和光傳輸的組合系統，它包括在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并由塔架支持的架空電力線(2)，在塔架之間延伸并由塔架自由支持的至少一條光纜(1，61)，每條光纜包括至少一個沿其長度方向延伸的部件(54，62)，它包括半導電的含碳纖維，使得光纜具有從0.05至100MΩm-1范圍內的線性電阻。
全文摘要
一種線形部件(1，61)，適合于在架空電力傳輸系統的塔架之間延伸并由塔架支持，它包括一個或多個半導電組成部分(54，62)，使得部件具有從0.05至100MΩm
文檔編號H01B11/22GK1137828SQ9419452
公開日1996年12月11日 申請日期1994年12月15日 優先權日1993年12月17日
發明者S·M·羅蘭 申請人:比克有限公司