RU2714680C1

RU2714680C1 - Electric conductor

Info

Publication number: RU2714680C1
Application number: RU2019111023A
Authority: RU
Inventors: Олег Юрьевич Исаев; Андрей Юрьевич Тихомиров; Игорь Михайлович Шенкман; Александр Олегович Исаев
Original assignee: Олег Юрьевич Исаев; Андрей Юрьевич Тихомиров; Игорь Михайлович Шенкман; Александр Олегович Исаев
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-02-19

Abstract

FIELD: electrical engineering.SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering and can be used in designs of multi-wire bearing conductive wires and cables for overhead transmission lines and lines of electrified transport, amplifying, feeding and suction lines. Electric conductor containing copper and/or aluminum conductor metal material and bearing core. Core is made of composite material (twisted or without twisting) based on thermally expanded graphite reinforced with high-strength carbon and/or basalt fibers. Volumetric fraction of reinforcing fibers in composite material based on thermally expanded graphite is 20–90 %.EFFECT: invention provides for generation of conductive, simultaneously carrying wires with improved operational properties.1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных несущих токопроводящих проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.The invention relates to electrical engineering and can be used in the construction of multi-wire carrier conductive wires and cables for overhead power lines and electric transport lines, amplifying, supplying and suction lines.

В настоящее время широко используется конструкция сталеалюминевого провода марки АС (фиг. 1), содержащего сердечник из одного или нескольких скрученных стальных оцинкованных проволок, обеспечивающий механическую прочность провода, и один или несколько концентрических повивов круглых алюминиевых проволок, передающих электрическую энергию [ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи].Currently, the construction of AC-grade steel-aluminum wire is widely used (Fig. 1), containing a core of one or more twisted galvanized steel wires, providing mechanical strength of the wire, and one or more concentric coils of round aluminum wires that transmit electrical energy [GOST 839-80 . Uninsulated wires for overhead power lines].

Недостатками провода марки АС являются повышенные механические нагрузки от ветра на опорах линий электропередачи (ЛЭП), провисание в определенных климатических условиях и при определенных режимах эксплуатации, возможность локального перегрева и растрескивания цинкового покрытия проводов несущего сердечника, а также повышенное контактное давление между стальными и алюминиевыми проволоками, вызывающее износ провода.The disadvantages of the AC brand wire are increased mechanical loads from the wind on the supports of power lines (power lines), sagging in certain climatic conditions and under certain operating conditions, the possibility of local overheating and cracking of the zinc coating of the wires of the bearing core, as well as increased contact pressure between steel and aluminum wires causing wire wear.

Известен также электрический проводник, содержащий металлический проводниковый материал с армирующими элементами из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью, которые распределены по сечению проводника [Патент №2609129 РФ, Н01В 5/02, 2017]. В качестве высокопрочных волокон использованы базальтовые, углеродные или пара-арамидные волокна, а в качестве металлического проводникового материала - медь и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами. Комплексная нить сформирована скрученными или без крутки элементарными волокнами. Армирующие элементы с нитями, сложенными без крутки (пучок), используют на малонагруженных участках сети, где нагрев провода не превышает 70-90° На участках сети с большим потреблением электроэнергии, в которых нагрев провода превышает 90°, используют армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, соединенных скручиванием в виде шнура, троса, каната. Это объясняется тем, что при нагреве проводника выше 90° происходит значительное удлинение проводникового материала, а используемые высокопрочные волокна имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что может привести к разрыву волокон. Использование скрученных нитей позволяет увеличить упругие свойства армирующего элемента и тем самым сохранить его целостность.Also known is an electrical conductor containing a metal conductive material with reinforcing elements of complex filaments of high-strength fibers with low density, which are distributed over the cross section of the conductor [Patent No. 2609129 of the Russian Federation, НВВ 5/02, 2017]. Basalt, carbon or para-aramid fibers were used as high-strength fibers, and copper and / or aluminum, or their alloys with other substances, were used as a metallic conductive material. The complex thread is formed by twisted or twisted by elementary fibers. Reinforcing elements with strands folded without twist (bundle) are used in lightly loaded sections of the network where the wire does not exceed 70-90 °. In sections of the network with high energy consumption, in which the heating of the wire exceeds 90 °, reinforcing elements are used in which the thread is formed from filaments connected by twisting in the form of a cord, cable, rope. This is because when the conductor is heated above 90 °, a significant elongation of the conductor material occurs, and the high-strength fibers used have almost zero linear expansion coefficient, which can lead to rupture of the fibers. The use of twisted threads allows to increase the elastic properties of the reinforcing element and thereby maintain its integrity.

Недостатками данного проводника является хрупкость применяемых волокон и, как следствие, сложность монтажа и недостаточная прочность проводника при эксплуатации.The disadvantages of this conductor is the fragility of the fibers used and, as a result, the complexity of installation and the insufficient strength of the conductor during operation.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электрический проводник из металлического проводникового материала, содержащий упрочняющий сердечник, выполненный из композиционного материала, состоящего из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, модифицированного углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 мас. %, и непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80% [Патент №2599387 РФ, Н01В 5/10, 2016]. В качестве углеродных нанотрубок применены многослойные углеродные нанотрубки серии «Таунит», термореактивным полимерным связующим служит эпоксидная смола, а в качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.The closest in technical essence to the claimed invention is an electrical conductor made of a metal conductive material containing a reinforcing core made of a composite material consisting of a nanomodified thermosetting polymer binder modified with carbon nanotubes, the concentration of which is 4.0-10.0 wt. %, and continuously reinforced with basalt fiber with a degree of volumetric filling of 60-80% [Patent No. 2599387 of the Russian Federation, Н01В 5/10, 2016]. As the carbon nanotubes, Taunit series multilayer carbon nanotubes were used, the thermosetting polymer binder is epoxy resin, and copper and / or aluminum or their alloys are used as the metal conductive material.

Известный проводник довольно хрупкий и в процессе эксплуатации и соединения проводов опрессованием, обжатием и скручиванием возможны механические повреждения композиционного материала внутри сердечника. Кроме недостаточной гибкости сердечника, ограничивающей эксплуатационную надежность проводника, к числу недостатков данного проводника следует отнести разные коэффициенты термического расширения проводникового материала, смолы и волокон, что может привести к нарушению сплошности сердечника, и снижению механических свойств проводника в целом. Наряду с этим отмечается и некоторая сложность изготовления за счет поэтапного ввода волокон и нананотрубок.The known conductor is quite fragile and during operation and connection of wires by crimping, crimping and twisting, mechanical damage to the composite material inside the core is possible. In addition to the insufficient flexibility of the core, limiting the operational reliability of the conductor, the disadvantages of this conductor include different coefficients of thermal expansion of the conductor material, resin and fibers, which can lead to disruption of the core continuity and a decrease in the mechanical properties of the conductor as a whole. Along with this, some manufacturing complexity is also noted due to the phased introduction of fibers and nanotubes.

Кроме того, улучшение свойств наномодифицированием связующего многослойными углеродными нанотрубками весьма сомнительно, основные работы по их использованию проводятся только в лабораторных условиях, а в научно-технической литературе недостаточно сведений о возможных концентрациях многослойных углеродных нанотрубок и их влиянии на свойства термореактивных связующих. Так как не существует относительно дешевых промышленных способов получения многослойных углеродных нанотрубок, то одним из основных недостатков указанного проводника будет его высокая стоимость.In addition, the improvement of properties by nanomodification of a binder by multilayer carbon nanotubes is very doubtful, the main work on their use is carried out only in laboratory conditions, and in the scientific and technical literature there is insufficient information about the possible concentrations of multilayer carbon nanotubes and their effect on the properties of thermoset binders. Since there are no relatively cheap industrial methods for producing multilayer carbon nanotubes, one of the main disadvantages of this conductor will be its high cost.

Задачей заявляемого изобретения является создание несущего и одновременно токопроводящего проводника, технологичного в изготовлении и обладающего повышенной эксплуатационной надежностью.The task of the invention is the creation of a supporting and simultaneously conductive conductor, technologically advanced in manufacture and having increased operational reliability.

Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом проводнике, содержащем металлический проводниковый материал и упрочняющий сердечник, включающий высокопрочные углеродные и/или базальтовые волокна, согласно изобретению, сердечник выполнен из композиционного материала (скрученного или без скрутки) на основе терморасширенного графита (ТРГ), армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами.The specified technical result is achieved by the fact that in an electrical conductor containing a metal conductive material and a reinforcing core, including high-strength carbon and / or basalt fibers, according to the invention, the core is made of composite material (twisted or without twisting) based on thermally expanded graphite (TEG), reinforced with carbon and / or basalt fibers.

Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами, предлагаемый для использования в виде сердечника в проводниковом материале, не имеет ограничений по изгибающим нагрузкам и позволяет выдерживать проводнику в целом, механические нагрузки на сжатие и разрыв более высокие, чем стали соответствующего диаметра. Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами, находясь в сжатом состоянии, обладает большой силой упругого последействия, которая обеспечивает связь сердечника с оболочкой из проводникового материала во всем интервале температур и нагрузок при эксплуатации.Composite material based on TEG, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers, proposed for use as a core in a conductive material, has no bending loads and can withstand the conductor as a whole, the mechanical compressive and tensile loads are higher than the corresponding steel diameter. Composite material based on TEG, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers, being in a compressed state, has a large elastic aftereffect, which ensures the connection of the core with a sheath of conductive material in the entire range of temperatures and loads during operation.

Объемная доля армирующих углеродных и/или базальтовых волокон в композиционном материале на основе ТРГ составляет 20-90% и определяется исходя из требований к несущей способности провода и номинального сечения металлического токопроводящего материала. Рабочая температура предлагаемого композиционного материала находится в пределах от -150°С до 500°С и не ограничивает, а обеспечивает температуру эксплуатации проводника в целом в требуемых технической документацией рабочих диапазонах температур.The volume fraction of reinforcing carbon and / or basalt fibers in the composite material based on the TWG is 20-90% and is determined based on the requirements for the carrying capacity of the wire and the nominal cross section of the metal conductive material. The operating temperature of the proposed composite material is in the range from -150 ° C to 500 ° C and does not limit, but provides the operating temperature of the conductor as a whole in the operating temperature ranges required by the technical documentation.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 2 представлен заявляемый электрический проводник, поперечное сечение.The invention is illustrated in the drawing, where in FIG. 2 presents the inventive electrical conductor, cross section.

Электрический, он же несущий, проводник 1 содержит металлический проводниковый материал 2 с несущим сердечником 3, выполненным из композиционного материала на основе ТРГ 4, армированный волокнами 5. В качестве волокон 5 могут быть использованы высокопрочные углеродные и базальтовые волокна, как по отдельности, так и совместно. В качестве металлического проводникового материала может быть использована медь и/или алюминий и их сплавы. Сердечник 3 сформирован из композиционного материала на основе ТРГ 4 скрученным или без скрутки.Electrical, it is also bearing, conductor 1 contains a metal conductive material 2 with a supporting core 3 made of composite material based on TEG 4, reinforced with fibers 5. As fibers 5, high-strength carbon and basalt fibers can be used, either individually or together. As a metallic conductor material, copper and / or aluminum and their alloys can be used. The core 3 is formed of a composite material based on TEG 4 twisted or without twisting.

Для изготовления композиционного материала сердечника, предварительно подготовленный ТРГ пух армируют волокнами в выбранном и согласованном с техническими и эксплуатационными требованиями соотношении, с последующей прокаткой между вальцами и получением ленты заданной длины и толщины. Сердечник 3 необходимого диаметра получают скручиванием или без скрутки. Проводник изготавливают по любой стандартной технологии, например, методом conform.For the manufacture of composite core material, pre-prepared TWG fluff is reinforced with fibers in a ratio selected and coordinated with technical and operational requirements, followed by rolling between the rollers and obtaining a tape of a given length and thickness. The core 3 of the required diameter is obtained by twisting or without twisting. The conductor is made by any standard technology, for example, by the conform method.

Из полученных проводников 1 методом скрутки или плетения можно изготавливать провода воздушных линий электропередач или сердечник в проводах типа АС. В электрическом, проводе, выполненном из заявляемых проводников 1, в процессе эксплуатации каждый сердечник 3 воспринимает нагрузки, направленные на растяжения и изгиб провода, а окружающий его металлический проводниковый материал 2 обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждого проводника 1 провода.From the obtained conductors 1 by the method of twisting or weaving, it is possible to produce wires of overhead power lines or a core in wires of type AC. In an electrical wire made of the inventive conductors 1, during operation, each core 3 receives loads directed to stretching and bending the wire, and the surrounding metal conductive material 2 provides increased electrical conductivity of each wire conductor 1.

Проводник, представляющий из себя систему из металлической токопроводящей оболочки алюминия, меди или их сплавов и сердечника из композиционного материала на основе ТРГ, непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами, имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках, повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогами и может использоваться как несущий с повышенными токопроводящими характеристиками. При этом вес провода с сердечником из такого композиционного материала значительно ниже, чем у других известных и ранее используемых аналогов.The conductor, which is a system of a metal conductive sheath of aluminum, copper or their alloys and a core of composite material based on TEG, continuously reinforced with carbon and / or basalt fibers, has high strength under static and dynamic loads, increased performance compared to analogues and can be used as a carrier with enhanced conductive characteristics. In this case, the weight of the wire with the core from such a composite material is significantly lower than that of other known and previously used analogues.

Проводник, содержащий металлический проводниковый материал медь и/или алюминий и несущий сердечник на основе терморасширенного графита, армированного углеродными волокнами, имеет токопроводящие характеристики сопоставимые с металлическим проводником за счет высокой токопропускной способности композиционного материала на основе терморасширенного графита, армированного углеродными волокнами.A conductor containing copper and / or aluminum metal conductor material and a supporting core based on thermally expanded carbon fiber reinforced graphite has conductive characteristics comparable to a metal conductor due to the high current transmission capacity of thermally expanded carbon fiber reinforced graphite composite material.

Таким образом, заявляемый проводник обеспечивает увеличение разрывных усилий, увеличивает пропускную токопроводность и в процессе эксплуатации надежно работает в условиях перепада температур и механических нагрузок.Thus, the inventive conductor provides an increase in breaking strength, increases the throughput of conductivity and during operation reliably works in conditions of temperature and mechanical loads.

Изобретение обеспечивает создание токопроводящих, одновременно несущих проводов со следующими повышенными эксплуатационными свойствами:The invention provides for the creation of conductive, simultaneously supporting wires with the following enhanced operational properties:

- высокая электропроводность;- high electrical conductivity;

- высокая механическая прочность;- high mechanical strength;

- небольшая погонная масса;- small linear mass;

- устойчивость к высоким температурам;- resistance to high temperatures;

- малые температурные удлинения;- low temperature elongations;

- устойчивость к старению и ветровым воздействиям.- resistance to aging and wind effects.

При этом стоимость такого провода сопоставима со стоимостью отечественных сталеалюминевых проводов типа АС и значительно ниже стоимости зарубежных проводов с повышенной токопроводящей способностью.At the same time, the cost of such a wire is comparable to the cost of domestic steel-aluminum wires of type AC and is significantly lower than the cost of foreign wires with increased conductivity.

Claims

An electrical conductor comprising metallic conductive material copper and / or aluminum and a supporting core comprising high-strength carbon and / or basalt fibers, characterized in that the core is made of composite twisted or non-twisted material based on thermally expanded graphite reinforced with carbon and / or basalt fibers while the volume fraction of reinforcing fibers in a composite material based on thermally expanded graphite is 20-90%.