专利名称：铝导体复合材料芯增强电缆及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种铝导体复合材料芯(ACCC)增强电缆及其制备方法。更具体地，本 发明涉及一种用于供电的电缆，其具有由能够承载增加的载流容量并在高温下工作的铝导 线围绕的复合材料芯，该复合材料芯由纤维增强体(fiber reinforcement)和基体构成。
背景技术：
人们曾经尝试开发由单一类型的纤维和热塑性树脂构成的复合材料芯。其目的在 于提供利用增强塑料复合材料芯作为电缆中的承重构件的输电电缆，及提供通过利用内部 增强塑料芯的输电电缆传输电流的方法。所述单一纤维/热塑性复合材料芯未能实现这些 目的。一种纤维/热塑性系统不具有在防止电缆下垂的同时有效地传递载荷所需的物理特 性。其次，包含玻璃纤维和热塑性树脂的复合材料芯未能满足载流容量增加所需的工作温 度，S卩，90°C和240°C之间，或者更高的温度。热塑性复合材料芯物理性能还受处理方法限制。以前的处理方法不能实现高的纤 维与树脂体积或重量比例。这些方法不会产生将实现电缆所需强度的富纤维芯。而且，以 前的处理方法的处理速度受到方法本身的固有特性限制。例如，常规的挤出/拉挤成型模 具长为大约36英寸，其具有恒定的横截面。较长的模具引起复合材料和模具之间的摩擦力 增加，延缓了处理时间。在用于热塑性/热固性树脂的这种系统中的处理时间为约3 12 英寸/分钟。利用聚酯和乙烯基酯树脂的处理速度能够以高达72英寸/分钟生产复合材 料。在需要数千英里的电缆的情况下，这些缓慢的处理速度未能以经济上可以接受的方式 两足需要。因此需要设计经济上可行的电缆，其使得载流容量容易增加，而不会产生相应的 电缆下垂。还需要利用这样的方法处理复合材料芯，即，使复合材料芯在处理过程中成形和 调整，并且能够以高达或超过60英尺/分钟的速度进行处理。
发明内容
技术问题在常规铝导体钢增强电缆(ACSR)中，铝导体传输电能，钢芯提供强度构件 (strength member) 0导体电缆受到组分的固有物理特性抑制；这些组分限制载流容量。载 流容量为通过电缆送电力的量度。电缆中电流或功率增加引起导体的工作温度的相应增 加。过多的热将引起常规电缆下垂至低于允许的水平，因为结构芯较高的热膨胀系数引起 构件膨胀，导致电缆下垂。一般的ACSR电缆能够在至多75°C的温度下连续工作，而不使 与下垂有关的导体的物理性能发生重大变化。在高于100°C下工作任何长的时间，ACSR电 缆经受塑性的(plastic-like)和永久性的伸长，以及强度的大幅降低。这些物理变化引起过多的线下垂。线下垂被认为是2003年美国东北停电的主要原因之一。温度限制将用 795kcmil ACSR ‘Drake，导体架设的一般230_kV线的电力负载额定值抑制至约400MVA，相 应于1000A的电流。因此，为了增加输电电缆的负荷能力，必须利用具有允许载流容量增加 而不引起过多线下垂的固有特性的组分设计电缆本身。虽然载流容量增益可以通过增加围绕输电电缆的钢芯的导体面积获得，但是导体 体积增加会提高电缆的重量并有助于下垂。而且，重量提高需要电缆在电缆支架基础结构 中使用增加的张力。这种重量大幅提高一般会需要输电塔和电线杆的结构加强或替换。基 础结构变更在经济上一般是不可行的。因而，在利用现有的输电结构和电线的同时，增加输 电电缆上的负荷容量，存在着经济目的。技术方案铝导体复合材料芯(ACCC)增强电缆能够改善现有技术中的问题。ACCC电缆为具 有复合材料芯的电缆，该复合材料芯包含一种或多种嵌入基体中的纤维类型增强体。所述 复合材料芯包覆有电导线。ACCC增强电缆为高温、低弛度导体，其能够在高于100C的温度 下工作，同时具有稳定的拉伸强度和蠕变伸长性质。在示例性实施方案中，ACCC电缆能够 在高于100°C的温度下工作，在一些实施方案中，在高于对01的温度下工作。具有相似外 径的ACCC电缆的线额定值(line rating)可能比现有技术电缆增加至少50%，而不明显改 变导体的总重量。根据本发明，在一个实施方案中，ACCC电缆包括芯，该芯包含由保护性涂层围绕的 复合材料。该复合材料包含多根纤维，该纤维选自一种或多种纤维类型并嵌入基体中。所 述ACCC电缆的重要特性为结构芯的较高的弹性模量和较低的热膨胀系数。ACCC芯还比以 前的芯设计直径更小、重量更轻、且更牢固，且在大约相等的重量下，通过在相同的总面积 中增加额外的导体材料，使导体电缆的载流容量增加。还需要设计具有长期耐力的复合材 料芯。在高工作温度和其将要暴露的其它环境条件下，复合材料强度构件应该工作最少40 年，更优选为它的2倍。在一个实施方案中，本发明公开一种用于电缆的复合材料芯，其包括由先进复合 材料构成的内芯，该先进复合材料包含至少一种在热固性树脂中纵向定向且基本连续的增 强纤维类型；由低模量复合材料构成的外芯，该低模量复合材料包含至少一种在热固性树 脂中纵向定向且基本连续的增强纤维类型；及围绕所述复合材料芯的外部膜，其中所述复 合材料芯包括至少约ieoKsi的拉伸强度。在又一个实施方案中，公开一种处理用于电缆的复合材料芯的方法。步骤包括 将一种或多种类型的纵向定向且基本连续的纤维类型拉过树脂，形成纤维树脂基体；从该 纤维树脂基体中除去过量的树脂；通过至少一种第一模具类型处理纤维树脂基体，将纤维 压缩成由该至少一种模具确定的几何形状；引入外部膜；将该外部膜包覆在复合材料芯周 围；通过至少一种第二模具类型处理纤维树脂基体，压缩所述复合材料芯和涂层；及固化 复合材料芯和涂层。在各种实施方案中，所述保护性涂层在制备过程中有助于芯的拉挤成型，并起着 保护芯不受包括例如环境条件和对构成芯的树脂的影响在内的各种因素干扰。
通过参照结合附图的本发明的详细说明，本发明的这些和其它特征得到最好地理 解，附图中图1为根据本发明的铝导体复合材料芯(ACCC)增强电缆的一个实施方案示意图， 该电缆具有由两层铝导体围绕的内部复合材料芯和外部复合材料芯。图IB为根据本发明的铝导体复合材料芯(ACCC)增强电缆的一个实施方案示意 图，该电缆具有由外部保护层和两层铝导体围绕的内部复合材料芯和外部复合材料芯。图2为根据本发明五种可能的复合材料芯截面几何形状的剖视图。图3为根据本发明处理复合材料芯的方法的一个实施方案的剖视图。为了清楚起见，各图均包括附图标记。这些附图标记遵循共同的命名法。附图标 记将有3位数。第一位数表示首次使用该附图标记的图号。例如，首次用于图1中的附图 标记将具有如同IXX的数字，而首先用于图4的数字将具有如同4XX的数字。另外两位数 表示图中的特定元件。图1中的一个元件可以为101，而另一个元件可以为102。用于后面 图中的同样的附图标记表示相同的元件。例如，图3中的附图标记102为与图1中所示相 同的元件。另外，附图不一定按比例绘制，而只要构造得能清楚地说明本发明即可。
具体实施例方式根据本发明的ACCC增强电缆的实例如下。ACCC增强电缆包括四层组分，其构成如 下内部碳/环氧层，其次玻璃-纤维/环氧层，Kapton表面材料，及两层或多层四面体形铝 绞线。强度构件由直径为约0. 28英寸的先进复合材料T700S碳/环氧构成，该先进复合材 料被层直径(layer diameter)为约0. 375英寸的250得量(yield) Advantex E-玻璃-纤 维/环氧外层围绕。该玻璃-纤维/环氧层被9条直径为约0. 7415英寸的梯形铝绞线内 层和13条直径为约1. 1080英寸的梯形铝绞线外层围绕。碳的总面积为约0.06in2，玻璃的 总面积为约0. 05in2,内层铝的总面积为约.315in2，外层铝的总面积为约.53in2。内部碳强 度构件中纤维与树脂的重量比例为65/35，外部玻璃层纤维与树脂的重量比例为60/40。详细说明总结于下表中E-玻璃
权利要求
1.一种制造适用于配电和传输电缆的复合芯的方法，包括如下步骤拉拔多个碳纤维束；使所述多个碳纤维束与树脂接触，从而使碳纤维束浸渍有树脂；围绕所述碳纤维束设置外玻璃层；和使树脂固化以形成适用于配电和传输电缆的复合芯。
2.根据权利要求1的方法，其中所述树脂是热固性树脂。
3.根据权利要求2的方法，其中所述树脂的粘度范围在20°C为约200 约1500厘泊。
4.根据权利要求3的方法，其中使所述多个碳纤维束与树脂接触的步骤包括将碳纤维 束拉过容纳树脂的浸湿罐。
5.根据权利要求1或2的方法，其中所述外玻璃层包括多个玻璃纤维束。
6.根据权利要求5的方法，其中设置外玻璃层的步骤包括将所述多个玻璃纤维束拉过 浸湿罐以使玻璃纤维束浸渍有树脂的步骤和围绕碳纤维束设置玻璃纤维束的步骤。
7.根据权利要求5的方法，其中将玻璃纤维束设置为外层的步骤包括将玻璃纤维束缠 绕在碳纤维束上。
8.根据权利要求1或2的方法，其中设置外玻璃层的步骤包括围绕碳纤维束放置玻璃 纤维套。
9.根据权利要求1或2的方法，其中设置外玻璃层的步骤包括围绕碳纤维束放置编织 的玻璃纤维。
10.根据权利要求1或2的方法，其中接触步骤包括将树脂注入碳纤维束。
11.根据权利要求1或2的方法，还包括在接触步骤之后压紧碳纤维束的步骤。
12.根据权利要求11的方法，其中压紧步骤从碳纤维束去除多余的树脂。
13.根据权利要求1或2的方法，其中固化步骤包括在从约350°F(177°C)至约 400° W204°C )的温度固化树脂。
14.根据权利要求1或2的方法，还包括将复合芯缠绕在轮上以便储存的步骤。
15.根据权利要求1或2的方法，其中所述复合芯的长度为至少约6000英尺。
16.根据权利要求1或2的方法，还包括在固化步骤之前加热树脂的步骤。
17.根据权利要求1或2的方法，其中拉拔步骤包括以在约9 约50ft/min的范围内 的加工速度拉拔碳纤维束。
18.根据权利要求1或2的方法，还包括用保护性涂层涂覆复合芯的步骤。
全文摘要
本发明涉及一种铝导体复合材料芯增强电缆(ACCC)及其制备方法。ACCC电缆(300)具有由外部膜(305)和至少一层铝导体(306)围绕的复合材料芯。该复合材料芯(303)包括在一种或多种基体材料中的多根纤维，该纤维来自至少一种纤维类型。根据本发明，可以使用独特的处理技术如B-阶段和/或涂膜技术，以将生产率由每分钟几英尺提高至每分钟60英尺或更高。
文档编号B05D1/18GK102139545SQ20101054351
公开日2011年8月3日 申请日期2004年10月22日 优先权日2003年10月22日
发明者乔治·科齐尼奥夫斯基, 克莱门特·希尔, 戴维·布赖恩特 申请人:Ctc电缆公司