石墨復(fù)合架空地線的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及電力防雷接地技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石墨復(fù)合架空地線及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]電力接地系統(tǒng)是保證電力設(shè)備安全可靠運(yùn)行、保障電力運(yùn)行人員人身安全的重要電力設(shè)施。保護(hù)架空輸電線路免遭雷閃襲擊的裝置，又稱避雷線，簡(jiǎn)稱地線。輸電線路跨越廣闊的地域，在雷雨季節(jié)容易遭受雷擊而引起送電中斷，成為電力系統(tǒng)中發(fā)生停電事故的主要原因之一。高壓及超高壓變電所占地面積廣，要求防直擊雷的區(qū)域大，安裝避雷針會(huì)有困難，因而有時(shí)也在導(dǎo)線上方架設(shè)架空地線。當(dāng)出現(xiàn)雷云對(duì)地面放電時(shí)，雷閃通道容易首先擊中架空地線，使雷電流進(jìn)入大地，以保護(hù)導(dǎo)線正常送電。同時(shí)，架空地線還有電磁屏蔽作用，當(dāng)線路附近雷云對(duì)地面放電時(shí)，可以降低在導(dǎo)線上引起的雷電感應(yīng)過電壓。架空地線必須與桿塔接地裝置牢固相連，以保證遭受雷擊后能將雷電流可靠地導(dǎo)入大地，并且避免雷擊點(diǎn)電位突然升高而造成反擊。因此，安裝架空地線可以減少雷害事故，提高線路運(yùn)行的安全性。架空地線也是高壓輸電線路結(jié)構(gòu)的重要組成部分。
[0003]架空地線由于不負(fù)擔(dān)輸送電流的功能，所以不要求具有與導(dǎo)線相同的導(dǎo)電率和導(dǎo)線截面，通常多采用鋼絞線組成。線路正常送電時(shí)，架空地線中會(huì)受到三相電流的電磁感應(yīng)而出現(xiàn)電流，因而增加線路功率損耗并且影響輸電性能。此外，由于架空地線一般掛于鐵塔最高處，截面過大重量增大會(huì)給鐵塔帶來較大的力學(xué)負(fù)荷，所以一般用作架空地線的鋁包鋼絞線或鍍鋅鋼絞線截面相較電纜而言更小，電阻更大，但這限制了傳統(tǒng)鋼絞線架空地線的應(yīng)用范圍。
[0004]當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生雷擊故障時(shí)，雷電流幅值多集中在10~200kA，根據(jù)實(shí)際采集到的雷電流波形可知，大部分雷電流幅值都超過20kA。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，由于電流幅值高達(dá)幾十千安且持續(xù)時(shí)間一般為微秒級(jí)。而架空地線多為鋼絞線，其電阻、感抗相對(duì)較高，高頻雷電流難以在短時(shí)間內(nèi)向遠(yuǎn)處傳播，極大限制了鋼絞線架空地線及避雷器的保護(hù)范圍，導(dǎo)致實(shí)際工程中一個(gè)避雷器只能有效保護(hù)一級(jí)桿塔。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0005]針對(duì)現(xiàn)有架空地線存在的問題，本實(shí)用新型提供了一種重量輕、電阻小、感抗小、低集膚效應(yīng)的石墨復(fù)合架空地線及其制備方法。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型采用如下的技術(shù)方案:
[0007]一種石墨復(fù)合架空地線，包括由第一復(fù)合石墨線構(gòu)成的內(nèi)芯、由第二復(fù)合石墨線繞內(nèi)芯外側(cè)縱向排列構(gòu)成的次外層和由金屬纖維繞次外層編織獲得的最外層，次外層完全包裹內(nèi)芯，最外層完全包裹最外層；其中，第一復(fù)合石墨線由復(fù)合石墨帶捻合獲得，第二石墨線由復(fù)合石墨帶繞金屬纖維捻合獲得，復(fù)合石墨帶包括兩層蠕蟲石墨層和敷設(shè)于兩層石墨層間的骨架纖維、碳纖維，骨架纖維和碳纖維包覆有粘合劑層；骨架纖維為無機(jī)纖維，金屬纖維為銅纖維或鋁纖維，第二復(fù)合石墨線和最外層中的金屬纖維相同或不相同。
[0008]位于兩層蠕蟲石墨層間的骨架纖維主要起“骨架”支撐作用，可以為玻璃纖維、硼纖維、凱芙拉纖維或陶瓷纖維，但不限于此。
[0009]銅纖維和鋁纖維具有良好的導(dǎo)電性和不導(dǎo)磁性，可有效減少架空地線的電阻和高頻電流下的感抗。
[0010]作為優(yōu)選，第二復(fù)合石墨線中金屬纖維直徑為0.5mm~0.8mm。
[0011]作為優(yōu)選，最外層中金屬纖維直徑為0.
[0012]上述石墨復(fù)合架空地線的制備方法，包括步驟:
[0013]步驟I，對(duì)婦蟲石墨進(jìn)行棍壓制成婦蟲石墨紙；
[0014]步驟2，將骨架纖維和碳纖維表面浸潤(rùn)粘合劑，并敷設(shè)于兩層蠕蟲石墨紙間，經(jīng)熱固、輥壓得到復(fù)合石墨紙，裁切復(fù)合石墨紙得到復(fù)合石墨帶；
[0015]步驟3，對(duì)復(fù)合石墨帶進(jìn)行捻合獲得第一復(fù)合石墨線；
[0016]步驟4，將復(fù)合石墨帶繞第一金屬纖維捻合得到第二復(fù)合石墨線，第一金屬纖維為銅纖維或鋁纖維；
[0017]步驟5，以至少一根第一復(fù)合石墨線為內(nèi)芯，采用第二復(fù)合石墨線縱向包裹內(nèi)芯獲得至少一層第二復(fù)合石墨線層，采用第二金屬纖維繞第二復(fù)合石墨線層編織獲得至少一層金屬纖維編織層，第二金屬纖維為銅纖維或鋁纖維，與第一金屬纖維相同或不相同。
[0018]作為優(yōu)選，婦蟲石墨紙厚度為0.l~lmm0
[0019]作為優(yōu)選，骨架纖維和碳纖維等間隔敷設(shè)于兩層蠕蟲石墨紙間。
[0020]作為優(yōu)選，復(fù)合石墨帶寬度為10~25mm。
[0021]本實(shí)用新型對(duì)架空地線進(jìn)行絞線式設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的石墨復(fù)合架空地線包括第一復(fù)合石墨線構(gòu)成的內(nèi)芯，第二復(fù)合石墨線構(gòu)成的次外層和金屬纖維構(gòu)成的最外層；內(nèi)芯主要負(fù)責(zé)架空地線的力學(xué)性能，次外層主要兼顧架空地線的導(dǎo)電性和力學(xué)性能，最外層主要負(fù)責(zé)架空地線的導(dǎo)電性。
[0022]銅纖維和鋁纖維具有良好的導(dǎo)電性及不導(dǎo)磁性，可有效減小架空地線的電阻及高頻電流下感抗；碳纖維具有良好的抗拉性能并且具有輕質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)，石墨具有良好的導(dǎo)電性、吸熱性和輕質(zhì)的特點(diǎn)。本實(shí)用新型將金屬纖維分布在架空地線的次外層及最外層，可最大限度減小高頻電流通過情況下的集膚效應(yīng)，有效利用了銅金屬和鋁金屬良好的導(dǎo)電性能和碳纖維的抗拉性能。
[0023]和現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)和有益效果:
[0024]現(xiàn)有架空地線大多為鍍鋅鋼絞線或鋁包鋼絞線，由于重量大需要限制其尺寸，尺寸的限制導(dǎo)致電阻偏大。此外，鋼材的高磁導(dǎo)率導(dǎo)致高頻雷電流通過時(shí)存在較大感抗及集膚效應(yīng)，嚴(yán)重阻礙雷電流的傳播，導(dǎo)致架空地線及避雷器的防雷保護(hù)范圍有限，并增大了設(shè)備和維護(hù)的成本。
[0025]本實(shí)用新型提供了一種重量輕、低電阻、低感抗、低集膚效應(yīng)的石墨復(fù)合架空地線，可解決現(xiàn)有架空地線存在的上述問題，與避雷器配合可擴(kuò)大其防雷保護(hù)范圍；而且工藝簡(jiǎn)單，成本低，工程應(yīng)用效果顯著。
【附圖說明】
[0026]圖1為第一復(fù)合石墨線截面示意圖；
[0027]圖2為第二復(fù)合石墨線截面示意圖；
[0028]圖3為編織用的金屬纖維截面示意圖；
[0029]圖4為本實(shí)用新型架空地線截面示意圖。
[0030]圖中，1-金屬纖維，2-第二復(fù)合石墨線，3-第一復(fù)合石墨線。
具體實(shí)施例
[0031]具體實(shí)施中，本實(shí)用新型主要制備原料包括碳含量高于85%的高純?nèi)湎x石墨、金屬纖維、碳纖維、骨架纖維和粘合劑，金屬纖維為銅纖維或鋁纖維，粘合劑可以為丙烯酸乙酯水溶性粘合劑或樹脂類水溶性粘合劑，骨架纖維為無機(jī)纖維，可以采用玻璃纖維等。
[0032]對(duì)婦蟲石墨進(jìn)行棍壓制成表面光滑平整、厚度均勾的婦蟲石墨紙，婦蟲石墨紙厚度以0.1-1mm為宜，蠕蟲石墨紙厚度過大，捻合時(shí)石墨帶易發(fā)生斷裂。將碳纖維和骨架纖維表層浸潤(rùn)粘合劑，然后相平行、等間距地敷設(shè)于上下兩層蠕蟲石墨紙間，相鄰纖維間隔0.5mm~l.2_，碳纖維和骨架纖維數(shù)量不做要求，可根據(jù)具體應(yīng)用環(huán)境進(jìn)行調(diào)整。于80~120°C溫度保持60~100s進(jìn)行熱固處理；然后，經(jīng)兩次以上輥壓得到復(fù)合石墨紙。進(jìn)一步地，沿纖維縱向裁切復(fù)合石墨紙得到寬度10mm~25mm的復(fù)合石墨帶，所得復(fù)合石墨帶表面應(yīng)光滑平整，無纖維裸露出石墨帶表層。
[0033]對(duì)復(fù)合石墨帶進(jìn)行捻合得到第一復(fù)合石墨線。將復(fù)合石墨帶繞金屬纖維捻合得到第二復(fù)合石墨線，用于捻合的金屬纖維直徑為0.5mm~0.8mm。
[0034]以第一復(fù)合石墨線為內(nèi)芯，采用第二復(fù)合石墨線繞內(nèi)芯緊密包裹內(nèi)芯構(gòu)成次外層，采用金屬纖維在次外層外編織成金屬纖維編織層，用于編織的金屬纖維直徑為0.獲得的架空地線截面結(jié)構(gòu)見圖4。內(nèi)芯中第一復(fù)合石墨線用于負(fù)責(zé)架空地線的力學(xué)特性，因此可根據(jù)實(shí)際工程的力學(xué)需要設(shè)定內(nèi)芯中第一復(fù)合石墨線數(shù)量。
[0035]下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0036]見圖4，采用91根第一復(fù)合石墨線構(gòu)成的石墨線束作為內(nèi)芯，第一復(fù)合石墨線直徑約2.2mm ;采用36根第二復(fù)合石墨線繞內(nèi)芯縱向緊密排列，獲得一層第二復(fù)合石墨線層，即次外層，第二復(fù)合石墨線直徑約2.4mm ;采用銅纖維繞次外層編織獲得一層銅纖維編織層，即最外層。最終獲得的石墨復(fù)合架空地線直徑約38_，采用四極法微電阻測(cè)量本實(shí)施例架空地線的每米電阻，約0.5毫歐。
[0037]上述實(shí)施例所述是用以具體說明本專利，文中雖通過特定的術(shù)語進(jìn)行說明，但不能以此限定本專利的保護(hù)范圍，熟悉此技術(shù)領(lǐng)域的人士可在了解本專利的精神與原則后對(duì)其進(jìn)行變更或修改而達(dá)到等效目的，而此等效變更和修改，皆應(yīng)涵蓋于權(quán)利要求范圍所界定范疇內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石墨復(fù)合架空地線，其特征是: 包括由第一復(fù)合石墨線構(gòu)成的內(nèi)芯、由第二復(fù)合石墨線繞內(nèi)芯外側(cè)縱向排列構(gòu)成的次外層和由金屬纖維繞次外層編織獲得的最外層，次外層完全包裹內(nèi)芯，最外層完全包裹最外層；其中，第一復(fù)合石墨線由復(fù)合石墨帶捻合獲得，第二石墨線由復(fù)合石墨帶繞金屬纖維捻合獲得，復(fù)合石墨帶包括兩層蠕蟲石墨層和敷設(shè)于兩層石墨層間的骨架纖維、碳纖維，骨架纖維和碳纖維包覆有粘合劑層；骨架纖維為無機(jī)纖維，金屬纖維為銅纖維或鋁纖維，第二復(fù)合石墨線和最外層中的金屬纖維相同或不相同。
2.如權(quán)利要求1所述的石墨復(fù)合架空地線，其特征是: 所述的骨架纖維為玻璃纖維、硼纖維、凱芙拉纖維或陶瓷纖維。
3.如權(quán)利要求1所述的石墨復(fù)合架空地線，其特征是: 所述的第二復(fù)合石墨線中金屬纖維直徑為0.5mm~0.8mm。
4.如權(quán)利要求1所述的石墨復(fù)合架空地線，其特征是: 所述的最外層中的金屬纖維直徑為0.
【專利摘要】本實(shí)用新型提供了一種石墨復(fù)合架空地線，包括由第一復(fù)合石墨線構(gòu)成的內(nèi)芯、由第二復(fù)合石墨線繞內(nèi)芯外側(cè)縱向排列構(gòu)成的次外層和由金屬纖維繞次外層編織獲得的最外層，次外層完全包裹內(nèi)芯，最外層完全包裹最外層；其中，第一復(fù)合石墨線由復(fù)合石墨帶捻合獲得，第二石墨線由復(fù)合石墨帶繞金屬纖維捻合獲得，復(fù)合石墨帶包括兩層蠕蟲石墨層和敷設(shè)于兩層石墨層間的骨架纖維、碳纖維，骨架纖維和碳纖維包覆有粘合劑層。本實(shí)用新型具有重量輕、低電阻、低感抗、低集膚效應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，與避雷器配合可擴(kuò)大架空地線的防雷保護(hù)范圍。
【IPC分類】H01B1-02, H01B5-00, H01B1-04
【公開號(hào)】CN204332400
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520067096
【發(fā)明人】阮江軍, 龔若涵, 葛賀飛
【申請(qǐng)人】武漢大學(xué)
【公開日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年1月30日