(57)【要約】【課題】炭素繊維製の心線を備えた架空送電線において所望の疲労強度を満足できるようにする。【解決手段】炭素繊維の集合体からなる素線１３に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層１４を設けた心線１２によって構成される心線部１２と、外層素線１６によって構成される外層素線部１５とを有する架空送電線であって、心線１２は、回転曲げ疲労試験による１０7回の繰り返し数での疲労限応力が、６１．８ＭＰａ以上である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維の集合体からなる素線に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層を設けた心線によって構成される心線部と、外層素線によって構成される外層素線部とを有する架空送電線であって、
前記心線は、回転曲げ疲労試験による１０7回の繰り返し数での疲労限応力が、６１．８ＭＰａ以上であることを特徴とする架空送電線。
【請求項２】
アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる管状体の内部に炭素繊維の集合体からなる素線を設け、前記管状体の内周面と前記炭素繊維の集合体からなる素線の外周面とを接触させるように前記管状体を伸線加工することで、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層を設けた心線を形成することを特徴とする架空送電線の製造方法。
【請求項３】
前記伸線加工は、１パスあたりの前記管状体の減面率を７％以下とし、前記管状体の総減面率が７０％以上とする、請求項２記載の架空送電線の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、架空送電線、及び、架空送電線の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、架空送電線の引張荷重を担うテンションメンバとして、鋼線に替えて、強度が高く且つ軽量で線膨張係数が小さい炭素繊維の心線を用いたものが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。特許文献１では、多数の炭素繊維を一体に硬化させるために、炭素繊維にエポキシ等の樹脂を含浸させている。また、特許文献２では、蒸着や浸漬等の方法により、アルミを炭素繊維の表面に固着させることで、炭素繊維を集合体に形成し、その後、この集合体をアルミニウムテープ等の外層で被覆したものに伸線加工を施している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実公平４−１１２９７号公報
【特許文献２】特開平４−３０８６１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１では、高温で使用した場合には樹脂が熱により劣化してしまい、強度が低下するという問題がある。また、引用文献２の構成では、樹脂を用いないため耐熱性の問題は解決されているが、伸線加工した際に、加工硬化によって外層の強度は増加するものの、炭素繊維に固着しているアルミニウム層は加工されず加工硬化によって強度が増加しない。このため、炭素繊維に固着しているアルミ層の疲労強度が小さいことに起因して架空送電線の全体としての疲労強度が低下してしまうという問題がある。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、炭素繊維製の心線を備えた架空送電線において所望の疲労強度を満足できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的を達成するため、本発明は、炭素繊維の集合体からなる素線に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層を設けた心線によって構成される心線部と、外層素線によって構成される外層素線部とを有する架空送電線であって、前記心線は、回転曲げ疲労試験による１０7回の繰り返し数での疲労限応力が、６１．８ＭＰａ以上であることを特徴とする架空送電線を提供する。
本発明によれば、炭素繊維の素線及びアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層を備えた心線の１０7回の繰り返し数での疲労限応力が６１．８ＭＰａ以上であるため、架空送電線の所望の疲労強度を満足できる。
【０００６】
また、本発明は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる管状体の内部に炭素繊維の集合体からなる素線を設け、前記管状体の内周面と前記炭素繊維の集合体からなる素線の外周面とを接触させるように前記管状体を伸線加工することで、前記アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層を設けた心線を形成することを特徴とする架空送電線の製造方法を提供する。
本発明によれば、炭素繊維の集合体からなる素線の外周に設けられる被覆層の全体を、伸線加工で疲労強度が高められた層とすることができ、架空送電線の疲労強度を向上できる。
上記構成において、前記伸線加工は、１パスあたりの前記管状体の減面率を７％以下とし、前記管状体の総減面率が７０％以上であっても良い。
この場合、炭素繊維を断線させずに高い減面率まで伸線加工できるとともに、加工硬化によって高い疲労応力を得ることができる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明に係る架空送電線、及び、架空送電線の製造方法では、架空送電線の所望の疲労強度を満足できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る架空送電線の断面図である。
【図２】心線の構成要素の断面図である。
【図３】伸線加工前の被覆層及び炭素繊維の集合体からなる素線を示す模式図である。
【図４】心線の伸線工程を示す図である。
【図５】心線の疲労強度を示す図表である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の一実施の形態について説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る架空送電線の断面図である。
鉄塔（不図示）間に架設される架空送電線１０は、鉄塔間に垂れ下がる架空送電線１０の張力を主として受ける心線１２を拠り合わせて構成される心線部１１と、心線部１１の外周に複数の外層素線１６を撚り合わせて構成される外層素線部１５とを備える。外層素線部１５は、純アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成されている。送電の電流は主に導体として配置された外層素線部１５を流れる。
【００１０】
図２は、心線１２の構成要素の断面図である。
図１及び図２に示すように、心線部１１は、複数（本実施の形態では７本）の心線１２を撚り合わせて構成されている。各心線１２は、工業的に用いられる直径が数μｍ〜１０μｍ程度の炭素繊維の集合体からなる素線１３と、この炭素繊維の集合体からなる素線１３の表面に被覆されるパイプ状の被覆層１４とを備える。すなわち、炭素繊維の集合体からなる素線１３は、被覆層１４によってまとめられて一体となっており、略円形の断面形状を有する。被覆層１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金で構成される。
炭素繊維材は、軽量且つ高強度で、線膨張係数が小さいという特徴を有するため、テンションメンバとして炭素繊維材を用いることで、常温域のみならず、高温域においても架空送電線１０の弛度を低減できる。
【００１１】
被覆層１４は、アルミニウムまたはアルミニウム合金の管状体を伸線加工することで形成されるものであり、伸線加工による加工硬化によって所定の強度及び疲労限度応力を得られるように、所定の減面率まで伸線加工される。被覆層１４は、パイプ形状の管状体の内部に炭素繊維の集合体からなる素線１３が通された状態で伸線加工され、伸線加工の際に縮径されることで、炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに密着する。すなわち、被覆層１４は、伸線加工の際に延ばされて新たに形成された内周面１４ａがそのまま炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに密着しており、被覆層１４の内周面１４ａと炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａとの間には、蒸着や浸漬等によるアルミニウムの層は形成されていない。被覆層１４は、伸線加工による加工硬化によって、強度及び疲労強度が増加する。
【００１２】
このように、炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに蒸着や浸漬等によるアルミニウム（アルミニウム合金）の層を形成せずに、炭素繊維の集合体からなる素線１３の被覆層を伸線加工された被覆層１４のみで形成したため、被覆層１４の全てを伸線加工の際の加工硬化によって強度及び疲労強度が大きく増加した層にすることができる。このため、架空送電線１０の全体としての強度及び疲労強度を増加させることができる。
【００１３】
これに対し、炭素繊維の集合体からなる素線の最外周面に設けられる蒸着や浸漬等による従来のアルミニウム（アルミニウム合金）の被覆層（以下、固着層と呼ぶ）は、炭素繊維集合体の外周面に固着して一体化されている。このため、上記固着層の外側に他のアルミニウムの被覆層を設けて当該他のアルミニウムの被覆層を伸線加工したとしても、固着層は、ほとんど塑性変形せず、加工硬化しない。このため、従来の心線（テンションメンバ）は、強度及び疲労強度が低い部分を、炭素繊維集合体の外周面と外側のアルミの被覆層との間に含むことになる。この場合、風による振動に起因する応力によって、疲労強度が低い固着層が割れてしまうことが考えられ、せん断力に対しては比較的弱い特性を備える炭素繊維は、固着層が割れた部分を起点として断線が生じてしまう可能性がある。
【実施例】
【００１４】
図３は、伸線加工前の被覆層１４及び炭素繊維の集合体からなる素線１３を示す模式図である。図３に示すように、実施例では、炭素繊維の集合体からなる素線１３としてＰＡＮ系の炭素繊維線の束を、アルミニウム合金のテープで覆い、このテープを溶接して被覆層１４としてのパイプ１７（管状体）を形成することで、炭素繊維の集合体からなる素線１３がパイプ１７内に通されたパイプ体１８を作製した。この状態のパイプ体１８のサイズは、外径１１．０ｍｍ、内径１０．４ｍｍであり、炭素繊維の集合体からなる素線１３の径（集合体全体の直径）はパイプ体１８の内径よりも小さく、パイプ体１８の内周部と炭素繊維の集合体からなる素線１３との間には空間が存在する。
【００１５】
図４は、パイプ体１８を伸線して心線１２を得るための伸線工程を示す図である。パイプ体１８に対し、ダイスを用いた伸線加工を複数回行い、パイプ１７の外径を４．５ｍｍとした。各回の伸線加工のダイス通過の前後におけるパイプ１７の減面率は、約２０％である。また、初期状態の外径１１．０ｍｍから外径４．５ｍｍまでの総減面率は、６０％である。本実施例では、減面率は、各回（１パス）の伸線加工の前のパイプ体あるいは心線の断面積（長手方向に垂直な断面）をＳ１、伸線加工後のパイプ体あるいは心線の断面積（長手方向に垂直な断面）をＳ２としたとき、（Ｓ１−Ｓ２）＊１００／Ｓ１で求められる。なお、総減面率は、初期状態である外径１１．０ｍｍの状態を基準とした減面率である。
次いで、減面率７％の伸線加工を行い、パイプ１７の外径を４．５ｍｍから４．２ｍｍとした。パイプ１７の外径が４．５ｍｍの状態で、減面率を１７％及び１２％として伸線加工を行った場合、炭素繊維の集合体からなる素線１３に断線が生じた。
【００１６】
炭素繊維の集合体からなる素線１３は、蒸着や浸漬等によるアルミニウムの層によってまとめられておらず、各炭素繊維間に隙間が存在することで径方向に膨らんだ状態でパイプ１７内に設けられている。パイプ１７の外径が４．５ｍｍの状態では、径方向に膨らんでいる炭素繊維の集合体からなる素線１３は、パイプ１７の内周面に接している。この状態で、大きな減面率でパイプ１７を伸線加工すると、パイプ１７の内側の急激な断面積の変化によって炭素繊維の集合体からなる素線１３が断線することがある。本実施例では、総減面率が６０％以上の状態において、減面率７％以下の小さな減面率で伸線加工することで、完全にはまとめられていない炭素繊維の集合体からなる素線１３がパイプ１７に通されている構成であっても、炭素繊維の集合体からなる素線１３に断線を生じさせないでパイプ１７を伸線加工できることが明らかとなった。
【００１７】
続いて、減面率約６％の伸線加工を行い、パイプ１７の外径を４．２ｍｍから３．９５ｍｍとした。パイプ１７の外径が４．５ｍｍの状態で、減面率を８％として伸線加工を行った場合、炭素繊維の集合体からなる素線１３に断線が生じた。すなわち、本工程においても、減面率７％以下とすることで、炭素繊維集合体１４に断線を生じさせずにパイプ１７を伸線加工できた。
その後、減面率７％の伸線加工を行い、パイプ１７の外径を３．９５ｍｍから３．７ｍｍとした。パイプ１７の外径が３．９５ｍｍの状態で、減面率を１０％として伸線加工を行った場合、炭素繊維集合体１４に断線が生じた。
【００１８】
最後に、減面率約６％の伸線加工を行い、パイプ１７の外径を３．７ｍｍから３．５ｍｍとし、心線１２を完成させた。この最後の伸線工程によって、炭素繊維の集合体からなる素線１３は、各炭素繊維が密に詰まった状態でまとまるとともに、パイプ１７（被覆層１４）の内周面１４ａは炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａにほとんど隙間なく密着する。パイプ１７の初期状態の外径１１．０ｍｍから最終状態の外径３．５ｍｍまでの総減面率は、７０％である。また、この状態において、テンションメンバ１３の横断面での面積割合は、炭素繊維集合体１４が６０％であり、パイプ１７が４０％である。
【００１９】
本実施例では、初期状態の外径が１１．０ｍｍのパイプ体１８に対し、伸線加工の１パスあたりの減面率が７％以下の工程を含む伸線加工を繰り返すことで、総減面率が７０％の心線１２を得た。この心線１２では、被覆層１４は、内周面１４ａを含む全体が伸線加工で加工硬化された層となっており、炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａと被覆層１４の内周面１４ａとの間には、蒸着や浸漬等により形成される固着層は存在していない。
【００２０】
図５は、心線１２の疲労強度を示す図表である。
本実施例では、直径３．５ｍｍまで伸線加工された総減面率が７０％の心線１２について種々の繰り返し応力で回転曲げ疲労試験を行った。疲労試験は、中村式回転曲げ振動疲労試験機で行った。回転数は２０００〜４０００ｒｐｍ、温度は室温（２０℃）、応力は線径を変えることで調整した。発明者らは、図５において、「破断あり」の試験結果の近似曲線Ｆに基づき、繰返し回数が１０7回以上の場合の心線１２の疲労限応力が、６３ＭＰａであることを明らかにした。また、繰り返し応力を６１．８ＭＰａとして試験を複数回行った結果、繰返し回数が１０7回以上でも、被覆層１４及び炭素繊維の集合体からなる素線１３の両方に損傷は生じておらず、心線１２は破壊されなかった。従って、繰返し回数が１０7回以上の場合の心線１２の疲労限応力が６３ＭＰａであるとしたことは、妥当であると言える。
【００２１】
架空送電線の電線材料は、電気学会技術報告（ＩＩ部）第１２９号のＰ．６２に記述されているように、繰り返し数：１０7における疲労限応力が６１．８ＭＰａ以上必要であることが知られている。本実施例では、繰り返し数：１０7回での疲労限応力は約６４ＭＰａであり、６１．８ＭＰａを上回っているため、心線１２は架空送電線用として十分な疲労限応力を備えていると言える。
【００２２】
以上説明したように、本発明を適用した実施の形態によれば、架空送電線１０は、炭素繊維の集合体からなる素線１３に、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層１４を設けた心線１２によって構成される心線部１１と、外層素線１６によって構成される外層素線部１５とを有し、心線１２は、回転曲げ疲労試験による１０7回の繰り返し数での疲労限応力が、６１．８ＭＰａ以上である。すなわち、炭素繊維の集合体からなる素線１３及びアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層１４を備えた心線１２の１０7回の繰り返し数での疲労限応力が６１．８ＭＰａ以上であるため、架空送電線１０の所望の疲労強度を満足できる。
【００２３】
また、架空送電線１０は、炭素繊維の集合体からなる素線１３及びこれを被覆する被覆層１４を備えた心線１２からなる心線部１１と、外層素線１６から形成される外層素線部１５とを備え、被覆層１４は、伸線加工により形成され、伸線加工された内周面１４ａが炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに接触するように被覆されている。このため、被覆層１４の全体を伸線加工で疲労強度が高められた層とすることができ、架空送電線１０の疲労強度を向上できる。
【００２４】
さらに、架空送電線１０の製造方法では、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる管状体であるパイプ１７の内部に炭素繊維の集合体からなる素線１３を設け、パイプ１７の内周面１４ａと炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａとを接触させるようにパイプ１７を伸線加工することで、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる被覆層１４を設けた心線１２を形成する。
このため、炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに設けられる被覆層１４の全体を、伸線加工で疲労強度が高められた層とすることができ、架空送電線１０の疲労強度を向上できる。また、被覆層１４の伸線加工と同時に、固着層が無い状態で被覆層１４を炭素繊維の集合体からなる素線１３に簡単に被覆できる。
また、伸線加工は、１パスあたりのパイプ１７の減面率を７％以下とし、パイプ１７の総減面率が７０％以上である。このため、炭素繊維を断線させずに高い減面率まで伸線加工できるとともに、加工硬化によって高い疲労応力を得ることができる。
【００２５】
なお、上記実施の形態は本発明を適用した一態様を示すものであって、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。
上記実施の形態では、炭素繊維の集合体からなる素線１３を、アルミニウム合金のテープで覆い、このテープを溶接してアルミ被覆層１５としてのパイプ１７を形成するものとして説明したが、これに限らず、パイプ１７は他の方法によって形成されても良い。例えば、コンフォーム押出装置に、炭素繊維の集合体からなる素線１３を通し、炭素繊維の集合体からなる素線１３の周囲にアルミニウム（アルミニウム合金）をパイプ状に連続的に押し出してパイプを形成しても良い。
また、上記実施の形態では、被覆層１４の内周面１４ａは、伸線加工の際に縮径されることで、炭素繊維の集合体からなる素線１３の最外周面１３ａに密着するものとして説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、被覆層１４の内周面１４ａが、炭素繊維の集合体からなる素線１３をまとめることができる程度に外周面１３ａに接触している構成としても良い。
【符号の説明】
【００２６】
１０  架空送電線
１１  心線部
１２  心線（テンションメンバ）
１３  炭素繊維の集合体からなる素線
１３ａ  最外周面（外周面）
１４  被覆層
１４ａ  内周面
１５  外層素線部
１６  外層素線
１７  パイプ（管状体）
１８  パイプ体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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