Противообледенительное покрытие для линий электропередач
ANTIICING COVER FOR POWERLINE

Эта заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент №61/805431 согласно 35 Своду законов США § 119(e), поданной 26 марта 2013 и озаглавленной «Противообледенительное покрытие для линий электропередач», которая включена в описание ссылкой во всей своей полноте.
Уровень техники
Обледенение кабелей воздушной линии электропередачи является большой проблемой во многих частях мира, подверженных воздействию снега и ледяных штормов. Лед и влажный снег (все вместе упоминается здесь как лед) могут накапливаться на кабелях, приводя к значительному дополнительному весу, и линии электропередачи становятся более восприимчивы к колебаниям, вызываемым ветром. Достаточное накопление может даже вызывать различное контактирование кабелей друг другом или прямо или через наросший лед, разрушение или отсоединение от несущих структур, и даже обрушениям опор линии электропередачи, приводя к широкому распространению отключения электроэнергии. Текущие подходы к удалению льда ограничиваются физическим разбиванием наросшего льда на линиях. Однако, эти подходы требуют затрат времени и очень опасны, особенно когда ледовые условия усложняют доступ к линиям по воздуху или по земле.
Раскрытие изобретения
Предложены способы и системы для получения пьезоэлектрических покрытий на кабелях линии электропередачи с использованием золь-гель материалов. Кабель может быть подан через емкость с золь-гель материалом. Во время этой операции золь-гель материал осаждается в виде неотвержденного слоя на поверхности кабеля. Этот слой затем отверждают, используя, например, инфракрасное, ультрафиолетовое и/или другие типы излучения. Кабель может быть подвешен в системе нанесения покрытия, таким образом, что кабель, имеющий неотвержденный слой, не касается каких-либо компонентов системы, до тех пор пока слой соответственно не будет отвержден. Пьезоэлектрические характеристики отвержденного слоя могут быть тестированы в указанной системе, чтобы обеспечить регулирование с обратной связью, такое как увеличение толщины слоя. Отвержденный слой, который может также упоминаться как пьезоэлектрическое покрытие, вызывает резистивный нагрев наружной поверхности кабеля во время вибрации кабеля вследствие передачи переменных токов (например, 50 гц или 60 гц) и из-за факторов окружающей среды, таких как ветер. Это локальное нагревание может быть достаточным, чтобы снизить обледенение кабеля линии электропередачи плавлением или по меньшей мере размягчением участка наросшего льда на поверхности раздела с кабелем.
В некоторых вариантах осуществления способ нанесения пьезоэлектрического покрытия на кабель линии электропередачи включает подачу кабеля линии электропередачи через золь-гель материал, содержащий пьезоэлектрический материал. Эта подача образует неотвержденный слой золь-гель материала по меньшей мере на наружной поверхности кабеля линии электропередачи. В некоторых вариантах осуществления вся наружная поверхность кабеля линии электропередачи покрыта золь-гель материалом после этой операции подачи. Способ может быть продолжен отверждением неотвержденного слоя золь-гель материала. Это отверждение образует пьезоэлектрическое покрытие на кабеле линии электропередачи. Пьезоэлектрическое покрытие содержит пьезоэлектрический материал, который может вызвать резистивное нагревание, когда кабель подвергают различным механическим напряжениям, таким как вибрации и изгиб.
В некоторых вариантах осуществления золь-гель материал находится в емкости для золь-геля, имеющей днище. Кабель линии электропередачи подают через днище емкости для золь-геля. Например, днище емкости для золь-геля может содержать герметизированное отверстие, которое позволяет подавать кабель линии электропередачи через днище емкости для золь-геля и препятствует тому, чтобы золь-гель материал вытекал через днище емкости. Во время операции нанесения покрытия днище емкости для золь-геля покрывают золь-гель материалом.
В некоторых вариантах осуществления способ также включает, до подачи кабеля линии электропередачи через золь-гель материал, подвергание кабеля линии электропередачи действию плазмы. Обычно, кабель линии электропередачи может быть предварительно обработан (например, используя плазму) до формирования неотвержденного слоя золь-гель материала на наружной поверхности кабеля линии электропередачи, например, чтобы усилить адгезию между этой поверхностью и отвержденным слоем. Предварительная обработка может также использоваться, чтобы изменить поверхностное натяжение во время операции нанесения покрытия.
В некоторых вариантах осуществления способ также включает тестирование пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи на тепловыделение. Это тестирование выполняют после операции отверждения. Тестирование может включать подвергание кабеля линии электропередачи вибрации или изгибу и контроль температуры пьезоэлектрического покрытия, в то время как или немедленно после того, как кабель подвергают вибрации. Например, кабель может быть изогнут вокруг вала, и две или больше термопары могут быть расположены до, вдоль и/или после изгиба, чтобы контролировать температуру пьезоэлектрического покрытия на различных стадиях этого тестирования.
В некоторых вариантах осуществления кабель линии электропередачи является непрерывным кабелем, имеющим длину по меньшей мере приблизительно 100 метров. Кабель линии электропередачи может непрерывно подаваться через золь-гель материал на всей длине кабеля линии электропередачи без прерываний в процессе нанесения покрытия или процессе отверждения. Кроме того, как отмечено выше, кабель может быть подвешен в системе нанесения покрытия (например, подвешен вертикально), таким образом, что кабель, имеющий неотвержденный слой, не касается какого-либо компонента системы, пока слой соответственно не отвержден. Эта особенность помогает избежать повреждения неотвержденного слоя, который образуется, по мере того как кабель проходит через золь-гель материал и выходит из его поверхности в емкости для золь-геля.
3
3
x
1-x
3
3
3
3
2
3
В некоторых вариантах осуществления, пьезоэлектрическое покрытие, сформированное на по меньшей мере наружной поверхности силового кабеля, содержит один из компонентов: титанат бария (BaTiO), титанат свинца (PbTiO), цирконаттитанат свинца (Pb[ZrTi]O), ниобат калия (KNbO), ниобат лития (LiNbO), танталат лития (LiTaO), вольфрамат натрия (NaWO) и оксид цинка (ZnO). Другие пьезоэлектрические материалы могут также использоваться. В некоторых вариантах осуществления золь-гель материал содержит полимеризующиеся фрагменты.
В некоторых вариантах осуществления отверждение выполняют при температуре меньше, чем 450°C. Температура отверждения может быть выбрана таким образом, чтобы предотвратить повреждение кабеля линии электропередачи. Например, кабель линии электропередачи может быть образован по меньшей мере частично из алюминия. Не будучи ограниченным никакой определенной теорией, считают, что алюминий начинает изменять свою зернистую структуру при приблизительно 450°C, что приводит к более резистивному алюминию, когда нагревают выше этого порога. В некоторых вариантах осуществления отверждение включает одну или больше следующих методик отверждения: воздействие УФ излучением, воздействие видимым светом и воздействие инфракрасным излучением. Кабель линии электропередачи, имеющий неотвержденный слой, не приходит в соприкосновение ни с какими компонентами, до тех пор пока неотвержденный слой не преобразуют в пьезоэлектрическое покрытие.
В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрическое покрытие полностью покрывает внешнюю поверхность кабеля линии электропередачи. Альтернативно, пьезоэлектрическое покрытие может преимущественно покрывать (например, больше, чем 50% внешней поверхности), но не полностью покрывает внешнюю поверхность кабеля линии электропередачи. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрическое покрытие является конформным. Толщина неотвержденного слоя регулируется поверхностным натяжением золь-гель материала вязкостью золь-гель материала и скоростью подачи кабеля линии электропередачи через золь-гель материал.
Также предложена система нанесения покрытия для формирования пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи. Система нанесения покрытия содержит устройство нанесения покрытия, имеющее емкость для золь-геля и одно или больше устройств для отверждения. Емкость для золь-геля содержит днище и герметизированное отверстие в днище. Герметизированное отверстие выполнено таким образом, чтобы позволить подачу кабеля линии электропередачи в емкость через днище и предотвратить вытекание золь-гель материала из емкости для золь-геля. Система нанесения покрытия также содержит устройство предварительной обработки, имеющее головку подачи плазмы. Устройство предварительной обработки может быть расположено выше по ходу пути подачи кабеля линии электропередачи от устройства нанесения покрытия. Одно или больше устройств отверждения могут включать одно или больше следующих устройств: устройство ИК облучения, устройство УФ облучения, и устройство микроволнового облучения.
В некоторых вариантах осуществления система нанесения покрытия содержит устройство тестирования характеристик пьезоэлектрического покрытия. Устройство тестирования содержит валик для управляемого изгиба кабеля линии электропередачи, имеющего пьезоэлектрическое покрытие, и термодатчик для измерения температуры пьезоэлектрического покрытия во время этого изгиба. В некоторых вариантах осуществления система нанесения покрытия также содержит устройство обработки золь-геля для того, чтобы рециркулировать золь-гель материал из емкости для золь-геля и обработать золь-гель материал. В некоторых вариантах осуществления система нанесения покрытия также содержит первый валик и второй валик для того, чтобы ориентировать продвижение кабеля линии электропередачи через устройство нанесения покрытия.
Эти и другие варианты осуществления описаны далее со ссылкой на фигуры.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию линии электропередачи, содержащей кабель и две гирлянды подвесных изоляторов, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 2A представляет собой пример кабеля линии электропередачи, имеющего множество алюминиевых жил, упрочненных стальными жилами, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 2B представляет собой пример кабеля линии электропередачи, имеющего множество алюминиевых жил, упрочненных одной стальной жилой, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фигуры 2C-2E представляют собой примеры различных покрытий на поверхностях кабелей линии электропередачи, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 3 представляет собой технологическую схему способа формирования пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Фиг. 4 представляет собой систему нанесения покрытия для формирования пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления.
Осуществление изобретения
В следующем описании изложены многочисленные конкретные детали, чтобы обеспечить полное понимание представленных концепций. Представленные концепции могут быть осуществлены без некоторых или всех этих конкретных деталей. В других примерах известные операции способа не были описаны подробно, чтобы не затемнять описанные концепции. В то время как некоторые концепции будут описаны в связи с конкретными вариантами осуществления, будет подразумеваться, что эти варианты осуществления не являются ограничительными.
Введение
2
Резистивное нагревание является жизнеспособным вариантом для удаления льда с воздушных кабелей линии электропередачи. Некоторое нагревание происходит вследствие электрического сопротивления материалов, образующих кабель (Р=I×R). Однако, это резистивное нагревание является минимальным вследствие низкого сопротивления материалов, используемых для кабелей линии электропередачи, таких как алюминий. Кроме того, это резистивное нагревание генерируется по всему кабелю и не локализовано. Это распределенное тепловыделение может не обеспечивать достаточно теплоты на поверхности кабеля, чтобы разрушить поверхность раздела с наросшим льдом. Передача электроэнергии может также снизиться во время ледяного шторма, и резистивное нагревание, генерируемое во время передачи, не может быть надежным в этих случаях.
Конкретной областью интереса в удалении льда является наружная поверхность кабеля линии электропередачи. Локальное генерирование теплоты на этой поверхности может помочь расплавить как раз достаточное окружающее количество льда, чтобы нарушить механическое соединение между кабелем линии электропередачи и льдом и позволить льду упасть под действием силы тяжести. Кроме того, наружная поверхность кабеля линии электропередачи может быть модифицирована, чтобы ослабить это механическое соединение между кабелем линии электропередачи и льдом даже прежде, чем любая теплота будет применена к поверхности раздела. Например, поверхность может быть модифицирована так, чтобы быть более гладкой и/или иметь меньшую поверхность контакта, которая позволит льду легко соскальзывать. Некоторые материалы могут быть также менее липкими ко льду, чем алюминий, или, более определенно, алюминийоксидная поверхность обычного кабеля линии электропередачи. Следует также заметить, что вес наросшего льда, обычно, помогает удалить лед, обеспечивая силу гравитации, которая отрывает накопленный лед с кабеля.
Кабели линии электропередачи, описанные здесь, имеют пьезоэлектрические покрытия, которые могут использоваться для удаления льда и/или в других применениях. Эти покрытия могут также упоминаться как противооблединительные покрытия. Пьезоэлектрическое покрытие преобразует механические напряжения (например, вибрации, изгибы) кабеля линии электропередачи в резистивную теплоту. Поскольку покрытие главным образом располагается на наружной поверхности проводящих элементов (например, алюминиевых жил), покрытие вызывает локальное нагревание, которое может расплавить достаточное количества льда и нарушить механическое соединение между покрытием и оставшимся льдом. Кроме того, покрытие обеспечивает более гладкую поверхность и меньшую механическую поверхность раздела с наросшим льдом. Комбинация этих факторов помогает избежать нарастания льда на кабелях линии электропередачи.
3
3
x
1-x
3
3
3
3
2
3
Пьезоэлектрические покрытия могут быть сделаны из различных пьезоэлектрических материалов, таких как титанат бария (BaTiO), титанат свинца (PbTiO), цирконататитанат свинца (Pb[ZrTi]O), ниобат калия (KNbO), ниобат лития (LiNbO), танталат лития (LiTaO), вольфрамат натрия (NaWO) и оксид цинка (ZnO). Эти материалы может быть трудно, если вообще возможно, осадить на кабель линии электропередачи, используя обычные методики осаждения полупроводников, такие как химическое осаждение из паровой фазы, физическое осаждение из паровой фазы, осаждение атомного слоя, и т.д. Прежде всего, кабели линии электропередачи являются очень объемистыми. Барабан непрерывных силовых кабелей может растянуться на многие метры (например, больше чем 100 метров) в длину и должен быть обработан без резки кабеля на более короткие части. Кроме того, осаждение должно быть выполнено с высокой скоростью и быть относительно недорогим. Наконец, обычные методики осаждения полупроводников часто требуют очень высоких температур, которые превышают пороги материалов кабеля линии электропередачи, как дополнительно описано ниже.
Золь-гель технология обеспечивает уникальную возможность образовать пьезоэлектрические покрытия на кабелях линии электропередачи из-за ее определенного типа предшественников, а также методик осаждения и отверждения. В частности, золь-гель осаждение использует жидкие предшественники, которые могут быть обработаны в производственной среде высокой пропускной способности. Кроме того, жидкие золь-гель материалы относительно легко осадить на поверхность кабеля линии электропередачи, в то время как кабель подают с высокой скоростью, и отвердить. Например, кабель может быть подан через золь-гель материал. Золь-гель материалы могут быть растворами или коллоидами. Материал растворного типа постепенно развивается в направлении формирования подобной гелю двухфазной системы, содержащей как жидкую фазу, так и твердую фазу, морфология которой колеблется от дискретных частиц до непрерывных полимерных сеток. В случае коллоида, частицы суспендированы в текучей среде, которая позже удаляется при сушке. Скорость, с которой удаляют растворитель, определяет пористость и микроструктуру покрытия. Термообработка или вжигание часто используются в обычном золь-гель осаждении. Однако, поскольку кабели линии электропередачи содержат материалы, которые могут решительно изменять свои свойства, когда подвергаются действию высоких температур, методики вжигания ограничивают или не используют вообще. В некоторых вариантах осуществления пьезоэлектрическое покрытие формируют из золь-гель материала, не подвергая ниже лежащий кабель линии электропередачи воздействию температуры большей, чем 450°C.
В целом, методики осаждения по золь-гель технологии могут использоваться для покрытия кабеля линии электропередачи, и предшественники могут быть специально подобраны для низкотемпературных применений. Методики золь-гель технологии также позволяют очень точную регулировку композиции покрытия и структуры, которые гарантируют пьезоэлектрические характеристики покрытия.
Кабели линии электропередачи и колебания
Краткое описание кабелей линии электропередачи и колебаний, испытываемых этими кабелями во время работы, может помочь лучше понять различные характеристики пьезоэлектрических покрытий и методик осаждения, описанных ниже. Фиг. 1 представляет собой схематическую иллюстрацию линии 100 электропередачи, содержащей кабель 102 и две гирлянды 104a и 104b подвесных изоляторов в соответствии с некоторыми вариантами конструкции. Гирлянды 104a и 104b подвесных изоляторов могут поддерживаться высокими опорами (не показаны) и способны свободно двигаться относительно этих поддерживающих структур. Зимой, когда кабель 102 покрыт снегом или льдом, кабель 102 восприимчив к крупномасштабным вертикальным колебаниям в комбинации с крутильным колебанием, поддерживаемым установившимися боковыми ветрами. Эта аэроупругая неустойчивость известна как скачкообразная. При достаточно высокой амплитуде, соседние кабели могут быть достаточно близкими для нарушения воздушной изоляции, вызывающего короткое замыкание и структурное повреждение кабелей. Даже ветер малой силы достаточен, чтобы поддержать скачкообразные колебания. Эти колебания могут включать крутильные движения и горизонтальные отклонения кабеля. Все эти движения и колебания могут все вместе упоминаться как колебания. Колебания кабеля линии электропередачи могут вызывать механические напряжения на пьезоэлектрическом покрытии и приводят к локальному нагреванию. Следует заметить, что колебания увеличиваются по мере того, как лед накапливается на кабеле линии электропередачи, что является временем, когда локальное нагревание становится наиболее необходимым.
Кабель линии электропередачи обычно использует алюминий в качестве проводящей среды. Алюминий часто образует внешнюю поверхность этих кабелей. Алюминий используется, поскольку он имеет приблизительно половину веса медного кабеля со сравнительным сопротивлением даже несмотря на то, что алюминиевый кабель должен иметь большие диаметры вследствие более низкой проводимости алюминия. Один тип кабеля линии электропередачи содержит множество алюминиевых проводников, укрепленных сталью. Эти кабели могут использоваться для силовых линий среднего и высокого напряжения и, в некоторых вариантах осуществления, могут также использоваться для воздушного обслуживания индивидуальных заказчиков.
Один или больше стальных проводов могут использоваться, чтобы образовать сердцевину кабеля и окружены множеством алюминиевых проводов. Стальные провода могут иметь алюминиевые оболочки. Например, кабель может содержать 1 стальной и 6 алюминиевых проводов, или 1 стальной и 18 алюминиевых проводов, или 1 стальной и 36 алюминиевых проводов, или 7 стальных и 12 алюминиевых проводов, или 7 стальных и 26 алюминиевых проводов, или 7 стальных и 45 алюминиевых проводов, или 7 стальных и 54 алюминиевых провода, или 19 стальных и 54 алюминиевых провода, или 19 стальных и 84 алюминиевых провода.
Фиг. 2A иллюстрирует пример кабеля 200 линии электропередачи, имеющего множество алюминиевых жил 202, укрепленных стальными жилами 204, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Стальные жилы 204, могут иметь алюминиевые оболочки. Кабель 200 линии электропередачи также, как показано, имеет пьезоэлектрическое покрытие 216. Пьезоэлектрическое покрытие 216 может образовать оболочку вокруг внешних алюминиевых жил 202 и, в некоторых вариантах осуществления, проникать между алюминиевыми жилами 202, и даже стальными жилами 204. Пьезоэлектрическое покрытие 216 может быть конформным как, например, показано на фиг. 2C и фиг. 2E. В частности, фиг. 2C иллюстрирует развернутый вид участка 220 кабеля, показывающего две алюминиевые жилы 222 и покрытие 226, конформно покрывающее всю поверхность алюминиевых жил 222. Другими словами, покрытие 226 повторяет профиль наружной поверхности алюминиевых жил 222. Фиг. 2E показывает другой развернутый вид участка 240 кабеля, показывающего две алюминиевые жилы 242 и покрытие 246. Часть наружной поверхности алюминиевых жил 242 не покрыта покрытием 246, тем самым образуя промежуток. Однако, наружная поверхность покрытия 246 имеет меньшую площадь поверхности, чем наружная поверхность покрытия 226, показанная на фиг. 2C. Меньшая площадь поверхности может быть выгодна для снижения поверхности соприкосновения между кабелем и льдом.
В некоторых вариантах конструкции пьезоэлектрическое покрытие может быть неконформным как, например, показано на фиг. 2D, иллюстрирующей развернутый вид участка 230 кабеля, имеющего две алюминиевые жилы 232 и покрытие 236. Наружная поверхность покрытия 236 имеет меньшую площадь поверхности, чем наружная поверхность покрытия 226, показанная на фиг. 2C, или чем наружная поверхность алюминиевых жил 232. Меньшая поверхность помогает снизить поверхность соприкосновения с ледяными наростами. Меньшая поверхность также имеет меньшую кривизну и обычно является более гладкой, что также помогает снизить прочность связи между кабелем и ледяными наростами. Кроме того, покрытие 236 может содержать больше пьезоэлектрического материала, чем покрытие 246, показанное на фиг. 2E для того же самого наружного диаметра кабелей линии электропередачи. Большее количество пьезоэлектрического материала может привести к большему тепловыделению.
Другой тип кабелей линии электропередачи использует сердцевину из углеродного волокна и стекловолокна, которое имеет коэффициент теплового расширения приблизительно 10% от коэффициента стали. Этот тип кабелей упоминается как кабели с сердцевиной из композиционного материала с алюминиевым проводником и являются, в основном, более легкими и более прочными, чем тип кабеля, укрепленный сталью. В некоторых вариантах осуществления кабели с сердцевиной из композиционного материала имеют компактные жилы трапециевидной формы без какого-либо избыточного диаметра или веса. Фиг. 2B иллюстрирует пример кабеля 210 линии электропередачи, имеющего множество алюминиевых жил 212, укрепленных стальной жилой 214, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Алюминиевые жилы 212, имеют компактные трапециевидные формы, не оставляющие по существу никакого пространства между жилами 212. Кроме того, жилы 212 образуют гладкую наружную поверхность, которая может быть конформно покрыта пьезоэлектрическим покрытием 216.
Примеры обработки
Фиг. 3 представляет собой технологическую схему 300 способа получения пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Способ 300 может начинаться с обработки кабеля линии электропередачи во время необязательной операции 302. Эта операция может быть выполнена до осаждения какого-либо золь-гель материала на кабель и может упоминаться как операция предварительной обработки. В некоторых вариантах осуществления операция 302 включает плазменную обработку. Плазма и другие типы обработки могут использоваться, чтобы улучшить адгезию между пьезоэлектрическим покрытием и кабелем линии электропередачи. В некоторых вариантах осуществления обработка кабеля линии электропередачи может включать по меньшей мере частичное удаление оксида алюминия, используя химический раствор.
3
3
x
1-x
3
3
3
3
2
3
Способ 300 может затем продолжаться подачей кабеля линии электропередачи через золь-гель материал во время операции 304. Золь-гель материал содержит компоненты одного или больше пьезоэлектрического материала, такого как титанат бария (BaTiO), титанат свинца (PbTiO), цирконаттитанат свинца (Pb[ZrTi]O), ниобат калия (KNbO), ниобат лития (LiNbO), танталат лития (LiNbO), вольфрамат натрия (NaWO) и оксид цинка (ZnO). Эти компоненты могут присутствовать в одном или больше золь-гель материалах. Например, множество пьезоэлектрических материалов могут использоваться в пьезоэлектрическом покрытии. Это множество пьезоэлектрических материалов может быть обеспечено в одном и том же золь-гель материале или в различных золь-гель материалах (например, каждый золь-гель материал может иметь различный пьезоэлектрический материал). Когда используют два или больше золь-гель материала, слой одного золь-гель материала может быть осажден и отвержден до осаждения другого слоя другого золь-гель материала. Эта особенность позволяет управлять распределением пьезоэлектрических материалов по поверхности кабеля линии электропередачи и достигать желаемых пьезоэлектрических характеристик. Другой компонент золь-гель материала может включать один или больше растворителей и один или больше катализаторов. Различные другие примеры и особенности пьезоэлектрических материалов и золь-гель материалов описаны ниже.
Во время операции 304 неотвержденный слой золь-гель материала формируют на по меньшей мере наружной поверхности кабеля линии электропередачи. Толщина неотвержденного слоя может быть от приблизительно 1 нм до приблизительно 1 мм, такой как от приблизительно 10 нм до приблизительно 100 мкм, от приблизительно 10 нм до приблизительно 1 мкм, или даже от приблизительно 50 нм до приблизительно 1 мкм. Толщину можно регулировать поверхностным натяжением, вязкостью, скоростью подачи кабеля и подобными факторами.
В некоторых вариантах осуществления золь-гель материал содержит полимеризующиеся фрагменты, такие как органические мономеры, и способные сшиваться олигомеры или полимеры. Примеры включают реакцию, катализируемую основанием, между меламином или резорцином и формальдегидом, за которой следует кислотная обработка и термообработка. В некоторых вариантах осуществления, один или больше предшественник металла и/или металлоида включает способные сшиваться мономеры, которые ковалентно соединены с металлом или металлоидом обычно через органический мостик. Примеры включают диорганилдихлорсиланы, которые реагируют с натрием или сплавами калия и натрия в органических растворителях, с получением смеси линейных и циклических органилсиланов.
Когда используют фрагменты, способные сшиваться, золь-гель материал может также содержать инициатор полимеризации. Примеры фотоиндуцируемых инициаторов включают титаноцены, бензофеноны/амины, тиоксантоны/амины, простые эфиры бензоина, оксиды ацилфосфинов, бензилкетали, ацетофеноны и алкилфеноны. Инициаторы, индуцируемые теплом, также могут использоваться.
Во время операции 304, кабель линии электропередачи может быть подан через днище емкости, которая содержит золь-гель материал. Днище этой емкости может содержать герметизированное отверстие. Герметизированное отверстие позволяет подавать кабель линии электропередачи через днище емкости, но предотвращает утечку золь-гель материала через днище. Различные особенности системы нанесения покрытия описаны ниже со ссылкой на фиг. 4.
В некоторых вариантах осуществления, способ 300 включает операцию 303, во время которой обрабатывают золь-гель материал, находящийся в емкости для золь-геля. В частности, золь-гель материал может быть рециркулирован между этой емкостью и устройством обработки золь-геля, которое дополнительно описано ниже со ссылкой на фиг. 4. Во время операции 303 золь-гель материал может быть подвергнут ультразвуковой обработке (чтобы разрушить преждевременную полимеризацию золь-гель материала), таким образом, поддерживая вязкость золь-гель материала на желаемом уровне. Кроме того, операция 303 может использоваться, чтобы поддерживать температуру золь-гель материала на желаемом уровне.
Способ 300 может быть продолжен отверждением неотвержденного слоя золь-гель материала на наружной поверхности кабеля во время операции 306. Это отверждение формирует пьезоэлектрическое покрытие на кабеле линии электропередачи. Отверждение может включать воздействие на неотвержденный слой ультрафиолетовым, видимым и/или инфракрасным излучением. Излучение вызывает дальнейшую химическую реакцию золь-гель материалов с получением отвержденной твердой пленки. Излучение может также вызывать испарение растворителей из отверждающегося покрытия и увеличение температуры покрытия с получением желаемой микроструктуры пьезоэлектрического покрытия. Температура отверждения может быть меньше, чем 450°C или даже меньше, чем 400°C.
Отвержденное пьезоэлектрическое покрытие, нанесенное на кабель линии электропередачи, обычно не подвергают обжигу, поскольку некоторые материалы с низкой температурой плавления, такие как алюминий, могут использоваться в конструкции кабеля. Например, алюминий начинает изменять зернистую структуру при приблизительно 450°C, что приводит к более резистивному алюминию. Кроме того, точка плавления алюминия составляет приблизительно 660°C. Следует отметить, что обычные методики использования золь-гель материалов обычно включают обжиг при температуре столь высокой как 700°C и даже 1000°C. В некоторых вариантах осуществления температуру кабеля линии электропередачи поддерживают при меньше, чем 450°C или даже меньше, чем 400°C во время всей обработки по способу 300.
В некоторых вариантах осуществления способ 300 включает тестирование отвержденного пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи на тепловыделение во время операции 308. Например, кабель может быть подвергнут вибрациям, изгибу или другим механическим усилиям и за температурой пьезоэлектрического покрытия наблюдают. В конкретном варианте осуществления кабель подвергают малому изгибу как, например, показано на фиг. 4, и дополнительно описано ниже со ссылкой на эту фигуру. Температура кабеля может наблюдаться в одном или больше местах, например, до изгиба, во время изгиба и/или после изгиба. Изменение в температуре является показателем пьезоэлектрических характеристик. Результаты этого тестирования могут использоваться для контроля за параметрами процесса операции 304 подачи и/или операции 306 отверждения. Например, скорость подачи может регулироваться на основе пьезоэлектрических характеристик, полученных во время операции 308 тестирования.
Примеры золь-гель материалов
Золь-гель материалы содержат предшественники металла или металлоида и другие компоненты, такие как растворители. Золь-гель материалы могут быть в форме коллоидной суспензии частиц или золь-гель материала. Предшественники металла могут быть металлоорганическими соединениями, органическими солями металлов и неорганическими солями металлов. Аналогично, предшественники металлоидов могут быть металлоидорганическими соединениями, органическими солями металлоидов и неорганическими солями металлоидов. Когда используют множество предшественников металлов или металлоидов, то один может быть органическим соединением, таким как алкоксид, в то время как другой может быть органической или неорганической солью. Общее количество предшественника металла и/или металлоида в золь-гель материале может быть от приблизительно 5 до 40 об. % или, в частности, от приблизительно 5 до приблизительно 25 об. % или даже от приблизительно 5 до 15 об. %.
Некоторые примеры растворителей, пригодных для золь-гель материалов, включают полярные протонные растворители, такие как органические кислоты или спирты (например, алканол, такой как метанол и/или этанол). В некоторых вариантах осуществления вода может также присутствовать в золь-гель материале. Полярные апротонные растворители могут также использоваться в золь-гель материалах. Некоторые примеры включают галоидированные алканы, алкиловые простые эфиры, алкиловые сложные эфиры, кетоны, альдегиды, алкиламиды, алкиламины, алканонитрилы и алкил сульфоксиды. Более конкретные примеры включают метиламин, этил амин и диметилформамид. Например, предшественники металла и/или металлоида могут быть сначала растворены в полярном протонном растворителе, а полярный апротонный растворитель затем добавляют к золь-гель материалу.
В некоторых вариантах осуществления золь-гель материал содержит от приблизительно 50 до 90 об. % протонного растворителя или, в частности, от приблизительно 50 до 80 об. % или даже от приблизительно 50 до 70 об. %. В том же самом или других вариантах осуществления количество полярного, апротонного растворителя может быть от приблизительно 1 до 25 об. % золь-гель материала или, в частности, от приблизительно 1 до 15 об. % или даже от приблизительно 1 до 5 об. %. Золь-гель материал может также содержать одну или больше кислот или оснований, которые могут использоваться в качестве катализаторов полимеризации предшественников металлов и/или металлоидов.
Определенный класс золь-гель материалов может привести к гибридным пьезоэлектрическим покрытиям, которые содержат неорганические и органические компоненты. Например, органические молекулы, форполимеры или полимеры могут быть внедрены в неорганическую матрицу. В другом примере неорганические и органические компоненты могут быть связаны ковалентными связями. Такие гибридные пьезоэлектрические покрытия могут быть сделаны УФ индуцированной полимеризацией или как продукт определенной реакции.
Примеры устройств
Фиг. 4 представляет собой схему системы 400 нанесения покрытия для формирования пьезоэлектрического покрытия на кабеле линии электропередачи, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления. Система 400 нанесения покрытия содержит по меньшей мере устройство 402 нанесения покрытия. В некоторых вариантах осуществления, система 400 нанесения покрытия также содержит одно или больше из следующего: устройство 430 предварительной обработки, устройство 440 обработки золь-гель материала и устройство 450 тестирования. Меньше или больше компонентов могут быть включены в систему 400 нанесения покрытия.
Устройство 402 нанесения покрытия может содержать емкость 404 для золь-геля и одно или больше устройств 416-420 отверждения. Емкость 404 для золь-геля выполнена с возможностью содержать золь-гель материал 414 и позволять кабелю 401 проходить через золь-гель материал 414, формируя неотвержденное покрытие золь-гель материала 414 на кабеле 401. В некоторых вариантах осуществления емкость 404 для золь-геля может содержать днище 413, имеющее герметизированное отверстие 412. Герметизированное отверстие 412 позволяет кабелю 401 проходить через днище 413, но не позволяет проходить золь-гель материалу 414.
Фиг. 4 показывает три устройства 416-420 отверждения, которые могут быть выполнены с возможностью доставлять инфракрасное (ИК) излучение, ультрафиолетовое (УФ) излучение, и/или микроволновое излучение. В некоторых вариантах осуществления устройство 402 может содержать меньше или больше устройств отверждения.
Устройства 416-420 отверждения могут быть изолированы по меньшей мере от емкости 404 для золь-геля делителем 417, чтобы предотвратить отверждение золь-гель материала 414 в пределах емкости 404 для золь-геля. Делитель 417 позволяет кабелю 401 проходить из емкости 404 для золь-геля в первое из устройств 416-420 отверждения, блокируя по существу все излучение из этого устройства отверждения. В некоторых вариантах осуществления делители могут использоваться между смежными устройствами 416-420 отверждения, например, чтобы более точно управлять отверждением.
Пьезоэлектрическое покрытие на кабеле 401 может быть по существу или полностью отверждено, когда кабель 401 соприкасается с поддерживающим роликом 452. В некоторых вариантах осуществления кабель 401 не приходит в соприкосновение ни с каким компонентом устройства 402 после того, как он выходит из золь-гель материала 414. Например, кабель 401 может быть подвергнут натяжению между валиками 452 и 454, как показано на фиг. 4.
В некоторых вариантах осуществления кабель 401 предварительно обрабатывают до покрытия золь-гель материалом. Например, кабель 401 может проходить через устройство 430 предварительной обработки перед подачей в устройство 402 нанесения покрытия. Одним примером устройства 430 предварительной обработки является устройство плазменной предварительной обработки.
В некоторых вариантах осуществления емкость 404 для золь-геля соединена с устройством 440 обработки золь-геля. Некоторые материалы покрытия, такие как золь-гель материалы, и, в частности, неньютоновские золь-гель материалы (например, дилатанты), начинают полимеризацию, когда находятся в емкости 404 для золь-геля. Золь-гель 414 может образовать золь-гель материалы, зародыши полимеризации и, в некоторых случаях, твердые частицы. Некоторые из этих компонентов могут влиять на покрытие кабеля 401 и должны быть удалены из золь-гель материала 414. Чтобы избежать полностью браковки золь-гель материала 414 золь-гель материал 414 рециркулируют через устройство 440 обработки золь-геля, которая использует один или больше электромагнитных преобразователей 442, таких как ультразвуковые преобразователи, чтобы передать ультразвуковую энергию золь-гель материалу 414 и обратить реакции полимеризации. Фильтр 444 может необязательно использоваться, например, ниже по потоку от преобразователей 442, чтобы удалить любые остаточные твердые частицы. Кроме того, устройство 446 регулирования температуры может необязательно быть установлено ниже по потоку от преобразователей 442, чтобы регулировать (например, понижать) температуру потока текучей среды, чтобы предотвратить начало любой дополнительной полимеризации. Устройство 440 обработки золь-геля может также содержать насос (например, перистальтический насос), чтобы циркулировать золь-гель материал 414 через устройство 440 обработки золь-геля. Трубопроводы могут быть сделаны из или покрыты тефлоном (Teflon™) или другой пластмассой, которая обеспечивает гладкую внутреннюю поверхность в трубопроводе, чтобы минимизировать турбулентный поток. Перистальтические насосы также используются, чтобы минимизировать турбулентность.
Электромагнитные преобразователи 442 выполнены таким образом, чтобы превращать электроэнергию в энергию давления. Примеры таких преобразователей включают ультразвуковые преобразователи, которые функционируют при приблизительно от 20 кГц до приблизительно 200 МГц, более предпочтительно от приблизительно 2 МГц до приблизительно 200 МГц. Однако, частоты ниже, чем 20 кГц могут также использоваться. Соответственно, интервал частоты может быть столь же низкий, как любой один из 1 Гц, 10 Гц, 100 Гц, 1 кГц, 10 кГц, или 20 кГц и столь же высокий, как любой один из 100 кГц, 200 кГц, 500 кГц, 1 МГц, 10 МГц, 100 МГц и 200 МГц. Преобразователи могут быть получены от любого числа поставщиков, включая Olympus Corporation в Токио, Япония, Omega Engineering, Inc. в Стамфорде, Коннектикут, и Ultrasonic Power Corporation во Фрипорте, Иллинойс.
Проникновение преобразованной энергии в золь-гель материал 414 будет зависеть от выбора частоты, так же как энергия, произведенная преобразователем. Выбор частоты и энергии будет зависеть от физических размеров трубопровода, включая внутренний диаметр, толщину стенки трубопровода и состав, а также вязкость и скорость золь-гель материала 414 в трубопроводе. Чтобы передать энергию золь-гель материалу 414, во многих случаях два или больше, и даже целых шесть или восемь различных частот могут быть необходимы, чтобы проникнуть через весь объем золь-гель материала 414. Преобразователи могут быть в прямом контакте с поверхностью трубопровода или установлены в пределах нескольких миллиметров на поверхности трубопровода.
В некоторых вариантах осуществления, два или больше преобразователя, например, ультразвуковые преобразователи, эксплуатируются на первой частоте и установлены так, чтобы производить фазовую интерференцию, например, ультразвуковую фазовую интерференцию, в золь-гель материале 414. В других вариантах осуществления используются два или больше дополнительных ультразвуковых преобразователя. Дополнительные преобразователи функционируют при отличающейся второй частоте, и установлены так, чтобы производить фазовую интерференцию, такую как ультразвуковая фазовая интерференция, в золь-гель материале 414.
Устройство 446 регулирования температуры может использоваться, чтобы управлять температурой золь-гель материала 414, которая при воздействии ультразвуковой или другой электромеханической энергии возрастает в выходящем потоке. Устройство 446 регулирования температуры может снизить температуру так, чтобы золь-гель материал 414, подаваемый в емкость 404 для золь-геля, имел такую же или близкую к ней температуру, что и золь-гель материал 415 в емкости 404 для золь-геля.
Фильтр 444 может использоваться, чтобы удалить оставшиеся твердые частицы. Фильтр может быть установлен между преобразователями 442 и устройством 446 регулирования температуры, между устройством 442 регулирования температуры и емкостью 404 для золь-геля, или в обоих указанных положениях.
Преобразователи 442 могут функционировать при той же самой или отличающейся частотах. Например, один преобразователь может эксплуатироваться при частоте от 1 Гц до 100 кГц или, в частности, от 10 Гц до 100 кГц или даже от 100 Гц до 100 кГц. Другой преобразователь может эксплуатироваться при отличающейся частоте, такой как от 1 до 500 Гц или, в частности, от 10 до 500 Гц или даже от 100 до 500 Гц. Нужно понимать, что несколько различных частот могут использоваться в этом варианте осуществления, то есть, больше, чем 2.
В некоторых вариантах осуществления система 400 нанесения покрытия может содержать устройство 450 тестирования для тестирования пьезоэлектрических характеристик отвержденного покрытия. Например, кабель 401 с отвержденным покрытием может быть немного согнут на валу 452, таким образом, нагружение отвержденного покрытия и температуру покрытия контролируют на установке 450 тестирования. Информация, собранная устройством 450 тестирования, может использоваться, чтобы управлять скоростью подачи кабеля 401, интенсивностью облучения, используемого в устройствах 416-420 отверждения, и другими параметрами процесса.
Вывод
Хотя предшествующие концепции были описаны достаточно подробно с целью ясного понимания, очевидно, что определенные изменения и модификации могут быть осуществлены в рамках приложенной формулы изобретения. Следует заметить, что имеется много альтернативных способов осуществить процессы, системы и устройства. Соответственно, представленные варианты осуществления нужно считать как иллюстративные и не ограничивающие.