Провод самонесущий изолированный с композиционным несущим элементом

Техническое решение относится к кабельной технике, а именно к конструкциям многожильных самонесущих изолированных проводов (СИП) высокого напряжения и могут быть использованы для магистральных воздушных линий электропередачи (ЛЭП) и ответвлений к вводам в жилые дома, хозяйственные постройки.
Самонесущий изолированный провод, в зависимости от назначения, состоит от двух до четырех алюминиевых изолированных токопроводящих жил, свитых вокруг токопроводящей нулевой несущей упрочненной жилы (СИП-1; 2) или из одной алюминиевой изолированной упрочненной токопроводящей жилы, одновременно являющейся несущей жилой (СИП-3). Несущая жила выполняет функцию несущего элемента, предназначенного для крепления или подвески провода.
Известен самонесущий изолированный провод, в котором многопроволочная токопроводящая несущая жила выполнена из сплава алюминия (патент РФ №63596 «Провод самонесущий изолированный» с приоритетом от 24.08.2006).
Повышенная стоимость СИП с несущей жилой, изготовленной из сплава алюминия, связана с высокой стоимостью сплава. Кроме того, используемый сплав имеет повышенное (относительно алюминия) удельное электрическое сопротивление, что приводит к электрическим потерям в несущей жиле и в проводе в целом. Для обеспечения необходимой электрической пропускной способности несущей жилы увеличивают ее сечение, что приводит к повышению веса несущей жилы и провода в целом и, следовательно, требует использования более дорогой усиленной монтажной арматуры и увеличивает механическую нагрузку на опоры линий электропередач.
Известен самонесущий изолированный провод, в котором алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит пластически обжатый сердечник из стальных проволок с коррозионно-защитным покрытием из цинка, алюминия или сплава алюминия с цинком (патент РФ №119161 «Провод самонесущий изолированный» с приоритетом от 01.02.2012).
Провода, выполненные с использованием стального сердечника в несущей жиле, имеют высокие механические свойства, которые обеспечиваются прочностью стали.
Стоимость провода напрямую связана со стоимостью используемого стального сердечника с коррозионно-защитным покрытием, технология получения которого достаточно сложная и дорогая:
- для повышения гибкости, прочности и структурной устойчивости сердечника производят его пластическое обжатие методом холодной прокатки с использованием специальных твердосплавных роликов, а для придания проволоке пластичности, после определенного количества проходов ее подвергают термохимической обработке (патентированию);
- коррозионно-защитное покрытие определенной толщины наносят на стальную проволоку гальваническим методом или методом газотермического напыления.
При эксплуатации в условиях больших динамических нагрузок (ветер, вибрации и т.п.) возможно отслоение коррозионно-защитного покрытия от поверхности проволоки, что в дальнейшем приводит к коррозии стали и, как следствие, к обрыву провода.
При использовании многопроволочной стальной конструкции сердечника увеличивается сечение и вес несущей жилы и провода в целом, а, следовательно, усложняется арматура и увеличивается механическая нагрузка на опоры линий электропередач.
Также известен самонесущий изолированный провод, описанный в патенте РФ №85736 «Самонесущий изолированный провод с несущим элементом из углеволокна» с приоритетом от 16.04.2009 и выбранный в качестве прототипа.
В данном проводе алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из волокнистого материала, в качестве которого использованы углеродные волокна.
Использование углеродных волокон в качестве несущего элемента (сердечника) позволяет снизить погонный вес провода, то есть снизить механическую нагрузку на опоры линий электропередач.
Не смотря на использование в качестве несущего сердечника высокопрочных углеродных волокон, эксплуатационная прочность сердечника невелика. Это связано с тем, что волокна в сердечнике связаны между собой только механически, а это не обеспечивает равномерного распределения статических и динамических нагрузок между всеми волокнами, которые при этом имеют поверхностные дефекты - поры, микротрещины, что приводит к разрыву отдельных волокон, снижению прочностных свойств сердечника и провода в целом, а также к преждевременной замене провода, изготовленного с использованием данного сердечника.
Кроме того, исходные механические свойства углеродных волокон сохраняются только при эксплуатации в условиях отсутствия кислорода, поэтому невозможно использование рассматриваемого несущего сердечника в проводе с неизолированной несущей жилой (СИП-1): при работе сердечника в условиях рабочих температур провода (70-90°C) и присутствия атмосферного кислорода происходит неконтролируемое окисление поверхности углеродных волокон, приводящее к ухудшению их прочностных свойств.
Повышенная стоимость СИП с использованием волокнистого несущего сердечника связана с использованием дорогостоящих углеродных волокон.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание недорогого самонесущего изолированного провода с пониженным весом и эксплуатационными прочностными свойствами, соответствующими нормативам.
Решением данной задачи является самонесущий изолированный провод, в котором алюминиевая многопроволочная токопроводящая несущая жила содержит сердечник из волокнистого материала, новым в котором является то, что сердечник выполнен из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %.
В качестве термореактивного полимерного связующего использована эпоксидная смола.
Степень объемного наполнения термореактивного связующего базальтовым волокном равна 75-85%.
Сердечник может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
Токопроводящие жилы провода выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98.
Базальтопластик - это композиционный материал на основе базальтовых волокон и органического связующего.
Заявляемый провод имеет невысокую стоимость за счет использования для изготовления композиционного сердечника недорогих и эффективных наполнителей - базальта и технического углерода (часто используют, как синоним, термин - сажа), позволяющих получить композитный материал (базальтопластик) с высокими физико-механическими свойствами, способный к длительной эксплуатации в жестких условиях.
Механические свойства композиции определяются прочностью адгезионных связей между всеми компонентами композита.
Используемый в заявляемом решении технический углерод имеет размер частиц 13-60 нм сферической формы с шероховатой поверхностью, состоящей из тончайших графитовых слоев, на поверхности которых расположены кислородсодержащие карбоксильные группы, количества которых при концентрации технического углерода 1,0-5,0 масс % достаточно для получения прочной адгезионной связи между частицами технического углерода, термореактивным полимерным связующим (эпоксидной смолой) и базальтовым волокном.
Прочность композита зависит не только от прочности сцепления на границе волокно-связующее, но и от прочности используемых волокон, которые имеют неидеальную (дефектную) поверхность с размером пор и трещин до 30 нм. Благодаря тому, что базальтовые волокна и технический углерод являются однополярными материалами, происходит объемное заполнение дефектов базальтового волокна частицами технического углерода с образованием прочного соединения, а чем прочнее поверхностный слой, тем выше прочность волокна.
Введение технического углерода в заявляемой концентрации 1-5 масс % уменьшает усадку связующего при полимеризации, что снижает тангенциальные напряжения на межфазной поверхности, ослабляющие адгезионное соединение компонентов композита и отрицательно влияющие на его прочностные свойства.
Одновременно технический углерод повышает термостойкость связующего и несущего сердечника в целом, который устойчиво эксплуатируется в регламентированном температурном диапазоне рабочих температур 70-90°C и позволяет без разрушения выдерживать пиковую температуру до 180°C.
В композите объемная доля базальтового волокна 75-85% является оптимальной и позволяет наиболее полно реализовать механические характеристики волокна в получаемом композите. При этом волокна расположены вдоль несущего сердечника, что совпадает с направлением главных механических напряжений, действующих на провод в условиях эксплуатации. При степени армирования более 85% недостаток связующего для заполнения межволоконного пространства приводит к нарушению монолитности композита и, соответственно, к появлению в нем неравномерности напряжений, приводящих к разрушению при меньших значениях механических напряжений, чем для монолитных образцов. При степени армирования менее 75% связующее под действием нагрузок деформируется, в том числе и в межволоконном пространстве, и увлекает волокна за собой, что приводит к их разрушению.
В зависимости от условий эксплуатации и испытываемых напряжений композиционный несущий сердечник может быть выполнен в виде одножильной или многожильной конструкции, состоящей, например, из семи элементов, что повышает гибкость несущего сердечника и увеличивает эксплуатационную надежность.
Прогнозирование свойств композитов при определенных концентрациях наполнителей нанометрового диапазона является очень сложной задачей, которая может быть решена только путем проведения соответствующих исследований.
2
2
Проведенные исследования показали, что композиционный несущий сердечник с концентрацией технического углерода 1,0 масс % имеет нормативную прочность на разрыв 105 кГс/мм, необходимую для эксплуатации самонесущих изолированных проводов; при концентрации 2,0 масс % - прочность на разрыв увеличилась до 165 кГс/мм, что позволяет без разрушения эксплуатировать провода с заявляемым несущим сердечником в условиях повышенных статических и динамических нагрузок (вибрации, налипание снега и гололеда). Увеличение концентрации технического углерода до 5 масс % дает незначительный прирост прочностных свойств, относительно концентрации 2 масс %, поэтому оптимальная концентрация технического углерода в получаемом композите составляет 2,0%, а дальнейшее ее увеличение не рационально с точки зрения перерасхода сырья и увеличения стоимости композиционного несущего сердечника.
Выполнение токопроводящих жил провода уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98 позволяет уменьшить диаметр каждой жилы и габаритные размеры провода в целом, повысить его эксплуатационные характеристики и уменьшить расход дорогостоящего изоляционного материала.
Композиционный несущий сердечник для заявляемого самонесущего изолированного провода и сам провод изготавливают на стандартном оборудовании с использованием известных методик.
При проведении поиска по источникам патентной и научно-технической литературы не обнаружено решений, содержащих совокупность предлагаемых признаков для решения поставленной задачи, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критериям патентоспособности «новизна».
Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг. 1 представлено сечение многожильной токопроводящей несущей жилы с одножильным композиционным несущим сердечником, на фиг. 2 - сечение самонесущего изолированного провода.
Самонесущей изолированный провод (СИП-1, 2) содержит от двух до четырех алюминиевых многопроволочных токопроводящих жил 1 и алюминиевую многопроволочную токопроводящую нулевую несущую жилу 2, которая содержит сердечник 3 из базальтопластика на основе термореактивного полимерного связующего с углеродным наноструктурным наполнителем, в качестве которого использован технический углерод с концентрацией 1,0-5,0 масс %. В одножильном самонесущем изолированном проводе СИП-3 в качестве токопроводящей жилы используют алюминиевую многопроволочную токопроводящую несущую жилу 2 с сердечником 3 из базальтопластика. Токопроводящие жилы 1 и 2 выполнены уплотненными с коэффициентом заполнения 0,95-0,98.
Несущий сердечник 3 содержит термореактивную матрицу (связующее) 4 с углеродным наноструктурным наполнителем - техническим углеродом (на чертеже не показан), концентрация которого равна 1,0-5,0 масс %. Матрица 4 непрерывно армирована базальтовым волокном 5 со степенью объемного наполнения 75-85%.
В качестве углеродного наноструктурного наполнителя использован технический углерод с дисперностью 13-60 нм.
В качестве матрицы 4 использована термореактивная смола, например, эпоксидно-диановая смола ЭД-20 с отвердителем для эпоксидных смол (ПЭПА, ТЭТА, и т.д.).
Для создания изоляционного слоя 6 на токопроводящих жилах 1 и 2 используют поливинилхлорид, полипропилен, полиэтилен термопластичный, полиэтилен силанольносшиваемый.
Несущий сердечник 3 может быть выполнен в виде одно- или многожильной конструкции.
Заявляемый провод изготавливают по следующей технологии.
Из-за склонности технического углерода к образованию агломератов перед введением его в связующее 4 и после этого проводят ультразвуковую обработку в соответствии с известной методикой для получения равномерного распределения частиц технического углерода по объему связующего 4 и после этого вводят отвердитель. Базальтовые волокна 5 пропитывают полученным составом и формуют сердечник 3, который после полимеризации связующего 4 готов к использованию. При необходимости методом скрутки изготавливают многожильную конструкцию сердечника 3.
После этого на крутильной машине из круглых алюминиевых проволок вокруг сердечника 3 скручивают повивы, формируя многожильную токопроводящую несущую жилу 2. Во время скрутки токопроводящую жилу 2 уплотняют обжимными роликами с коэффициентом заполнения сечения 0,95-0,98. Поверх жилы 2 накладывают изоляционный слой 6.
Жилы 1 изготавливают скручиванием алюминиевых проволок с уплотнением обжимными роликами и с последующим наложением изоляции.
Затем жилы 1 скручивают вокруг несущей жилы 2 с композиционным сердечником 3.
В процессе эксплуатации самонесущего провода несущий сердечник 3 жилы 2 воспринимает статические и динамические нагрузки, направленные на растяжение и изгиб, и надежно работает в условиях регламентированных температур, а токопроводящие жилы 1 и 2 обеспечивают электрическую проводимость каждого провода.