ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ПРОВОДНИК
ELECTRIC CONDUCTOR

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных несущих токопроводящих проводов и тросов для воздушных линий электропередачи и линиях электрифицированного транспорта, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.
В настоящее время широко используется конструкция сталеалюминевого провода марки АС (фиг. 1), содержащего сердечник из одного или нескольких скрученных стальных оцинкованных проволок, обеспечивающий механическую прочность провода, и один или несколько концентрических повивов круглых алюминиевых проволок, передающих электрическую энергию [ГОСТ 839-80. Провода неизолированные для воздушных линий электропередачи].
Недостатками провода марки АС являются повышенные механические нагрузки от ветра на опорах линий электропередачи (ЛЭП), провисание в определенных климатических условиях и при определенных режимах эксплуатации, возможность локального перегрева и растрескивания цинкового покрытия проводов несущего сердечника, а также повышенное контактное давление между стальными и алюминиевыми проволоками, вызывающее износ провода.
Известен также электрический проводник, содержащий металлический проводниковый материал с армирующими элементами из комплексных нитей высокопрочных волокон с низкой плотностью, которые распределены по сечению проводника [Патент №2609129 РФ, Н01В 5/02, 2017]. В качестве высокопрочных волокон использованы базальтовые, углеродные или пара-арамидные волокна, а в качестве металлического проводникового материала - медь и/или алюминий, или их сплавы с другими веществами. Комплексная нить сформирована скрученными или без крутки элементарными волокнами. Армирующие элементы с нитями, сложенными без крутки (пучок), используют на малонагруженных участках сети, где нагрев провода не превышает 70-90° На участках сети с большим потреблением электроэнергии, в которых нагрев провода превышает 90°, используют армирующие элементы, в которых комплексная нить сформирована из элементарных нитей, соединенных скручиванием в виде шнура, троса, каната. Это объясняется тем, что при нагреве проводника выше 90° происходит значительное удлинение проводникового материала, а используемые высокопрочные волокна имеют практически нулевой коэффициент линейного расширения, что может привести к разрыву волокон. Использование скрученных нитей позволяет увеличить упругие свойства армирующего элемента и тем самым сохранить его целостность.
Недостатками данного проводника является хрупкость применяемых волокон и, как следствие, сложность монтажа и недостаточная прочность проводника при эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является электрический проводник из металлического проводникового материала, содержащий упрочняющий сердечник, выполненный из композиционного материала, состоящего из наномодифицированного термореактивного полимерного связующего, модифицированного углеродными нанотрубками, концентрация которых равна 4,0-10,0 мас. %, и непрерывно армированного базальтовым волокном со степенью объемного наполнения 60-80% [Патент №2599387 РФ, Н01В 5/10, 2016]. В качестве углеродных нанотрубок применены многослойные углеродные нанотрубки серии «Таунит», термореактивным полимерным связующим служит эпоксидная смола, а в качестве металлического проводникового материала использованы медь, и/или алюминий, или их сплавы.
Известный проводник довольно хрупкий и в процессе эксплуатации и соединения проводов опрессованием, обжатием и скручиванием возможны механические повреждения композиционного материала внутри сердечника. Кроме недостаточной гибкости сердечника, ограничивающей эксплуатационную надежность проводника, к числу недостатков данного проводника следует отнести разные коэффициенты термического расширения проводникового материала, смолы и волокон, что может привести к нарушению сплошности сердечника, и снижению механических свойств проводника в целом. Наряду с этим отмечается и некоторая сложность изготовления за счет поэтапного ввода волокон и нананотрубок.
Кроме того, улучшение свойств наномодифицированием связующего многослойными углеродными нанотрубками весьма сомнительно, основные работы по их использованию проводятся только в лабораторных условиях, а в научно-технической литературе недостаточно сведений о возможных концентрациях многослойных углеродных нанотрубок и их влиянии на свойства термореактивных связующих. Так как не существует относительно дешевых промышленных способов получения многослойных углеродных нанотрубок, то одним из основных недостатков указанного проводника будет его высокая стоимость.
Задачей заявляемого изобретения является создание несущего и одновременно токопроводящего проводника, технологичного в изготовлении и обладающего повышенной эксплуатационной надежностью.
Указанный технический результат достигается тем, что в электрическом проводнике, содержащем металлический проводниковый материал и упрочняющий сердечник, включающий высокопрочные углеродные и/или базальтовые волокна, согласно изобретению, сердечник выполнен из композиционного материала (скрученного или без скрутки) на основе терморасширенного графита (ТРГ), армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами.
Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами, предлагаемый для использования в виде сердечника в проводниковом материале, не имеет ограничений по изгибающим нагрузкам и позволяет выдерживать проводнику в целом, механические нагрузки на сжатие и разрыв более высокие, чем стали соответствующего диаметра. Композиционный материал на основе ТРГ, непрерывно армированный углеродными и/или базальтовыми волокнами, находясь в сжатом состоянии, обладает большой силой упругого последействия, которая обеспечивает связь сердечника с оболочкой из проводникового материала во всем интервале температур и нагрузок при эксплуатации.
Объемная доля армирующих углеродных и/или базальтовых волокон в композиционном материале на основе ТРГ составляет 20-90% и определяется исходя из требований к несущей способности провода и номинального сечения металлического токопроводящего материала. Рабочая температура предлагаемого композиционного материала находится в пределах от -150°С до 500°С и не ограничивает, а обеспечивает температуру эксплуатации проводника в целом в требуемых технической документацией рабочих диапазонах температур.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 2 представлен заявляемый электрический проводник, поперечное сечение.
Электрический, он же несущий, проводник 1 содержит металлический проводниковый материал 2 с несущим сердечником 3, выполненным из композиционного материала на основе ТРГ 4, армированный волокнами 5. В качестве волокон 5 могут быть использованы высокопрочные углеродные и базальтовые волокна, как по отдельности, так и совместно. В качестве металлического проводникового материала может быть использована медь и/или алюминий и их сплавы. Сердечник 3 сформирован из композиционного материала на основе ТРГ 4 скрученным или без скрутки.
Для изготовления композиционного материала сердечника, предварительно подготовленный ТРГ пух армируют волокнами в выбранном и согласованном с техническими и эксплуатационными требованиями соотношении, с последующей прокаткой между вальцами и получением ленты заданной длины и толщины. Сердечник 3 необходимого диаметра получают скручиванием или без скрутки. Проводник изготавливают по любой стандартной технологии, например, методом conform.
Из полученных проводников 1 методом скрутки или плетения можно изготавливать провода воздушных линий электропередач или сердечник в проводах типа АС. В электрическом, проводе, выполненном из заявляемых проводников 1, в процессе эксплуатации каждый сердечник 3 воспринимает нагрузки, направленные на растяжения и изгиб провода, а окружающий его металлический проводниковый материал 2 обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждого проводника 1 провода.
Проводник, представляющий из себя систему из металлической токопроводящей оболочки алюминия, меди или их сплавов и сердечника из композиционного материала на основе ТРГ, непрерывно армированного углеродными и/или базальтовыми волокнами, имеет высокую прочность при статических и динамических нагрузках, повышенные эксплуатационные характеристики по сравнению с аналогами и может использоваться как несущий с повышенными токопроводящими характеристиками. При этом вес провода с сердечником из такого композиционного материала значительно ниже, чем у других известных и ранее используемых аналогов.
Проводник, содержащий металлический проводниковый материал медь и/или алюминий и несущий сердечник на основе терморасширенного графита, армированного углеродными волокнами, имеет токопроводящие характеристики сопоставимые с металлическим проводником за счет высокой токопропускной способности композиционного материала на основе терморасширенного графита, армированного углеродными волокнами.
Таким образом, заявляемый проводник обеспечивает увеличение разрывных усилий, увеличивает пропускную токопроводность и в процессе эксплуатации надежно работает в условиях перепада температур и механических нагрузок.
Изобретение обеспечивает создание токопроводящих, одновременно несущих проводов со следующими повышенными эксплуатационными свойствами:
- высокая электропроводность;
- высокая механическая прочность;
- небольшая погонная масса;
- устойчивость к высоким температурам;
- малые температурные удлинения;
- устойчивость к старению и ветровым воздействиям.
При этом стоимость такого провода сопоставима со стоимостью отечественных сталеалюминевых проводов типа АС и значительно ниже стоимости зарубежных проводов с повышенной токопроводящей способностью.