用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜的製作方法

2023-05-14 10:34:26

專利名稱：用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜的製作方法
技術領域：
本發明涉及輸變電電纜，具體涉及用於高速鐵路中帶有加強芯的接觸線纜。
背景技術：
隨著鐵路大幅度提速，運營任務的加重和競爭日趨激烈，鐵路重載化、高速化 (300Km/h以上)已成為世界鐵路行業的發展趨勢，鐵路運營中使用的接觸線是輪軌式鐵路 高速化的關鍵裝備之一。目前所用的純銅和銅銀合金接觸線強度僅為350-400MPa，只適合 於中低速(250Km/h以下)鐵路，難於滿足高速鐵路的服役條件。 國內外現有的供中低速鐵路用的接觸線，一般採用上引連鑄，配合冷加工強化，使 其強度能達到鐵路運行的要求。材料成分主要以純銅、銅銀合金、銅錫合金以及銅鎂合金等 為主中間加入鋼絲芯，用以提高接觸線纜的拉伸強。這類基礎線纜的加工工藝方法簡單高 效，但其致命的弱點是材料組織不夠緻密，線纜自重較大，線纜架設後下垂嚴重，線纜在拉 拔過程中組織變形不徹底，心部組織晶粒比較粗大；且上引連鑄工藝大多用來生產簡單合 金，對於複雜合金來說，上引連鑄難以實施，因此缺陷很多。但隨著鐵路高速化運行，簡單的 冷加工強化已經無法滿足其要求。 國際上目前能滿足高速鐵路接觸線要求的導線材料很少，德國聯邦股份公司 (DBAG)的Re330型銅鎂合金接觸線較為先進，抗拉強度達503MPa，電導率為68. 1%，軟化溫 度為385°C 。國內引進德國的接觸線材料也是Cu-Mg合金，其強度和導電率也與上述數值接 近，這些參數對於高速鐵路來說不算太高。我國目前高速鐵路導線尚未形成體系，研發具有 獨立智慧財產權的高速鐵路接觸線刻不容緩。 高速鐵路接觸線要求材料同時具有高的強度和導電性能，必須通過特殊的成分設 計和加工技術才能實現。通過固溶強化、沉澱強化、細晶強化和形變強化等手段來強化銅基 體，要求加強芯的材料因該具備拉伸強度高，重量輕，導電性好，耐高溫、耐低溫性能好等特 點。並且還應具備技術較成熟，工藝較簡單，成本較低，適宜規模化生產，但現有的各類接觸 線纜所得材料強度一般低於550MPa，電導率一般難於超過75X IACS。人工複合和自生復 合法是另一類重要的強化方法。人工複合材料是通過人工加入第二相的顆粒、晶須、纖維強 化銅基體或依靠強化相本身強度來增加銅材料強度(粉末冶金和塑性變形法)。自生複合 材料法是往銅中加入合金元素，通過超大變形工藝，在銅合金內部原位生成增強相，與基體 銅一起構成纖維複合材料，並且增強體與基體銅在加工前就以兩種材料形式存在。複合法 製備的銅合金抗拉強度可達2000MPa以上，但存在著工藝複雜、質量難以控制、生產成本太 高，難以工業化，並無法用於生產能適合電氣化鐵路接觸線要求的大長度(1500m)接觸線， 不利於工業化生產。 合金化方法的核心技術是通過向銅基體中添加一定的合金元素，以形成固溶體 或過飽和固溶體，使銅基體發生晶格畸變或時效析出強化相，來獲得高強度和高導電性能 兼備的銅合金。用合金化法製得的銅材強度ob在350 650MPa之間，電導率可以高達 60-90% IACS，但要使二者同時具有較高的水平就需要配合其它技術。綜上所述採用現有技術生產出的各類接觸線纜無法滿足快發展的鐵路運輸業的要求，因此有必要對現有接觸電 纜的結構和加工工藝進行改進。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中的缺陷，設計一種用合金材料包裹碳纖維芯的 接觸線纜。使該接觸線纜與同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量，有效解 決電纜下垂問題；可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度；線芯可以抗腐蝕，而且 沒有雙金屬間腐蝕問題；因為可以提供更高的載流容量，同時也有效的降低了工程成本； 與相同直徑傳統電纜相比可以多容納導體；高強度線芯可以有效減少電纜架的數量，或降 低電纜架的高度；有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。 為實現上述目的，本發明的技術方案是採用一種用合金材料包裹碳纖維芯的接觸
線纜，在所述線纜的中心設有碳纖維芯，在所述碳纖維芯的外表包裹有合金層；所述合金與
所述碳纖維芯在水平連鑄機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內複合成線纜。 其中，在所述水平連鑄機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內設有使碳纖
維芯位於線纜中心的定位架。 其中，所述合金為銅合金或鋁合金。 其中，所述銅合金為銀銅合金、或為錫銅合金、或為鉻鋯銅合金、或為鎘銅合金、或 為鎂銅合金。 其中，所述線纜表面經冷軋和冷拔處理後截面形狀為圓形。 其中，在所述圓形截面左右兩側對稱的，設有冷拔模具內拔出的兩個V形掛線槽。
其中，所述V形掛線槽下端的線纜表面為裸露的導電錶面，在所述V形掛線槽上端 的線纜表面可設有絕緣層。 其中，所述絕緣層的材料為絕緣漆，或為熱縮套管，或為橡膠，或為纖維織物。
其中，在所述碳纖維芯與所述合金層之間可加裝絕緣層。
其中，所述接觸線纜為高速鐵路中的接觸電纜。 本發明的優點和有益效果在於，由於碳纖維材料固有的優點，該接觸線纜與同樣 直徑的ACSR電纜相比，線纜的重量得到了大幅度減輕，可以提供雙倍的載流容量，有效解 決電纜下垂問題；可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度；線芯可以抗腐蝕，而且 沒有雙金屬間腐蝕問題；因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成 本；與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體；高強度線芯可以有效減少電纜架的 數量，或降低電纜架的高度；有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。 用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜具有高強度、高模量、耐高溫、抗疲勞、導電 性能好、質輕、易加工等多種優異性能，可徵服和取代傳統剛芯材料的接觸線纜。


圖1是本發明接觸電纜剖面結構圖； 圖2是本發明水平連鑄機與碳纖維芯複合裝置結構示意圖。 圖中1、碳纖維芯；2、合金層；3、 V形掛線槽；4、接觸線纜；5、碳纖維芯與合金層 複合爐；6、電加熱裝置；7、碳纖維芯與合金層複合模具；8、冷扎裝置；9、冷拔裝置；10、定位
4架。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步描述。以下實施例僅
用於更加清楚地說明本發明的技術方案，而不能以此來限制本發明的保護範圍。 如圖1和2所示，本發明具體實施的技術方案是 採用一種用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜4，在所述線纜的中心設有碳纖維 芯，在所述碳纖維芯1的外表包裹有合金層2 ;所述合金與所述碳纖維芯在水平連鑄機內， 或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內複合成線纜。在水平連鑄機內碳纖維芯與合金層 的複合過程如附圖2所示，電加熱裝置6將碳纖維芯與合金層複合爐5內的合金材料加熱 融化，碳纖維芯與融化的合金材料通過碳纖維芯與合金層複合模具7複合成由合金材料包 裹著碳纖維芯的接觸線纜，再經冷軋裝置8和冷拔裝置9後製成用合金材料包裹碳纖維芯 的接觸線纜4。 在本發明中，在所述水平連鑄機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內設有
使碳纖維芯位於線纜中心的定位架10。用於使碳纖維芯位於接觸線纜的中心。 在本發明中，所述合金可以是銅合金或鋁合金。其中，所述銅合金可以是銀銅合
金、或為錫銅合金、或為鉻鋯銅合金、或為鎘銅合金、或為鎂銅合金。 在本發明中，所述線纜表面經冷軋和冷拔處理後截面形狀為圓形。在所述圓形截 面左右兩側對稱的設有冷拔模具內拔出的兩個V形掛線槽3。 在本發明中，所述V形掛線槽3下端的線纜表面為裸露的導電錶面，在所述V形掛 線槽3上端的線纜表面可設有絕緣層。所述絕緣層的材料為絕緣漆，或為熱縮套管，或為橡 膠，或為纖維織物。 在本發明中，可根據實際工程中的需要在所述碳纖維芯與所述合金層之間可以加 裝絕緣層。 本實施例最佳技術方案至是，將所述的接觸線纜用於高速鐵路中的接觸電纜。
本實施例的優點還表現為，眾所周知，碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖 維，其含碳量較高、在熱處理過程中是不熔融的人造化學纖維，經過熱穩定氧化處理，在經 過碳化處理及石墨化等工藝製成的。其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維 具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐磨擦、導電、導熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不 同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工性好，沿纖維軸方向表現出很高的強度，且 碳纖維比重小。 碳纖維以其固有的特性賦予了其複合後材料優異的性能，它具有高比強度、高比 模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹係數小等一系列優異性能，從而 為其在電線電纜行業中的應用提供了可能和必然。 本發明用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜4與鋼芯合金絞線相比，碳纖維複合 芯導線具有以下優點和同樣直徑的ACSR電纜相比，可以提供雙倍的載流容量。有效解決 電纜下垂問題。可以在更高的溫度下工作，最高可達200攝氏度。線芯可以抗腐蝕，而且沒 有雙金屬間腐蝕問題。因為可以提供更高的載流容量，所以同時也有效的降低了工程成本。 與相同直徑傳統電纜相比可以多容納28%的導體。高強度線芯可以有效減少電纜架的數量，或降低電纜架的高度。有效減少電纜下垂，使地面生物更加安全。 除了上述提及的優點外，還可減少傳輸中電力的損耗，減少20%的塔杆，節省用 地，減少有色金屬資源消耗，有助於構造安全、環保、高效節約型輸電網絡。
碳纖維細如蛛絲，三型碳纖維比強度是鋼的62倍以上，成形工藝性好，是一代新 型工程材料，其彈性量高，抗變性能力比鋼大2倍多，抗拉強度30 40t/cm2pa，而比重還不 到鋼的四分之一，是銅合金的二分之一，高彈模量比鋼鐵大16倍，比銅合金大12倍。且碳纖 維比鋼等柔軟。因此，碳纖維可用於要求能承重、不易損傷內部元件的電纜的加強芯，如海 底光纜等。碳纖維可以耐-IS(TC的低溫，在此條件下，許多材料都變的很脆，連堅固的鋼鐵 也變的比玻璃還容易碎，而碳纖維在此條件下依舊很柔軟。因此，碳纖維複合芯可用於極寒 (如南極考察研究等)條件下輸電載體的設計和製造。碳纖維又可以耐300(TC 350(rC的 高溫，在此高溫下最好的耐熱鋼也變成鋼水，但在沒有氧氣的情況下，碳纖維沒有變化。碳 纖維即使從300(TC的高溫快速冷卻到室溫也不會炸裂，因而可在急冷急熱的環境中工作。 這為鋼鐵、冶金、鍋爐等行業中高溫特高溫場合電纜的設計提供了可能。此外，碳纖維紗、碳 纖維繩、碳纖維布都可用於消防電纜產品的設計選用。碳纖維有超強的耐腐蝕性。金屬中 耐腐蝕性最強的是黃金和鉑，在一份硝酸(濃度70% )和三份硫酸(濃度39% )配成的稱 "王水"的溶液中黃金、鉬會被腐蝕的千瘡百孔，而"王水"中的碳纖維卻安然無恙。為各種 化學環境下輕型耐化學腐蝕電纜的設計提供了新的思路。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人 員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾 也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
一種用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，在所述線纜的中心設有碳纖維芯，在所述碳纖維芯軸的外表包裹有合金層；所述合金與所述碳纖維芯在水平連鑄機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內複合成線纜。
2. 如權利要求1所述的包有碳纖維芯的合金接觸線纜，其特徵在於，在所述水平連鑄 機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內設有使碳纖維芯位於線纜中心的定位架。
3. 如權利要求2所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述合金 為銅合金或鋁合金。
4. 如權利要求3所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述銅合 金為銀銅合金、或為錫銅合金、或為鉻鋯銅合金、或為鎘銅合金、或為鎂銅合金。
5. 如權利要求4所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述線纜 表面經冷軋和冷拔處理後截面形狀為圓形。
6. 如權利要求5所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，在所述圓 形截面左右兩側對稱的，設有冷拔模具內拔出的兩個V形掛線槽。
7. 如權利要求6所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述V形 掛線槽下端的線纜表面為裸露的導電錶面，在所述V形掛線槽上端的線纜表面可設有絕緣 層。
8. 如權利要求7所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述絕緣 層的材料為絕緣漆，或為熱縮套管，或為橡膠，或為纖維織物。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在 於，在所述碳纖維芯與所述合金層之間可加裝絕緣層。
10. 如權利要求9所述的用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，其特徵在於，所述接觸 線纜為高速鐵路中的接觸電纜。
全文摘要
本發明涉及輸變電電纜，具體涉及用於高速鐵路中一種用合金材料包裹碳纖維芯的接觸線纜，在線纜的中心設有碳纖維芯，在碳纖維芯的外表包裹有合金層；合金與碳纖維芯在水平連鑄機內，或在扎壓包覆機內，或在合金侵塗裝置內複合成線纜。合金為銀銅合金、或為錫銅合金、或為鉻鋯銅合金、或為鎘銅合金、或為鎂銅合金。線纜表面經冷軋和冷拔處理後截面形狀為圓形。在圓形截面左右兩側對稱的，設有冷拔模具內拔出的兩個V形掛線槽。該接觸線纜與現有剛芯電纜相比，重量大幅度減輕。有效解決電纜下垂問題。可以在更高的溫度下工作，線芯可以抗腐蝕，而且沒有雙金屬間腐蝕問題。因為可以提供更高的載流容量，可以有效減少電纜架的數量。
文檔編號H01B7/10GK101752032SQ200810227849
公開日2010年6月23日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者張根華, 曹曉峰 申請人:江陰華電新材料有限公司