改良的输电电缆用钢芯及其制造方法.pdf

提供了一种输电电缆，其包含具有至少两根独立涂覆并绞合的线材的电缆芯线，和围绕该芯线的导体，其中该芯线是紧压的。此外，提供了制造这类紧压钢芯的方法。

1.  制造输电电缆的方法，包括
-提供至少两根线材并涂覆它们
-将涂覆的线材绞合，由此形成芯线
-紧压该芯线。

2.  根据权利要求1的方法，其中提供5至25，优选7至19根线材。

3.  根据权利要求1至3的方法，其中借助压辊或借助十字形辊模头进行紧压。

4.  根据权利要求1至3的方法，其中该线材由高碳钢制成。

5.  根据权利要求1至4的方法，其中借助在紧压后保持充足涂层性能的任何涂料涂覆该线材。

6.  根据权利要求5的方法，其中用锌、锌-铝或锌-铝-镁型合金涂覆该线材。

7.  根据权利要求5至6的方法，其中该线材上的涂层重量大于100克/平方米，优选大于200克/平方米。

8.  根据前述权利要求任一项的方法，进一步包括额外涂覆紧压芯线的步骤。

9.  根据前述权利要求任一项的方法，进一步包括形成围绕该芯线的导体的步骤。

10.  根据前述权利要求任一项的方法，其中该导体由铝、铝合金、铝-镁-硅合金、铝复合材料制成。

11.  根据前述权利要求任一项的方法，其中该导体是紧压的或由梯形紧压线材制成。

12.  一种输电电缆，包含
-具有至少两根独立涂覆并绞合的线材的电缆芯线
-和围绕该芯线的导体
其中该芯线是紧压的。

13.  根据权利要求12所述的输电电缆，其中提供5至11根线材，优选7或9根线材。

14.  根据权利要求12至13的输电电缆，其中该线材由钢、钢-陶瓷复合材料、钢碳纤维复合材料、铝、铝合金、铝-镁-硅合金、铝复合材料制成。

15.  根据权利要求12至14的输电电缆，其中借助在紧压后保持充足涂层性能的任何涂料涂覆该线材。

16.  根据权利要求15的输电电缆，其中用锌、锌-铝或锌-铝-镁型合金涂覆该线材。

17.  根据权利要求12至16的输电电缆，其中该紧压芯线被附加涂层围绕。

18.  根据权利要求12至17的输电电缆，其中该导体由铝、铝合金、铝-镁-硅合金、铝复合材料制成。

19.  根据权利要求12至18的输电电缆，其中该导体是紧压的或由梯形紧压线材制成。

20.  紧压芯线在输电电缆中的用途。

改良的输电电缆用钢芯及其制造方法
发明领域
本发明涉及输电电缆及其制造方法的领域。
发明背景
现今大量电能被传输和消耗。当前趋势是在电力最便宜的地方购电，导致使用现有配电网络长距离传输大量电力。由于现有配电网络的容量正趋于不足，因此应在不久的将来对其升级。
一种明显的解决方案是建造新的追加输电线路，但经济和生态原因在许多情况下阻止其实施。
另一解决方案是提高流经现有线路的电流量。但是，由于发热与电流成二次方增加，额定工作温度随即从约50℃升至约200℃甚至300℃。装有常规ACSR(钢芯铝绞线)电缆的现有输电线路不适合在这些温度下运行。随着温度升高，也部分机械支撑该电缆的导体(大多是铝)丧失其机械强度，造成明显松垂。此外，该芯线的镀锌钢线的锌扩散并形成脆性铁-锌层，从而造成剥落并降低耐腐蚀性。在ACSS(钢芯软铝绞线)电缆的情况下(其中，铝导体并不机械支撑该电缆)，在高的工作温度下，钢芯的热膨胀造成明显松垂。
另一解决方案在于使用提高的导体截面以提高导体载流容量。这显然会造成增加的电缆直径，由此增加冰荷载和风荷载。较高的冰荷载和风荷载会增加电杆/塔架的荷载，并迫使采用较短的设计跨距。为了能够在不提高电缆直径的情况下提高导体截面，采用梯形线材和紧压技术以紧压导线截面。
如Southwire Communications在“Transmission conductors-A review of the design and selection criteria”(2003年1月31日)中所述，可以通过使绞合电缆穿过强有力的压辊或压模来制造紧压导体。所述另一技术是绞合梯形导线。它们的形状也造成导体间的较小的空隙区域和减小的电缆直径。
但是，由于电力消耗仍在增长，仍明显感觉到对如下输电电缆的需求：该输电电缆与现有输电电缆相比具有相同电缆直径但具有提高的导体载流容量，或具有较小的电缆直径但保持至少相同的导体载流容量。此外，承载芯线相比应具有与常规芯线相比至少相同的抗拉强度和至少相同的耐腐蚀性。
根据本发明，现在提出一种改良的输电电缆芯线及其制造方法以克服现有技术的所有缺陷并满足这种需求。
发明概述
本发明涉及制造输电电缆芯线的方法，包括
-提供至少两根线材并涂覆它们
-将涂覆的线材绞合，由此形成芯线
-紧压该芯线。
芯线中线材的数量可以为5至25，优选7或19。
紧压步骤可优选与绞合步骤顺序进行(in line)。
紧压该芯线的步骤优选借助压辊进行。
该芯线可以被紧压或由梯形紧压线材制成。
该芯线的线材可由高碳钢制成。
可以使用在紧压后保持充足涂层性能的任何涂料涂覆该线材。
该线材可以用锌、锌-铝或锌-铝-镁型合金涂覆，但不限于此。锌-铝涂料是优选涂料。
钢线上的涂层重量可以大于100克/平方米，优选大于200克/平方米。
该方法可进一步包括额外涂覆紧压芯线的步骤。
该方法可进一步包括形成围绕紧压芯线的导体的步骤。
该导体可以由铝、铝合金、铝-镁-硅合金、铝复合材料制成，但不限于此。
此外，本发明涉及一种输电电缆，其包含
-具有至少两根独立涂覆并绞合的线材的电缆芯线
-和围绕该芯线的导体，
其中该芯线是紧压的。
本发明还涉及紧压芯线在输电电缆中的用途。
附图概述
图1图解了本发明的具有紧压钢芯的输电电缆的截面图。
发明描述
本领域技术人员会理解，下述实施方案仅根据本发明举例说明，而不限制本发明的预期范围。也可以考虑其它实施方案。
作为第一方面，本发明提供了制造输电电缆用芯线的方法，包括
-提供至少两根线材并涂覆它们
-将涂覆的线材绞合，由此形成芯线
-紧压该芯线
正如上文已描述的，紧压导体是现有技术中已知的，且甚至已广泛应用。但是，现有技术从未提出紧压输电电缆的芯线，正如本领域技术人员预期的，当紧压该芯线由此使独立涂覆的线材变形至它们丧失其圆度的程度时，会显著破坏涂层，导致参数降低，如耐腐蚀性损失。但是根据本发明，当使用合适的涂料并采用合适的加工参数进行紧压步骤时，确实可以紧压由独立涂覆并绞合的线材构成的电缆芯线。当涂层与紧压相配合时，与标准未紧压或非梯形线型相比，涂层耐腐蚀性没有降低。
图1是本发明的输电电缆的截面图，显示了紧压芯线截面(a)和导体截面(b)。
在涂覆后，将芯线的线材绞合并紧压。平行地，在紧压芯线周围绞合导体线材。紧压该芯线的步骤可以与绞合芯线线材的步骤顺序进行，这意味着在绞合线材后立即紧压该芯线，优选在同一生产线中。
可以通过模拉或辊轧进行芯线的紧压。模拉是用于通过一系列尺寸递减的模子(孔)拉拔该材料来制造柔性金属线的技术。辊轧是其中芯线穿过一系列压辊或十字形辊模头(Turks heads)的技术。
在优选实施方案中，借助压辊进行芯线的紧压，因为与模拉相比，该线材较少变热，由此较少影响芯线的机械性能，例如抗拉强度。与模拉相比，使线材涂层松弛和/或破坏线材涂层的风险也较小。本领域技术人员会理解，根据线材材料及其耐压性和所用涂层的类型及其紧压程度，也可以混合这两种技术。
线材数目可以是5至25，优选7或19。大多数标准输电电缆具有7或19根线材的芯线。它们可以螺旋缠绕和轴向排列。在7根线材的情况下，芯线束具有1+6结构，而在19根线材的情况下，芯线束具有1+6+12的SZ或ZS结构。
芯线的线材可以由高碳钢制成。高碳钢具有下列钢组成：碳含量0.30％至1.15％，锰含量0.10％至1.10％，硅含量0.10％至0.90％，硫和磷含量限制在0.15％，优选0.10％或更低；可加入另外的微量合金化元素，如铬(最高0.20％-0.40％)，铜(最高0.20％)和钒(最高0.30％)。所有百分比为重量百分比。
芯线线材独立涂覆以避免由渗水引起的线材间腐蚀。该涂层可以是在紧压后保持充足涂层性能的任何涂层，并优选是锌、锌-铝或锌-铝-镁型合金。
锌-铝涂层是优选涂层。钢芯上的这种涂层具有2％至12％的铝含量，例如3％至11％，优选组成位于共析合金位置附近：Al约5％。锌合金涂层进一步具有润湿剂，如含量为低于锌合金的0.1％的镧或铈。涂层的其余成分是锌和不可避免的杂质。锌铝涂层具有比锌更好的总体耐腐蚀性。与锌相比，锌铝涂层是耐温的，并能经受ACSS的预退火过程。仍与锌相比，当暴露在高温下时，锌铝合金不发生剥落。所有百分比为重量百分比。
锌铝镁涂层也提供提高的耐腐蚀性。在优选的锌铝镁涂层中，铝量为0.1％至12％，镁量为0.1％至5.0％。该组合物的余量为锌和不可避免的杂质。一个实例是铝含量为4％至7.5％，镁含量为0.25至0.75％。所有百分比为重量百分比。
钢线上的涂层重量可大于100克/平方米，优选大于200克/平方米。
在本发明的另外实施方案中，该方法可以进一步包括额外涂覆紧压芯线的步骤。在紧压后，再次优选用锌、锌-铝或锌-铝-镁型合金涂覆该芯线是有用的。本领域技术人员会理解，由于该第二涂层不必承受紧压步骤，因此第二涂层的要求不如第一涂层严格。
该方法可以进一步包括形成围绕该芯线的导体的步骤。
该导体可以由铝、铝合金、铝-镁-硅合金、铝复合材料制成，但不限于此。
在本发明的另外实施方案中，该导体可以是紧压的或由梯形紧压线材制成。如上所述，在本领域已知并已广泛应用的是，紧压该导体以减小电缆直径并保持相同的导体载流容量，或保持与未紧压导体电缆相同的电缆直径并同时增加导体截面。紧压导体还可以通过形成在绞合前已是梯形的导体线材来获得。通过将紧压芯线和紧压导体结合，可以显著降低电缆直径，或在保持常规电缆直径的同时可显著提高导体截面。
作为第二方面，本发明提供了一种输电电缆，其包含
-具有至少两根独立涂覆并绞合的线材的电缆芯线
-和围绕该芯线的导体，
其中该芯线是紧压的或由梯形紧压线材制成。
根据本发明，该输电电缆可以是但不限于，AAC(全铝导体)、AAAC(全铝合金导体)、ACSR(钢芯铝绞线)、ACSS(钢芯软铝绞线)、ACAR(铝合金芯铝绞线)、AACSR(钢芯铝合金绞线)、AAC/TW(全铝导体/梯形线材)、AAAC/TW(全铝合金导体/梯形线材)、ACSR/TW(钢芯铝绞线/梯形线材)、ACSS/TW(钢芯软铝绞线/梯形线材)。
在本发明的一个实施方案中，该输电电缆的钢芯可以是7线钢芯，其直径与未紧压的7线钢芯相比降低最多10％。未紧压钢芯中存在的气隙可被填充，然而根据电缆要求，中径降低也是可能的。与之相伴地，这种构造能够保持相同的钢芯截面，并因此可以在钢线材抗拉强度不变的情况下保证相同的最终极限抗拉强度(UTS)。因此，可以通过如下方式调节导体设计：减小导体最终直径同时保持导体的载流容量，或保持其常规直径由此提高导体截面及其载流容量。
在本发明的一个实施方案中，该输电电缆的钢芯可以是在保持其常规直径的同时截面增加最多20％的7线钢芯。未紧压钢芯中存在的气隙可被填充，然而根据电缆要求，中径降低也是可能的。同时，这种构造能够在钢线抗拉强度不变的情况下线性提高该芯线的UTS。显然，芯线部分的重量可增加。因此，可以通过如下方式调整导体设计：增加导体直径由此提高导体载流容量，或保持其常规直径由此保持常规导体截面及其载流容量。在这种情况下，由于其与导体截面相比提高的钢截面，该导体具有更高的安全系数。
在本发明的一个实施方案中，该输电电缆的钢芯可以是19线钢芯，其直径与未紧压的19线钢芯相比降低最多7％。未紧压钢芯中存在的气隙可被填充，然而根据电缆要求，中径降低也是可能的。与之相伴地，这种构造能够保持相同钢芯截面，并因此可以在钢线材抗拉强度不变的情况下保证相同的最终极限抗拉强度(UTS)。因此，可以通过如下方式调节导体设计：减小导体最终直径同时保持导体的载流容量，或保持其常规直径由此提高导体截面及其载流容量。
在本发明的一个实施方案中，该输电电缆的钢芯可以是在保持其常规直径的同时截面增加最多14％的19线钢芯。未紧压钢芯中存在的气隙可被填充，然而根据电缆要求，中径降低也是可能的。同时，这种构造能够在钢线材抗拉强度不变的情况下线性提高该芯线的UTS。显然，芯线部分的重量提高。因此，可以通过如下方式调整导体设计：增加导体直径由此提高导体载流容量，或保持其常规直径由此保持常规导体截面及其载流容量。在后一情况下，由于与导体截面相比提高的钢截面，该导体可具有更高的安全系数。
由于钢芯的紧压，钢芯的外侧线材之间的开口减小或消失。因此，承受拉伸载荷时的钢芯具有更少或不具有结构伸长。结构伸长的不存在或减小导致钢芯的总伸长减小和E模量提高。通过紧压，E模量可提高超过10％，超过15％或超过20％。因此，紧压的钢芯比未紧压的钢芯刚硬得多，这导致松垂降低。松垂可能降低多达10％和更多。
当保持常规直径时，本发明的输电电缆可以在比常规电缆更高的电力输出下工作。如果要求常规电力输出，其减小的直径降低了风、冰或雪的影响。在这两种情况下，各芯线线材的主要机械、腐蚀和热性能都改良或保持不变。此外，由于芯线的高紧压程度，由芯线线材之间的气隙造成的电损耗降低，从而导致更有效的电能传导。