用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆 【技术领域】
本发明涉及输变电电缆，具体涉及用于高速铁路中带有加强芯的接触线缆。
背景技术
随着铁路大幅度提速，运营任务的加重和竞争日趋激烈，铁路重载化、高速化(300Km/h以上)已成为世界铁路行业的发展趋势，铁路运营中使用的接触线是轮轨式铁路高速化的关键装备之一。目前所用的纯铜和铜银合金接触线强度仅为350-400MPa，只适合于中低速(250Km/h以下)铁路，难于满足高速铁路的服役条件。
国内外现有的供中低速铁路用的接触线，一般采用上引连铸，配合冷加工强化，使其强度能达到铁路运行的要求。材料成分主要以纯铜、铜银合金、铜锡合金以及铜镁合金等为主中间加入钢丝芯，用以提高接触线缆的拉伸强。这类基础线缆的加工工艺方法简单高效，但其致命的弱点是材料组织不够致密，线缆自重较大，线缆架设后下垂严重，线缆在拉拔过程中组织变形不彻底，心部组织晶粒比较粗大；且上引连铸工艺大多用来生产简单合金，对于复杂合金来说，上引连铸难以实施，因此缺陷很多。但随着铁路高速化运行，简单的冷加工强化已经无法满足其要求。
国际上目前能满足高速铁路接触线要求的导线材料很少，德国联邦股份公司(DBAG)的Re330型铜镁合金接触线较为先进，抗拉强度达503MPa，电导率为68.1％，软化温度为385℃。国内引进德国的接触线材料也是Cu-Mg合金，其强度和导电率也与上述数值接近，这些参数对于高速铁路来说不算太高。我国目前高速铁路导线尚未形成体系，研发具有独立知识产权的高速铁路接触线刻不容缓。
高速铁路接触线要求材料同时具有高的强度和导电性能，必须通过特殊的成分设计和加工技术才能实现。通过固溶强化、沉淀强化、细晶强化和形变强化等手段来强化铜基体，要求加强芯的材料因该具备拉伸强度高，重量轻，导电性好，耐高温、耐低温性能好等特点。并且还应具备技术较成熟，工艺较简单，成本较低，适宜规模化生产，但现有的各类接触线缆所得材料强度一般低于550MPa，电导率一般难于超过75％IACS。人工复合和自生复合法是另一类重要的强化方法。人工复合材料是通过人工加入第二相的颗粒、晶须、纤维强化铜基体或依靠强化相本身强度来增加铜材料强度(粉末冶金和塑性变形法)。自生复合材料法是往铜中加入合金元素，通过超大变形工艺，在铜合金内部原位生成增强相，与基体铜一起构成纤维复合材料，并且增强体与基体铜在加工前就以两种材料形式存在。复合法制备的铜合金抗拉强度可达2000MPa以上，但存在着工艺复杂、质量难以控制、生产成本太高，难以工业化，并无法用于生产能适合电气化铁路接触线要求的大长度(1500m)接触线，不利于工业化生产。
合金化方法的核心技术是通过向铜基体中添加一定的合金元素，以形成固溶体或过饱和固溶体，使铜基体发生晶格畸变或时效析出强化相，来获得高强度和高导电性能兼备的铜合金。用合金化法制得的铜材强度σb在350～650MPa之间，电导率可以高达60-90％IACS，但要使二者同时具有较高的水平就需要配合其它技术。综上所述采用现有技术生产出的各类接触线缆无法满足快发展的铁路运输业的要求，因此有必要对现有接触电缆的结构和加工工艺进行改进。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术中的缺陷，设计一种用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆。使该接触线缆与同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量，有效解决电缆下垂问题；可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度；线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题；因为可以提供更高的载流容量，同时也有效的降低了工程成本；与相同直径传统电缆相比可以多容纳导体；高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度；有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。
为实现上述目的，本发明的技术方案是采用一种用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆，在所述线缆的中心设有碳纤维芯，在所述碳纤维芯的外表包裹有合金层；所述合金与所述碳纤维芯在水平连铸机内，或在扎压包覆机内，或在合金侵涂装置内复合成线缆。
其中，在所述水平连铸机内，或在扎压包覆机内，或在合金侵涂装置内设有使碳纤维芯位于线缆中心的定位架。
其中，所述合金为铜合金或铝合金。
其中，所述铜合金为银铜合金、或为锡铜合金、或为铬锆铜合金、或为镉铜合金、或为镁铜合金。
其中，所述线缆表面经冷轧和冷拔处理后截面形状为圆形。
其中，在所述圆形截面左右两侧对称的，设有冷拔模具内拔出的两个V形挂线槽。
其中，所述V形挂线槽下端的线缆表面为裸露的导电表面，在所述V形挂线槽上端的线缆表面可设有绝缘层。
其中，所述绝缘层的材料为绝缘漆，或为热缩套管，或为橡胶，或为纤维织物。
其中，在所述碳纤维芯与所述合金层之间可加装绝缘层。
其中，所述接触线缆为高速铁路中的接触电缆。
本发明的优点和有益效果在于，由于碳纤维材料固有的优点，该接触线缆与同样直径的ACSR电缆相比，线缆的重量得到了大幅度减轻，可以提供双倍的载流容量，有效解决电缆下垂问题；可以在更高地温度下工作，最高可达200摄氏度；线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题；因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本；与相同直径传统电缆相比可以多容纳28％的导体；高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度；有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。
用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆具有高强度、高模量、耐高温、抗疲劳、导电性能好、质轻、易加工等多种优异性能，可征服和取代传统刚芯材料的接触线缆。
【附图说明】
图1是本发明接触电缆剖面结构图；
图2是本发明水平连铸机与碳纤维芯复合装置结构示意图。
图中：1、碳纤维芯；2、合金层；3、V形挂线槽；4、接触线缆；5、碳纤维芯与合金层复合炉；6、电加热装置；7、碳纤维芯与合金层复合模具；8、冷扎装置；9、冷拔装置；10、定位架。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1和2所示，本发明具体实施的技术方案是：
采用一种用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆4，在所述线缆的中心设有碳纤维芯，在所述碳纤维芯1的外表包裹有合金层2；所述合金与所述碳纤维芯在水平连铸机内，或在扎压包覆机内，或在合金侵涂装置内复合成线缆。在水平连铸机内碳纤维芯与合金层的复合过程如附图2所示，电加热装置6将碳纤维芯与合金层复合炉5内的合金材料加热融化，碳纤维芯与融化的合金材料通过碳纤维芯与合金层复合模具7复合成由合金材料包裹着碳纤维芯的接触线缆，再经冷轧装置8和冷拔装置9后制成用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆4。
在本发明中，在所述水平连铸机内，或在扎压包覆机内，或在合金侵涂装置内设有使碳纤维芯位于线缆中心的定位架10。用于使碳纤维芯位于接触线缆的中心。
在本发明中，所述合金可以是铜合金或铝合金。其中，所述铜合金可以是银铜合金、或为锡铜合金、或为铬锆铜合金、或为镉铜合金、或为镁铜合金。
在本发明中，所述线缆表面经冷轧和冷拔处理后截面形状为圆形。在所述圆形截面左右两侧对称的设有冷拔模具内拔出的两个V形挂线槽3。
在本发明中，所述V形挂线槽3下端的线缆表面为裸露的导电表面，在所述V形挂线槽3上端的线缆表面可设有绝缘层。所述绝缘层的材料为绝缘漆，或为热缩套管，或为橡胶，或为纤维织物。
在本发明中，可根据实际工程中的需要在所述碳纤维芯与所述合金层之间可以加装绝缘层。
本实施例最佳技术方案至是，将所述的接触线缆用于高速铁路中的接触电缆。
本实施例的优点还表现为，众所周知，碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量较高、在热处理过程中是不熔融的人造化学纤维，经过热稳定氧化处理，在经过碳化处理及石墨化等工艺制成的。其含碳量随种类不同而异，一般在90％以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐磨擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工性好，沿纤维轴方向表现出很高的强度，且碳纤维比重小。
碳纤维以其固有的特性赋予了其复合后材料优异的性能，它具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，从而为其在电线电缆行业中的应用提供了可能和必然。
本发明用合金材料包裹碳纤维芯的接触线缆4与钢芯合金绞线相比，碳纤维复合芯导线具有以下优点：和同样直径的ACSR电缆相比，可以提供双倍的载流容量。有效解决电缆下垂问题。可以在更高的温度下工作，最高可达200摄氏度。线芯可以抗腐蚀，而且没有双金属间腐蚀问题。因为可以提供更高的载流容量，所以同时也有效的降低了工程成本。与相同直径传统电缆相比可以多容纳28％的导体。高强度线芯可以有效减少电缆架的数量，或降低电缆架的高度。有效减少电缆下垂，使地面生物更加安全。
除了上述提及的优点外，还可减少传输中电力的损耗，减少20％的塔杆，节省用地，减少有色金属资源消耗，有助于构造安全、环保、高效节约型输电网络。
碳纤维细如蛛丝，三型碳纤维比强度是钢的62倍以上，成形工艺性好，是一代新型工程材料，其弹性量高，抗变性能力比钢大2倍多，抗拉强度30～40t/cm2pa，而比重还不到钢的四分之一，是铜合金的二分之一，高弹模量比钢铁大16倍，比铜合金大12倍。且碳纤维比钢等柔软。因此，碳纤维可用于要求能承重、不易损伤内部元件的电缆的加强芯，如海底光缆等。碳纤维可以耐-180℃的低温，在此条件下，许多材料都变的很脆，连坚固的钢铁也变的比玻璃还容易碎，而碳纤维在此条件下依旧很柔软。因此，碳纤维复合芯可用于极寒(如南极考察研究等)条件下输电载体的设计和制造。碳纤维又可以耐3000℃～3500℃的高温，在此高温下最好的耐热钢也变成钢水，但在没有氧气的情况下，碳纤维没有变化。碳纤维即使从3000℃的高温快速冷却到室温也不会炸裂，因而可在急冷急热的环境中工作。这为钢铁、冶金、锅炉等行业中高温特高温场合电缆的设计提供了可能。此外，碳纤维纱、碳纤维绳、碳纤维布都可用于消防电缆产品的设计选用。碳纤维有超强的耐腐蚀性。金属中耐腐蚀性最强的是黄金和铂，在一份硝酸(浓度70％)和三份硫酸(浓度39％)配成的称“王水”的溶液中黄金、铂会被腐蚀的千疮百孔，而“王水”中的碳纤维却安然无恙。为各种化学环境下轻型耐化学腐蚀电缆的设计提供了新的思路。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。