Результат интеллектуальной деятельности: ПРОВОЛОКА С КОМПОЗИЦИОННЫМ СЕРДЕЧНИКОМ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в конструкциях многопроволочных проводов для воздушных линий, предназначенных для передачи электрической энергии в воздушных электрических сетях и линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий.

Согласно ГОСТ 19880-74 «Электротехника. Основные понятия. Термины и определения» под проводником понимают вещество, основным электрическим свойством которого является электропроводность.

Согласно ГОСТ 22265-76 «Материалы проводниковые. Термины и определения»:

- под проводниковым материалом понимают материал, обладающий свойствами проводника и предназначенный для изготовления кабельных изделий и токоведущих деталей;

- под металлическим проводниковым материалом понимают проводниковый материал из металла или сплава;

- под проводниковым материалом высокой проводимости понимают проводниковый материал с удельным электрическим сопротивлением при нормальных условиях не более 0,1 мкОм·м (серебро, медь, алюминий, сталь и их сплавы с другими веществами. Серебро чаще всего применяют для изготовления контактов реле и аппаратов (см.

http://www.byminsk.com/conductivity_theory.htm «Природа проводимости», http://www.licevim.ru/articles_529.html «Проводниковые материалы»).

Известна проволока, содержащая упрочняющий сердечник, покрытый металлическим проводниковым материалом высокой проводимости, при этом сердечник выполнен из стали, а в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использована медь. Данная проволока используется для изготовления электрического многопроволочного провода ПБСМ (ГОСТ 4775-91 «Провода многопроволочные сталемедные марки ПБСМ»). При номинальном диаметре проволок 2,2-2,8 мм толщина медной оболочки каждой из проволок равна 0,12-0,15 мм, остальное - стальной сердечник.

В качестве прототипа выбрана проволока, содержащая упрочняющий сердечник, покрытый металлическим проводниковым материалом высокой проводимости, при этом сердечник выполнен из стали, а в качестве металлического проводникового материала высокой проводимости использован алюминий. Данная проволока используется для изготовления электрического многопроволочного провода ПБСА (провод биметаллический сталеалюминиевый) (см. РД 34.20.504-94 «Типовая инструкция по эксплуатации воздушных линий электропередачи напряжением 35-800 кВ», введенная в действие с 1 января 1996 г.). При диаметре проволоки 2,8 мм, толщина алюминиевой оболочки каждой проволоки равна 0,2 мм, остальное - стальной сердечник.

Провода, выполненные из таких проволок, имеют достаточно высокую электропроводность и высокие механические свойства, которые обеспечиваются прочностью стали, удельная проводимость которой в 6 - 7 раз меньше, чем у меди, что приводит к потерям электроэнергии. Стальной сердечник, содержащийся в каждой из проволок, может перегреваться в условиях пиковых электрических нагрузок, что приводит к растяжению провода и его провисанию ниже допустимой нормы, следствием чего может являться электрический разряд, приводящий к отключению цепи.

Следует отметить, что ограничение пропускной способности проводов, выполненных из проволок со стальным сердечником, связано именно с большим коэффициентом линейного расширения стали. Увеличение пропускной способности линий электропередачи, в которых использованы такие электрические провода, возможно за счет увеличения количества проводов со стальными сердечниками или за счет увеличения диаметра используемых проводов, что в любом случае увеличивает вес проводов линии электропередачи, а следовательно, усложняется арматура и увеличивается механическая нагрузка на опоры линий электропередач, которые необходимо заменять на более мощные.

Кроме того, использование в проводах тяжелых проволок со стальными сердечниками приводит к тому, что большинство воздушных линий электропередач не в состоянии нести на себе дополнительно вес изоляции, поскольку при принятом оптимальном расстоянии между опорами велика вероятность разрыва проводов под собственным весом. Поэтому большая часть линий электропередач выполнена из алюминиевых неизолированных проводов. Это повышает риск эксплуатации (велика вероятность обрыва, опасность поражения током и т.п.) и частоту отказов: так, например, частота отказов неизолированных проводов составляет 33 на 100 км проводов, а изолированных не превышает 5.

Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое решение, является создание проволоки с увеличенной пропускной способностью и обладающей меньшей массой, большой прочностью и устойчивостью к провисанию.

Решением данной задачи является проволока с упрочняющим сердечником, покрытым слоем металлического проводникового материала высокой проводимости, новым в которой является то, что сердечник выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанокластерами фуллероидного типа, концентрация которых равна 0,001-2,0 мас.%.

В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь и/или алюминий или сталь или их сплавы с другими веществами.

В качестве синтетической смолы могут быть использованы термореактивная смола, например эпоксидная, или термостойкая термопластичная смола с температурой плавления выше 150°C.

В качестве углеродных нанокластеров могут быть использованы фуллерены и/или нанотрубки, и/или астралены, представляющие собой многослойные полиэдральные углеродные структуры фуллероидного типа.

В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости (далее - покрытие) в заявляемой проволоке могут использоваться медь и/или алюминий, или сталь или их сплавы с другими веществами. При этом для проводов воздушных линий электропередач в качестве покрытия используют алюминий или сплав марки ABE (ГОСТ 839-80), как легкие и дешевые материалы с хорошей электропроводимостью; в линиях электрифицированного транспорта в качестве несущих тросов, усиливающих, питающих и отсасывающих линий используют медь или бронзу, как материалы с повышенной электропроводимостью; для нагревательных элементов, используемых для борьбы с обледенением проводов, применяют сталь, как материал с большим электрическим сопротивлением. Для дополнительного увеличения на 5-15% допустимой пропускной способности алюминиевой проволоки с сердечником, на ее поверхность накладывают слой медного покрытия, площадь сечения которого соответственно равно 10-30% от общей площади сечения покрытия, при этом площадь сечения проволоки не увеличивается. При этом вес проволоки увеличивается на 20-60%, что является допустимым в заявляемой проволоке благодаря высоким прочностным свойствам сердечника.

Монолитность композиционного материала обеспечивается матрицей из синтетической смолы, в качестве которой может быть применена термореактивная смола, преимущественно эпоксидная, или термопластичная смола с температурой плавления выше 150°C, например смола по патенту РФ №2142449. Используемые синтетические смолы в отвержденном состоянии обладают высокими механическими и термическими свойствами, высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб, устойчивостью к вибрационным нагрузкам и, что очень важно, высокой адгезией к частицам модификатора (углеродного нанокластера), так как при отсутствии хорошего механического сопряжения между поверхностью частиц модификатора и молекулами матрицы, прочность композиционного материала не только не увеличивается, а даже снижается. Перечисленные свойства являются необходимыми и достаточными для обеспечения надежной эксплуатации электрических проводов, изготовленных из заявляемых проволок.

Использованные для модификации синтетической смолы фуллерены и/или нанотрубки, и/или астралены обладают низкой плотностью (в шесть раз меньше, чем у стали), высокой прочностью на растяжение и на изгиб (в 50-100 раз больше чем у стали) и могут пропускать очень высокие плотности электрического тока без изменения своих свойств. Высокая реакционная активность используемых углеродных нанокластеров обеспечивает их хорошее механическое сопряжение с молекулами матрицы.

Опытным путем установлено, что оптимальная концентрация используемых углеродных кластеров (модификатора) в композиционном материале равна 0,001-2,0 мас.%, что позволяет в 1,5-2,0 раза увеличить прочностные характеристики композиционного материала, из которого выполнен сердечник. Это объясняется тем, что при такой концентрации расстояние между частицами модификатора, равномерно распределенными по всему объему материала, составляет около 5 - 10 мкм. Концентрация модификатора менее 0,001 мас.%, не приводит к улучшению свойств композиционного материала. Установлено, что увеличение концентрации модификатора выше 2 мас.%, ведет к существенному снижению прочности композиционного материала.

Кроме того, установлено, что по мере роста нагрузки в композиционном материале с однослойными нанотрубками может наблюдаться разрушение связи между поверхностью нанотрубки и молекулами матрицы, что позволяет использовать проволоку с таким сердечником и провода, выполненные из таких проволок, в условиях отсутствия больших нагрузок, которые могут возникнуть, например, при обледенении и вибрации. В композиционном материале с многослойными нанотрубками и/или с фуллеренами, и/или с астраленами подобный эффект разрушения связей полностью отсутствует, что позволяет использовать проволоку с таким сердечником и провода, выполненные из таких проволок, в условиях больших нагрузок, ограниченных только механической прочностью материала сердечника. Увеличение стойкости к разрушению внутренних связей композиционного материала с однослойными нанотрубками достигается путем введения фуллеренов или астраленов или многослойных нанотрубок в количестве 10 мас.%, от массы однослойных нанотрубок.

При этом используемый для изготовления сердечника композиционный материал, вес которого соизмерим с весом матрицы, кроме улучшенных прочностных характеристик, обладает повышенной термостойкостью и трещиностойкостью, постоянством размеров при резких перепадах температур и устойчивостью к вибрационным нагрузкам. Упрочняющий сердечник, выполненный из такого прочного и легкого композиционного материала, имеет диаметр в 1,5-2 раза меньше, чем стальной сердечник в биметаллической проволоке, что позволяет при той же площади сечения проволоки, что и у биметаллических проволок, увеличить площадь сечения металлического проводникового материала высокой проводимости, то есть повысить допустимую пропускную способность проволоки без увеличения ее веса. Провода, выполненные из таких проволок и используемые в линиях электропередачи, не увеличивают механическую нагрузку на опоры линий электропередач и не усложняют арматуру, что позволяет применять данные провода на существующих опорах и со стандартной арматурой. Если необходимость в увеличении пропускной способности проволоки (провода) отсутствует, то, уменьшив сечение сердечника, сечение проводникового материала оставляют прежним, при этом общее сечение проволоки (провода) уменьшается. Если условия эксплуатации линии электропередач в первую очередь предписывают безопасность эксплуатации, например, на лесных просеках и в городах, то провод, имея меньшее сечение, может быть выполнен изолированным, но пропускная способность при этом остается на прежнем нормативном уровне, а нагрузка на опоры не увеличивается.

Заявляемая проволока и сердечник для нее изготавливаются на стандартном оборудовании, по авторской технологии, основанной на личных знаниях и опыте работы авторов, и в данной заявке не рассматривается.

Технология внесения углеродных нанокластеров в матрицу и выбор их конкретной концентрации для каждого отдельного случая являются авторскими разработками и в данной заявке не рассматриваются.

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» и «изобретательский уровень».

Заявляемое техническое решение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 изображена заявляемая проволока с покрытием из одного слоя металлического проводникового материала высокой проводимости, на фиг.2 - проволока с покрытием из двух слоев металлического проводникового материала высокой проводимости, а на фиг.3 - пример выполнения электрического провода из заявляемых проволок.

Проволока 1 состоит из упрочняющего сердечника 2, покрытого слоем металлического проводникового материала 3 высокой проводимости. Сердечник 2 выполнен из композиционного материала с матрицей из синтетической смолы, модифицированной углеродными нанокластерами фуллероидного типа, концентрация которых равна 0,001-2,0 мас.%. В качестве металлического проводникового материала высокой проводимости могут быть использованы медь, алюминий, сталь, их сплавы с другими веществами или покрытие может быть выполнено из слоя 4 алюминия и слоя 5 меди. В качестве синтетической смолы использована термореактивная смола, например эпоксидно-диановая смола ЭД-16 (ГОСТ 10587-84) с отвердителем полиэтиленполиамин (ПЭПА) (ТУ 2413-357-00203447-99, ТУ 2413-214-00203312-2002). В качестве синтетической смолы может быть использована термостойкая термопластичная смола с температурой плавления выше 150°C, например смола по патенту РФ №2142449. В качестве углеродных нанокластеров использованы фуллерены (ТУ 31968474.1319.001-2000) и/или нанотрубки (ТУ 31968474.1319.001-2000), и/или астралены (ТУ 31968474.1319.001-2000).

Для изготовления сердечника 2 подготавливают фуллерены и/или нанотрубки, и/или астралены в виде суспензии и активизируют их с помощью, например, ультразвука. После этого суспензию вводят в эпоксидную смолу (матрицу) и тщательно перемешивают для равномерного распределения матрицы между частицами нанокластеров. После этого вводят отвердитель и формуют сердечник 2. После процесса формования сердечник 2 охлаждают с целью исключения в последующем усадочных явлений в готовой проволоке 1. Проволоку 1 получают путем совместной деформации оболочки из проводникового материала 3 и сердечника 2, помещенного в оболочку 3.

Ниже приведены данные, полученные при испытании проволоки с сердечником, выполненным из эпоксидной смолы ЭД-16 с отвердителем ПЭПА и смеси однослойных нанотрубок и фуллеренов C₆₀ с концентрацией 0,7 мас.%. При этом фуллеренов содержится 10% от массы однослойных нанотрубок. Прочность (на разрыв) сердечника равна 220 кг/мм², то есть в 2 раза больше, чем у стали Ст.50.

Сердечник 2 с медной токопроводящей оболочкой 3 согласно ГОСТ 4775-91 должен выдерживать разрушающую нагрузку при растяжении от 60 до 70 кг/мм² (в зависимости от номинального сечения провода), а сердечник 2 с алюминиевой оболочкой 3 согласно РД 34.20.504-94 должен выдерживать разрушающую нагрузку при растяжении 83 кг/мм² (при номинальном сечения провода 120 мм²).

Согласно ГОСТ 4775-91: номинальный диаметр проволок 1 равен 2,8 мм, толщина медной оболочки 3 проволоки 1 равна 0,15 мм, диаметр стального сердечника 2 равен 2,5 мм. Прочность сердечника 2 в заявляемой проволоке позволила уменьшить его диаметр в 2 раза по сравнению со стальным сердечником, то есть до 1,25 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина медной оболочки 3 увеличилась до 0,775 мм, а проводимость проволоки увеличилась в 5,1 раза.

Согласно РД 34.20.504-94: номинальный диаметр проволок 1 равен 2,8 мм, толщина алюминиевой оболочки 3 проволоки 1 равна 0,2 мм, диаметр стального сердечника 2 равен 2,4 мм. Прочность сердечника 2 в заявляемой проволоке позволила уменьшить его диаметр в 2 раза по сравнению со стальным сердечником, то есть до 1,2 мм. Благодаря этому, сохраняя для заявляемой проволоки 1 прежний номинальный диаметр (2,8 мм), толщина алюминиевой оболочки 3 увеличилась до 0,8 мм, а проводимость проволоки увеличилась в 4 раза.

В электрическом проводе, выполненном из заявляемых проволок 1, в процессе эксплуатации каждый из упрочняющих сердечников 2, выполненных из композиционного материала с углеродными нанокластерами, воспринимает нагрузки, направленные на растяжения провода, а слой 3 из металлического проводникового материала высокой проводимости (меди, алюминия) обеспечивает повышенную электрическую проводимость каждой проволоки 1 провода.

Замена проводов со стальными сердечниками проводами, выполненными из проволок с сердечниками из композиционного материала с углеродными нанокластерами, позволяет увеличить пропускную способность линии электропередач без риска провисания и разрушения провода. Сочетание малого веса проводов, большой прочности и устойчивости к провисанию позволяет выполнять такие провода изолированными, увеличить расстояния между опорами и использовать существующие линии передач без усиления опор и изменения арматуры. Кроме того, при двухслойном покрытии с внешним слоем из меди обеспечиваются хорошие контактные свойства проволоки (провода) при соединении с арматурой.