專利名稱：電纜及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電纜及其制造方法。
背景技術(shù)：
通常，已知復(fù)合材料(包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料(MMC))。復(fù)合材料典型地包括利用纖維、微粒、晶須或纖維(例如短纖維或長纖維)增強的基質(zhì)。金屬基質(zhì)復(fù)合材料的例子包括鋁基質(zhì)復(fù)合材料電線(例如嵌入在鋁基質(zhì)中的金剛砂、碳、硼或多晶α氧化鋁纖維)、鈦基質(zhì)復(fù)合材料帶(例如嵌入在鈦基質(zhì)中的金剛砂纖維)以及銅基質(zhì)復(fù)合材料帶(例如嵌入到銅基質(zhì)中的金剛砂或硼纖維)。聚合物基質(zhì)復(fù)合材料的例子包括在環(huán)氧樹脂基質(zhì)中的碳或石墨纖維、在聚酯樹脂中的玻璃或芳族聚酸胺纖維，以及在環(huán)氧樹脂中的碳和玻璃纖維。
復(fù)合材料電線(例如金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線)的一種使用是作為在裸高架電力傳輸電纜中的增強部件。對于電纜的一種典型需求由增加現(xiàn)存?zhèn)鬏敾A(chǔ)結(jié)構(gòu)的電力傳輸容量的需求而驅(qū)動。
對于用于高架電力傳輸應(yīng)用的電纜的期望性能需求包括抗腐蝕性、環(huán)境耐受力(例如UV和濕度)、在高溫處對于強度損失的抵抗力、抗蠕變力，以及相對較高的彈性模量、低密度、低熱膨脹系數(shù)、高電導(dǎo)率和高強度。雖然已知包括鋁基質(zhì)復(fù)合材料電線的高架電力傳輸電纜，對于一些應(yīng)用還有持續(xù)的需求，例如更優(yōu)良的垂度特性(sagproperty)。

發(fā)明內(nèi)容
在一個方面，本發(fā)明提供一種電纜，其包括
縱向芯，其具有熱膨脹系數(shù)并且包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線；以及多條電線，其共同地具有大于芯的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)，其中該多條電線包括鋁電線、銅電線、鋁合金電線或銅合金電線的至少一種，并且其中該多條電線圍繞芯絞合，并且其中該電纜具有不大于20MPa(在一些實施例中，不大于19MPa、18MPa、17MPa、16MPa、15MPa、14MPa、13MPa、12MPa、11MPa、10MPa、9MPa、8MPa、7MPa、6MPa、5MPa、4MPa、3MPa、2MPa、1MPa，或甚至不大于0MPa；在一些實施例中，在從0MPa到20MPa、0MPa到15MPa、0MPa到10MPa或0MPa到5MPa的范圍內(nèi))的應(yīng)力參數(shù)。在一些實施例中，該多條電線具有至少90MPa或甚至至少100MPa的抗拉強度(根據(jù)ASTM B557/B557M(1999)計算)。
在另一方面，本發(fā)明提供制造根據(jù)本發(fā)明的電纜的方法，該方法包括圍繞縱向芯絞合多條電線，其中該多條電線包括鋁電線、銅電線、鋁合金電線或銅合金電線的至少一種，以提供預(yù)絞合電纜，該芯包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線；以及將預(yù)絞合的電纜經(jīng)受閉式模具以提供電纜，其中該閉式模具有內(nèi)徑，其中該電纜具有外徑，并且其中內(nèi)部模具直徑為外部電纜直徑的1.00到1.02倍的范圍內(nèi)。
如在這里使用的，以下的術(shù)語定義為如同表示的那樣，除非在這里另外指出“陶瓷”表示玻璃、結(jié)晶陶瓷、微晶玻璃以及它們的組合。
“連續(xù)纖維”表示具有與平均纖維直徑比相對極大的長度的纖維。典型地，這表示該纖維具有至少1×105(在一些實施例中至少1×106，或甚至至少1×107)的縱橫比(也就是纖維的長度和纖維的平均直徑的比率)。典型地，這樣的纖維具有在至少50米量級的長度，并且甚至可以具有千米量級或更多的長度。
根據(jù)本發(fā)明的電纜是有用的，例如用作電力傳輸電纜。典型地，根據(jù)本發(fā)明的電纜顯現(xiàn)出改進的垂度特征(也就是減少的垂度)。


圖1-5為根據(jù)本發(fā)明的電纜的示例性實施例的示意橫截面圖。
圖6為根據(jù)本發(fā)明的用于利用熔化金屬浸滲纖維的示例性超聲浸滲設(shè)備的示意圖。
圖7、7A和7B為用于制造根據(jù)本發(fā)明的電纜的示例性絞合設(shè)備的示意圖。
圖8為比較例子的電纜垂度數(shù)據(jù)的圖示。
圖9為例子3的電纜垂度數(shù)據(jù)的圖示。
圖10為電纜的示例性實施例的示意橫截面圖。
具體實施例方式
本發(fā)明涉及電纜和制造電纜的方法。根據(jù)本發(fā)明的示例性電纜10的橫截面圖顯示在圖1中。電纜10包括芯12以及兩層絞合圓形電線14，其中芯12包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線16。
根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性電纜20的橫截面視圖顯示在圖2中。電纜20包括芯22和三層絞合電線24，其中芯22包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線26。
根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性電纜30的橫截面視圖顯示在圖3中。電纜30包括芯32和絞合梯形電線34，其中芯32包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線36。
根據(jù)本發(fā)明的另一種示例性電纜40的橫截面視圖顯示在圖4中。電纜40包括芯42和絞合電線44。
在一些實施例中，芯在至少從大約-75℃到大約450℃的溫度范圍上具有從大約5.5ppm/℃到大約7.5ppm/℃的范圍中的縱向熱膨脹系數(shù)。
在一些實施例中，陶瓷纖維具有至少1.5GPa、2GPa、3GPa、4GPa、5GPa、6GPa或甚至至少6.5GPa的平均抗拉強度。在一些實施例中，陶瓷纖維具有從140GPa到大約500GPa的或者甚至從140GPa到大約450GPa的范圍中的模數(shù)。
陶瓷纖維的例子包括金屬氧化物(例如氧化鋁)纖維、氮化硼纖維、金剛砂纖維和任何這些纖維的組合。典型地，陶瓷氧化物纖維是結(jié)晶陶瓷和/或結(jié)晶陶瓷與玻璃的混合物(也就是纖維可以包括結(jié)晶陶瓷和玻璃相)。典型地，這樣的纖維具有至少50米量級的長度，并且甚至可以具有千米量級或更多的長度。典型地，該連續(xù)陶瓷纖維具有從大約5微米到大約50微米、從大約5微米到大約25微米、從大約8微米到大約25微米或甚至從大約8微米到大約20微米的范圍內(nèi)的平均纖維直徑。在一些實施例中，結(jié)晶陶瓷纖維具有至少1.4GPa、至少1.7GPa、至少2.1GPa以及或者甚至至少2.8GPa的平均抗拉強度。在一些實施例中，結(jié)晶陶瓷纖維具有大于70GPa到不大于約1000GPa或甚至不大于420GPa的模數(shù)。
單絲陶瓷纖維的例子包括金剛砂纖維。典型地，該金剛砂單絲纖維為結(jié)晶和/或結(jié)晶陶瓷與玻璃的混合物(也就是纖維可以包括結(jié)晶陶瓷和玻璃相)。典型地，這樣的纖維具有大約至少50米的長度，并甚至可以具有千米量級或更多的長度。典型地，該連續(xù)金剛砂單絲纖維具有在從大約100微米到大約250微米的范圍中的平均纖維直徑。在一些實施例中，該結(jié)晶陶瓷纖維具有至少2.8GPa、至少3.5GPa、至少4.2GPa以及或者甚至至少6GPa的平均抗拉強度。在一些實施例中，結(jié)晶陶瓷纖維具有大于250GPa到不大于約500GPa或到甚至不大于430GPa的模數(shù)。
此外，示例性玻璃纖維可以從例如Corning Glass，Corning，NY獲得。典型地，連續(xù)玻璃纖維具有在從大約3微米到大約19微米的范圍內(nèi)的平均纖維直徑。在一些實施例中，該玻璃纖維具有至少3GPa、4GPa以及甚至至少5GPa的平均抗拉強度。在一些實施例中，該玻璃纖維具有在從大約60GPa到95GPa或大約60GPa到大約90GPa的范圍中的模數(shù)。
在一些實施例中陶瓷纖維成繩。繩在纖維工藝中已知并且表示以粗紗狀形式聚集的多根(單根)纖維(典型地至少100根纖維、更典型地至少400根纖維)。在一些實施例中，這些繩每繩包括至少780根單根纖維，而在一些情況下，每繩包括至少2600根單根纖維。陶瓷纖維繩可在多種長度下得到，包括300米、500米、750米、1000米、1500米、1750米以及更長。該纖維可以具有圓形或橢圓形的橫截面形狀。
氧化鋁纖維在例如美國專利號No.4,954,462(Wood等)和No.5,185,29(Wood等)中進行描述。在一些實施例中，氧化鋁纖維是多晶α氧化鋁纖維，并且基于理論氧化物基礎(chǔ)，基于氧化鋁纖維的全部重量，包括大約99％重量的Al2O3和0.2-0.5％重量的SiO2。在另一方面，一些期望的多晶體、α氧化鋁纖維包括具有小于1微米(或甚至在一些實施例中小于0.5微米)的平均粒度的α氧化鋁。在另一方面，在一些實施例中，多晶體、α氧化鋁纖維具有至少1.6GPa(在一些實施例中至少2.1GPa或甚至至少2.8GPa)的平均抗拉強度。示例性的α氧化鋁纖維由3M公司，St.Paul，MN以“NEXTEL 610”商業(yè)名稱出售。
鋁硅酸鹽纖維在例如美國專利No.4,047,965(Karst等))中進行描述。示例性的鋁硅酸鹽纖維由St，Paul，MN的3M公司以“NEXTEL 440”、“NEXTEL 550”和“NEXTEL 720”商業(yè)名稱出售。
鋁硼硅酸鹽纖維在例如美國專利No.3,795,524(Sowman)中進行描述。示例性的鋁硼硅酸鹽纖維由3M公司以“NEXTEL 312”商業(yè)名稱出售。
氮化硼纖維可以例如按照在美國專利號No.3,429,722(Economy)和5,780,154(Okano等)中所描述那樣來制造。
示例性的金剛砂纖維由San Diego，CA的COI Ceramics以“NICALON”商業(yè)名稱以500根纖維的繩、從日本的Ube Industries公司以“TYRANNO”商業(yè)名稱以及從Midland，MI的Dow Corning以“SYLRAMIC”商業(yè)名稱下出售。
可以購買到的纖維典型地包括在制造期間添加到纖維的有機膠料，以提供潤滑性和在處理期間保護纖維絞線。膠料可以通過例如從纖維溶解或燒除該膠料來去除。典型地，期望在形成金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線之前除去該膠料。
纖維可以具有涂層，例如用于增強纖維的潤濕性、減少或阻止在纖維和熔化的金屬基質(zhì)材料之間的反應(yīng)。這樣的涂層和用于提供這樣涂層的技術(shù)在纖維和復(fù)合材料領(lǐng)域中是已知的。
在一些實施例中，在金屬基質(zhì)復(fù)合材料芯中至少85％(在一些實施例中至少90％或甚至至少95％)的數(shù)量的纖維是連續(xù)的。
示例性金屬基質(zhì)材料包括鋁(例如高純度(例如大于99.95％)的元素鋁)、鋅、錫、鎂和它們的合金(例如鋁和銅的合金)。典型地，基質(zhì)材料被選擇為使得該基質(zhì)材料不與纖維起明顯的化學(xué)反應(yīng)(也就是對于纖維材料是相對化學(xué)惰性的)，例如，以消除在纖維外部上提供保護涂層的需求。在一些實施例中，該基質(zhì)材料理想地包括鋁和其合金。
在一些實施例中，該金屬基質(zhì)包括至少98％重量的鋁、至少99％重量的鋁、大于99.9％重量的鋁或甚至大于99.95％重量的鋁。示例性的鋁和銅的鋁合金包括至少98％重量的Al以及達(dá)到2％重量的Cu。在一些實施例中，有用的合金為1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000和/或8000系鋁合金(鋁協(xié)會標(biāo)準(zhǔn))。雖然需要更高純度的金屬來制造更高抗拉強度的電線，較低純形式的金屬也是有用的。
可以購買到合適的金屬。例如，鋁可以從Pittsburgh，PA的Alcoa在“SUPER PURE ALUMINUM；99.99％Al”的商業(yè)名稱下購買到。鋁合金(例如Al-2wt％Cu(0.03％重量的雜質(zhì)))可以從例如BelmontMetals，New York，NY獲得。鋅和錫可以從例如Metal Services，St.Paul，MN(“純鋅”；99.999％純度和“純錫”；99.95％純度)獲得。例如，鎂可以從Magnesium Elektron，Manchester，England在“PURE”的商業(yè)名稱下獲得。鎂合金(例如WE43A、EZ33A、AZ81A和ZE41A)可以從例如TIMET，Denver，CO獲得金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線典型地基于纖維和基質(zhì)材料的全部組合體積，包括至少15％體積(在一些實施例中至少20％、25％、30％、35％、40％、45％或甚至50％的體積)的纖維。更典型地，基于纖維和基質(zhì)材料的全部組合體積，復(fù)合材料芯和電線包括在從40％到75％(在一些實施例中45％到70％)范圍中的體積的纖維。
典型地，芯的平均直徑在從大約1mm到大約15mm的范圍中。在一些實施例中，期望的芯的平均直徑為至少1mm、至少2mm或甚至達(dá)到大約3mm。典型地，復(fù)合材料電線的平均直徑在從大約1mm到4mm的范圍中。在一些實施例中，期望的復(fù)合材料電線的平均直徑為至少1mm、至少1.5mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm、11mm或甚至至少12mm。
金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線可以使用在本領(lǐng)域中已知的技術(shù)制造。連續(xù)金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線可以例如通過連續(xù)金屬基質(zhì)浸滲處理來制造。一種合適的處理在例如美國專利號No.6,485,796(Carpenter等)中進行描述。包括聚合物和纖維的電線可以利用現(xiàn)有技術(shù)中已知的拉擠工藝來制造。
用于制造連續(xù)金屬基質(zhì)電線的示例性設(shè)備60的示意圖在圖6中顯示。連續(xù)纖維繩61從供應(yīng)線軸62提供，并校準(zhǔn)到圓形束，并且在這些纖維通過管爐63的同時對纖維進行熱凈化。纖維繩61然后在進入包括金屬基質(zhì)材料的熔體65(在這里也稱為“熔化的金屬”)的坩鍋67之前，在真空室64中抽真空。纖維繩61利用拔絲機(caterpuller)70從供應(yīng)線軸62拉出。超聲探頭66布置在纖維附近的熔體65中，以協(xié)助將熔體65浸滲至纖維繩61。電線71的熔化金屬在通過出口模具68離開坩鍋67之后冷卻和凝固，雖然一些冷卻可能發(fā)生在電線71完全離開坩鍋67之前。電線71的冷卻利用通過冷卻裝置69傳輸?shù)臎_擊電線71的氣體或液體流得到增強。電線71收集到線軸72上。
如前所述，熱凈化纖維幫助除去或減少膠料、吸收的水和其他可能出現(xiàn)在纖維表面上的不穩(wěn)定的或揮發(fā)性材料的總量。典型地，期望將纖維熱凈化直到在纖維表面上的碳含量小于22％的面積量。典型地，管爐63的溫度為至少300℃，更典型地至少1000℃，并且該纖維在該溫度下在管爐63中駐留至少幾秒鐘，雖然該具體的溫度和時間可能取決于例如正在使用的特定纖維的熱凈化需求。
在一些實施例中，纖維繩61在進入熔體67之前抽真空，因為觀察到這種抽真空的使用將減少或消除缺陷的形成，這些缺陷例如具有干纖維的局部區(qū)域(也就是基質(zhì)沒有浸滲的纖維區(qū)域)。典型地，纖維繩61在一些實施例中在不大于20托、不大于10托、不大于1托或甚至不大于0.7托的真空中進行抽真空。
示例性的合適的真空系統(tǒng)64具有尺寸與纖維繩61的束直徑匹配的進口管。進口管可以為例如不銹鋼管或氧化鋁管，并且典型地至少大約20-30cm長。合適的真空室64典型地具有在大約2-20cm的范圍中的直徑，以及在大約5-100cm的范圍中的長度。真空泵的容量在一些實施例中為至少大約0.2-1立方米/分。抽真空的纖維繩61通過在真空系統(tǒng)64上的管插入熔體65中，該真空系統(tǒng)64的該管插入金屬熔池(也就是抽真空的纖維繩61的束在引入熔體65時處于真空中)，雖然熔體65典型地在大氣壓下。出口管的內(nèi)徑基本上匹配纖維繩61的束直徑。出口管的部分浸入在熔化的金屬中。在一些實施例中，大約該管的0.5-5cm浸入在熔化的金屬中。該管被選擇為在熔化的金屬材料中是穩(wěn)定的。典型地合適的管的例子包括金剛砂管和氧化鋁管。
熔化金屬65對于纖維繩61的束的滲透典型地通過超聲的使用來增強。例如，振動喇叭66布置在熔化的金屬65中，這樣其相當(dāng)接近纖維繩61的束。
在一些實施例中，驅(qū)動喇叭66以在大約19.5-20.5kHz的范圍中振動，并且在空氣中的振幅為大約0.13-0.38mm(0.005-0.015in)。此外，在一些實施例中，該喇叭連接到鈦波導(dǎo)，而鈦波導(dǎo)接著又連接到超聲換能器(可以從例如Sonics&Materials，Danbury CT獲得)。
在一些實施例中，纖維繩61的束處于喇叭末端的大約2.5mm(在一些實施例中在大約1.5mm)內(nèi)。該喇叭末端在一些實施例中由鈮或鈮合金制成，例如95wt.％的Nb-5wt.％的Mo以及91wt.％的Nb-9wt.％的Mo，且可以從例如PMTI，Pittsburgh，PA獲得。該合金可以鑄造成例如長度12.7cm(5in)和直徑2.5cm(1in)的圓柱體。該圓柱體可以通過改變其長度調(diào)諧為期望振動頻率(例如大約19.5-20.5KHz)。關(guān)于涉及用于制造金屬基質(zhì)復(fù)合材料物品的超聲使用的另外細(xì)節(jié)，可以參看例如美國專利號No.4,649,060(Ishikawa等)、No.4,779,563(Ishikawa等)、No.4,877,643(Ishikawa等)、No.6,180,232(McCullough等)、No.6,245,425(McCullough等)、No.6,336,495(McCullough等)、No.6,329,056(Deve等)、No.6,344,270(McCullough等)、No.6,447,927(McCullough等)、No.6,460,597(McCullough等)、No.6,485,796(Carpenter等)和No.6,544,645(McCullough等)；在2000年7月14提交的具有序列號No.09/616,741的美國申請，以及在2002年1月24日公開的具有公開號No.WO02/06550的PCT申請。
典型地，熔化的金屬65被脫氣(例如減少在浸滲期間或浸滲之前溶解在熔化的金屬65中的氣體(例如氫氣)的量)。用于對熔化的金屬65脫氣的技術(shù)在金屬加工技術(shù)中是已知的。脫氣熔體65將減少在電線中的氣孔。對于熔化的鋁，在一些實施例中熔體65的氫濃度小于大約0.2、0.15或甚至小于大約0.1cm3/100克鋁。
出口模具68配置為提供期望電線直徑。典型地，期望得到沿著其長度的均勻圓形電線。例如，用于包括58％體積百分比的氧化鋁纖維的鋁復(fù)合材料電線的金剛砂出口模具的直徑和電線71的直徑相同。在一些實施例中，出口模具68理想地由金剛砂制成，雖然其他一些材料也可以使用。其他的在現(xiàn)有技術(shù)中用做出口模具的材料包括傳統(tǒng)的氧化鋁。然而申請人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，金剛砂出口模具磨損明顯小于傳統(tǒng)氧化鋁模具，并因此對于尤其在電線的較長長度上提供期望的電線直徑和形狀更為有用。
典型地，電線71在離開出口模具68之后，通過使得電線71接觸冷卻裝置69傳輸?shù)囊后w(例如水)或氣體(例如氮氣、氬氣或空氣)來進行冷卻。這樣的冷卻幫助提供期望的圓度和均勻性特征，并且不會產(chǎn)生中空。電線71被收集到線軸72上。
已知在金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線中存在缺陷，例如金屬間相、干纖維、做為收縮或內(nèi)部氣體(例如氫氣或水汽)中空的結(jié)果的多孔性，可能導(dǎo)致?lián)p壞的特性，例如電線強度。因此，期望減少或最小化這樣特性的存在。
對于由電線構(gòu)成的芯，在一些實施例中，利用例如具有或沒有粘合劑的包裝帶或捆綁器(見例如美國專利號No.6,559,385 B1(Johnson等))，將電線維持在一起。例如，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的具有纏繞有包帶的芯的電纜50的橫截面圖顯示在圖5中。電纜50包括芯52和兩層絞合線54，其中芯52包括包括纏繞有包帶55的電線56(如所示，復(fù)合材料電線)。例如，芯可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的技術(shù)通過圍繞中心電線絞合(例如螺旋形纏繞)一層電線來制成。典型地，螺旋形絞合的芯將包括7條單獨的電線到50或更多條電線。絞合設(shè)備在現(xiàn)有技術(shù)中已知(例如可以從Bergamo，Italy的Cortinovis，Spa和從WatsonMachinery International，Patterson，NJ獲得的行星式電纜絞線機)。在螺旋形地纏繞在一起之前，各個電線提供在單個的繞線筒上，繞線筒然后布置在絞線設(shè)備的許多電機驅(qū)動支架中。典型地，針對完成絞合的電纜的每層具有一個支架。每層的電線在每個支架的出口處匯合，并且布置在第一中心電線上或布置在之前層上。在電纜絞合過程期間，中心電線，或?qū)⒗@其纏繞有另外的一或更多層的中間的未完成絞合的電纜被拉伸通過各個支架的中心，每個支架添加一層到絞合電纜。要做為一層添加的各個電線利用電機驅(qū)動支架，在圍繞電纜的中心軸旋轉(zhuǎn)的時候同時地從它們各自的繞線筒拉出。順次對每個期望層完成這些處理。結(jié)果得到螺旋形絞合的芯。包帶，例如，可以施加到形成的絞合芯，以協(xié)助將絞合的電線維持在一起。一個示例性的用于施加包帶的機器可以從Watson Machine International(例如型號300同心式包帶頭)得到。示例性的包帶包括金屬箔帶(例如鋁箔帶(可以在“箔/玻璃布帶363”的商業(yè)名稱下從例如3M公司，St Paul，MN獲得))、聚酯背襯帶以及具有玻璃增強背襯的包帶。在一些實施例中，該包帶具有從0.05mm到0.13mm(0.002到0.005英寸)的范圍中的厚度。
在一些實施例中，這樣纏繞包帶，使得每個連續(xù)的纏繞鄰接之前的纏繞而不具有間隙和交迭。在一些實施例中，例如該帶可以纏繞使得連續(xù)的纏繞隔開以在每個纏繞之間留下間隙。
芯、復(fù)合材料電線、電纜等具有至少100米、至少200米、至少300米、至少400米、至少500米、至少600米、至少700米、至少800米或甚至至少900米的長度。
用于圍繞芯絞合以形成根據(jù)本發(fā)明的電纜的電線在現(xiàn)有技術(shù)中已知。鋁線可以在“1350-H19 ALUMINUM”和“1350-H0 ALUMINUM”的商業(yè)名稱下從例如Nexans，Weyburn，Canada或Southwire公司，Carrolton，GA獲得。典型地，鋁線至少在從大約20℃到大約500℃的溫度范圍上具有在從大約20ppm/℃到大約25ppm/℃的范圍中的熱膨脹系數(shù)。在一些實施例中，鋁線(例如“1350-H19 ALUMINUM”)具有至少138MPa(20ksi)、至少158MPa(23ksi)、至少172MPa(25ksi)或至少186MPa(27ksi)或至少200MPa(29ksi)的抗拉強度。在一些實施例中，鋁線(例如“1350-H0 ALUMINUM”)具有大于41MPa(6ksi)到不大于97MPa(14ksi)或甚至不大于83MPa(12ksi)的抗拉強度。鋁合金線可以在“ZTAL”的商業(yè)名稱下從例如SumitomoElectric Industries，Osaka，Japan購買到，或在“6201”的名稱下從Southwire Company，Carrolton，GA購買到。在一些實施例中，鋁合金線至少在從大約20℃到大約500℃的溫度范圍上具有在從大約20ppm/℃到大約25ppm/℃的范圍中的熱膨脹系數(shù)。銅線可以例如從Carrolton，GA的Southwire公司購買到。典型地，銅線至少在從大約20℃到大約800℃的溫度范圍上具有從大約12ppm/℃到大約18ppm/℃的范圍內(nèi)的熱膨脹系數(shù)。銅合金(例如，銅青銅例如Cu-Si-X、Cu-Al-X、Cu-Sn-X、Cu-Cd；其中X＝Fe、Mn、Zn、Sn和或Si；可以從例如Carrolton，GA的Southwire公司購買到；可以在“GLIDCOP”的名稱下從例如OMGAmericas Corporation，Research Triangle Park，NC獲得的氧化物彌散強化銅)線。在一些實施例中，銅合金線在至少從大約20℃到大約800℃的范圍上具有從大約10ppm/℃到大約25ppm/℃的范圍中的熱膨脹系數(shù)。該線可以是多種形狀(例如圓形、橢圓形和梯形)的任何一種。
通常，根據(jù)本發(fā)明的電纜可以通過在芯上絞合電線來制造。該芯可以包括例如單條電線或絞合線(螺旋形纏繞的線)。在一些實施例中，例如，7、19或37條電線。示例性的用于制造根據(jù)本發(fā)明的電纜的設(shè)備80顯示在圖7、7A和7B中。芯材料的線軸81提供在傳統(tǒng)行星式絞合機80的頭部，其中線軸81可以利用能夠經(jīng)由制動系統(tǒng)施加的拉力來自由轉(zhuǎn)動，在放線期間拉力可以施加到芯(在一些實施例中，在0-91kg(0-200lbs.)的范圍中)。芯90穿過繞線筒支架82、83，通過閉式模具84、85，環(huán)繞絞輪86并附著到收線線軸87。
在施加外部絞合層之前，各個線提供在布置在絞合設(shè)備的很多電機驅(qū)動支架82、83中的單個繞線筒88上。在一些實施例中，從繞線筒88拔出線89A、89B需要的拉力范圍典型地為4.5-22.7kg(10-50lbs.)。典型地，對于完成絞合的電纜的每層具有一個支架。每層的線89A、89B在閉式模具84、85處的每個支架的出口處集合到一起，并布置在中心電線或之前層的上面。在相對方向上螺旋形地絞合層，這樣外層導(dǎo)致右旋捻。在電纜絞合過程期間，中心電線或?qū)⒗@其纏繞有一層或多層另外層的中間未完成絞合的電纜被牽引穿過多個支架的中心，每個支架向絞合的電纜添加一層。要作為一層添加的各個電線在圍繞該電纜的中心軸旋轉(zhuǎn)的同時利用電機驅(qū)動支架從它們各自的繞線筒同時拔出。對于每個期望的層順次完成這些處理。結(jié)果得到螺旋形絞合的電纜91，其可以方便地切割和操作而不損害形狀或不需要拆開。
操作絞合的電纜的能力是一種需要的特征。雖然不需要受到理論的限制，但是電纜維持其螺旋形絞合的布置，因為在制造期間，該金屬線遭受應(yīng)力，包括大于電線材料的屈服應(yīng)力但小于極限應(yīng)力或破壞應(yīng)力的彎曲應(yīng)力。該應(yīng)力因為電線圍繞之前層或中心線的較小半徑成螺旋形地纏繞而被分散。另外的應(yīng)力在制造期間在向電纜施加徑向力和剪切力的閉式模具84、85處被分散。電線因此塑性變形并維持它們的螺旋形絞合形狀。
用于給定層的芯材料和電線經(jīng)由閉式模具緊密接觸。參考圖7A和7B，閉式模具84A、85A典型地規(guī)定大小以最小化纏繞的層的電線上的變形應(yīng)力。調(diào)整閉式模具的內(nèi)徑以適應(yīng)外層直徑的大小。為了最小化層的電線上的應(yīng)力，閉式模具的尺寸為相對于電纜的外部直徑大0-2.0％的范圍內(nèi)(也就是內(nèi)部模具直徑在外部電纜直徑的1.00到1.02倍的范圍內(nèi))。在圖7A和7B中顯示的示例性閉式模具是圓柱形，并且例如使用螺栓或其他合適的連接裝置固定在適當(dāng)位置。該模具可以例如由硬化工具鋼制成。
最終完成的電纜如果需要可以通過其他絞合臺，并最終纏繞到充足直徑的收線線軸87上以避免電纜損害。在一些實施例中，可能需要在現(xiàn)有技術(shù)中已知的用于矯直電纜的技術(shù)。例如，完成的電纜可以通過矯直裝置，其由線性布置成兩排的輥子構(gòu)成(每個輥子為例如10-15cm(4-6英寸))，每排中具有例如5-9個輥子。在兩排輥子之間的距離可以改變，這樣輥子正好緊密接觸電纜或致使該電纜的嚴(yán)重?fù)锨?。兩排輥子布置在電纜的相對側(cè)，在一排中的輥子與由在另一排中的相對輥子創(chuàng)建的空間匹配。因此，該兩排可以相對彼此偏移。隨著電纜通過矯直裝置，電纜在輥子上來回?fù)锨试S在導(dǎo)線中的絞合線伸展到同樣長度，從而減少或消除松弛的絞合線。
在一些實施例中，可能需要在大于環(huán)境溫度(例如22℃)的高溫下(例如至少25℃、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、200℃、250℃、300℃、400℃或甚至在一些實施例中至少500℃)提供芯。該芯可以例如通過在爐中加熱纏繞的芯(例如在金屬(例如鋼)上的芯)幾個小時，來使該芯達(dá)到期望溫度。該加熱的纏繞的芯布置在絞合機的放線線軸(見例如圖7中的放線線軸81)上。期望在芯依然在或接近期望溫度的同時(典型地在大約2個小時內(nèi))，在高溫下的線軸處于絞合過程中。此外可能期望在形成電纜的外層的放線線軸上的電線處于環(huán)境溫度下。也就是，在一些實施例中，可能期望在絞合過程期間在芯和形成外層的電線之間具有溫度差。
在一些實施例中，可能期望利用至少100kg、200kg、500kg、1000kg或甚至至少5000kg的芯拉力來實施絞合。
在根據(jù)本發(fā)明的電纜的一些實施例中(例如具有小于零的應(yīng)力參數(shù)的電纜)，期望利用具有或不具有粘合劑的包裝帶或利用捆綁器來將圍繞芯絞合的電線固定在一起。例如，根據(jù)本發(fā)明的另一示例性的電纜110的橫截面圖顯示在圖10中。電纜110包括具有電線116的芯112和兩層絞合線114，其中電纜110纏繞有包帶118。包帶，例如，可以施加到形成的絞合電纜以協(xié)助將絞合的電線固定在一起。在一些實施例中，電纜使用傳統(tǒng)捆扎設(shè)備以帶粘性的包帶來進行纏繞。一種施加包帶的示例性機器可以從Watson Machine International(例如型號300同心式包帶頭)獲得。示例性的包帶包括金屬箔帶(例如鋁箔帶(可以在“箔/玻璃布帶363”的商業(yè)名稱下從例如3M公司，St Paul，MN獲得))，聚酯背襯帶；以及具有玻璃增強背襯的包帶。在一些實施例中，包帶具有從0.05mm到0.13mm(0.002至0.005英寸)范圍內(nèi)的厚度。
在一些實施例中，這樣纏繞包帶，使得每個連續(xù)的纏繞交迭之前的纏繞。在一些實施例中，這樣纏繞包帶，使得每個連續(xù)的纏繞與之前的纏繞鄰接，沒有間隙且沒有鄰接。在一些實施例中，例如，該包帶可以這樣纏繞，使得連續(xù)的纏繞隔開以在每個纏繞之間留下間隙。
在一些實施例中，在絞合處理期間，在電纜在拉力作用的同時進行纏繞。參考圖7，例如，包帶設(shè)備將布置在最終閉式模具85和絞盤86之間。
測量垂度的方法導(dǎo)線的長度選擇為30-300米的長度并且利用傳統(tǒng)環(huán)氧接頭終止，確保層充分地保持與在制造狀態(tài)中相同的相對位置。外部電線延伸通過環(huán)氧接頭并穿出另一側(cè)，并然后重新構(gòu)建以允許使用傳統(tǒng)終端連接器連接到AC電源。該環(huán)氧接頭灌注到連接到螺絲扣的鋁粗鋅插口中用于保持張力。在一側(cè)，載荷傳感器連接到螺絲扣，然后在兩端處，螺絲扣都連接到拉孔。該孔連接到較大的混凝土柱，該混凝土柱大到足夠當(dāng)在拉力作用下時最小化系統(tǒng)的端部變形。對于該測試，拉力拉伸到在從導(dǎo)線額定斷裂強度的10％到30％的范圍中的值。溫度使用九個熱電偶在沿著導(dǎo)線的長度的三個位置處(在全部(拉孔到拉孔)跨距的1/4、1/2和3/4處)進行測量。在每個位置處，該三個熱電偶布置在導(dǎo)線中的三個不同徑向位置在外部電線絞合線之間、在內(nèi)部電線絞合線之間以及鄰近(也就是接觸)外部芯電線。垂度值使用拉線式電位計(可以從SpaceAge Control，Inc，Palmdale，CA獲得)在沿著導(dǎo)線的長度的三個位置處(在跨距的1/4、1/2和3/4距離處)測量。布置這些電位計以測量三個位置的垂直移動。AC電流施加到導(dǎo)線以將溫度增加到期望值。導(dǎo)線的溫度以在60-120℃/分(140-248/分)的范圍內(nèi)的速度從室溫(大約20℃(68))增加到大約240℃(464)。所有熱電偶的最高溫度用做控制。
導(dǎo)線的垂度值(Sagtotal)從室溫(大約20℃(68))到大約240℃(464)每間隔一度使用以下等式來計算Sagtotal=Sag1/2-(Sag1/4+Sag3/42)···(1)]]>其中，Sag1/2＝在導(dǎo)線跨距的1/2距離處測量的垂度Sag1/4＝在導(dǎo)線跨距的1/4距離處測量的垂度Sag3/4＝在導(dǎo)線跨距的3/4距離處測量的垂度有效的“內(nèi)部跨距”長度為1/4位置和3/4位置之間的水平距離。這是用于計算垂度的跨距長度。
應(yīng)力參數(shù)的推導(dǎo)測量的垂度和溫度數(shù)據(jù)繪制為垂度相對于溫度的圖。計算的曲線使用可以在“SAG10”(版本3.0更新3.9.7)的商業(yè)名稱下從AlcoaFujikura Ltd.，Greenville，SC的軟件程序中獲得的Alcoa Sag10圖形方法來擬合到測量的數(shù)據(jù)。應(yīng)力參數(shù)為在“SAG10”中標(biāo)記為“內(nèi)置鋁應(yīng)力”的擬合參數(shù)，如果使用鋁之外的材料(例如鋁合金)，其可以被改變以擬合其他參數(shù)，并且其調(diào)節(jié)在預(yù)測曲線圖上的拐點位置以及還有在高溫拐點后區(qū)域的垂度值。應(yīng)力參數(shù)理論的描述提供在AlcoaSag10用戶手冊(版本2.0)中ACSR的鋁中的壓應(yīng)力理論。需要以下的導(dǎo)線參數(shù)以輸入Sag10軟件面積、直徑、每單位長度的重量以及額定斷裂強度。需要以下的線路負(fù)載條件以輸入Sag10軟件跨距長度、在室溫(20-25℃)下的初始拉力。需要以下的參數(shù)以輸入Sag10軟件來運行壓應(yīng)力計算內(nèi)置線應(yīng)力、電線面積(做為總面積的分?jǐn)?shù))、在導(dǎo)線中的電線層的數(shù)量、在導(dǎo)線中的電線絞合線的數(shù)量、芯絞合線的數(shù)量、每個電線層的絞合系數(shù)(stranding lay ratio)。需要應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)作為表格(見下表1)來輸入“SAG10”軟件。
表1

還指定一個參數(shù)TREF，其為參考系數(shù)所在的溫度。
應(yīng)力應(yīng)變曲線多項式的定義頭五個數(shù)字A0-A4為表示初始電線曲線乘以面積比率的4階多項式的系數(shù)AWireAtotal·σlnitialWire=A0+A1ϵ+A2ϵ2+A3ϵ3+A4ϵ4···(2)]]>AF為電線的最終模數(shù)AWireAtotal·σFinalWire=AFϵ···(3)]]>其中ε為以％計算的導(dǎo)線伸長率，而σ為以psi為單位的應(yīng)力。
B0-B4是表示電線的最終10年蠕變曲線乘以面積比率的4階多項式的系數(shù)AWireAtotal·σFinallWire=B0+B1ϵ+B2ϵ2+B3ϵ3+B4ϵ4···(4)]]>Cα(A1)為該電線的熱膨脹系數(shù)。
C0-C4為表示初始曲線只乘以復(fù)合材料芯的面積比率的4階多項式的系數(shù)。
CF是復(fù)合材料芯的最終模數(shù)。
D0-D4為表示復(fù)合材料芯的最終10年蠕變曲線乘以面積比率的4階多項式的系數(shù)。
α(芯)是復(fù)合材料芯的熱膨脹系數(shù)。
在擬合計算數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)中，最佳擬合(i)通過改變應(yīng)力參數(shù)的值來將計算曲線匹配到測量數(shù)據(jù)，這樣曲線在高溫(140-240℃)處匹配，以及(ii)測量曲線的撓曲點(拐點)緊密匹配計算曲線，以及(iii)要求初始計算的垂度匹配初始測量的垂度(也就是在24℃(75))處的初始張力為1432kg，產(chǎn)生12.5cm(5英寸)的垂度)。由此導(dǎo)出得到與測量數(shù)據(jù)的最佳擬合的應(yīng)力參數(shù)的值。該結(jié)果為用于電纜的“應(yīng)力參數(shù)”。
根據(jù)本發(fā)明的電纜可以用在各種應(yīng)用中，包括高架電力傳輸電纜。
本發(fā)明的優(yōu)點和實施例通過以下的例子進一步描述，但是在這些例子中詳述的特殊材料和材料總量，以及其他條件和細(xì)節(jié)，不應(yīng)該解釋為過度地限制本發(fā)明。所有部分和百分比按重量計算除非另外指出。
示例比較例如下制備用于比較例電纜的電線。該電線使用圖6中所示的設(shè)備制造。十一(11)個10,000丹尼爾α氧化鋁纖維繩(由3M Company，St.Paul在“NEXTEL 610”的商業(yè)名稱下出售)從供應(yīng)線軸62提供，校準(zhǔn)為圓形束，并以305cm/min(120in/min)的速度穿過加熱到1100℃的1.5m(5ft)長的氧化鋁管63進行熱凈化。熱凈化的纖維61然后在進入坩鍋67之前在真空室64中抽真空，該坩鍋67包括金屬鋁(99.99％鋁)基質(zhì)材料(從Beck Aluminum Co.，Pittsburgh，PA得到)的熔體(熔化金屬)65。纖維利用拔絲機70從供應(yīng)線軸62拔出。超聲探頭66布置在纖維附近的熔體65中，以協(xié)助將熔體65浸滲到纖維繩61中。電線71的熔化金屬在通過出口模具68離開坩鍋67之后冷卻和凝固，雖然一些冷卻可能發(fā)生在電線71完全離開坩鍋67之前。此外，電線71的冷卻利用通過冷卻裝置69傳輸?shù)臎_擊電線71的氮氣流得到增強。電線71被收集到線軸72上。
纖維61在進入熔體67之前抽真空。在真空室中的壓力為大約20torr。真空系統(tǒng)64具有25cm長的氧化鋁進口管，其尺寸匹配纖維61的束直徑。真空室64長度為21cm，直徑為10cm。真空泵的容量為0.37m3/分。抽真空的纖維61通過真空系統(tǒng)64上穿入金屬熔池的管插入熔體65中(也就是抽真空的纖維61當(dāng)引入熔體54時處于真空中)。出口管的內(nèi)徑匹配纖維束61的直徑。出口管的部分浸入熔化的金屬到5cm的深度。
熔化金屬65到纖維61中的浸滲通過使用布置在熔化金屬65中的振動喇叭66得到增強，這樣其緊密接近纖維61。驅(qū)動喇叭66使得其以19.7kHz并且以0.18mm(0.007in)的振幅在空氣中振動。喇叭連接到鈦波導(dǎo)，其順次連接到超聲換能器(從Sonics & Materials，Danbury，CT獲得)。
纖維61在喇叭末端的2.5mm內(nèi)。該喇叭末端由91wt.％的Nb-9wt.％的Mo的復(fù)合材料的鈮合金制造(從PMTI，Pittsburgh，PA獲得)。合金被鑄成長度為12.7cm(5in)而直徑為2.5cm(1in)的圓柱體。該圓柱體通過改變其長度調(diào)諧為期望的19.7kHz的振動頻率。
熔化金屬65在浸滲之前進行脫氣(例如減少溶解在熔化金屬中的氣體的量(例如在鋁中的氫氣))。使用從Brummund Foundry Inc，Chicago，IL可以獲得到的便攜式旋轉(zhuǎn)排氣單元。使用的氣體為氬氣，氬氣流動速度為每分鐘1050升，該速度由空氣流動速度提供給設(shè)置為每分鐘50升的電機，并且持續(xù)時間為60分鐘。
氮化硅出口模具68配置為提供期望的電線直徑。出口模具的內(nèi)徑為2.67mm(0.105in)。
絞合芯在來自加拿大的Montreal的Wire Rope Company的絞合設(shè)備上進行絞合。電纜在中心具有一條電線，并且在第一層中具有利用右旋捻的六條電線。在被螺旋形纏繞到一起之前，各個電線提供到單個繞線筒上，而繞線筒然后布置到該絞合設(shè)備的電機驅(qū)動支架中。支架為完成絞合的電纜的層固定該六個繞線筒。該層的電線在支架的出口處集中到一起并布置在中心電線上。在電纜絞合處理期間，中心線通過支架的中心被拔出，支架向該絞合電纜添加一層。作為一層添加的各個電線利用電機驅(qū)動支架，在圍繞電纜的中心軸旋轉(zhuǎn)的同時，同時地從它們分別的繞線筒拔出。結(jié)果為螺旋形絞合芯。
絞合芯使用傳統(tǒng)包帶設(shè)備(來自Watson Machine International，Paterson，NJ的型號300同心式包帶頭)纏繞膠帶。包帶的背襯為具有纖維玻璃的鋁箔帶，并且具有壓敏型硅樹脂粘合劑(從3M公司，St.Paul，MN在“箔/玻璃布帶363”的商業(yè)名稱下獲得)。包帶18的全部厚度為0.0072in(0.18mm)。該包帶為0.75in(1.90cm)寬。
完成的芯的平均直徑為0.324英寸(8.23mm)，并且絞合層的捻距為21.3英寸(54.1cm)。
第一梯形鋁合金線從鋁/鋯桿(直徑為0.375英寸(9.53mm)；在“ZTAL”的商業(yè)名稱下從Lamifil N.V.，Hemiksem，Belguim獲得)制備，其具有18,470psi(127.35MPa)的抗拉強度、10.8％的伸長率和60.5％IACS的電導(dǎo)率。第二梯形線從(0.375英寸；(9.53mm)；“ZTAL”)的具有19,466psi(134.21Mpa)的抗拉強度、12.2％的伸長率和60.5％IACS的電導(dǎo)率的鋁/鋯桿制備。如在現(xiàn)有技術(shù)中所知的，在室溫下使用五個中間模具，并最終使用梯形成形模具拉絲該桿。拉絲模具由碳化鎢制成。碳化鎢模具的幾何形狀具有60°的進口角、16-18°的圓錐角、模具直徑的30％的軸承長度和60°的背部出口角。模具表面高度拋光。模具使用拉絲油潤滑和冷卻。拉絲系統(tǒng)以設(shè)置在在60-100升/分鐘/模具的范圍中的速度傳輸該油，并且使得溫度設(shè)置在40-50℃的范圍中。最后成形模具包括兩個具有高度拋光工作表面的水平硬化鋼(60RC硬度)成形軋輥。輥開槽的設(shè)計基于需要的梯形輪廓。該輥被安裝到布置在拉絲盒和外部拉絲卷筒之間的旋轉(zhuǎn)架上。最終成形軋輥的軋薄將電線的面積減少大約23.5％。面積減少量足夠?qū)⒔饘僖苿舆M入輥開槽的角落并充分地填充在成形軋輥之間的間隔。成形軋輥對齊并安裝，這樣梯形電線的封蓋面對拉絲卷筒和繞線筒鼓的表面。在成形后，電線輪廓使用樣板來檢查和驗證。
該導(dǎo)線然后纏繞到繞線筒上。形成的導(dǎo)線的多個特性列舉在以下的表2中。梯形形狀的“有效直徑”指的是具有與梯形形狀的橫截面面積相同的面積的圓的直徑。在絞合設(shè)備中加載20個繞線筒(第一電線的8個用于絞合第一內(nèi)層)，第二電線的12個用于絞合第二外層，并且從這些繞線筒的子集取出電線用于檢測，該子集為“取樣繞線筒”。
表2

電纜由Nexans，Weyburn，SK使用傳統(tǒng)行星式絞合機和以上描述用于比較例的芯和(內(nèi)部和外部)電線而制造。用于制造電纜的設(shè)備80的示意圖顯示在圖7、7A和7B中。
芯81的線軸提供在傳統(tǒng)行星式絞合機80的頭部，其中線軸81可以利用可以經(jīng)由制動系統(tǒng)施加的拉力自由轉(zhuǎn)動。在放線期間施加到芯的拉力為45kg(100lbs.)。該芯在室溫(大約23℃(73))下放入。芯穿過繞線筒支架82、83的中心、通過閉式模具84、85、環(huán)繞絞輪86并連接到收線線軸87。
在應(yīng)用外部絞合層之前，各個電線提供在獨立繞線筒88上，繞線筒88布置在絞合設(shè)備的許多電機驅(qū)動支架82、83中。從繞線筒88拔出電線89A、89B所需要的拉力范圍設(shè)置在11-14kg(25-30lbs.)的范圍內(nèi)。絞合臺由支架和閉式模具構(gòu)成。在每個絞合臺處，每層的電線89A、89B分別在閉式模具84、85處的每個支架的出口處集中到一起，并分別地布置在中心電線上或之前層上。由此，芯通過兩個絞合臺。在第一臺處，8條導(dǎo)線以左旋捻的方式絞合在芯上。在第二臺處，12條導(dǎo)線以右旋捻的方式絞合在之前的層上。
芯材料和用于給定層的電線經(jīng)由閉式模具84、85接觸，如可適用的。閉式模具為圓柱體(見圖7A和7B)并使用螺栓固定到位。該模具由硬化工具鋼制成，并能夠完全閉合。
完成的電纜通過絞輪86，并最終纏繞在(直徑為91cm(36英寸)的)收線線軸87上。完成的電纜通過矯直裝置，該矯直裝置由線性布置的兩排輥子(每個輥子為12.5cm(5英寸))構(gòu)成，每排具有7個輥子。在兩排輥子之間的距離設(shè)置為使得輥子剛好緊密接觸電纜。兩排輥子布置在電纜的相對側(cè)上，使得在一排中的輥子匹配由在另一排中的相對輥子創(chuàng)建的間隔。因此，兩排從彼此偏移。隨著電纜通過該矯直裝置，電纜在輥子上前后撓曲，允許導(dǎo)線中的絞合線拉伸到相同的長度，因此消除松弛的絞合線。
內(nèi)部鋁層由具有8條梯形電線構(gòu)成，該電線的外層直徑為15mm(0.589英寸)，單位長度的質(zhì)量為316kg/km(212.8lbs./kft)，并具有23.6cm(9.3in.)的左旋捻。用于內(nèi)層的閉式塊(由硬化工具鋼制成)具有14.5mm(0.57in)的內(nèi)徑。因此該閉式塊設(shè)置為比電纜直徑小0.05mm(0.02in)。
由12條梯形導(dǎo)線構(gòu)成外層，外層直徑為2.18cm(0.859英寸)，單位長度的質(zhì)量為507.6kg/km(341.2lbs./kft.)，并具有11in(27.9cm)的右旋捻。鋁合金的單位長度的全部質(zhì)量為554lbs./kft(824kg/km)，芯的單位長度的全部質(zhì)量為138kg/km(92.5lbs./kft)，且單位長度的全部導(dǎo)線質(zhì)量為961.8kg/km(646.5lbs./kft)。用于外層的閉式塊有21.3mm(0.84in.)的內(nèi)徑。因此閉式塊設(shè)置為比最終電纜直徑小0.05mm(0.02in.)。
來自放線繞線筒的內(nèi)部和外部鋁線拉力使用手持測力計(可以從McMaster-Card，Chicago，IL獲得)進行測量，并設(shè)置在11.3-13.6kg(25-30lbs.)的范圍內(nèi)，并且芯的放線拉力通過制動器使用與繞線筒相同的測量方法設(shè)置在大約45.4kg(100lbs.)。
絞合機使用傳統(tǒng)絞輪、標(biāo)準(zhǔn)矯直裝置和傳統(tǒng)152cm(60in.)直徑的收線線軸驅(qū)動，以15m/min.(49ft/min.)的速度運行。
形成的導(dǎo)線使用以下“切端測試方法”測試。要測試的導(dǎo)體的部分筆直地展開在地面上，而3.1-4.6m(10-15ft.)長的子部分在兩端夾住。然后切割導(dǎo)線以分離該部分，在兩端依然夾住。然后釋放一個夾具，導(dǎo)線來回彎曲4-5次，這樣導(dǎo)線端移動通過至少60°的角度。然后對該導(dǎo)線部分檢查以得到層相對于彼此的移動。每層的移動使用標(biāo)尺進行測量，以確定相對于芯的移動量。外部鋁層相對于復(fù)合材料芯縮回；使用芯做為零基準(zhǔn)位置，內(nèi)部鋁層縮回0.16in.(4mm)而外層縮回0.31in.(8mm)。
比較例的電纜還由Kinectrics，Inc.Toronto，Ontario，Canada使用以下的“垂度測試方法I”進行評估。導(dǎo)線的長度利用傳統(tǒng)環(huán)氧接頭終止，確保各層充分保持與制造狀態(tài)中相同的相對位置，除非鋁/鋯線伸長通過環(huán)氧接頭并穿出另一側(cè)，然后重新構(gòu)成以允許使用傳統(tǒng)終端連接器連接到AC電源。該環(huán)氧接頭注入連接到螺絲扣的鋁粗鋅插座中，用于維持拉力。在一側(cè)，載荷傳感器(5000千克(kg)容量)連接到螺絲扣，然后在兩端處該螺絲扣連接到拉孔。拉孔連接到較大的混凝土柱，該混凝土柱足夠大以在拉力作用下時能夠最小化系統(tǒng)的端部變形。對于該測試，拉力被拉到導(dǎo)線額定斷裂強度的15％。由此1432kg(3150lb)施加到電纜。在沿著導(dǎo)線長度的三個位置處(在全部(拉孔到拉孔)跨距的1/4、1/2和3/4距離處)使用九個熱電偶(在每個位置處有三個；可以從Omega Corporation，Stamford，CT購買到的J型)測量溫度。在每個位置處，該三個熱電偶布置在導(dǎo)線中的三個不同徑向位置外部鋁絞合線之間、內(nèi)部鋁絞合線之間以及鄰近(也就是接觸)外部芯電線。使用拉線式電壓計(可以從SpaceAge Control，Inc，Palmdale，CA購買得到)在沿著導(dǎo)線長度的三個位置處(在跨距的1/4、1/2和3/4距離處)測量垂度值。布置這些以測量三個位置的垂直移動。AC電流被施加到導(dǎo)線以將溫度增加到期望值。導(dǎo)線的溫度以在60-120℃/分(140-248/分)的范圍內(nèi)的速度從室溫(大約20℃(68))上升到大約240℃(464)。所有熱電偶的最高溫度使用做為控制。需要大約1200amp來達(dá)到240℃(464)。
導(dǎo)體的垂度值(Sagtotal)使用以下的等式在多個溫度下進行計算Sagtotal=Sag1/2-(Sag1/4+Sag3/42)···(1)]]>其中Sag1/2＝在導(dǎo)體跨距的1/2距離處測量的垂度Sag1/4＝在導(dǎo)體跨距的1/4距離處測量的垂度Sag3/4＝在導(dǎo)體跨距的3/4距離處測量的垂度表3(以下)總結(jié)了固定的輸入測試參數(shù)。
表3

*有效跨距為在1/4和3/4位置之間的跨距長度得到的垂度和溫度數(shù)據(jù)(比較例的“結(jié)果數(shù)據(jù)”)繪制在圖上，然后計算的曲線使用來自Alcoa Fujikura Ltd.，Greenville，SC的在“SAG10”(版本3.0更新3.9.7)的商業(yè)名稱下的軟件程序中可以得到的Alcoa Sag10繪圖方法進行擬合。應(yīng)力參數(shù)是在“SAG10”中標(biāo)記為“內(nèi)置鋁應(yīng)力”的擬合參數(shù)，其調(diào)節(jié)在預(yù)測曲線圖上的拐點的位置，還調(diào)節(jié)拐點后區(qū)域在高溫中的垂度量。對于應(yīng)力參數(shù)理論的描述提供在Alcoa Sag10用戶手冊(版本2.0)中ACSR的鋁中的壓應(yīng)力理論。如表4-7(以下)所示的用于596kcmil電纜的導(dǎo)線參數(shù)輸入到Sag10軟件。最佳擬合(i)通過改變應(yīng)力參數(shù)的值，將計算曲線匹配到實驗數(shù)據(jù)，這樣曲線在高溫下(140-240℃)處匹配，以及(ii)“結(jié)果數(shù)據(jù)”曲線的撓曲點(拐點)緊密匹配計算的曲線，以及(iii)需要初始計算的垂度來匹配初始“結(jié)果數(shù)據(jù)”垂度(也就是在24℃(75)處的初始拉力為1432kg，產(chǎn)生12.5cm(5英寸)的垂度)。對于該例子，應(yīng)力參數(shù)的55Mpa(8000psi)值提供對于“結(jié)果數(shù)據(jù)”的最佳擬合。圖8顯示了利用Sag10計算的垂度(線82)和測量的垂度(繪制的數(shù)據(jù)83)。
以下的導(dǎo)線數(shù)據(jù)輸入到“SAG10”軟件中表4導(dǎo)線參數(shù)面積 41.3mm2(0.5290sq.in.)直徑 26.2cm(0.86in.)重量 0.97kg/m(0.650lbs./ft.)RTS 9,665kg(21,263lbs.)表5線路載荷條件跨距長度 37.3m(122.5ft.)初始拉力(在75處) 1432kg(3,157lbs.)表6壓應(yīng)力計算的選項內(nèi)置鋁應(yīng)力 55MPa(8000psi)鋁面積(以全部面積的分?jǐn)?shù)計) 860鋁層的數(shù)量2鋁絞合線的數(shù)量 20芯絞合線的數(shù)量 7絞合系數(shù)外層11內(nèi)層13用于Sag10的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)；系數(shù)被參考的溫度(“TREF”)＝22℃(71)
軟件運行的輸入?yún)?shù)(見表格7，如下)

應(yīng)力應(yīng)變曲線多項式的定義頭五個數(shù)A0-A4為表示初始鋁曲線乘以面積比率的4階多項式的系數(shù)AWireAtotal·σInitialWire=A0+A1ϵ+A2ϵ2+A3ϵ3+A4ϵ4···(2)]]>AF為電線的最終模數(shù)AWireAtotal·σFinalWire=AFϵ···(3)]]>其中ε為以％計的導(dǎo)體伸長率而σ為以psi計的拉力。
B0-B4為表示電線的最終10年蠕變曲線乘以面積比率的4階多項式的系數(shù)AWireAtotal·σFonalWire=B0+B1ϵ+B2ϵ2+B3ϵ3+B4ϵ4···(4)]]>Cα(A1)為電線的熱膨脹系數(shù)。
C0-C4為表示初始曲線僅僅乘以復(fù)合材料芯的面積比率的4階多項式的系數(shù)。
CF為復(fù)合材料芯的最終模數(shù)。
D0-D4為表示復(fù)合材料芯的最終10年蠕變曲線乘以其面積比率的4階多項式的系數(shù)。
α(芯)為復(fù)合材料芯的熱膨脹系數(shù)。
例子1電纜在Nexans，Weyburn，SK除了如下所述，使用如上所述的用于比較例的方法制造。用在內(nèi)層上的梯形電線從鋁/鋯桿(直徑為9.53mm(0.375英寸))制備；該梯形電線具有153.95MPa(22,183psi)的抗拉強度、13.3％的伸長率和60.4％IACS的電導(dǎo)率。使用在外層上的梯形電線從鋁/鋯桿(直徑為9.53mm(0.375英寸)；“ZTAL”)制備，并具有132.32MPa(19,191psi)的抗拉強度、10.4％的伸長率和60.5％IACS的電導(dǎo)率。桿如在比較例子中所述在室溫下拉絲，以提供梯形電線。多個電線特性列舉在如下的表8中。
表8

內(nèi)層由8條梯形電線構(gòu)成，這些電線具有0.608in.(15.4mm)的外層直徑、具有20.3cm(8in.)的左旋捻的237lbs./kft.(353kg/km)的每單位長度的質(zhì)量。用于內(nèi)層的閉式塊(從硬化工具鋼制成；硬度為60Rc)設(shè)置為15.4mm(0.608in.)的內(nèi)徑。由此該閉式塊設(shè)置為和電纜直徑完全相同。
該外層由12條梯形電線構(gòu)成，這些電線具有22.9mm(0.9015in.)的外層直徑、具有25.9cm(10.2in.)的右旋捻的507.6kg/km(341.2lbs./kft)每單位長度的質(zhì)量。鋁合金線的每單位長度的全部質(zhì)量為928.8kg/km(624.3lbs./kft.)，芯的每單位長度的全部質(zhì)量為136.4kg/km(91.7lbs./kft.)，每單位長度的全部導(dǎo)線質(zhì)量為1065kg/km(716lbs./kft.)。用于外層的閉式塊(由硬化工具鋼制成；硬度為60Rc)設(shè)置為22.9mm(0.9015in.)的內(nèi)徑。因此閉式塊設(shè)置為和最終電纜直徑完全相同。
內(nèi)部電線和外部電線拉力(如放線繞線筒)使用手持測力計(可用的McMaster-Card，Chicago，IL)進行測量，并設(shè)置到13.5-15kg(29-33lbs.)的范圍內(nèi)，并且芯放線拉力通過制動器使用和繞線筒相同的測量方法設(shè)置到大約90kg(198lbs.)。此外，沒有使用矯直器，并且該電纜沒有纏繞而是維持筆直走向并展開在地面上。該芯在室溫(大約23℃(73℃))下放入。
形成的導(dǎo)線使用以上所述的用于比較例的切端測試方法進行測試。沒有觀察到層的移動。
例子2例子2的電纜按照對于例子1的描述制備，除了形成的導(dǎo)線纏繞到傳統(tǒng)152cm(60in.)直徑的收線線軸上。
形成的例子2導(dǎo)線使用在比較例中描述的切端測試方法進行測試。沒有觀察到層的移動。
例子3例子3的電纜按照對于例子1的描述制備，除了形成的導(dǎo)線如在例子2中那樣纏繞并且使用在比較例1中描述的矯直裝置。
形成的例子3導(dǎo)線使用在比較例中描述的切端測試方法進行測試。沒有觀察到層的移動。
例子3的電纜由Kinectrics，Inc.Toronto，Ontario，Canada使用如在比較例中描述的以下垂度測試方法進行評估。
表9(以下)總結(jié)了固定的輸入測試參數(shù)。
表9

*額定抗拉強度得到的垂度和溫度數(shù)據(jù)(例子3的“結(jié)果數(shù)據(jù)”)繪制在圖上，然后計算的曲線使用來自Alcoa Fujikura Ltd.，Greenville，SC的在“SAG10”(版本3.0更新3.9.7)的商業(yè)名稱下的軟件程序中可用的Alcoa Sag10繪圖方法進行擬合。應(yīng)力參數(shù)為在“SAG10”中標(biāo)記為“內(nèi)置鋁應(yīng)力”的擬合參數(shù)，其調(diào)節(jié)在預(yù)測曲線圖上的拐點的位置，還調(diào)節(jié)拐點后區(qū)域在高溫中的垂度總量。對于應(yīng)力參數(shù)理論的描述提供在Alcoa Sag10用戶手冊(版本2.0)中ACSR的鋁中的壓應(yīng)力理論。如表10-13(以下)中所示的用于675kcmil電纜的以下導(dǎo)線參數(shù)輸入到Sag10軟件中。最佳擬合(i)通過改變應(yīng)力參數(shù)的值，將計算的曲線匹配到“結(jié)果數(shù)據(jù)”，這樣曲線在高溫(140-240℃)下匹配，以及(ii)“結(jié)果數(shù)據(jù)”曲線的撓曲點(拐點)緊密地匹配計算的曲線，以及(iii)需要初始計算垂度以匹配初始“結(jié)果數(shù)據(jù)”垂度(也就是在22℃(72)下的初始拉力為2082kg，產(chǎn)生27.7cm(10.9英寸)的垂度)。對于該例子，應(yīng)力參數(shù)的3.5MPa(500psi)的值提供與“結(jié)果數(shù)據(jù)”的最佳擬合。圖9顯示了利用Sag10計算的垂度(線92)和測量的垂度(繪制數(shù)據(jù)(93))。
以下的導(dǎo)線數(shù)據(jù)輸入到“SAG10”軟件中表10在SAG10中的導(dǎo)線參數(shù)面積 381.6mm2(0.5915in2)直徑 2.3cm(0.902in)重量 1.083kg/m(0.726lb./ft.)RTS10,160kg(22,400lbs.)表11線路載荷條件跨距長度65.5m(215ft.)初始拉力(在22℃(72)下)2082kg(4,590lbs.)表12用于壓應(yīng)力計算的選項內(nèi)置鋁應(yīng)力 (3.5MPa(500psi)鋁面積(做為全部面積的分?jǐn)?shù)) 0.8975鋁層的數(shù)量 2鋁絞合線的數(shù)量 20芯絞合線的數(shù)量 7
絞合系數(shù)外層11內(nèi)層13用于Sag10的應(yīng)力應(yīng)變參數(shù)；TREF＝22℃(71)軟件運行的輸入?yún)?shù)(見表13，以下)表13

例子4例子4的電纜按照對于例子3的描述進行制備，除了芯在絞合之前預(yù)熱。在測試開始之前使用的風(fēng)扇驅(qū)動液態(tài)丙烷加熱器(從McMaster-Card，Chicago，IL獲得)應(yīng)用30分鐘完成加熱。緩慢地旋轉(zhuǎn)芯放線線軸，以嘗試更均勻地加熱芯材料。芯、內(nèi)層和外層的溫度使用熱電偶(從Omege Engineering，Stamford，CT得到的J-型)來監(jiān)控。芯的溫度在43-51℃的范圍內(nèi)變化，同時環(huán)境溫度從23℃到25℃變化。鋁層的溫度在閉式塊與移動電纜接觸達(dá)3-4秒之后立即使用熱電偶監(jiān)控。內(nèi)鋁層的溫度在內(nèi)層接近塊之后為39-43℃，同時外鋁層的溫度在外層接近塊之后為35-36℃。使用較長接觸時間(10-15秒)的在固定電纜上的連續(xù)溫度測量顯示測量的移動測量表現(xiàn)出2-3℃的偏低。纏繞在收線線軸上之后，電纜具有和環(huán)境空氣相同的溫度(23℃)。
形成的導(dǎo)線使用對比較例描述的切端測試方法進行測試。沒有觀察到層的移動。
本發(fā)明的多種修改和改變對于本領(lǐng)域技術(shù)人員變得顯而易見，并且不偏離本發(fā)明的范圍和精神，并且應(yīng)該知道本發(fā)明不應(yīng)不適當(dāng)?shù)厥芟抻谶@里提出的描述性實施例。
權(quán)利要求
1.一種電纜，其包括縱向芯，其具有熱膨脹系數(shù)，并包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線；以及共同地具有大于該芯的熱膨脹系數(shù)的熱膨脹系數(shù)的多條電線，其中該多條電線包括鋁線、銅線、鋁合金線或銅合金線中的至少一種，并且其中該多條電線圍繞所述芯絞合，并且其中該電纜具有不大于20MPa的應(yīng)力參數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述芯包括連續(xù)結(jié)晶陶瓷纖維。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的所述電纜，其中所述金屬基質(zhì)基于基質(zhì)的全部重量，包括至少98％重量的鋁。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的所述電纜，其中結(jié)晶陶瓷為基于多晶α氧化鋁的纖維，基于各個纖維的全部金屬氧化物含量，所述纖維包括至少99％重量的Al2O3。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的所述電纜，其中結(jié)晶陶瓷為基于多晶α氧化鋁的纖維，基于各個纖維的全部金屬氧化物含量，所述纖維包括至少99％重量的Al2O3。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的所述電纜，其中所述金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線基于各個金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線的全部體積，包括40％到70％體積百分比的范圍中的纖維。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的所述電纜，其中所述電纜具有不大于15MPa的應(yīng)力參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的所述電纜，其中所述電纜具有不大于10MPa的應(yīng)力參數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求5的所述電纜，其中所述電纜具有不大于5MPa的應(yīng)力參數(shù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜至少150米長。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中其中構(gòu)成芯的金屬基質(zhì)電線具有在從1mm到4mm的范圍內(nèi)的直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的所述電纜，其中所述芯的電線螺旋形地絞合以具有在從10到150的范圍內(nèi)的捻系數(shù)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有不大于15MPa的應(yīng)力參數(shù)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有不大于10MPa的應(yīng)力參數(shù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有不大于5MPa的應(yīng)力參數(shù)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有不大于1MPa的應(yīng)力參數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有不大于0MPa的應(yīng)力參數(shù)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有在從0MPa到15MPa的范圍中的應(yīng)力參數(shù)。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述電纜具有在從0MPa到10MPa的范圍中的應(yīng)力參數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中所述圍繞芯絞合的電線形狀是梯形。
21.一種制造電纜的方法，該方法包括圍繞縱向芯絞合多條電線，其中該多條電線包括鋁線、銅線、鋁合金線或銅合金線的至少一種以提供初步絞合的電纜，該芯包括金屬基質(zhì)復(fù)合材料電線；以及使初步絞合的電纜經(jīng)歷閉式模具，以提供根據(jù)權(quán)利要求1的所述電纜，其中該閉式模具有內(nèi)徑，其中該電纜具有外徑，并且其中該內(nèi)部模具直徑在外部電纜直徑的1.00到1.02倍的范圍內(nèi)。
全文摘要
本申請公開了電纜及其方法。電纜的實施例可用于，例如高架電力傳輸線。
文檔編號H01B13/02GK1969343SQ200580020109
公開日2007年5月23日 申請日期2005年4月7日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月17日
發(fā)明者道格拉斯·E·約翰遜, 茲齊斯勞·M·科瑟克, 科林·麥卡洛 申請人:3M創(chuàng)新有限公司