LI XINMIN (CN)
SI JIAJUN (CN)
STATE GRID CORP CHINA (CN)
ZHU KUANJUN (CN)
LI XINMIN (CN)
SI JIAJUN (CN)
CN202307250U | 2012-07-04 | |||
US20110024158A1 | 2011-02-03 | |||
CN102683578A | 2012-09-19 |
北京安博达知识产权代理有限公司 (CN)
权 利 要 求 1、 一种基于石墨烯纳米材料的导线, 其特征在于所述导线的结构为: 形式一: 所述导线包括内层和外层, 所述内层由圆线型单丝绞绕而成, 单丝之间相互紧 贴, 形成规整的管型结构, 所述外层设置于内层的外围, 所述外层的横截面为圆形结构; 所述内层由钢或碳纤维的单丝、 石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成, 所述外层由石墨烯纳米材料薄片绞绕而成; 所述石墨烯纳米材料薄片为圆弧形结构, 根据目前型线设计方法, 本专利中石墨烯纳米 材料薄片取 12~15片, 相应的圆弧角 a取值范围为 25°<a<30°; 形式二: 所述导线由圆线型单丝绞绕而成, 单丝之间相互紧贴, 形成规整的管型结构; 所述单丝为石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞绕而成; 其中, 所述复合式单丝的圆形截面为碳纤维复合材料, 圆形截面内部为石墨烯纳米材料。 2、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线,其特征在于所述石墨烯纳米材 料薄片沿其圆周方向均匀分布。 3、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线,其特征在于所述石墨烯纳米材 料薄片之间设有间隙。 4、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线,其特征在于所述石墨烯纳米材 料薄片构成的圆环与所述导线同圆心。 5、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线,其特征在于所述相邻层的绞绕 方向相反。 6、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线, 其特征在于所述单丝绞绕成 n 层结构, n为大于 1的自然数。 7、 如权利要求 1所述的一种基于石墨烯纳米材料的导线,其特征在于位于同一层的所述 单丝沿其圆周方向均匀分布。 |
技术领域
本发明属于架空输电线路导线技术领域, 具体涉及一种基于石墨烯纳米材料的导线。 背景技术
输电线路的损耗主要取决于导线的电阻, 应用高导电率导线不但可以显著降低输电线路 损耗, 还能增加输送能力, 降低全寿命周期成本, 实现节能减排。
近年来国内陆续研发了的高导电率导线, 主要从金属材料成分方面提高导线的导电率, 这些导线仍采用传统的金属材料, 导电能力提高有限。
如申请号为 CN200810194862.7,发明名称为一种高导电率软铝线 其制造方法的发明专 利, 公开了一种高导电率软铝线及制造方法, 软铝线的成分包括: Si≤0.08 % ; Fe<0.20 , Cu<0.005 % ; 0.07—0.15 %的硼, 余为铝; 单位为重量百分数。 其利用软铝线降低输电线路损 耗, 从而有效降低运行费用。 其改进主要是传统铝导线的成分, 改进效果有限。
又如申请号为 CN200610002114.5, 发明名称为铜合金导体及其架空导线、 电缆以及铜合 金导体的制造方法的发明专利, 是对传统铜合金材料的成分进行的改进。 其技术方案为: 铜 合金导体是由在含有氧 0.001〜0.1重量%(10〜1000 重量 ppm)的铜母材中含有 0.15〜0.70重 量% (不包括 0.15 重量%)Sn 的铜合金所构成, 构成结晶组织的晶粒的平均粒径小于等于 ΙΟΟμπι, 并且在结晶组织基体中弥散分布的 Sn的氧化物的 80%或以上是平均粒径小于等于 Ιμιη的微小氧化物。
同时, 也有从导体材料的制备工艺方面进行改进的专 利技术, 如申请号为 CN201210073600.1 , 发明名称为节能高强度铝合金线及其制造方法 的发明专利申请, 专利申 请通过熔炼、 调配铝合金、 净化、 炉前快速分析、 细化晶体、 除气、 保温过滤、 水平浇铸、 进轧控制和铝杆轧制、 铝线拉拔和实效退火制备出产品铝合金线。 铝合金线导电率在 53.5%IACS 以上, 强度≥325MPa, 其余性能满足 《架空导线用铝 -镁-硅合金圆线》 中 LHA1 的技术要求。
石墨烯材料具有优异的电气和机械性能, 导电率约是铝的 3倍, 铜的 1.85倍, 材料导电 性能稳定。同时,石墨烯材料是最薄、最坚硬 的纳米材料,具有极强的抗拉能力(约 100GPa)。
新型纳米材料石墨烯的研究历史较短, 由于其优异的材料特性, 国内外在制备及应用研 究方面, 开展了大量的研究工作, 取得了突破性的研究成果。 石墨烯材料制备方面, 韩国科学家发现制备大尺寸、 高质量石墨烯薄膜的方法; 美国研 究人员开发了制造石墨烯和碳纳米管混合材料 的新方法, 为石墨烯纳米材料的工业化应用奠 定了坚实的基础。
石墨烯材料性能研究方面, 国内外研究人员在材料的导电性、 导热性, 以及应用研究等 领域研究开展了大量的研究工作,为石墨烯纳 米材料的应用研究提供了理论和工程应用依据 。
石墨烯材料应用研究方面, IBM公司研制出运行速度最快的石墨烯晶体管, 此外, 光子 传感器、 纳米电子器件、 太阳能电池、 增强复合材料等, 也都是目前石墨烯应用研究领域的 热点。在电力传输领域, 美国科研人员利用石墨烯设计出了简便、 快速的纳米电线制造方法, 能够调谐石墨烯的电学特征, 但其应用主要集中在微电子领域, 石墨烯材料在架空输电线路 用导线领域的应用研究仍属空白。 发明内容
本发明目的在于提供一种基于石墨烯纳米材料 的导线, 解决铝铜等传统金属材料导电率 提高有限, 进而架空输电线路输送容量有限的问题, 石墨烯纳米材料的导线能有效降低线路 损耗, 提高架空输电线路的输送功率。
为实现上述发明目的, 本发明采取的技术方案为:
一种基于石墨烯纳米材料的导线, 其改进之处在于所述导线的结构为:
形式一: 所述导线包括内层和外层, 所述内层由圆线型单丝绞绕而成, 单丝之间相互紧 贴, 形成规整的管型结构, 所述外层设置于内层的外围, 所述外层的横截面为圆形结构; 所述内层由钢或碳纤维的单丝、 石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复合式单丝绞 绕而成, 所述外层由石墨烯纳米材料薄片绞绕而成;
所述石墨烯纳米材料薄片为圆弧形结构, 圆弧角 a取值范围 25°<a<30° ;
形式二: 所述导线由圆线型单丝绞绕而成, 单丝之间相互紧贴, 形成规整的管型结构; 所述单丝为石墨烯纳米材料的纳米管单丝或复 合式单丝绞绕而成;
其中, 所述复合式单丝的圆形截面为碳纤维复合材料 , 圆形截面内部为石墨烯纳米材料。 本发明的另一优选技术方案为: 所述石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀分 布。 本发明的再一优选技术方案为: 所述石墨烯纳米材料薄片之间设有间隙。
本发明的又一优选技术方案为:所述石墨烯纳 米材料薄片构成的圆环与所述导线同圆心。 本发明的再一优选技术方案为: 所述相邻层的绞绕方向相反。
本发明的又一优选技术方案为: 所述单丝绞绕成 n层结构, n为大于 1的自然数。 本发明的再一优选技术方案为: 位于同一层的所述单丝沿其圆周方向均匀分布 。
由于采用了上述技术方案, 与现有技术相比, 本发明的有益效果包括:
1) 输电线路电损降低
本发明导线采用石墨烯纳米材料作为导电部分 , 导电率比铝和铜等传统金属材料提高 3 倍以上, 在其他外界条件相同的情况下, 相同导电截面的石墨烯导线的允许载流量为普 通导 线的 10倍; 因此石墨烯纳米材料导线能显著降低线路损耗 , 同时提高导线拉重比, 改善导线 弧垂性能, 降低杆塔高度, 增大线路档距, 节省线路投资;
2) 输电线路输送功率提高
石墨烯纳米材料导线能大幅提高输送功率, 输电线路输送容量增大;
3) 输电线路抗拉能力提高
由于石墨烯纳米材料具有极强的抗拉能力, 作为导线的承力部分或导电部分, 均能显著 提高导线的抗拉能力。
4) 导线通用性能良好
本发明的基于石墨烯纳米材料导线具有不同结 构型式, 能够满足不同输送功率要求和不 同线路运行要求, 适用能力较好。 附图说明
下面结合附图对本发明进一歩说明。
图 1是附着式石墨烯纳米材料导线;
图 2是纳米管式石墨烯纳米材料导线;
图 3是复合式石墨烯纳米材料导线;
图 4是附着纳米管式石墨烯导线;
图 5是附着复合式石墨烯导线。 具体实施方式
下面结合实例对本发明进行详细的说明。
本发明提供了一种基于石墨烯纳米材料的导线 应用于架空输电线路, 导线具有优异的导 电性能, 能够显著降低输电线路的电损, 提高输电线路的输送功率。 导线具有不同的结构形 式, 具体结构如下。
结构型式一: 附着式石墨烯纳米材料新型导线 如附图 1所示, 内层为钢或碳纤维等复合材料绞制而成, 主要作为承力作用, 以及石墨 烯纳米材料新型导线的基底, 外层为石墨烯纳米材料薄片绞制而成, 是架空用输电线路导线 的导电部分。 其中内层的钢芯或碳纤维复合芯的层数, 以及外层石墨烯纳米材料的片数, 可 根据线路实际输送容量及线路运行要求设计。
钢或碳纤维材料制备成圆线型单丝, 单丝之间相互紧贴, 绞绕成规则管型结构作为导线 的内层, 在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片 , 石墨烯纳米材料薄片构成横截面积 为圆形的外层, 石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的分布 在外层, 石墨烯纳米材料薄片 等间距放置。 石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构, 根据目前型线设计方法, 本专利中石墨烯纳 米材料薄片取 12 15片, 相应的圆弧角 a的取值范围为 25。<a<30。。
结构型式二: 纳米管式石墨烯纳米材料新型导线
如附图 2所示, 石墨烯材料既作为导线结构, 也作为承力和基底结构, 由不同直径及数 量的石墨烯材料纳米管绞制而成。 其中石墨烯材料纳米管的直径及数量根据线路 设计输送容 量及线路运行要求设计。
石墨烯材料纳米管作为单丝, 绞绕成规则的管型结构, 单丝之间相互紧贴, 位于同一层 单丝的中心轴线构成圆形。
结构型式三: 复合式石墨烯纳米材料新型导线
如图 3所示, 圆形截面部分为基底材料, 可选用碳纤维等能满足导线制造和运输要求的 复合材料, 石墨烯纳米材料作为导线部分, 与碳纤维等材料复合成单丝, 进而根据需要绞制 成满足工程需要的导线。 其中复合式石墨烯材料直径及根数根据线路设 计输送容量及线路运 行要求设计。
复合式石墨烯材料作为单丝, 绞绕成规则的管型结构, 单丝之间相互紧贴, 位于同一层 单丝的中心轴线构成圆形。
结构型式四: 组合式石墨烯纳米材料新型导线
即以上三种型式的组合型式, 即附着纳米管式新型石墨烯导线、 附着复合式新型石墨烯 导线等结构形式。
如图 4所述为附着纳米管式新型石墨烯导线, 即以石墨烯纳米管作为单丝, 绞绕成规则 的管型结构作为内层, 单丝之间相互紧贴; 在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片 , 石墨烯纳米材料薄片构成横截面积为圆形的外 层, 石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的 分布在外层。 石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构, 圆弧角 a的取值范围同结构型式一。
图 5所示为附着复合式新型石墨烯导线, 即以结构形式三所述的复合式石墨烯, 石墨烯 纳米材料作为导线部分, 与碳纤维等材料复合成单丝, 然后将单丝绞绕成规则的管型结构作 为内层, 单丝之间相互紧贴; 在导线内层的外围设置由石墨烯纳米材料薄片 , 石墨烯纳米材 料薄片构成横截面积为圆形的外层, 石墨烯纳米材料薄片沿其圆周方向均匀的分布 在外层。 石墨烯纳米材料薄片为圆弧结构, 圆弧角 a的取值范围同结构型式一。
在其他外界条件相同的情况下, 本发明石墨烯纳米材料新型导线载流量, 是相同导电截 面普通导线载流量的 10倍。其中导线载流量的计算依据我国现行标 , 具体采用的计算公式 如下: 式中:
为导线的载流温升,
为风速, m/s;
为导线外径, m ;
为导线表面的辐射系数;
为斯蒂芬-包尔茨曼常数, 5.67x l(y s W/m2 ;
为环境温度, V
为导线吸热系数;
为 t°C时的交直流电阻比;
为 t°C时直流电阻;
为日光对导线的日照强度, W/m 2 。
石墨烯材料的电阻率只约 10_ δ Ω· ε πι, 为目前世上电阻率最小的材料, 在其他外界条件相 同的情况下, 假设普通铝导线的允许温度为 90 °C, 相同导电截面的石墨烯导线的允许温度为 120°C时, 石墨烯导线的允许载流量为普通铝导线的 10倍。 此处己经根据特定的示例性实施例对本发明进 行了描述。 对本领域的技术人员来说在不 脱离本发明的范围下进行适当的替换或修改将 是显而易见的。 示例性的实施例仅仅是例证性 的, 而不是对本发明的范围的限制, 本发明的范围由所附的权利要求定义。