一种高导电率铝合金芯加强型绝缘架空电缆的制作方法

本技术涉及电线电缆，具体为一种高导电率铝合金芯加强型绝缘架空电缆。

背景技术：

1、随着电网建设向大跨越距离和复杂地形延伸，对架空电缆的综合力学性能和环境适应性提出了更高要求。传统的铝合金架空电缆在长期承受自重以及风载、冰载等外部载荷时，金属基体容易发生晶界滑移，导致材料的抗拉强度下降并产生机械蠕变，这会引起电缆弧垂增加，降低线路的运行安全。为了提升电缆的承载能力，现有技术通常采用增加钢芯或大幅调整合金成分的方法，但这会导致电缆整体导电率的损失。而且常规的金属承载结构在面临外部应力交变时，内部缺乏应力缓冲机制，抵抗长期疲劳损伤的能力有限。

2、在绝缘结构方面，架空电缆的外部绝缘层长期暴露在户外环境中，面临热氧老化和机械损伤的风险。现有电缆的交联聚乙烯绝缘层在挤出成型后多采用快速水冷的降温工艺。这种工艺使绝缘材料的表层迅速固化，而内部热量散失较慢。冷却速率的差异导致绝缘层在厚度方向上的交联反应进程不一致，造成内外侧的交联度存在明显的梯度偏差。这种交联结构的不均匀会在材料内部形成残余应力，当电缆在实际服役中经历环境温度的反复变化时，内部应力集中容易导致绝缘层出现局部微裂纹甚至大面积龟裂。

3、此外，在低温高湿气候条件下，架空电缆表面容易附着过冷水滴并结冰。线路表面的覆冰累积增加了电缆的外部机械载荷，进一步加剧了内部金属线芯的拉伸形变与蠕变风险，同时也对绝缘层表面的物理完整性造成破坏。因此，需要从导体结构与绝缘材料成型工艺等方面进行综合改进。

技术实现思路

1、本技术的目的是提供一种高导电率铝合金芯加强型绝缘架空电缆，旨在改善现有技术中架空电缆在长跨距和复杂气候环境下运行过程中存在抗拉强度衰减、易发生机械蠕变以及绝缘层由于内外结构应力分布不均导致的局部老化龟裂缺陷的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高导电率铝合金芯加强型绝缘架空电缆，采用如下的技术方案：

3、一种高导电率铝合金芯加强型绝缘架空电缆，包括高导电率铝合金芯、缠绕于所述铝合金芯外周的不锈钢丝加强层，以及包覆于所述不锈钢丝加强层外表面的交联聚乙烯绝缘层；

4、其中，所述高导电率铝合金芯包含以下重量百分比的成分：fe0.12～0.15wt%，si0.05～0.07wt%，mg0.02～0.03wt%，zr0.008～0.010wt%，余量为al及不可避免杂质；

5、所述不锈钢丝加强层为采用316l不锈钢丝螺旋绞合而成的预应力网络层，所述不锈钢丝加强层内固化有轴向预张应力，且所述不锈钢丝加强层紧密包覆于所述铝合金芯表面；

6、所述交联聚乙烯绝缘层由包含以下重量份的原料制成：聚乙烯树脂100份；氧化铝0.4～0.45份；受阻酚类抗氧剂0.1～0.15份；硅烷交联剂1.5～2.5份；

7、所述交联聚乙烯绝缘层在厚度方向上的最外侧交联度与最内侧交联度的差值≤1.53%，其中，所述最外侧交联度为距绝缘层外表面0.5mm范围内的交联度，所述最内侧交联度为贴近所述不锈钢丝加强层表面的绝缘层交联度。

8、通过采用上述技术方案，本发明在材料微观组织与宏观力学结构之间建立了有效的协同机制。具体而言，基体合金中微量锆元素的引入促使金属间化合物析出，这些析出相能够有效钉扎晶界并阻碍位错运动，从而在不明显增加自由电子散射截面的前提下兼顾了导电率与力学强度；在此基础上，通过严格控制铁、硅、镁等杂质或微量元素的固溶量，进一步保障了电能的高效传输。在机械承载方面，有别于传统线芯单纯依赖材料本身屈服强度的被动承载模式，本发明构建的预应力网络层在铝合金芯表面施加了环向紧固压力，并在不锈钢丝内部提前固化了轴向预张应力。当电缆在复杂气候下承受外部风载或冰载拉力时，这种结构能够优先消耗掉预先储备的应力裕度，进而大幅延缓缆芯进入塑性变形阶段的时间，从根本上抑制了蠕变现象的发生。对于外部绝缘结构，配方中的氧化铝颗粒优化了聚合物的热传导路径，协同受阻酚类抗氧剂对游离基的捕捉作用，切断了热氧老化链式反应。更为关键的是，将绝缘层内外侧的交联度差值控制在极低水平，消除了材料内部因交联不均引起的结构应力差异，防止长期服役中面对温度剧烈交变时可能引发的局部龟裂。

9、关于绝缘基体内部三维网状交联结构的形成，其主要依赖于硅烷分子与聚乙烯链段之间的化学键合。在挤出前期的受热状态下，引发剂诱导聚乙烯大分子链生成游离基，促使硅烷交联剂所含的乙烯基与之发生加成反应，将硅氧烷侧基接枝到聚乙烯主链上。随后，在环境水分与催化剂的共同参与下，这些带有硅氧烷侧基的链段发生水解并转化为硅醇基团，相邻的硅醇基团进一步自发缩合脱水，最终形成稳定的si-o-si硅氧烷键，将原本孤立的线型大分子牢固地编织成空间交联网络。

10、优选的，所述高导电率铝合金芯的成分的重量百分比为：fe0.12wt%，si0.05wt%，mg0.02wt%，zr0.0095wt%；且所述铝合金芯基体内部弥散分布有尺寸为10nm的al3zr纳米析出相。

11、通过采用上述技术方案，由设定配比体系自发形成的al3zr纳米析出相被约束在10nm的尺寸区间。处于该微观尺度的析出相不仅能充分发挥弥散强化效应以提升基体拉伸强度，而且由于其几何尺寸尚未达到引发明显电子散射的临界阈值，规避了传统合金化工艺中强度与电导率相互掣肘的矛盾。

12、优选的，所述不锈钢丝加强层内的轴向预张应力数值为346.8～400mpa，所述316l不锈钢丝内部的晶粒尺寸≤2.5μm。

13、通过采用上述技术方案，将轴向预张应力稳定在特定范围内，赋予了缆芯在应对长跨距架设自重及额外载荷时所需的应力缓冲带；配合晶粒尺寸被细化至2.5μm及以下的316l不锈钢丝，利用细晶强化效应从材料本体层面提升了整体的疲劳极限。

14、优选的，所述交联聚乙烯绝缘层原料中，所述氧化铝的平均粒径为20-40nm，比表面积为85-110m2/g；所述受阻酚类抗氧剂为抗氧剂1010。

15、通过采用上述技术方案，具有特定比表面积与粒径形貌的氧化铝能够与聚乙烯基体实现极高面积的界面接触，这种致密结合层的存在增加了空间电荷注入与迁移的势垒；与此同时，特定结构的受阻酚类抗氧剂借助其空间位阻特征，可持续且稳定地提供酚羟基氢原子，用以中和因高分子链断裂而衍生的自由基。

16、优选的，所述交联聚乙烯绝缘层内部沿轴向平行嵌入有两条镀铜康铜丝，所述镀铜康铜丝的外表面包覆有厚度为0.03mm的聚酰亚胺薄膜，所述镀铜康铜丝的间距为2.5mm，直径为0.18mm，电阻温度系数为±5×10-6/℃。

17、通过采用上述技术方案，预埋设的镀铜康铜丝凭借其微弱的电阻温度敏感性，作为监测电缆内部真实应变与热力状态的物理探针。覆于其表面的聚酰亚胺薄膜发挥必要的电气隔离作用以维持信号纯净，而表层的镀铜处理则从界面亲和力角度改善了金属丝与交联聚乙烯基体易剥离的问题，确保形变传递的同步性。

18、优选的，所述交联聚乙烯绝缘层外表面还包覆有防覆冰功能层，所述防覆冰功能层的厚度为0.15～0.18mm，由包含含氟丙烯酸酯共聚物与疏水二氧化硅气凝胶的混合涂液烘干形成。

19、通过采用上述技术方案，在绝缘层最外侧附着的防覆冰功能层作为物理屏障，阻断了大气中过冷水滴与绝缘材料的直接附着路径，从而在宏观上延缓冰晶成核与结壳的进程。

20、优选的，所述混合涂液中含氟丙烯酸酯共聚物与疏水二氧化硅气凝胶的质量比为7:3；所述含氟丙烯酸酯共聚物为含有三氟乙基侧基且玻璃化转变温度为-15℃的高分子化合物；所述疏水二氧化硅气凝胶的孔隙率≥92%，粒径为50～100nm。

21、通过采用上述技术方案，该功能层的抗冰能力源于聚合物低表面能与微观粗糙结构的物理化学协同。含氟丙烯酸酯共聚物携带的三氟乙基侧基具备极低的表面自由能，混合其中且孔隙率极高的疏水二氧化硅气凝胶则在涂层表面构筑了微纳米级别的起伏样貌。这种超疏水状态迫使接触水滴保持较大的接触角与极小的滚动角，使其在彻底冻结前即可凭借重力或微风从缆线表面自然滑落。

22、优选的，所述不锈钢丝加强层由直径为0.8mm的316l不锈钢丝采用左向螺旋绞合方式缠绕而成，节径比为12～14，绞合张力为120～150n。

23、通过采用上述技术方案，规范的左向螺旋绞合方式配合特定的节径比与张力控制，保障每一根不锈钢丝在组网初期的几何形变高度一致。这不仅避免了局部应力集中，更为后续热处理工序中预应力的均匀激发奠定了力学基准。

24、优选的，所述不锈钢丝加强层内的轴向预张应力，是由包含初始绞合张力的所述不锈钢丝与所述铝合金芯的复合线段，经180～190℃下保温2h的低温时效处理后，冷却至室温固化形成。

25、通过采用上述技术方案，复杂预张应力的最终成型巧妙利用了异质材料间的热力学特性差异。复合线段在经历恒温时效处理以消除绞合衍生的无序残余应力后，进入冷却阶段；此时，由于铝合金芯的热膨胀系数明显偏大，其冷却引发的体积收缩趋势远超外侧的不锈钢丝。在两端受约束的边界条件下，铝合金芯的剧烈收缩反向限制了不锈钢丝的自由回缩空间，迫使不锈钢丝内部激发出对应的轴向拉伸应力；该热致应力与前期的机械绞合张力叠加，最终固化在网络层中。

26、优选的，所述交联聚乙烯绝缘层的内外侧交联度分布，是所述原料在195～200℃挤出包覆后，依次经受第一段温度为50℃、冷却长度为1.2m的水冷，与第二段温度为28℃、冷却长度为0.8m的风冷的分段式梯度冷却工艺定型而形成。

27、通过采用上述技术方案，交联度的均匀分布得益于挤出后实施的分段式梯度冷却策略，改变了传统单一急冷工艺易导致熔体表面骤降、内外温差畸变的技术劣势。具有特定水温与冷却长度的第一段水冷促使表层聚合物熔体以相对温和的速率初步定型，抑制了截面温度梯度的过速拉大；随后衔接的风冷段进一步平稳带走结构余热。这种相对舒缓的热量耗散过程，为绝缘基体内部大分子链段的构象松弛以及硅烷分子的水解缩聚留出了充裕的时间窗口，促使整个径向截面的交联网络能够同步发育，从工艺源头缩小了内外侧的交联度落差。

28、综上所述，本技术包括以下至少一种有益技术效果：

29、1.本技术通过将特定成分配比的高导电率铝合金芯与具有轴向预张应力的不锈钢丝加强层结合，改变了传统架空电缆的受力机制，铝合金基体中生成的纳米析出相在保证导电率的同时提升了材料基础强度，同时利用异质金属冷却阶段热膨胀系数差在不锈钢丝内固化的预张应力，使得电缆在承受外部载荷时能够优先消耗预设的应力裕度，使缆芯在长跨距架设中具备更稳定的抗拉伸能力，降低了机械蠕变发生的概率；

30、2.本技术对绝缘层的材料体系与成型工艺进行了优化，通过添加氧化铝和受阻酚类抗氧剂抑制热氧老化，并采用特定参数的分段式梯度冷却工艺进行挤出定型，梯度冷却减缓了熔体降温阶段的热量耗散速率，为高分子链段在径向截面上的同步水解缩聚反应提供了时间，将绝缘层最外侧与最内侧的交联度差值控制在1.53%以下，消除了绝缘材料内部因交联度分布不均引发的结构应力积聚，防止了电缆在服役温度交变时出现局部龟裂缺陷；

31、3.本技术在交联聚乙烯绝缘层外侧包覆了由含氟丙烯酸酯共聚物与疏水二氧化硅气凝胶组成的防覆冰功能层，提高了电缆在复杂气候环境下的运行可靠性，含氟聚合物具备的低表面自由能与二氧化硅气凝胶提供的高孔隙率粗糙结构相互配合，在电缆表面构建出超疏水物理状态，增大了接触水滴的表面张力，促使过冷水滴在彻底冻结前凭借自重自然滑落，延缓了线路覆冰的形成过程。