復合絕緣子界面光纖植入方法與界面性能試驗

郝艷捧，韋杰，黃磊，潘銳健，陽林，許文榮，洪文波

(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510641；2. 南方電網(wǎng)數(shù)字電網(wǎng)研究院有限公司，廣東 廣州510663；3.南方電網(wǎng)科學研究院有限責任公司，廣東 廣州 510663；4. 長園高能電氣股份有限公司，廣東 東莞523128)

復合絕緣子具有耐污閃性能好、體積小、質量輕、機械強度高和運輸方便等優(yōu)點，被廣泛應用于架空輸電線路[1-3]。到2019年3月，我國110 kV及以上電壓等級架空輸電線路復合絕緣子已經(jīng)超過1 000萬支[4]?！拔麟姈|送”等遠距離架空輸電線路不可避免地跨越高山峽谷、江河盆地、沿海海島等復雜地形和內(nèi)陸工業(yè)區(qū)，在高低溫、高濕、強紫外、鹽霧、污穢和酸雨等嚴酷氣候和運行電壓的長期作用下，線路復合絕緣子出現(xiàn)覆冰-冰閃[5-7]、爬電-污閃[8-12]、脆斷-朽斷[13-17]、異常溫升[18-21]等多種運行狀態(tài)。復合絕緣子運行狀態(tài)檢測是電網(wǎng)安全運行的重要保障之一，目前常用的技術主要有紅外熱像、紫外成像、泄漏電流和視頻圖像。

紅外熱像準確性高、不停電、不接觸、快速直觀[22-23]，被廣泛應用于復合絕緣子狀態(tài)巡檢中，已經(jīng)形成行業(yè)標準[24]，但受天氣、測量距離、場地等環(huán)境因素影響，使用中有漏檢或錯檢[20]。紫外成像可帶電檢測潮濕環(huán)境中表面染污所致的表面放電[25]，也已形成國家標準[26]，但需在正溫度環(huán)境下檢測正在發(fā)生的放電，易受觀察角度影響，設備較貴[25]。泄漏電流是測量一段時間內(nèi)絕緣子接地側泄漏電流的峰值平均值、峰值最大值或大電流脈沖數(shù)[27]，然而多年來復合絕緣子的泄漏特性和表面狀態(tài)之間還沒有建立任何認可的關聯(lián)[28-29]。視頻圖像可識別復合絕緣子的覆冰厚度[30]、冰棱長度[31]和憎水性等級[32-33]，然而在惡劣天氣下存在攝像頭易覆冰被遮擋、電源供電不穩(wěn)定等問題。

光纖光柵具有絕緣性能好、抗電磁干擾能力強和無源傳感等優(yōu)點，適合植入復合絕緣子的長棒形結構中，組成準分布式傳感和信號傳遞網(wǎng)絡[34]。光纖通過解調(diào)波長信號可進行溫度、應變(應力)、振動等多種物理量的傳感，實現(xiàn)復合絕緣子覆冰、局放、脆斷-朽斷、發(fā)熱等運行狀態(tài)的全面感知。2021年，中國電科院組織編寫了行業(yè)標準《光纖復合絕緣子技術條件(報批稿)》，規(guī)定了使用條件和技術要求等，但未指出植入光纖的具體方法。目前，光纖植入復合絕緣子的方法主要有光纖植入芯棒中心通孔、光纖和玻璃纖維一體拉擠成芯棒、光纖螺旋纏繞在芯棒表面、光纖粘貼在芯棒表面槽內(nèi)或表面、光纖植入護套-芯棒界面等。

對于光纖植入芯棒通孔的研究，1984年日本M. Masataka和H. Hiroki發(fā)明了將光纖植入復合絕緣子芯棒通孔中的光纖復合絕緣子(composite insulators with embedded fiber，CIEF)[35]。1992年日本S. Seike等對光纖植入芯棒通孔的光纖復合絕緣子進行熱沖擊和熱循環(huán)試驗，結果表明芯棒通孔的密封材料出現(xiàn)裂痕，絕緣性能較差[36]。

對于光纖和玻璃纖維一體拉擠成芯棒的研究，1999年加拿大A. L. Kalamkarov等將刻錄了光柵的光纖和玻璃纖維一體拉擠制成纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP)芯棒[37]。2010年華中電網(wǎng)公司將封裝光纖與浸潤后的玻璃纖維一同拉過模具制成芯棒，再鋸開空心鋼管剝出尾纖，然后壓接金具，注射成光纖復合絕緣子[38]。但是一體拉擠固化的芯棒截短后，芯棒內(nèi)光纖尾纖不便于熔接光纖及其接頭。

對于光纖螺旋纏繞芯棒表面的研究，2003年法國D. Lepley等將光纖螺旋纏繞在復合絕緣子的芯棒表面，當芯棒受損出現(xiàn)局部放電，溫度超過光纖熔點導致光纖斷裂信號消失[39]，但該方法無法提前預警故障，只能使用一次。

對于光纖粘貼在芯棒槽內(nèi)或表面的研究，2002年順德特種變壓器廠發(fā)明了在芯棒表面開軸向小槽，用硅橡膠將光纖粘接在槽內(nèi)，然后注射傘套制成光纖復合絕緣子[40]。2004年法國A. Trouillet等用與芯棒材料相同的環(huán)氧樹脂膠(epoxy resin ，ER)將光柵粘貼在芯棒表面制成CIEF(稱為CIEF-ER)監(jiān)測其應變和內(nèi)部溫度[41]。2009年英國A. Kerrouche等將光纖光柵粘貼在碳纖維復合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)芯棒的凹槽內(nèi)監(jiān)測軸向應變[42]。2021年華南理工大學用353ND膠將光纖光柵粘貼在芯棒表面監(jiān)測芯棒脆斷過程的溫度和應力變化，發(fā)現(xiàn)裂紋起裂和裂紋嚴重階段的預警閾值分別為光柵波長偏移量1.1λwmax和0.9λwmax(λwmax為無裂紋時光柵波長偏移量穩(wěn)定最大值)[15]。此外，對于光纖植入護套-芯棒界面的方法，2019年、2020年華南理工大學用ER或室溫硫化硅橡膠(room temperature vulcanized silicone rubber，RTV)將光纖植入護套-芯棒界面，制成可檢測雨凇的10 kV和110 kV CIEF(稱為CIEF-RTV)，檢測最小的雨凇荷載為0.5 N(等效雨凇長度11 mm)，正對雨凇的光柵荷載靈敏度為-34.6 pm/N[43-44]，然而仍未研究光纖復合絕緣子的界面性能。

本文分別用ER和RTV作為光纖粘接劑在復合絕緣子的護套-芯棒界面植入刻錄光柵的光纖，提出制備方法，制得CIEF。進行改進水擴散試驗、泄漏電流測量和掃描電子顯微鏡(scanning electron microscope，SEM)試驗，用界面泄漏電流和微觀形貌研究光纖復合絕緣子的界面性能。

1 光纖植入方法與界面性能試驗

1.1 光纖光柵傳感原理

光纖布拉格光柵(fiber Bragg grating，F(xiàn)BG)是纖芯折射率周期變化的一段光纖，對波長的反射和透射具有選擇性。光柵的諧振方程為λB=2neffΛ[45]，波長λB取決于纖芯有效折射率neff和光柵周期Λ，應變和溫度都會引起這2個參量的變化，使光柵的波長發(fā)生偏移。對諧振方程兩邊求全微分可得

ΔλB=λB(αf+ξ)ΔT+λB(1-Pe)ε=

KB,TΔT+KB,εε.

(1)

式中：αf為熱膨脹系數(shù)；ξ為熱光系數(shù)；ΔT為溫度變化量；Pe為彈光系數(shù)；ε為軸向應變變化量；KB,T和KB,ε分別為光柵的溫度靈敏度和軸向應變靈敏度，均為常數(shù)。

光柵的波長偏移量與軸向應變、溫度呈線性關系，通過光柵的波長偏移量可檢測設備的狀態(tài)。

1.2 光纖植入方法

本文將光纖植入復合絕緣子的護套-芯棒界面，提出光纖光柵的植入位置、光纖及其粘接劑的植入方法。

1.2.1 植入位置

本文采用通信單模光纖，纖芯為石英玻璃纖維，直徑8 μm。為了提高其抗微彎性能，纖芯外包層又有涂覆層，直徑300 μm，如圖1所示，材質為聚酰亞胺，最高耐溫300 ℃，能耐受復合絕緣子生產(chǎn)過程中的高溫環(huán)境。通過相位掩模法在光纖上刻錄光柵，光柵標記為FBGmn，m為光纖編號，n為光柵編號。

圖1 光纖結構Fig.1 Structure of optical fiber

為了檢測復合絕緣子的傘裙、護套和芯棒各部位的運行狀態(tài)，光纖植入護套-芯棒界面，光纖軸向方向與絕緣子相同。若植入多根光纖，所有光纖沿絕緣子中心軸對稱分布。為了防止復合絕緣子傘裙形變引起光柵的徑向應變，導致光柵的波長偏移量與應變的非線性關系[43]，光柵植入在每片大傘根部的上端，同一根光纖上光柵的間隔等于復合絕緣子的大傘間距，這樣光柵只受護套的軸向力作用。

本文以檢測雨凇覆冰的110 kV CIEF為例，具體說明光纖光柵的植入位置。試驗用復合絕緣子型號為FXBW-110/100，相關參數(shù)見表1，表中：h為結構高度，l為泄漏距離，P1、P2分別為大、小傘伸出，D1、D2分別為大、小傘間距，N1、N2分別為大、小傘數(shù)量。

表1 FXBW-110/100型復合絕緣子結構參數(shù)Tab.1 Structure parameters of FXBW-110/100 composite insulator

本文植入3根光纖，分別記為1號、2號和3號。每根光纖分別刻錄了13個光柵，分別記為FBG101—FBG113、FBG201—FBG213和FBG301—FBG313[44]。3根光纖對稱120°植入復合絕緣子護套-芯棒界面，如圖2所示。

圖2 光纖光柵的植入位置Fig.2 Embedded positions of optical fibers with FBGs

1.2.2 植入光纖及其粘接劑

光纖植入復合絕緣子的制備主要包括芯棒粘接光纖和高溫注射傘裙。首先，水平放置并固定芯棒，將光纖平鋪在芯棒表面待測位置并固定兩端。然后，用膠將光纖粘接在芯棒表面，粘接厚度小于1 mm，避免產(chǎn)生氣泡，粘接層示意圖見圖3(a)。在復合絕緣子低壓端金具開直徑5 mm圓孔，光纖一端從圓孔引出，用RTV密封圓孔；最后，芯棒壓接金具，放入真空高溫硫化硅橡膠注射機中注射護套和傘裙，見圖3(b)。根據(jù)使用的粘接劑，分別為CIEF-ER和CIEF-RTV。

圖3 粘接層和光纖復合絕緣子Fig.3 Structure of adhesive layer and CIEF

1.3 試驗

復合絕緣子芯棒一般以直徑19～29 μm的改進無硼無堿玻璃纖維(E-glass of chemical resistance，E-CR)作增強材料，ER作基體的玻璃鋼復合材料[1,46]，光纖纖芯與E-CR玻璃纖維材質相同、直徑相當。研究表明光纖和玻璃纖維一體拉擠成芯棒對其拉伸強度沒有影響，剪切強度略有降低[37]。但是目前沒有其電氣性能的研究，本文對界面植入光纖的復合絕緣子進行改進水擴散試驗、泄漏電流測量和SEM微觀形貌分析等界面電氣性能研究。

1.3.1 改進水擴散試驗

標準IEC 62217-2012[47]和GB/T 19519—2014[48]提出水擴散試驗方法，即垂直芯棒軸線切割長度30 mm的試樣，放入NaCl質量分數(shù)0.1%的去離子水中沸煮100 h。然后取出試樣，兩端施加交流12 kV電壓檢測泄漏電流，IEC 62217-2012規(guī)定不超過1 mA，GB/T 19519—2014規(guī)定不超過0.1 mA。相比于整支復合絕緣子水煮后進行陡波前沖擊電壓試驗，將護套-芯棒界面暴露在鹽水中條件更嚴苛，界面泄漏電流能有效地表征界面性能[49-51]。

文獻[49]提出了改進水擴散試驗方法：以帶護套的芯棒作為試樣，采用與標準相同的方法測量泄漏電流I1，剝離護套測量芯棒泄漏電流I2，用界面泄漏電流I3=I1-I2表征護套-芯棒界面性能，I3應不超過0.1 mA。文獻[50]進行水煮300 h的改進水擴散試驗，提出泄漏電流應不超過0.2 mA。

本文依據(jù)改進水擴散試驗方法，在流動涼水下切割復合絕緣子，得到試樣如圖4(a)所示。將同一類試樣分6組，每組3個試樣，取自同一根絕緣子的高、中、低壓端。將同一類型的6組試樣分別沸煮0 h、100 h、200 h、300 h、400 h和500 h。

圖4 改進水擴散試驗試樣和試驗系統(tǒng) Fig.4 Samples in modified water diffusion test and experimental system

1.3.2 泄漏電流測量

取出沸煮一定時間后的試樣，放入溫水中浸泡15 min。用濾紙擦干試樣表面水分，置入電極內(nèi)，電極兩端施加交流電壓12 kV(有效值)測量泄漏電流，系統(tǒng)如圖4(b)所示。其中，電流檢測用UT61E電流測量模塊，測量范圍0.001 mA～60.00 A，測量電流頻率50～60 Hz，分辨率1 μA。

1.3.3 掃描電鏡試驗

SEM能夠直接觀察物體表面的微觀結構。本試驗采用日立掃描電鏡S-3700N，最大放大倍率為5 000。水擴散試驗中試樣端面表層的界面老化最嚴重，能有效表征界面性能，因此在流動的涼水下切割泄漏電流測量后的試樣端面表層，作為本試驗的樣品(高度5 mm、直徑26 mm)。通過觀察CIEF-ER和CIEF-RTV的界面微觀形貌，分析其界面性能。

2 結果與討論

2.1 界面泄漏電流

CIEF-ER、CIEF-RTV和常規(guī)復合絕緣子的試樣電流I1、芯棒試樣電流I2、界面泄漏電流I3如圖5所示。

由圖5可知CIEF-ER試樣水煮前I3為0.075 mA，水煮100 h后I3達1.306 mA，遠超過GB/T 19519—2014標準值(0.1 mA)；水煮200 h、300 h后，I3分別為1.570 mA、1.934 mA，標準差分別為0.666 mA、0.529 mA，數(shù)據(jù)離散程度較大，CIEF-ER界面性能較差。

CIEF-RTV試樣水煮100 h、200 h后，I3分別為0.006 mA、0.055 mA，小于0.1 mA，界面性能良好；水煮300 h后，I3達0.403 mA，大于文獻[50]推薦的0.2 mA，推斷試樣界面有水分進入，導致泄漏電流較大；水煮500 h后I3達1.476 mA，超過IEC 62217標準(1 mA，但水煮時間是100 h)。與之相比，常規(guī)試樣水煮300 h、500 h后，I3分別達0.172 mA、1.058 mA。

水煮200 h內(nèi)，CIEF-RTV試樣的I3與常規(guī)試樣相同，最大相差僅0.02 mA。綜上，CIEF-RTV的界面性能滿足標準要求，優(yōu)于CIEF-ER。

2.2 界面微觀形貌

采用SEM觀察水煮后CIEF的界面微觀形貌。本文將水煮前后試樣界面分為原始狀態(tài)、水煮正常、水煮出現(xiàn)缺陷和水煮擊穿/泄漏電流超過閾值等4個狀態(tài)。

2.2.1 CIEF-ER

原始狀態(tài)試樣的SEM結果如圖6(a)所示。圖6(a)②顯示ER粘接層存在氣泡，氣泡孔的長度約30 μm。推測由于未固化的ER容易流動，在粘接光纖時空氣容易進入粘接層產(chǎn)生氣泡。圖6(a)③顯示在芯棒-粘接層-護套三交界處出現(xiàn)界面缺陷。

水煮后試樣立即出現(xiàn)缺陷，SEM見圖6(b)?？梢娮o套、粘接層和芯棒之間的界面均出現(xiàn)缺陷，如圖6(b)②所示，芯棒玻璃纖維與ER基體的界面明顯分離，可能是缺陷導致界面溫度升高或局部放電。從圖6(b)③看出，ER粘接層在注射傘裙時被高溫硫化硅橡膠沖破，產(chǎn)生新的界面，ER粘接層不能保護植入的光纖。

水煮試樣在泄漏電流測量試驗中發(fā)生閃絡，其SEM如圖6(c)所示。閃絡發(fā)生在芯棒-粘接層-護套三交界處，表明該處容易產(chǎn)生缺陷。從圖6(c)②、③、④看出，靠近閃絡位置的芯棒ER基體被燒蝕殆盡，玻璃纖維排列疏松，僅剩少量的ER基體殘留在玻璃纖維表面。

綜上所述，CIEF-ER的粘接層容易出現(xiàn)氣泡，在芯棒-粘接層-護套三交界處容易出現(xiàn)界面缺陷，導致CIEF-ER的界面性能不滿足標準要求。

2.2.2 CIEF-RTV

原始狀態(tài)試樣的SEM如圖7(a)所示，RTV粘接層與護套、芯棒的界面粘接緊密，沒有缺陷。從圖7(b)②、③、④看出，水煮正常試樣的RTV粘接層和護套的界面粘接良好，芯棒-粘接層-護套三交界處無缺陷，這與水煮100 h的CIEF-RTV的界面泄漏電流和常規(guī)復合絕緣子相同的試驗結果相吻合。

水煮出現(xiàn)缺陷試樣的SEM結果如圖7(c)所示。圖7(c)④顯示護套和RTV粘接層的界面出現(xiàn)裂紋，裂紋長度約80 μm、寬度約20 μm，但是RTV粘接層與護套、芯棒的界面整體粘接效果保持良好。護套和RTV粘接層的界面缺陷是導致界面泄漏電流較大的主要原因，但該狀態(tài)試樣的界面泄漏電流仍小于IEC 62217-2012標準值。

1—芯棒；2—硅橡膠護套；3—RTV粘接層；4—光纖圖7 CIEF-RTV試樣不同水煮時間和狀態(tài)的界面微觀形貌Fig.7 Interface morphologies of CIEF-RTV sample after different boiling time

水煮泄漏電流超過標準閾值試樣的SEM如圖7(d)所示。護套和RTV粘接層界面上形成長約300 μm、寬約100 μm的裂紋，可能由水煮出現(xiàn)缺陷，試樣較小的界面缺陷在水分入侵后擴大形成。從圖7(d)③、④看出，光纖仍被RTV粘接層緊密包裹，RTV粘接層和芯棒的界面出現(xiàn)缺陷，缺陷長約300 μm、寬約40 μm。說明經(jīng)過長時間水煮后，RTV粘接層與護套的界面只產(chǎn)生較小缺陷，而不會出現(xiàn)大的貫穿性缺陷。因此同樣是最嚴重的界面狀態(tài)，CIEF-RTV的界面泄漏電流小于CIEF-ER，并且沒有出現(xiàn)閃絡。CIEF-RTV的界面性能優(yōu)于CIEF-ER。

本文在非真空環(huán)境下將光纖粘貼在芯棒表面，未固化的ER在混合和粘貼光纖的過程中容易形成氣泡，導致CIEF-ER的界面性能較差。若要提高CIEF的界面性能，可從兩方面改進制備方法：①在注射傘裙和護套前，真空環(huán)境下將光纖粘接在芯棒表面，防止粘接層內(nèi)和界面形成氣泡；②光纖制造通常采用拉絲工藝和紫外固化法使纖芯-包層、包層-涂覆層的界面粘接緊密，可借鑒該方法增強芯棒-粘接層、光纖-粘接層、硅橡膠護套-粘接層界面的粘接性能。

3 結論

本文采用ER和RTV作為光纖粘接劑在復合絕緣子的護套-芯棒界面植入3根刻錄光柵的光纖，提出制備方法，分別制得CIEF-ER和CIEF-RTV。通過改進水擴散試驗、泄漏電流測量和SEM試驗研究CIEF的界面性能，主要結論如下：

a)采用光纖粘接劑將光纖植入復合絕緣子的護套-芯棒界面，提出光纖、護套一體固化植入方法，界面性能滿足標準IEC 62217-2012和GB/T 19519—2014的要求。

b)水煮100 h的CIEF-ER界面泄漏電流為1.306 mA，遠大于標準值0.1 mA，界面有氣泡，性能較差。

c)水煮100 h的CIEF-RTV界面泄漏電流為0.006 mA，界面性能滿足標準，各界面未出現(xiàn)缺陷，其界面性能良好。此外，水煮200 h內(nèi)，CIEF-RTV的界面泄漏電流與常規(guī)復合絕緣子相同。