復合絕緣子重量輕、防污性能好、防人為破壞性能強等優點，日益得到用戶的歡迎，在城農網改造工程中成為絕緣子行業的主力軍。作為絕緣子主要應具備兩項根本的要求，即外絕緣性能和穩定的力學性能，二者同樣重要，缺一不可，因而研究復合絕緣子的力學性能是我們進一步拓展復合絕緣子市場的重要一環。復合絕緣子的外絕緣由硅橡膠來提供，其機械負荷主要由內部的玻璃纖維引拔棒提供，同時涉及到金具與玻璃纖維引拔棒的連接。因此對復合絕緣子力學性能的研究分析，是安全運行的關鍵。

1 端部金具連接結構與芯棒利用率

復合絕緣子主要靠單向玻璃纖維增強的樹脂引拔棒(俗稱芯棒)來承擔機械負荷。玻璃鋼引拔棒最突出的性能特點即很高的拉伸強度和比強度。引拔棒中的玻璃纖維沿軸向承載方向的順向排列，使其具有很高的軸向拉伸強度，一般可達1000 MPa以上。因而直徑僅18 mm的引拔棒，其拉伸破壞強度即可達到250 kN以上。又由于引拔棒的密度一般只為2.0 g/cm3,因而其比強度(拉伸強度與重量之比)為優質碳素結構鋼的5～6倍。引拔棒的高強度、高比強度的特點，正是復合絕緣子強度高、重量輕、桿徑細的基礎。

雖然復合絕緣子完全依靠玻璃纖維引拔棒來承擔機械負荷，然而芯棒的強度并不等于復合絕緣子的強度，這是因為芯棒必須通過絕緣子的端部附件傳遞負荷，才能與輸電線路的桿塔及導線相連接。而端部連接處必然是機械應力最集中的地方，不同的連接結構也會導致不同的應力集中程度，因此復合絕緣子的機械強度實際上更多地不是取決于芯棒的機械強度，而是其端部連接的機械強度，也就是芯棒的利用強度。采用同樣芯棒而不同連接結構的復合絕緣子，其機械強度是不同的，因此對芯棒的利用強度是不同的。

國內外復合絕緣子按照連接結構劃分，主要有楔接式和壓接式兩類，目前以壓接式為主要采用形式。壓接式生產自動化程度高，外形尺寸小，簡潔美觀，無論是金具加工還是壓接配合都較簡單、清晰。我公司采用該種連接結構已有4年了，從試驗效果和運行后的抽檢可以看出，連接效果很好。壓接式連接區對芯棒和金具的尺寸精度、壓接時芯棒損傷程度的探測、金具鍍鋅層質量等都有很高的要求。壓接式屬于非自鎖性結構，必須完全靠預壓力產生的金具塑性變形來抵御運行中可能出現的任何滑移，而且由于芯棒與金具的熱膨脹系數有較大差異，低溫時芯棒尺寸的收縮比金具大，從而要求在壓接生產過程中施加足夠的預壓縮力，以保證在低溫環境下金具中仍有足夠的壓縮量。高溫時芯棒尺寸的膨脹又比金具大，從而加大了內應力，為解決這個問題，我們采用國內外最先進的聲發射探測的壓接工藝，效果良好。

楔接式連接結構有內楔和外楔之分，都是利用自鎖原理。外楔式接頭由于運行效果不好，在運行中抽查發現了機械負荷明顯下降的現象，從而被國內電力部門及生產廠家所遺棄。內楔式是在尾端開口的金具上采用正向打楔的裝配工藝，同時控制壓楔的位移量與壓楔力，可以避免連接區在預拉伸負荷下的位移，實現較好的端部密封。而且內楔式屬于自鎖緊式結構，在長期的運行中，一旦遇到較大的沖擊負荷或嚴重的低溫等意外情況，芯棒產生微小的滑移時，自鎖緊式結構可以保證芯棒重新夾緊。國內數十萬只復合絕緣子采用這種結構形式，運行效果較好。但是由于該工藝破壞了芯棒，同時人為影響較大，生產成本高，工藝復雜，只有少數廠家采用。

2 復合絕緣子的機械強度與蠕變特性

瓷絕緣子的機械強度用機械破壞負荷一個參數就可以了，而復合絕緣子僅用額定機械負荷一個參數卻不夠，還需要加上機械強度的蠕變斜率來共同評價。

所謂機械強度的蠕變，就是當對復合絕緣子施加一個低于其短時破壞負荷的機械拉力時，復合絕緣子顯然不會立即斷開，但經過一定時間后，雖然該拉力一直恒定并未增加，但復合絕緣子卻斷了。施加的機械負荷越高，復合絕緣子所維持的時間就越短，施加的機械負荷越低，復合絕緣子所維持的時間就越長。比如在100 %的破壞負荷下，復合絕緣子在1 min左右就斷了，在60 %的破壞負荷下，復合絕緣子至少能維持96 h以上才斷，在40 %的破壞負荷下，復合絕緣子可以維持50年左右才斷。這種機械強度隨加載時間延長而下降的現象就是蠕變現象。

復合絕緣子存在機械強度的蠕變現象，是由于承擔機械負荷的芯棒的復合結構造成的。在芯棒中所采用的無堿玻璃纖維直徑約5～20 mm，而玻璃纖維所占體積達50 %～70 %甚至更高一些。因而在直徑18 mm的芯棒中就有上百萬根玻璃纖維，這上百萬根玻璃纖維是不可能同時斷裂的。首先因為在復合絕緣子的連接結構中，不可避免的存在著應力集中問題，即在芯棒內部各點所受到的機械應力不同，在芯棒內部這上百萬根玻璃纖維的狀態也不同。有的纖維彎有的纖維直，即使芯棒受到的是宏觀上均勻的拉伸負荷，這些纖維的受力狀態也必然很不相同。再說這上百萬根玻璃纖維本身的破壞強度也不會完全相同，即使受到相同的拉力，這些纖維也不會同時被拉斷。基于以上分析，我們可以看到在復合絕緣子上施加一個低于其短時破壞強度的機械負荷時，絕緣子雖沒有立即斷裂，但芯棒內部的某些纖維由于受到超過其本身強度的負荷已經斷了。這些斷了的纖維原先承擔的負荷只好轉移給周圍的纖維，從而加大了周圍纖維的平均應力。若周圍的纖維能夠承擔這些附加的負荷，則芯棒的內部破壞過程就停止了，若周圍的纖維承受不了這些附加的負荷，芯棒的的纖維就繼續斷裂，需要更大范圍內的纖維來承擔。從而表現出斷裂纖維逐漸增多，剩余纖維平均受力逐漸加大，芯棒的整體強度逐漸下降的蠕變現象。

玻璃纖維引拔棒的蠕變現象并不可怕，因為在負荷低于一定的機械負荷之下沒有或極少有纖維斷裂，蠕變過程就停止了。而設計過程中已經留下了足夠多的裕度，芯棒的破壞強度很高，運行中絕緣子的日常機械負荷又很低，一般不足以引起芯棒的蠕變破壞。

3 不同連接形式對復合絕緣子機械負荷的影響

從目前的研究分析可以發現，復合絕緣子機械負荷的控制關鍵，是金屬附件與芯棒的連接區的控制，我們前面已經分析過存在的連接形式。外楔式連接形式與壓接式采用的原理相同，都是給芯棒一個預應力，從而在二者之間產生靜摩擦力實現機械負荷的傳遞。但外楔式的楔片在巨大的壓力作用下與金具的內腔產生了較強的分子運動，由于是同一種材料，隨著時間的延續，二者就成為了一個整體。又由于芯棒和金具有著不同的膨脹系數，在膨脹系數不一致的情況下，就發生了芯棒與金具的滑移。一旦出現滑移，其機械負荷就會進一步的降低，同時引起端部封口區的護套斷裂，密封損壞又引起進水，給芯棒的水解創造了條件，導致芯棒進一步破壞，最后導致絕緣子在連接區的斷裂。

內楔式連接結構采用自鎖原理，其缺點是生產時要先對芯棒鋸一個縫，其實也就降低了芯棒本身的機械強度。在鋸開的縫中間打入一個楔片，對芯棒產生了一個很大的應力。另外在鋸縫的時候其對稱性不容易控制，不對稱的芯棒所受的應力不均勻，更容易損壞。由于采用自鎖式結構，因而一般不會出現抽芯現象，但不對稱容易造成一半芯棒斷裂。金具的加工要求高，裝配的手工工序多而且嚴格，所以很少采用。

壓接式是目前國內外共同認可的很受歡迎的連接形式，其原理是金具均勻的周邊壓力，使金具產生塑性變形，給芯棒一個預應力，從而在芯棒和金具之間產生靜摩擦力，實現連接。由于金具內腔與芯棒是無錐度的配合，芯棒受到周圍均勻的預壓力，應力集中現象得到很好的控制。該工藝操作機械化程度高，金具小巧美觀，生產成本低，得到了廣泛應用。

4 復合絕緣子的芯棒脆斷

玻璃屬于典型的脆性材料，因而玻璃纖維引拔棒在受拉力斷裂時與受力方向垂直且光滑平整的斷口形態，被描述為脆性斷裂或脆性破壞。玻璃纖維引拔棒這種纖維增強類復合材料的正常斷裂形態，通常是增強玻璃纖維在芯棒中不同位置的斷裂，并同時伴有大量的纖維與基體樹脂的分離分層現象，斷口粗糙，就好象折斷的竹竿或甘蔗那樣，被稱為分層破壞。但是玻璃纖維引拔棒或復合絕緣子在一定條件下卻可發生脆性斷裂，斷口平整而光滑，就好象沒有任何纖維，斷面垂直于芯棒軸向的受力方向。復合絕緣子的這種脆性斷裂之所以格外受到關注，并不是一種獨特的斷裂形式，而主要是在完全意外的的情況下發生的。所謂意料之外，一方面是指脆性斷裂的負荷遠低于正常斷裂負荷，比如在正常破壞負荷的30 %以下就可能發生脆性斷裂;從另一方面說，脆性斷裂的時間有不可預見性。根據運行經驗，脆性斷裂的時間無規律可尋，長的可以運行數年，短的也就是幾個月就斷裂了。

基于以上兩點，對復合絕緣子的脆性斷裂，從生產研究人員到廣大的電力用戶都很重視脆性斷裂問題。根據多年的研究發現，基本認定是應力腐蝕造成的，在酸性溶液與機械負荷的共同作用下，酸性溶液腐蝕耐酸性能并不好的玻璃纖維，使纖維產生微小的裂紋。假若纖維已經存在微小的裂紋可以促使微小裂紋進一步加大，在并不高的外在平均機械應力作用下，纖維微小裂紋尖端的機械應力卻可以大大增加，使纖維開始斷裂，造成纖維裂紋的不斷擴展，裂紋前端的應力腐蝕進一步加劇，從而使芯棒在很低的負荷下就發生了斷裂。至于酸性溶液普遍認為是由于復合絕緣子的護套或端部密封失效，導致外界水分進入，水分在強電場作用下，或者在局部發生微弱的放電而產生的。

從以上的分析可以看出，提高復合絕緣子的耐應力腐蝕性能的途徑有兩種。其一是提高復合絕緣子的護套性能和端部密封水平，徹底防止水分的侵入;另一途徑是提高復合絕緣子用玻璃纖維引拔棒的耐應力腐蝕性能，最好使用耐酸芯棒。

絕緣子的斷裂會造成導線落地，脆性斷裂的嚴重性不言而喻。但脆性斷裂的發生概率極低，在國內運行的上百萬只復合絕緣子中僅有幾只斷裂，因而復合絕緣子是可以值得信賴的產品，特別是目前生產廠家在芯棒的采用、護套的生產和端部的密封上都有了大幅度的提高，只要生產和使用部門協作一致，一定會對脆性斷裂事故得到控制。

從以上分析可以得出采用先進的有運行經驗的連接方式，嚴格的生產工藝管理，做好對芯棒的保護，采用耐酸性芯棒，復合絕緣子就會有可靠的機械性能。