復(fù)合絕緣子重量輕、防污性能好、防人為破壞性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，日益得到用戶的歡迎，在城農(nóng)網(wǎng)改造工程中成為絕緣子行業(yè)的主力軍。作為絕緣子主要應(yīng)具備兩項(xiàng)根本的要求，即外絕緣性能和穩(wěn)定的力學(xué)性能，二者同樣重要，缺一不可，因而研究復(fù)合絕緣子的力學(xué)性能是我們進(jìn)一步拓展復(fù)合絕緣子市場的重要一環(huán)。復(fù)合絕緣子的外絕緣由硅橡膠來提供，其機(jī)械負(fù)荷主要由內(nèi)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(fù)合絕緣子力學(xué)性能的研究分析，是安全運(yùn)行的關(guān)鍵。

1 端部金具連接結(jié)構(gòu)與芯棒利用率

復(fù)合絕緣子主要靠單向玻璃纖維增強(qiáng)的樹脂引拔棒(俗稱芯棒)來承擔(dān)機(jī)械負(fù)荷。玻璃鋼引拔棒最突出的性能特點(diǎn)即很高的拉伸強(qiáng)度和比強(qiáng)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(qiáng)度，一般可達(dá)1000 MPa以上。因而直徑僅18 mm的引拔棒，其拉伸破壞強(qiáng)度即可達(dá)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(qiáng)度(拉伸強(qiáng)度與重量之比)為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的5～6倍。引拔棒的高強(qiáng)度、高比強(qiáng)度的特點(diǎn)，正是復(fù)合絕緣子強(qiáng)度高、重量輕、桿徑細(xì)的基礎(chǔ)。

雖然復(fù)合絕緣子完全依靠玻璃纖維引拔棒來承擔(dān)機(jī)械負(fù)荷，然而芯棒的強(qiáng)度并不等于復(fù)合絕緣子的強(qiáng)度，這是因?yàn)樾景舯仨毻ㄟ^絕緣子的端部附件傳遞負(fù)荷，才能與輸電線路的桿塔及導(dǎo)線相連接。而端部連接處必然是機(jī)械應(yīng)力最集中的地方，不同的連接結(jié)構(gòu)也會導(dǎo)致不同的應(yīng)力集中程度，因此復(fù)合絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度實(shí)際上更多地不是取決于芯棒的機(jī)械強(qiáng)度，而是其端部連接的機(jī)械強(qiáng)度，也就是芯棒的利用強(qiáng)度。采用同樣芯棒而不同連接結(jié)構(gòu)的復(fù)合絕緣子，其機(jī)械強(qiáng)度是不同的，因此對芯棒的利用強(qiáng)度是不同的。

國內(nèi)外復(fù)合絕緣子按照連接結(jié)構(gòu)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(chǎn)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(jié)構(gòu)已有4年了，從試驗(yàn)效果和運(yùn)行后的抽檢可以看出，連接效果很好。壓接式連接區(qū)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(zhì)量等都有很高的要求。壓接式屬于非自鎖性結(jié)構(gòu)，必須完全靠預(yù)壓力產(chǎn)生的金具塑性變形來抵御運(yùn)行中可能出現(xiàn)的任何滑移，而且由于芯棒與金具的熱膨脹系數(shù)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(chǎn)過程中施加足夠的預(yù)壓縮力，以保證在低溫環(huán)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(nèi)應(yīng)力，為解決這個問題，我們采用國內(nèi)外最先進(jìn)的聲發(fā)射探測的壓接工藝，效果良好。

楔接式連接結(jié)構(gòu)有內(nèi)楔和外楔之分，都是利用自鎖原理。外楔式接頭由于運(yùn)行效果不好，在運(yùn)行中抽查發(fā)現(xiàn)了機(jī)械負(fù)荷明顯下降的現(xiàn)象，從而被國內(nèi)電力部門及生產(chǎn)廠家所遺棄。內(nèi)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(qū)在預(yù)拉伸負(fù)荷下的位移，實(shí)現(xiàn)較好的端部密封。而且內(nèi)楔式屬于自鎖緊式結(jié)構(gòu)，在長期的運(yùn)行中，一旦遇到較大的沖擊負(fù)荷或嚴(yán)重的低溫等意外情況，芯棒產(chǎn)生微小的滑移時，自鎖緊式結(jié)構(gòu)可以保證芯棒重新夾緊。國內(nèi)數(shù)十萬只復(fù)合絕緣子采用這種結(jié)構(gòu)形式，運(yùn)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(chǎn)成本高，工藝復(fù)雜，只有少數(shù)廠家采用。

2 復(fù)合絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度與蠕變特性

瓷絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度用機(jī)械破壞負(fù)荷一個參數(shù)就可以了，而復(fù)合絕緣子僅用額定機(jī)械負(fù)荷一個參數(shù)卻不夠，還需要加上機(jī)械強(qiáng)度的蠕變斜率來共同評價(jià)。

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

復(fù)合絕緣子存在機(jī)械強(qiáng)度的蠕變現(xiàn)象，是由于承擔(dān)機(jī)械負(fù)荷的芯棒的復(fù)合結(jié)構(gòu)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(dá)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?yàn)樵趶?fù)合絕緣子的連接結(jié)構(gòu)中，不可避免的存在著應(yīng)力集中問題，即在芯棒內(nèi)部各點(diǎn)所受到的機(jī)械應(yīng)力不同，在芯棒內(nèi)部這上百萬根玻璃纖維的狀態(tài)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(fù)荷，這些纖維的受力狀態(tài)也必然很不相同。再說這上百萬根玻璃纖維本身的破壞強(qiáng)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(fù)合絕緣子上施加一個低于其短時破壞強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷時，絕緣子雖沒有立即斷裂，但芯棒內(nèi)部的某些纖維由于受到超過其本身強(qiáng)度的負(fù)荷已經(jīng)斷了。這些斷了的纖維原先承擔(dān)的負(fù)荷只好轉(zhuǎn)移給周圍的纖維，從而加大了周圍纖維的平均應(yīng)力。若周圍的纖維能夠承擔(dān)這些附加的負(fù)荷，則芯棒的內(nèi)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(fù)荷，芯棒的的纖維就繼續(xù)斷裂，需要更大范圍內(nèi)的纖維來承擔(dān)。從而表現(xiàn)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(qiáng)度逐漸下降的蠕變現(xiàn)象。

玻璃纖維引拔棒的蠕變現(xiàn)象并不可怕，因?yàn)樵谪?fù)荷低于一定的機(jī)械負(fù)荷之下沒有或極少有纖維斷裂，蠕變過程就停止了。而設(shè)計(jì)過程中已經(jīng)留下了足夠多的裕度，芯棒的破壞強(qiáng)度很高，運(yùn)行中絕緣子的日常機(jī)械負(fù)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(fù)合絕緣子機(jī)械負(fù)荷的影響

從目前的研究分析可以發(fā)現(xiàn)，復(fù)合絕緣子機(jī)械負(fù)荷的控制關(guān)鍵，是金屬附件與芯棒的連接區(qū)的控制，我們前面已經(jīng)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(yù)應(yīng)力，從而在二者之間產(chǎn)生靜摩擦力實(shí)現(xiàn)機(jī)械負(fù)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(nèi)腔產(chǎn)生了較強(qiáng)的分子運(yùn)動，由于是同一種材料，隨著時間的延續(xù)，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(shù)，在膨脹系數(shù)不一致的情況下，就發(fā)生了芯棒與金具的滑移。一旦出現(xiàn)滑移，其機(jī)械負(fù)荷就會進(jìn)一步的降低，同時引起端部封口區(qū)的護(hù)套斷裂，密封損壞又引起進(jìn)水，給芯棒的水解創(chuàng)造了條件，導(dǎo)致芯棒進(jìn)一步破壞，最后導(dǎo)致絕緣子在連接區(qū)的斷裂。

內(nèi)楔式連接結(jié)構(gòu)采用自鎖原理，其缺點(diǎn)是生產(chǎn)時要先對芯棒鋸一個縫，其實(shí)也就降低了芯棒本身的機(jī)械強(qiáng)度。在鋸開的縫中間打入一個楔片，對芯棒產(chǎn)生了一個很大的應(yīng)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(yīng)力不均勻，更容易損壞。由于采用自鎖式結(jié)構(gòu)，因而一般不會出現(xiàn)抽芯現(xiàn)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(yán)格，所以很少采用。

壓接式是目前國內(nèi)外共同認(rèn)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(chǎn)生塑性變形，給芯棒一個預(yù)應(yīng)力，從而在芯棒和金具之間產(chǎn)生靜摩擦力，實(shí)現(xiàn)連接。由于金具內(nèi)腔與芯棒是無錐度的配合，芯棒受到周圍均勻的預(yù)壓力，應(yīng)力集中現(xiàn)象得到很好的控制。該工藝操作機(jī)械化程度高，金具小巧美觀，生產(chǎn)成本低，得到了廣泛應(yīng)用。

4 復(fù)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(tài)，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(qiáng)類復(fù)合材料的正常斷裂形態(tài)，通常是增強(qiáng)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(xiàn)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(fù)合絕緣子在一定條件下卻可發(fā)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(fù)合絕緣子的這種脆性斷裂之所以格外受到關(guān)注，并不是一種獨(dú)特的斷裂形式，而主要是在完全意外的的情況下發(fā)生的。所謂意料之外，一方面是指脆性斷裂的負(fù)荷遠(yuǎn)低于正常斷裂負(fù)荷，比如在正常破壞負(fù)荷的30 %以下就可能發(fā)生脆性斷裂;從另一方面說，脆性斷裂的時間有不可預(yù)見性。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，脆性斷裂的時間無規(guī)律可尋，長的可以運(yùn)行數(shù)年，短的也就是幾個月就斷裂了。

基于以上兩點(diǎn)，對復(fù)合絕緣子的脆性斷裂，從生產(chǎn)研究人員到廣大的電力用戶都很重視脆性斷裂問題。根據(jù)多年的研究發(fā)現(xiàn)，基本認(rèn)定是應(yīng)力腐蝕造成的，在酸性溶液與機(jī)械負(fù)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(chǎn)生微小的裂紋。假若纖維已經(jīng)存在微小的裂紋可以促使微小裂紋進(jìn)一步加大，在并不高的外在平均機(jī)械應(yīng)力作用下，纖維微小裂紋尖端的機(jī)械應(yīng)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(kuò)展，裂紋前端的應(yīng)力腐蝕進(jìn)一步加劇，從而使芯棒在很低的負(fù)荷下就發(fā)生了斷裂。至于酸性溶液普遍認(rèn)為是由于復(fù)合絕緣子的護(hù)套或端部密封失效，導(dǎo)致外界水分進(jìn)入，水分在強(qiáng)電場作用下，或者在局部發(fā)生微弱的放電而產(chǎn)生的。

從以上的分析可以看出，提高復(fù)合絕緣子的耐應(yīng)力腐蝕性能的途徑有兩種。其一是提高復(fù)合絕緣子的護(hù)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(fù)合絕緣子用玻璃纖維引拔棒的耐應(yīng)力腐蝕性能，最好使用耐酸芯棒。

絕緣子的斷裂會造成導(dǎo)線落地，脆性斷裂的嚴(yán)重性不言而喻。但脆性斷裂的發(fā)生概率極低，在國內(nèi)運(yùn)行的上百萬只復(fù)合絕緣子中僅有幾只斷裂，因而復(fù)合絕緣子是可以值得信賴的產(chǎn)品，特別是目前生產(chǎn)廠家在芯棒的采用、護(hù)套的生產(chǎn)和端部的密封上都有了大幅度的提高，只要生產(chǎn)和使用部門協(xié)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(jìn)的有運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的連接方式，嚴(yán)格的生產(chǎn)工藝管理，做好對芯棒的保護(hù)，采用耐酸性芯棒，復(fù)合絕緣子就會有可靠的機(jī)械性能。