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(chǎng)的重要一環(huán)。復(fù)合絕緣子的外絕緣由硅橡膠來(lái)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(shí)涉及到金具與玻璃纖維引拔棒的連接。因此對(duì)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(lái)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(lái)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(huì)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(duì)芯棒的利用強(qiáng)度是不同的。

國(guó)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(dòng)化程度高，外形尺寸小，簡(jiǎn)潔美觀，無(wú)論是金具加工還是壓接配合都較簡(jiǎn)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(duì)芯棒和金具的尺寸精度、壓接時(shí)芯棒損傷程度的探測(cè)、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(lái)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(shí)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(shí)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(gè)問題，我們采用國(guó)內(nèi)外最先進(jìn)的聲發(fā)射探測(cè)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(guó)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(shí)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(zhǎng)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(shí)，自鎖緊式結(jié)構(gòu)可以保證芯棒重新夾緊。國(guó)內(nèi)數(shù)十萬(wàn)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(shí)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(gè)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(gè)參數(shù)卻不夠，還需要加上機(jī)械強(qiáng)度的蠕變斜率來(lái)共同評(píng)價(jià)。

所謂機(jī)械強(qiáng)度的蠕變，就是當(dāng)對(duì)復(fù)合絕緣子施加一個(gè)低于其短時(shí)破壞負(fù)荷的機(jī)械拉力時(shí)，復(fù)合絕緣子顯然不會(huì)立即斷開，但經(jīng)過一定時(shí)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(shí)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(shí)間就越長(zhǎng)。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(shí)間延長(zhǎng)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(wú)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(wàn)根玻璃纖維，這上百萬(wàn)根玻璃纖維是不可能同時(shí)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(wàn)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(wàn)根玻璃纖維本身的破壞強(qiáng)度也不會(huì)完全相同，即使受到相同的拉力，這些纖維也不會(huì)同時(shí)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(gè)低于其短時(shí)破壞強(qiáng)度的機(jī)械負(fù)荷時(shí)，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(lái)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(duì)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(gè)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(dòng)，由于是同一種材料，隨著時(shí)間的延續(xù)，二者就成為了一個(gè)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(huì)進(jìn)一步的降低，同時(shí)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(shí)要先對(duì)芯棒鋸一個(gè)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(gè)楔片，對(duì)芯棒產(chǎn)生了一個(gè)很大的應(yīng)力。另外在鋸縫的時(shí)候其對(duì)稱性不容易控制，不對(duì)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(huì)出現(xiàn)抽芯現(xiàn)象，但不對(duì)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(guó)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(gè)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(wú)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(shí)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(shí)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(shí)間有不可預(yù)見性。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，脆性斷裂的時(shí)間無(wú)規(guī)律可尋，長(zhǎng)的可以運(yùn)行數(shù)年，短的也就是幾個(gè)月就斷裂了。

基于以上兩點(diǎn)，對(duì)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(chǎng)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(huì)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(guó)內(nèi)運(yùn)行的上百萬(wàn)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(huì)對(duì)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(duì)芯棒的保護(hù)，采用耐酸性芯棒，復(fù)合絕緣子就會(huì)有可靠的機(jī)械性能。