光纖復(fù)合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù)探討

史文強(qiáng)，張浩哲，楊向陽

（許繼集團(tuán)有限公司，河南 許昌 461000）

1 前言

特高壓套管關(guān)鍵技術(shù)屬于我國特高壓一次設(shè)備國產(chǎn)化的“卡脖子”難題，其中光纖復(fù)合絕緣子作為特高壓套管關(guān)鍵技術(shù)一個重要分支，在全光纖電流互感器光學(xué)信號傳輸方面具有無法替代的作用，絕緣子用于保護(hù)光纖、防污、電氣絕緣、承擔(dān)機(jī)械強(qiáng)度。

如圖1所示，全光纖電流互感器由光纖傳感環(huán)、傳感環(huán)密封腔體、光纖復(fù)合絕緣子、底部密封腔體和電子裝置構(gòu)成，其中光纖傳感環(huán)位于一次高壓端采集電流信號并以光學(xué)信號形式經(jīng)過光纖絕緣子傳輸至低壓端電子裝置，電子裝置集成光信號調(diào)制解調(diào)、高速數(shù)據(jù)采集及傳輸、數(shù)字信號處理等功能，按IEC 60044-8協(xié)議輸出數(shù)字信號到控保系統(tǒng)。

圖1 全光纖電流互感器結(jié)構(gòu)示意圖

光纖復(fù)合絕緣子是基于現(xiàn)有特高壓復(fù)合絕緣子技術(shù)發(fā)展而來的一種具備光學(xué)信號傳輸性能的復(fù)合絕緣子，各廠家采取的光纖內(nèi)嵌技術(shù)方案及制造工藝存在差異。

本文提出一種光纖復(fù)合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù)，與現(xiàn)有技術(shù)對比，只需按照復(fù)合絕緣子的生產(chǎn)工藝保證傘群與絕緣子芯體的黏結(jié)即可，降低了生產(chǎn)難度，密封結(jié)構(gòu)保障光纖絕緣子電氣性能，同時采用保偏緊套光纖，減少了光纖拉伸、損傷而造成的光纖不通或損耗增大的問題，且可實(shí)現(xiàn)多路光纖傳輸，簡化了加工工藝，具有較高的經(jīng)濟(jì)性。

2 現(xiàn)有技術(shù)方案

王志等對某500 kV敞開式變電站用全光纖電流互感器首次投運(yùn)即發(fā)生閃絡(luò)事故進(jìn)行研究，并通過對事故光CT進(jìn)行解體分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出廠家在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中并未考慮光CT平放時淋雨進(jìn)水的可能性，未在過線環(huán)與其底座連接處進(jìn)行密封處理，同時，由于光纖槽敷設(shè)工藝不到位，導(dǎo)致雨水下滲，最終引發(fā)貫穿性放電的論述。

以上述廠家生產(chǎn)的FOS型全光纖電流互感器為例，F(xiàn)OS型光CT產(chǎn)品所用光纖復(fù)合絕緣子由硅橡膠傘套、芯棒、金屬法蘭和光纖構(gòu)成，經(jīng)過光纖埋入芯棒、芯棒打磨處理和高溫包膠生產(chǎn)環(huán)節(jié)，其中高溫包膠過程包括芯棒套入金具、金具定位壓接、高溫包膠、二次壓接和出廠試驗(yàn)5個階段。如圖2所示，芯棒圓周面預(yù)留螺旋光纖槽，光纖敷設(shè)后進(jìn)行密封膠固化，后經(jīng)過芯棒打磨完成高溫包膠前處理，金屬法蘭與芯棒之間采用黏結(jié)工藝，最后，硅橡膠傘群采取注射成型工藝制造。

圖2 光纖復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

FOS型光CT產(chǎn)品所用光纖復(fù)合絕緣子技術(shù)方案雖然基于復(fù)合絕緣子制造工藝實(shí)現(xiàn)了光纖內(nèi)嵌芯棒并一體化硅橡膠注射成型，但自身存在以下技術(shù)難點(diǎn)：

（1）光纖作為光學(xué)器件，敷設(shè)在芯棒光纖槽內(nèi)使用密封膠進(jìn)行固化封裝并達(dá)到一定硬度后，芯棒需要整體重新進(jìn)行打磨處理，易造成光纖受力擠壓及彎折。

（2）光纖槽密封膠、芯棒及硅橡膠傘群三者界面處理問題復(fù)雜，區(qū)別于現(xiàn)有復(fù)合絕緣子芯棒及硅橡膠傘群黏連工藝。

（3）復(fù)合絕緣子濕熱老化導(dǎo)致密封、防護(hù)性能降低時，在高壓電場作用下更容易發(fā)生沿光纖槽發(fā)生貫穿性放電。

由于上述技術(shù)難點(diǎn)的存在，現(xiàn)有光纖復(fù)合絕緣子設(shè)計(jì)及制造工藝復(fù)雜。通過對現(xiàn)有光纖絕緣子技術(shù)方案的分析，并根據(jù)全光纖電流互感器光學(xué)信號傳輸?shù)膶?shí)際應(yīng)用需求，提出一種光纖復(fù)合絕緣子光纖內(nèi)嵌技術(shù)，為本領(lǐng)域技術(shù)人員開展全光纖電流互感器產(chǎn)品創(chuàng)新提供了一種有效的參考。

3 空心復(fù)合絕緣子內(nèi)嵌光纖技術(shù)

3.1 空心復(fù)合絕緣子

隨著國家對特高壓電網(wǎng)建設(shè)持續(xù)投入，目前，我國110kV及以上電壓等級的輸電線路上運(yùn)行的復(fù)合絕緣子已經(jīng)突破700萬支，極大地促進(jìn)了復(fù)合絕緣子產(chǎn)品的應(yīng)用及技術(shù)提升。

如圖3所示，空心復(fù)合絕緣子主要由硅橡膠傘套、空心芯棒和金具法蘭構(gòu)成，其機(jī)械性能主要取決于空心芯棒的強(qiáng)度及空心芯棒和金具法蘭的黏連設(shè)計(jì)，金具法蘭端面設(shè)置三元乙丙密封圈安裝槽、注膠通道和光纖通道，光纖貫穿通過空心芯棒中心孔和金具法蘭光纖通道，光纖出口處進(jìn)行倒圓角處理，杜絕光纖磨損風(fēng)險(xiǎn)，金具法蘭端面安裝密封圈后并與傳感環(huán)密封腔體共同作用，可防止水汽的侵入。

圖3 光纖復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)示意圖

同時，田正波等基于特高壓復(fù)合絕緣子研制工作實(shí)踐，提出采取完善的工藝及質(zhì)量控制措施，可有效確保復(fù)合絕緣子長期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2 保偏光纖密封、灌封技術(shù)

保偏光纖貫穿通過空心復(fù)合絕緣子，無法采用機(jī)械式固定方式，只能通過灌封方式進(jìn)行固定和防護(hù)，因此，選擇合適的灌封材料和工藝方法至關(guān)重要。

目前，在電子工業(yè)中，灌封材料的選擇是多種多樣的，其中主流材料包括環(huán)氧樹脂、有機(jī)硅以及各類聚氨酯等。環(huán)氧樹脂的特點(diǎn)是：收縮率小，具有優(yōu)異的絕緣耐熱性，耐腐蝕性好，機(jī)械強(qiáng)度大，但不耐溫度沖擊，固化時會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，固化后可維修性差；聚氨酯具有彈性高、透明和硬度低等特點(diǎn)，對各種材料均有良好的黏接力，但是聚氨酯有毒性，會對人體健康造成危害；有機(jī)硅材料固化時不吸熱，不放熱，固化后不收縮，具有優(yōu)異的電氣特性以及化學(xué)穩(wěn)定性。

硅橡膠作為膠黏劑、絕緣灌封材料、臺面涂覆在電子儀器等方面已有大量應(yīng)用，光學(xué)儀器進(jìn)行密封、灌封工藝后，可以滿足保證環(huán)境試驗(yàn)后的密封性能、耐老化性能好、儀器返修時易拆卸、不易生霉變性、光學(xué)性能不降低等要求。

光纖與金具法蘭光纖通道之間的縫隙采用單組分RTV（單組分室溫硫化硅橡膠）進(jìn)行密封，這種膠作為光學(xué)儀器的密封材料具有高黏度、室溫固化、卓越的耐高低溫性能（-45～200℃）、防水耐老化性能、良好的電性能、可緩沖振動降低應(yīng)力、防紫外輻射等優(yōu)異特性。金具法蘭光纖通道完成單組分RTV密封后，為灌封工藝提供密封腔體。

光纖與空心芯棒之間采用雙組分硅凝膠，雙組分硅凝膠經(jīng)過充分真空脫氣后利用高壓注膠系統(tǒng)注入密封腔體內(nèi)，并使用堵頭及密封圈將注膠通道封閉，用于保護(hù)光纖免受高壓、潮濕、機(jī)械和熱沖擊。馮傳均等對灌封中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析并總結(jié)出相應(yīng)問題的解決辦法。

4 技術(shù)應(yīng)用的前景

通過發(fā)展特高壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)清潔能源遠(yuǎn)距離傳輸，對我國實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)至關(guān)重要。全光纖電流互感器廣泛應(yīng)用于特高壓電網(wǎng)電流采集，光纖復(fù)合絕緣子作為全光纖電流互感器重要組成部分，發(fā)揮著無法替代的作用。采用空心復(fù)合絕緣子內(nèi)嵌光纖并配套相應(yīng)的密封、灌封工藝，可有效降低光纖復(fù)合絕緣子生產(chǎn)制造難度，為光學(xué)器件廠家自主化生產(chǎn)全光纖電流互感器提供有效解決方案。

5 結(jié)語

由于芯棒預(yù)留螺旋槽內(nèi)嵌光纖工藝復(fù)雜，同時，存在光纖敷設(shè)在芯棒光纖槽內(nèi)使用密封膠進(jìn)行固化封裝并達(dá)到一定硬度后，芯棒需要整體重新進(jìn)行打磨處理，易造成光纖受力擠壓及彎折的問題，對光纖的可靠性及傳輸特性影響較大。為此有必要給出另一種解決方案，通過空心復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及密封、灌封工藝的運(yùn)用，實(shí)現(xiàn)光纖復(fù)合絕緣子結(jié)構(gòu)簡單易實(shí)現(xiàn)、光學(xué)性能可靠、耐濕熱老化特性優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)性突出等獨(dú)特優(yōu)勢。該方案為復(fù)合絕緣子廠家以及光學(xué)器件廠家提供了一種新思路和有效參考。