CN1021494C - 光纤组合绝缘子及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一个光纤绝缘子包括一个空心绝缘子本体，该绝缘子本体具有一个轴向通孔和至少一根在通孔中延伸的以及通过一种密封材料与通孔内表面气密地隔开的光纤，选择通孔内表面状况和密封材料、通孔的内径和空心绝缘子的外径或光纤上的涂层材料之间的关系以提供高绝缘性能、机械强度和气密性能的光纤组合绝缘子。

Description

本发明涉及一种光纤组合绝缘子，它主要用于一种检测系统，以检测电力输电网络、配电系统及变电站等中出现的故障点。并且本发明还涉及生产光纤组合绝缘子的方法。

迄今，人们一直希望发展一个系统以用于迅速检测和排除在电力输电网络、配电系统及变电站等中由雷击或其它原因引起的故障点。已经使用的检测系统包括带有Pockels和Faraday元件的光敏器件来检测异常电压和异常电流。

在这种检测系统中，要求通过光导纤维组合绝缘子使光敏器件和一个故障点检测器及一个显示器电气绝缘。

因此，用于这种检测系统的光纤组合绝缘子不仅要求通过至少一根光导纤维从光敏器件向检测器有效地传输光信号，而且要求在一个长的使用寿命下具有和那些常规的实心绝缘子几乎相同的必要机械强度和电绝缘功能。

已知有各种光纤组合绝缘子，例如，日本悬而未决专利申请，公开号60-158402公开了一种技术，即：将一根或多根光导纤维气密地穿过在一个空心绝缘子体内的中心通孔，并通过全部或部分地在光纤和中心通孔内表面之间的间隙内填充一种例如硅橡胶的有机材料以防止表面绝缘泄漏距离的减少，还公开了一种技术，即：在整个绝缘子先加热后，通过全部填充一种例如溶化的玻璃的无机材料到空心绝缘子体内的中心通孔的间隙中来密封光纤。

另外，还已知一种技术，即：通过在中心通孔的间隙内的轴向中 间部分部分地填充例如硅橡胶的有机绝缘材料，而在通孔两个相对端部分剩余的间隙内填充溶化的玻璃来密封光纤。

虽然，常规的光纤组合绝缘子的密封是采用有机材料例如硅橡胶作为密封材料来维持空心绝缘子体内光纤和通孔内表面之间必要的气密性，这种光纤组合绝缘子是容易生产的，因为在生产绝缘子本体之后，光纤密封过程中高温下的热处理是不需要的，但是，光纤组合绝缘子通常暴露于几种温度和湿度的情况下，从而由于在盛夏吸收太阳的热使表面温度上升到约60℃，相反在隆冬由于辐射冷却又使温度下降到约-20℃，而且光纤组合绝缘子还要连续带负荷，因而如果对密封材料没有进行适当的选择，那么密封材料的耐候性能恶化，从而不能使光纤组合绝缘子在检测系统有效地使用。而且，即使光纤组合绝缘子暴露在长期周围温度，湿度等变化的情况下，硅橡胶或玻璃和光纤之间，空心绝缘子本身的通孔内表面和硅橡胶或玻璃之间的粘合界面也应该保持必要的气密性。然而，在这种情况下，为满意地密封光纤，通孔内表面和有机或无机材料之间的关系还未被考虑。

更进一步地说，包括一个空心的绝缘子本体的常规的光纤组合绝缘子，其机械强度低于同样外径下的常规实心绝缘子。另外，光纤组合绝缘子包括空心的绝缘子本体，该本体含有填充了具有不同热膨胀系数的固化材料的中心通孔，其结果，由于残余应力，使机械强度更进一步下降。

还有，由于要求光纤组合绝缘子能够和通常用于断路开关中的常规实心支撑绝缘子互换，所以光纤组合绝缘子必须具有和常规实心支撑绝缘子相同的机械强度，然而，对于常规的光纤组合绝缘子人们没有阐明空心绝缘子本体的通孔的内径和柱体部分的外径之间的关系， 以及填充到通孔中的密封材料对光纤组合绝缘子机械强度的影响。

本发明的目的是消除上面所述的问题和缺点并且通过考虑通孔内表面的状况和密封材料的选择之间的关系，提供一个与相同几何形状和外部尺寸的常规实心绝缘子具有相同电气绝缘性能的光纤组合绝缘子。

本发明的另一个目的是通过考虑通孔内径“d”和空心绝缘子本身的外径“D”之间的关系，提供一个与相同几何形状和外部尺寸的常规实心绝缘子具有相同机械强度的光纤组合绝缘子。

本发明的还一个目的是消除上面所述问题和缺点并且通过使用有机密封材料来提供一个具有长寿命的极好气密性能的光纤组合绝缘子，以及提供一种生产这种光纤组合绝缘子的方法。

本发明的首要方面在于一个光纤组合绝缘子包括一个带有轴向通孔和至少一根在通孔中延伸的光纤以及用密封材料气密地密封通孔的内表面的空心绝缘子本体，上述密封材料是有机材料且通孔的内表面是经过上釉和焙烧的釉面。

本发明的第二方面在于一个光纤组合绝缘子包括一个带有轴向通孔和至少一根在通孔中延伸的光纤以及用密封材料气密地密封通孔的内表面的空心绝缘子本体，上述密封材料是无机密封材料，并且通孔的内表面是未加任何釉，并被焙烧的无釉表面或抛光面。

如后面所述，从实验结果发现当通过使用有机密封材料例如硅橡胶等使光纤气密地与空心绝缘子本体中通孔的上釉表面隔开时，粘合强度增加，从而维持长期的气密性能。另外，当通过使用无机密封材料，例如玻璃等，使光纤气密地与空心绝缘子本体中通孔的无釉表面或抛光面隔开时，气密性能得到改善。

由上面可以看出，空心绝缘子本体中的通孔内表面应该适用于特 定的密封材料，以对特定的密封材料提供一个最佳密封状况，从而改善密封部分的密封性能，结果使具有光纤组合绝缘子的故障检测系统对于电力输电网络和变电站等具有一个高气密可靠性和极佳的电绝缘性能。

本发明的第三个方面在于一个光纤组合绝缘子包括带有轴向的通孔和在通孔中延伸的至少一根光纤以及通过密封材料气密地与通孔内表面隔开的一个空心绝缘子本体，空心绝缘子本体的通孔内径“d”与空心绝缘子的外径“D”的比值d/D最大为0.25。从下面所述的实验结果可以看出，根据本发明的第三方面，光纤组合绝缘子的机械强度可以增加到和具有相同几何形状和外部尺寸的常规实心绝缘子的机械强度基本相同。

根据本发明的第三方面的光纤组合绝缘子可以代替在配电系统的断路开关中使用的常规实心绝缘子使用，从而故障检测系统可以在现有配电系统中容易地设置。

如果d/D的比值超过0.25，光纤组合绝缘子的机械强度和耐热极限值变得比具有相同几何形状和外部尺寸的常规实心绝缘子低。

最好是通孔的内径“d”至少为3mm，以使光纤穿过并且在密封之后保持满意的气密性。

本发明的第四个方面在于一个光纤组合绝缘子包括具有一个轴向通孔，至少一根光纤在通孔内延伸以及气密地与通孔的内表面隔开的空心绝缘子本体，光纤的一个涂层部分通过采用有机密封材料例如硅橡胶被气密地与通孔的内表面隔开，光纤的涂层部分包括由杨氏模量 至少为10kg/mm²和抗拉强度至少为300kg/cm²的树脂构成的缓冲层。

有机密封材料最好是硅橡胶，它具有这样的材料特性从而断裂伸长率至少为300%，并且抗拉强度至少为30kg/cm²。

本发明的第五个方面在于生产光纤组合绝缘子的方法包括将至少一根光纤穿过一个空心绝缘子本体中形成的通孔并且用一种密封材料气密地密封通孔中的光纤的步骤。根据本发明，将要在通孔中密封的光纤部分使用杨氏模量至少为10kg/mm²和一抗拉强度至少为300kg/cm²的树脂进行涂层，并且在涂层部分上进行涂底处理（Primer treatmeut）硅橡胶填满光纤涂层部分和通孔内表面之间的空隙，并在温度不低于60℃下进行固化，以使光纤和空心绝缘子本体的内表面之间气密地隔开。

根据本发明的第五个方面，涂层材料和有机材料的特殊组合有可能提供一种有机密封式光纤组合绝缘子，它能够很好地承受如使用组合绝缘子的环境温度变化之类的环境压力，并具有长期保持气密性的性能。

图1是根据本发明的光纤组合绝缘子的空心绝缘子本体的截面示意图;

图2是根据本发明的光纤组合绝缘子的一个实施例的截面示意图;

图3是一个试验片的截面图，以及

图4是一根光纤的放大的横截面图。

下面将参考附图对本发明进行更详细的解释。

实施例1

下面将采用有机材料作为密封材料来描述一个例子。

备制每个都具有一个中心通孔的各种陶瓷空心绝缘子本体1，如图1所示。这些空心绝缘子本体的材料与在变电站中用作断路开关支撑物的常规实心绝缘子的相同。每个空心绝缘子本体的外径为105mm，长度为1，000mm。备制三种内径为6mm、8mm和10mm的不同的中心通孔的空心绝缘子本体，中心通孔2，在其相对两端具有内径比通孔2大10mm的开口和与轴成30°的锥形部分，从而减轻由于周围温度变化而产生密封材料对通孔的内部压力。

为进行实验，备制两种空心陶瓷绝缘子本体。一个具有无釉内表面，另一个具有与绝缘子体外表面上上相同釉的上釉内表面（加釉表面;两种颜色的釉）。应该注意空心绝缘子本体的中心通孔的内表面通常是无釉的，因为在内表面上上釉是困难的。

这些空心绝缘本体具有穿过其中心通孔的光纤旦由一种硅橡胶密封以产生光纤组合绝缘子。因此，备制的光纤组合绝缘子用作试验样品。在这些试验样品中使用的光纤，考虑到光纤本身的气密性能和在密封过程中的光纤加工性能，该光纤被涂有一层底涂层和一层缓冲层。另外，为了保证在光纤涂层部分最外层的缓冲层表面的必要的气密粘合特性，通过使用硅烷偶联剂以在缓冲层表面进行涂底处理。

还有，在加成式的具有高温固化性能的各种硅橡胶中，一种具有高抗拉强度和高断裂伸长率的硅橡胶被选择作为密封材料。涂于光纤上的缓冲层性能及作为密封材料的硅橡胶示于表1

表    1

光纤涂层部分    硅橡胶

抗拉强度（kg/cm²） 450 45

断裂伸长率（%）    47    570

硬度    肖氏硬度D    JIS

54    34

材料    环氧系列丙烯酸    加成反应型

树脂    硅胶橡胶

每个试验样品具有二根光纤穿过陶瓷空心绝缘子本体的通孔中，并在每根光纤受到1kg的拉力的情况下，硅橡胶填充到光纤和通孔内壁之间空隙中。硅橡胶在最大为1乇（Torr）的真空中搅拌30分钟以去掉气泡，然后填入以5kg/cm²的压力填入空隙。当硅橡胶在压力下填充时，最好是在与填充端相对的通孔端抽真空以防止在硅橡胶和光纤之间的粘合界面以及通孔表面和硅橡胶之间粘合界面保留的气泡。绝缘子本体以硅橡胶填充，然后，将其放在80℃的恒温室达6小时以固化硅橡胶，从而生成如实验样品一样的光纤组合绝缘子。

这样产生的光纤组合绝缘子再分别进行耐热极限试验，热击试验，以及在热循环处理之后交流耐压试验。

在热击试验中，备制10个试验样品，该试验通过将样品分别交替地浸入一个90℃的热水槽和一个0℃的冷水槽各达30分钟。在 试验后，对试验样品中破裂的形成进行研究，观察结果如表2表示，当在所有10样品中没有任何破裂出现时，用符号◎表示，当在试验样品中有破裂出现时，用符号X表示。

在耐热极限试验中，备制10个试验样品，这些试验样品以30℃/小时的速率加热到预定温度，紧接着在该温度下保持3小时，在冷却之后，观察试验样品的外观状况。试验结果如表2所示，符号◎表示在所有10个试验样品中没有任何破裂出现，符号△表示破裂明显出现，在1/10的试验样品中硅橡胶凸出或光纤传输系数改变，符号X表示在至少有2/10的试验样品中发生毁坏性变化。上述试验第一步是在80℃的温度下进行，然后，未毁坏的试验样品依次在90℃，100℃，110℃，120℃温度下试验，在加热循环试验中，备制10个试验样品并且分别交替地浸入一个90℃的恒温槽和一个-20℃的恒温槽各达3小时，在500，1000，1500，2000，2500，3000次循环的每一热循环，都进行外观破裂观察和交流耐压试验。试验的结果如表2所示，符号◎表示没有出现任何故障，符号△表示电流击穿1/10的试验样品，以及符号X表示电流击穿至少2/10的试验样品。

从表2的结果可以看出在通孔中具有上釉内表面或未上釉内表面的样品在热击试验中显示良好结果，而在耐热极限试验和热循环试验中出现不同的结果，即，在耐热极限试验中，具有上釉A或B的内表面的光纤组合绝缘子的样品直到120℃仍无问题，且与通孔直径无关，而具有无釉内表面的试验样品随着通孔内径的增加，耐热极限温度减小。这是因为硅橡胶和空心绝缘子本体的陶瓷之间热膨胀系数区别大而在耐热极限试验时，由于硅橡胶膨胀，在空心绝缘子本体的通孔中产生内压，从而导致空心绝缘子毁坏。

另外，从加热循环试验的结果可以看出，具有釉A或B的上釉内表面的试验样品显示出没有破裂形成并且直到2，500次循环交流耐压也未降低，产生一个良好的测试结果。而通孔具有未上釉内表面的样品，由于粘合部分的分离，在1，500～2，000次循环时，交流耐压下降。在通过调查经过与在交流耐压试验中毁坏的那些样品相同热循环次数后的已分解的光纤组合绝缘子的结果表示：通孔内表面和硅橡胶之间粘合交界面相分离，该分离随着热循环次数的增加而加剧。

另外，通过使用直径为40mm，高度为10mm且用与光纤组合绝缘子相同的陶瓷制成的试验样品进行粘合强度试验。一些和硅橡胶粘合的试验样品表面上釉（两种釉色），与硅橡胶粘合的剩下的试验样品表面未上釉。制作试验样品的方式为焙烧和与硅橡胶粘合之后，两个陶瓷材料片被磨成给定形状，硅橡胶的备制与光纤组合绝缘子的处理的方式相同，并在80℃温度下固化1小时。在粘合强度试验中，备制从相同成分和固化条件的固化批量中取出的20个试验样 品，这些试验样品由一个拉力试验机以25毫米/分钟的速度进行拉伸。粘合强度由在粘合部分的硅橡胶断裂时的拉力负荷除以粘合截面积来计算。断裂的方式是硅橡胶从试验样品表面分开并且硅橡胶本身拉断。

粘合破裂率由硅橡胶对于所有试验样品的拉断数以百分比来表示，其试验结果示于表3。

表    3

试验号 上釉情况 粘合强度（kg/cm²） 粘合破裂率（%）

10    A    42    100

11    B    40    100

12    无    25    0

注：釉A是白色釉，釉B是棕色釉，两者都用来作为绝缘子表面上釉。

从表3所示的粘合强度的结果表明，具有上釉表面的试验样品具有高粘合强度，由硅橡胶本身的抗拉强度决定的破裂方式为粘合破裂，并且粘合交界面牢固。此外，上釉表面和硅橡胶的粘合具有高粘合强度和高气密密封性能。

实施例2

在本实施例中使用了一种无机物质。

备制各种陶瓷空心绝缘子本体1，每一种都具有一个中心通孔 2，如图1所示。这些空心绝缘子本体的材料与常规的，在变电站中用作断路开关支撑物的固体绝缘子的材料相同。每一个空心绝缘子本体的外径为105mm，长度为1000mm。通孔的内径为6mm。同样，通孔的两端均有锥形开口，其锥角为5°，沿空心绝缘子本体轴向长度为50mm。

通孔的内表面为上釉表面或无釉表面，上釉表面使用一种用于常规实心绝缘子本体外表面的白色釉面。或者，通孔的内表面在焙烧后抛光。

光纤是一种芯线直径为80μm，芯包直径为125μm的石英玻璃系列纤维。考虑到光纤本身的气密性质以及加工性能，须使用涂有底涂层和缓冲层的光导纤维。为了在密封玻璃和光纤之间进行气密密封，并且防止密封玻璃在熔化玻璃的高温下因光纤涂层部分中有机物质的燃烧而起泡，上述涂层部分长度为35mm，并且在其浸入乙醇后通过剥皮器将其机械剥除。

一个具有与空心绝缘子本体通孔端开口同样的锥角为5°的锥形外表面的和在其底端有一个用于穿过光纤或纤维的通孔的圆柱体是由Koval制成，该圆柱体的外表面涂以一层玻璃并且预先用三氯化铁（FeCl₃）溶液进行酸处理来清洗和去油。同样也进行氧化处理，以用玻璃改善湿润度并且用熔化玻璃彻底进行粘合反应。氧化反应在空气中在800℃温度下进行20分钟。由Koval制成的圆柱体的外周部分通过喷涂而覆盖一层厚度约为1mm的玻璃。

接着，覆盖在圆柱体上的玻璃在80℃温度下干燥30分钟，然后在电炉内在320℃温度下锻烧（Calcinate）1小时。这样，涂以玻璃的圆柱体被置于空心绝缘子本体通孔的开口端部分中。 作为上述玻璃，使用了一种具有低熔点和低热胀系数的硼酸铅系列玻璃。

此外，锻烧过的玻璃本体长度为35mm，并具有一个锥形外表面，其锥角和直径与圆柱体的内表面相同。玻璃本体还有一个用来穿过光纤的通孔，锻烧过的玻璃本体置于圆柱体内，其通孔与圆柱体的通孔在一条直线上。通过锻压加工使一个添加少量甲基纤维素的硼酸铅系列玻璃成形同时调节进水并将外周部分和通孔加工成型，然后以50℃/小时的速率加热并在达到320℃时持续一小时而备制成锻烧过的玻璃本体。

光纤穿过空心绝缘子本体的通孔以及Koval圆柱体和锻烧过的玻璃本体的通孔。

然后，绝缘子置于一个七匝的铜线圈内，该线圈通过一个高频电压发生器加上一个高频电压。Koval制成的圆柱体由高频电压加热。整定高频电压和电流将圆柱体加热至500℃。

结果，圆柱体在加上高频电压后大约20分钟内被加热至500℃。圆柱体在500℃保持10分钟左右，同时，其上端用一个20kg的重物重压以将其圆周部分及端开口气密密封。然后，圆柱体自然冷却。

此外，为了保护从绝缘子通孔开口的玻璃密封部分延伸的玻璃纤维涂层部分，填入在真空中除气的硅橡胶并在80℃温度下固化一小时。上述一系列生产过程是这样进行的，在完成绝缘子一端的密封和涂层增强过程之后，将绝缘子翻转，再将其另一端进行密封和增强。最后，用粘合剂固定凸缘盖便完成了光纤组合绝缘子的制作。本实施例中所用陶瓷空心绝缘子本体以及密封玻璃的材料如表4所示。

表    4

绝缘子    玻璃A    玻璃B

热胀系数（×10^-7/℃） 74 42 58

熔点（℃）    -    420    450

主要成份 SiO₂， pbO，TiO₂pbO，SiO₂

Al₂O₃B₂O₃B₂O₃，

Li₂O

对本实施例中的光纤组合绝缘子进行耐热极限试验、热击试验以及以实施例1中同样的方式进行的热循环之后的交流耐压试验。应注意到耐热极限试验的起始温度为120℃，然后对没有受损的试验样品在130℃，140℃和150℃的温度下进行试验。热循环试验按2000，3000和5000次循环进行试验。上述试验结果如表5所示。

从表5的结果可以证实下面的结论。对于热击试验，未上釉的和磨光的通孔内表面没有破裂，结果是满意的。而上釉的表面在通孔的玻璃与内表面之间的部分发生破裂。在耐热极限试验中，具有无釉和磨光内表面的光纤组合绝缘子在150℃以前都没有问题，而具有上釉内表面的光纤组合绝缘子在140℃时便部分地破裂。在热循环试验中，具有无釉和磨光内表面的光纤组合绝缘子可以承受直到5000次的循环，结果良好，而具有上釉表面的光纤组合绝缘子不能承受3000次以上的循环。从对经受过与在一个低交流耐电压下毁坏的绝缘子同样的热循环的已分解光纤组合绝缘子的调查结果中可以发现，通孔的玻璃和内表面之间的密封部分已经破裂，通孔中间部分的空穴已经进水。

此外，利用试验样品检测粘合强度。试验样品的直径为20mm，高度为10mm，由用于光纤组合绝缘子同样的陶瓷材料制成。分别备制具有无釉、磨光以及上釉的内粘合表面的此类试验样品。这些试验样品经焙烧（fired）然后磨光以提供预定型状的端，并且，在通过喷涂将一层玻璃涂在粘合表面之后，在350℃温度下再锻烧（calcinated）1小时。两个试验样品涂上玻璃的表面紧密接触并且在500℃温度下焙烧（fired）1小时，以将两个试验样品粘合为一个整体。利用一个拉力试验机在每一强度以0.5毫米/分钟的速度对20个试验样品进行粘合强度试验。粘合强度通过将破断力除以粘合面面积而计算出来。粘合破裂率由所有试验样品中硅橡胶本身破裂的数量来表示。上述试验结果如表6所示。

表    6

试验号    陶瓷表面    玻璃    粘合强度    粘合破裂率

（Kg/cm₂） （%）

19    A    350    100

20    无釉表面    B    420    100

21    A    370    100

22    磨光表面    B    400    100

23    A    150    0

24    上釉表面    B    130    0

注：上釉表面上加上绝缘子表面所用的白色釉

可以从表6所示的粘合强度试验结果中了解到，具有与玻璃粘合的无釉表面或磨光表面的试验样品，其粘合强度高并且在破裂起始点位于玻璃内部时，在粘合表面上没有破裂起始点。另一方面，具有上釉表面的试验样品在粘合表面上都有破裂起始点，因此玻璃与釉表面之间的粘合强度低。

实施例3

备制多种具有一个如图1所示通孔2的陶瓷空心绝缘子本体1。该空心绝缘子本体的材料与在变电站中用作断路开关支撑物的材料相同。备制的空心绝缘子本体的外径“D”为80～145mm，通孔内径“d”为2～60mm，内径与外径之比（d/D）×100（%）为2.8～50%。通孔相对两端的每一端均有一个锥形部分3，其锥角为30°，并且有一个开口，它比通孔大10mm。提供锥形部分3是为了减轻在硅橡胶固化后因周围温度变化而产生的内压。通孔 的内表面用空心绝缘子本体外表面所使用的同样的釉面上釉。

这些空心绝缘子本体被加入穿过其通孔的光导纤维并且由一个硅橡胶来密封，以制成光纤组合绝缘子。如此制备的光纤组合绝缘子被用作试验样品。考虑到光纤本身的性能以及在密封过程中光纤的加工性质，这些试验样品所用的光纤被涂以底涂层和缓冲层。此外，为了确保作为光纤涂层部分最外层的缓冲层表面的气密粘合性能，须使用硅烷偶联剂对缓冲层表面进行涂底（Primer）处理。

同样，在加成类型的具有高温固化性能的各种硅橡胶中，一种具有高抗拉强度和在破裂时伸长的硅橡胶被选择作为密封材料。涂在光纤上的缓冲层性能以及作为密封材料的硅橡胶的性能如表7所示

表    7

光纤涂层部分    硅橡胶

抗拉强度

（Kg/cm²） 450 45

断裂伸长率（%）    47    570

硬度    （肖氏硬度D）    （JIS）

54    34

材料    环氧系列丙烯酸树脂    加成反应型硅橡胶

每一个试验样品均有二根光纤穿过陶瓷空心绝缘子本体中的通孔，并在每根光纤受到1kg拉力的情况下，硅橡胶填充到光纤和通孔内壁之间的空隙中。硅橡胶在最大为1乇（Torr）的真空中被摇动以除去气泡，然后在5Kg/cm²的压力下填充到该空隙中。当硅橡胶在压力下填充时，最好在通孔相对于填充端的另一端抽真空，以便防止气泡仍然留在硅橡胶与光纤之间的粘合交界面中。绝缘子本体 的通孔填充以硅橡胶，然后试验样品在80℃的恒温槽内放置6小时，以固化硅橡胶，从而最后制成作为试验样品的光纤组合绝缘子。

如此制作的光纤组合绝缘子须进行弯曲强度试验、耐热极限试验和气密试验。

在弯曲强度实验中，备制10个试验样品。每个样品均在其一端通过凸缘盖脊状地固定，而另一自由端在垂直于空心绝缘子本体纵向轴的方向上加一负荷。实验结果由10个试验样品的平均机械强度相对于具有同样外径为100的实心绝缘子的平均机械强度的值来表示。

在耐热极限试验中，备制10个试验样品。这10个样品按30℃/小时的速率被加热至一个预定的温度，在该温度下保持3小时，然后，观察冷却后试验样品的外观状态。实验结果在表8中以符号◎表示在所有10个试验样品中没有发生任何破裂：以符号△表示明显发生破裂，在1/10的试验样品中硅橡胶凸出或光传输系数改变，以符号×表示在至少2/10的试验样品中发生毁损性变化。上述试验的起始温度为90℃，然后依次在100℃、110℃和120℃温度下对未毁损的试验样品进行试验。

在气密实验中，备制10个试验样品。每一个试验样品都加上一个对应于每个绝缘子外部飞弧电压的交流耐压。试验结果以符号×表示试验样品被电流击穿或者在分解1/10的10个试验样品后，在试验样品内部发现痕迹。

上面的试验结果如表8所示。

从表8的结果可以知道，当通过孔内径（d）与空心绝缘子本体外径（D）之比（d/D）×100（%）最大为25%时，光纤组合绝缘子与常规的实心绝缘子具有同样的弯曲强度，从而光纤组合绝缘子与常规实心绝缘子考虑到强度时可以互换。

另外，从表8所示耐热极限实验的结果可以知道，当内外径之比（d/D）×100（%）最大为25%时，光纤组合绝缘子的耐热性在温度不超过120℃时与常规实心绝缘子的耐热性没有什么不同。然而，当上述比值（d/D）×100（%）超过25%时，光纤组合绝缘子损坏或者硅橡胶破裂。

另外，当通孔内径“d”小于3mm时，具有相同几何形状绝缘子的光纤组合绝缘子在交流耐压实验中被击穿。通过调查分解后的外部遭受飞弧的光纤组合绝缘子可以发现，两根光导纤维已相互接触或者与通孔的内表面接触，从而，光导纤维没有被硅橡胶密封进而导致气密性的下降。

可以知道，上述的缺陷是由于热胀系数的巨大差异所造成的，因而硅橡胶的热胀系数比陶瓷大30倍。即，在硅橡胶的体积大于恒定体积的情况下，硅橡胶在高温下的热膨胀将产生一个内部压力，其结果将造成光纤组合绝缘子的毁坏或硅橡胶的破裂。

相应地，可以看出，当比值（d/D）为一个特定值，即最多为0.25以及通孔内径“d”大于3mm时，绝缘子的内在机械强度不会降低，光纤的粘合性没有问题。

实施例4

根据本实施例的光纤组合绝缘子的结构如图2所示。参照图2，光纤组合绝缘子包括一个空心绝缘子本体1和一光导纤维4。空心绝缘子本体有一个穿过其的中心通孔2。中心通孔2在其相对的两端分 别设有锥形部分3。光导纤维4穿过通孔2并由填入通孔2和锥形部分3的硅橡胶6密封。空心绝缘子本体1在其相对两端分别设有凸缘盖5，用于垂直堆放多个空心绝缘子本体。备制涂有具有预定性能的树脂的一光纤4，如图2所示。涂层部分的表面使用硅烷偶联剂并经过涂底处理。具有经过这样处理的涂层部分的光纤4穿过空心绝缘子本体1的通孔2。然后，一种具有必要的材料性能的硅橡胶通过锥形部分3被填入光纤和通孔2内表面之间的空隙。硅橡胶在60℃或更高的温度下被固化，从而利用硅橡胶在光纤和空心绝缘子本体之间进行气密密封。

对于将用于光纤上涂层部分作为涂层材料的树脂的性能以及对于作为密封材料的硅橡胶的性能进行实验。

具有包括一涂底层和一缓冲层的涂层部分的光导纤维因考虑到光纤本身的气密性以及在密封过程中光纤的加工性能，而被选择进行实验。将杨氏模量以及在破断点等的伸长率作为参数考虑，应选择构成光纤涂层部分的一种树脂。在光纤涂层部分的表面涂以底涂层。将固化方式、固化后抗拉强度、在破裂点的伸长率，以及硬度等作为参数考虑，应选择硅橡胶作为密封材料来密封涂层部分及绝缘子本体。

在制作本实施例中的光纤组合绝缘子时，许多光导纤维互不接触地穿过空心绝缘子本体的中心通孔，然后一种硅橡胶液体被填入光纤和通孔内表面之间的空隙以及各光导纤维之间的空隙。硅橡胶固化方式分为缩合型和加成型。缩合型的硅橡胶横向连接并通过缩合反应固化，并且产生反应的副产品。加成型的硅橡胶横向连接并通过未饱和基以及包括Si-H的硅氧烷的加成反应而固化。

气密地粘附在光纤外表面上的涂层部分的性能如下面表9所示。用于密封的硅橡胶的性能如其后的表10所示。

表    10

粘度    硬度    抗拉强度    断裂伸长

硅橡胶    固化    （P/25℃）    （日本工    （kg/    率（%）

业标准） cm²）

a    加成型    50    38    15    150

b    ″    300    80    17    200

c    ″    45    70    40    80

d    ″    700    80    50    500

e    ″    1，000    30    30    300

f    缩合型    60    40    15    150

g    加成型    1，200    40    45    300

h    ″    1，200    35    35    300

i    ″    350    25    48    550

j    ″    280    20    48    580

k    ″    220    15    48    600

l    ″    190    12    47    630

m    ″    100    8    45    700

n    ″    480    32    38    390

o    ″    250    35    30    280

p    缩合型    450    30    43    400

注：抗拉强度、在破断点的伸长率和硬度的测量是根据JIS    K-6301进行的。硬度试验根据A型弹簧硬度试验进行。

将这些选择的材料组合起来，备制10个用于每一个实验等级的试验样品，每个样品均有光纤被密封在一个长为200mm，内径为10mm，外径为20mm的陶瓷空心绝缘子本体内，并且上述试验样品用于损坏实验，其中自然环境下的温度和温度条件增加。试验样品的几何形状和构成材料如图3所示，并且一个光纤的放大的横截面图如图4所示。

在损坏实验中，热击反复循环地加在试验样品上，如表11所示。在每一次循环中，试验样品分别被浸入80℃的热水箱中30分钟然后浸入-20℃不冻的液体箱中30分钟。试验样品的密封状态在热击后便予以测定。对所选择的材料组合的损坏实验结果如下面表11所示。

在表11中测定所有选择材料组合的测定项目为：为确定光纤的断裂或不断裂而进行的光纤透光实验：硅橡胶与光纤涂层部分之间交接面的粘合性：以及用于确定硅橡胶与陶瓷空心绝缘子本体之间交接面粘附力的交流耐压实验。

热冲击实验之后进行评价的结果以符号◎表示所有10个试验样品都具有良好的透光性和耐压性，以符号△表示1/10～3/10的试验样品被毁坏，从而光纤变成不透光或者试验样品在耐压实验中被电流击穿，符号×表示4/10或者更多的试验样品由于光纤不透光或被电流击穿而毁坏。

表    11（a）

光纤涂层    热击实验后评价结果

部分    硅橡胶    500    1，500    4，000    总体评价

次    次    次

本发明    A    a    ○    △    ×    ○

c    ○    ×    -    △

d    ○    ○    ○    ◎

e    ○    ○    ○    ◎

f    ○    ×    -    △

g    ○    ○    ○    ◎

h    ○    ○    ○    ◎

i    ○    ○    ○    ◎

j    ○    ○    ○    ◎

k    ○    ○    ○    ◎

l    ○    ○    ○    ◎

m    ○    ○    ○    ◎

n    ○    ○    ○    ◎

p    ○    ×    -    △

B    a    ○    △    ×    ○

b    ○    △    ×    ○

i    ○    ○    ○    ◎

j    ○    ○    ○    ◎

k    ○    ○    ○    ◎

C    b    ○    △    ×    ○

c    ○    ×    -    △

f    ○    ×    -    △

h    ○    ○    ○    ◎

o    ○    ○    ×    ○

p    ○    ×    -    △

D    d    ○    ○    ○    ◎

e    ○    ○    ○    ◎

k    ○    ○    ○    ◎

表    11（b）

光纤涂层    硅橡胶    热击实验后评价结果

部分    500    1，500    4，000    总体评价

次    次    次

参考实施例    E    a    ×    -    -    ×

b    ×    -    -    ×

c    ×    -    -    ×

e    ×    -    -    ×

f    ×    -    -    ×

h    ×    -    -    ×

j    △    ×    -    ×

l    △    -    -    ×

m    △    -    -    ×

o    ×    -    -    ×

F    a    ×    -    -    ×

d    △    ×    -    ×

G    b    ×    -    -    ×

c    ×    -    -    ×

f    ×    -    -    ×

i    △    ×    -    ×

k    △    ×    -    ×

H    d    △    ×    -    ×

e    △    ×    -    ×

f    ×    -    -    ×

j    △    ×    -    ×

k    △    ×    -    ×

l    △    -    -    ×

n    △    ×    -    ×

如表11所示，所有试验样品都显示出完全可以承受500次热击的满意结果，其中具有较大杨氏模量和抗拉强度的作为光纤涂层部分的材料A、B、C或D被硅橡胶密封。

在这些试验样品中，其中材料A、B、C或D用作光纤涂层部分的材料，那些通过缩合型固化的硅橡胶f或p而与陶瓷空心绝缘子本体密封的试验样品在热击1500次或更多时就出现损坏，尽管它们能承受或耐受500次。损坏的形式是陶瓷空心绝缘子本体和硅橡胶之间的密封交接面处的绝缘被损坏。

这一点应当考虑，因为填入陶瓷空心绝缘子本体通孔中的伸长而狭窄的空隙中的硅橡胶固化时，由于缩合型硅橡胶在其内部缓慢的固化过程以及在其内部形成的不稳定副产品，而造成密封交接面强度表现出不足。

同时，在这些试验样品中，其中材料A、B、C或D用作光纤涂层部分的涂层材料，那些通过加成型固化的硅橡胶a、b、c、p或o而与陶瓷管密封的试验样品在热击1500次或更多时就出现部分或全部损坏，尽管它们在热击500次时没有出现损坏。

在这些实验中，试验样品的毁坏形式大部分是光纤的断裂或者密封端部分硅橡胶的凸起。

将陶瓷空心绝缘子本体的热胀系数与硅橡胶的热胀系数相比较，后者比前者大30倍左右。考虑到在密封时产生的一个残余应力以及在热击实验时产生的热应力，在光纤涂层上硅橡胶的密封交接面的毁坏或光纤的断裂是由于硅橡胶在高温下热膨胀产生的抗拉应力造成硅橡胶的破裂而产生的。

在这些试验样品中，其中材料A、B、C或D用作光纤涂层部分 的材料，那些通过加成固化硅橡胶d、e、g、h、i、j、k、l、m或n而与陶瓷空心绝缘子本体密封的试验样品，即使热击4000次之后，仍保持初始的透光性以及气密密封性。

同时，试验样品，其中具有低杨氏模量以及低抗拉强度的材料E、F、G或H用作光纤涂层部分的材料，在热击500次时，该样品的部分或全部就会出现损坏。

在这些试验中试验样品的毁坏形式发现为一个或多个源于涂层部分，终止于硅橡胶的裂缝，而该裂缝或多个裂缝造成了试验样品绝缘的损坏。

这些结果表明，一般来说最好使用具有大杨氏模量和高抗拉强度的材料作为光纤的涂层部分的材料，特别是使用具有高抗拉强度以及在破断时具有大伸长率的硅橡胶来密封光纤和陶瓷空心绝缘子本体为更佳，因为硅橡胶本身具有高弹性以及对由于温度变化而引起的热膨胀和收缩的高耐久性。

实施例5

下面研究硅橡胶的固化条件。

采用与实施例4中同样的试验样品来研究固化温度和硅橡胶密封时间，以及经热击试验样品的损坏情况。试验及评定的方法与实施例4中的方法相同。损坏试验的结果如下面表12所示。

表12

硅橡    光纤    固化状况    热击试验后的评价结果    总评价

胶    的涂    温度    时间    500    1500    4000

层部    （℃）    （小时）    （次）    （次）    （次）

40    10    ×    ×

60    4    ○    ○    △    ○

70    3    ○    ○    ○    ◎

i    A    80    2    ○    ○    ○    ◎

100    1    ○    ○    ○    ◎

150    0.5    ○    ○    ○    ◎

加成型高温固化硅橡胶的固化温度和固化时间具有反比关系，即随着温度的增加能更迅速地硬化。

在本实施例中，硅橡胶i与光纤涂层部分材料A的组合（在实施例4中通过保持光纤的原有性能，使其即使在损坏实验之后仍有良好的结果）在这里用来研究在热击之后的固化条件和光纤的损坏。结果表明，如果固化温度至少为60℃，那么在用实施例4所用的同样条件热击后的光纤透光性以及试验样品的耐压能力仍然良好。

通常，一个具有不同热胀系数的密封体在其内会由于密封时温度与冷却至室温后的温差而产生残余应力。考虑到热应力将持续很长一段时间，密封条件最好为小残余应力。由此看来，最好在低温下密封。

然而，在本发明中，硅橡胶以及光纤涂层部分的热胀系数比起陶瓷管和光纤的热胀系数要大得多，从而硅橡胶的残余应力实际上作为一种抗拉应力。

X射线荧光检查的结果表明，当固化温度较高时，通过在硅橡胶中形成单独的小气泡可以减轻应力。当试验样品在损坏实验中处于高温下，在高温固化时产生的单独气泡将被消除以吸收硅橡胶的热膨胀。

同时，独立泡沫在固化温度较低，如40℃时并不产生。因此，没有单独气泡的试验样品在高温下不能吸收硅橡胶的热膨胀，从而有可能发生密封硅橡胶在密封交接面上从光纤的涂层部分脱落。

实施例6

下面研究对光纤涂层部分表面进行涂底处理的效果。

通过热击，研究经过或未经过涂底处理的光纤的损坏，上述涂底处理是将一种涂底层，如硅烷偶联剂等，使用与实施例4同样的材料，涂在光纤涂层部分的表面。实验方法和测定方法与实施例4中的方法相同。热击的结果如下面表13所示。

表13

硅橡胶    光纤涂    涂底处理    热击实验后评价结果    总体评价

层部分    500    1500    4000

（次）    （次）    （次）

i    A    处理过    ○    ○    ○    ◎

未处理过    ○    △    ×    ×

D    处理过    ○    ○    ○    ◎

未处理过    ○    ×    -    ×

在本实施例中，硅橡胶i与光纤涂层部分材料A或D的组合用来研究热击后光纤涂层部分进行涂底处理时损坏性质的影响，在实施例4中则通过保持光纤的原有性能，即使在热击之后仍有很好的结果。

结果表明，如果包括材料A或D的光纤涂层部分未经涂底处理，则在密封交接面上的硅橡胶从光纤涂层部分脱落造成光纤绝缘的损坏发生在热击后进行耐压实验之时，因此，可以断定最好对光纤涂层部分进行涂底处理，以便更稳固地保持在光纤涂层部分上硅橡胶的密封状态。

就使用所需的包层部分和密封材料而言，组合绝缘子的结构和光纤的数量是可以变化的。

尽管本发明参照具体数值和实施例进行了说明，但是很明显，对于本领域普通技术人员在不违背所附权利要求书所定义的本发明的精神和观点的前提下可以做出许多变化和修正。

Claims (8)

1、一种光纤组合绝缘子包括一个具有轴向通孔至少一根在通孔中延伸的并且由一种密封材料与通孔内表面气密地隔开的光纤的空心绝缘子本体，上述密封材料是一种有机材料并且其特征在于：通孔内表面内是施加一种釉和焙烧的上釉表面。

2、一种光纤组合绝缘子包括一个具有轴向通孔以及至少一根在通孔中延伸的并且由一种密封材料与通孔内表面气密隔开的光纤的空心绝缘子本体，其特征在于上述密封材料是无机材料，并且通孔内表面是一个未经上釉和焙烧的未上釉表面或是一个抛光表面。

3、一种光纤组合绝缘子包括一个具有轴向通孔以及至少一根在通孔中延伸的并且由一种密封材料与通孔内表面气密隔开的光纤的空心绝缘子本体，其特征在于空心绝缘子本体的通孔内表面内径“d”与空心绝缘子外径“D”之比d/D最大为0.25。

4、根据权利要求3所述的光纤组合绝缘子，其中，通孔内径至少为3mm。

5、一种光纤组合绝缘子由一空心绝缘子本体组成，该绝缘子本体具有一个轴向通孔以及一根在通孔中延伸的，并且与通孔内表面气密地隔开的光纤，光纤的涂层部分由有机材料，如硅橡胶与通孔内表面气密地隔开，其特征在于光纤的涂层部分包括由扬氏模量至少为10kg/mm²和抗拉强度至少为300kg/cm²的树脂构成的缓冲层。

6、根据权利要求5所述的光纤组合绝缘子，其特征在于，有机密封材料是硅橡胶，它具有断裂时伸长至少为300%，抗拉强度至少为30kg/cm²的材料性能。

7、一种生产光纤组合绝缘子的方法包括至少一根光纤穿过在一个空心绝缘子本体内形成的通孔的步骤，以及通过有机密封材料，例如硅橡胶将光纤气密地密封在通孔中的步骤，其特征在于，密封于通孔中的光纤部分是由扬氏模量至少为10kg/mm²、抗拉强度至少为300kg/cm²的树脂进行涂层的步骤，以及在涂层部分上进行一个涂底处理的步骤。

8、根据权利要求7的方法，其特征在于，硅橡胶填充光纤的涂层部分和通孔内表面之间的间隙，并且在温度不低于60℃时进行固化以使光纤和空心绝缘子内表面之间气密地隔开。

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