專利名稱：光纖組合絕緣子及其制造方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光纖組合絕緣子，它主要用于一種檢測系統(tǒng)，以檢測電力輸電網(wǎng)絡、配電系統(tǒng)及變電站等中出現(xiàn)的故障點。并且本發(fā)明還涉及生產(chǎn)光纖組合絕緣子的方法。
迄今，人們一直希望發(fā)展一個系統(tǒng)以用于迅速檢測和排除在電力輸電網(wǎng)絡、配電系統(tǒng)及變電站等中由雷擊或其它原因引起的故障點。已經(jīng)使用的檢測系統(tǒng)包括帶有Pockels和Faraday元件的光敏器件來檢測異常電壓和異常電流。
在這種檢測系統(tǒng)中，要求通過光導纖維組合絕緣子使光敏器件和一個故障點檢測器及一個顯示器電氣絕緣。
因此，用于這種檢測系統(tǒng)的光纖組合絕緣子不僅要求通過至少一根光導纖維從光敏器件向檢測器有效地傳輸光信號，而且要求在一個長的使用壽命下具有和那些常規(guī)的實心絕緣子幾乎相同的必要機械強度和電絕緣功能。
已知有各種光纖組合絕緣子，例如，日本懸而未決專利申請，公開號60-158402公開了一種技術，即將一根或多根光導纖維氣密地穿過在一個空心絕緣子體內(nèi)的中心通孔，并通過全部或部分地在光纖和中心通孔內(nèi)表面之間的間隙內(nèi)填充一種例如硅橡膠的有機材料以防止表面絕緣泄漏距離的減少，還公開了一種技術，即在整個絕緣子先加熱后，通過全部填充一種例如溶化的玻璃的無機材料到空心絕緣子體內(nèi)的中心通孔的間隙中來密封光纖。
另外，還已知一種技術，即通過在中心通孔的間隙內(nèi)的軸向中間部分部分地填充例如硅橡膠的有機絕緣材料，而在通孔兩個相對端部分剩余的間隙內(nèi)填充溶化的玻璃來密封光纖。
雖然，常規(guī)的光纖組合絕緣子的密封是采用有機材料例如硅橡膠作為密封材料來維持空心絕緣子體內(nèi)光纖和通孔內(nèi)表面之間必要的氣密性，這種光纖組合絕緣子是容易生產(chǎn)的，因為在生產(chǎn)絕緣子本體之后，光纖密封過程中高溫下的熱處理是不需要的，但是，光纖組合絕緣子通常暴露于幾種溫度和濕度的情況下，從而由于在盛夏吸收太陽的熱使表面溫度上升到約60℃，相反在隆冬由于輻射冷卻又使溫度下降到約-20℃，而且光纖組合絕緣子還要連續(xù)帶負荷，因而如果對密封材料沒有進行適當?shù)倪x擇，那么密封材料的耐候性能惡化，從而不能使光纖組合絕緣子在檢測系統(tǒng)有效地使用。而且，即使光纖組合絕緣子暴露在長期周圍溫度，濕度等變化的情況下，硅橡膠或玻璃和光纖之間，空心絕緣子本身的通孔內(nèi)表面和硅橡膠或玻璃之間的粘合界面也應該保持必要的氣密性。然而，在這種情況下，為滿意地密封光纖，通孔內(nèi)表面和有機或無機材料之間的關系還未被考慮。
更進一步地說，包括一個空心的絕緣子本體的常規(guī)的光纖組合絕緣子，其機械強度低于同樣外徑下的常規(guī)實心絕緣子。另外，光纖組合絕緣子包括空心的絕緣子本體，該本體含有填充了具有不同熱膨脹系數(shù)的固化材料的中心通孔，其結果，由于殘余應力，使機械強度更進一步下降。
還有，由于要求光纖組合絕緣子能夠和通常用于斷路開關中的常規(guī)實心支撐絕緣子互換，所以光纖組合絕緣子必須具有和常規(guī)實心支撐絕緣子相同的機械強度，然而，對于常規(guī)的光纖組合絕緣子人們沒有闡明空心絕緣子本體的通孔的內(nèi)徑和柱體部分的外徑之間的關系，以及填充到通孔中的密封材料對光纖組合絕緣子機械強度的影響。
本發(fā)明的目的是消除上面所述的問題和缺點并且通過考慮通孔內(nèi)表面的情況和密封材料之間的關系，提供一個與相同幾何形狀和外部尺寸的常規(guī)實心絕緣子具有相同電氣絕緣性能的光纖組合絕緣子。
本發(fā)明的另一個目的是通過考慮通孔內(nèi)徑“d”和空心絕緣子本身的外徑“D”之間的關系，提供一個與相同幾何形狀和外部尺寸的常規(guī)實心絕緣子具有相同機械強度的光纖組合絕緣子。
本發(fā)明的還一個目的是消除上面所述問題和缺點并且通過使用有機密封材料來提供一個具有長壽命的極好氣密性能的光纖組合絕緣子，以及提供一種生產(chǎn)這種光纖組合絕緣子的方法。
本發(fā)明的首要方面在于一個光纖組合絕緣子包括一個帶有軸向通孔和至少一根在通孔中延伸的光纖以及用密封材料氣密地密封通孔的內(nèi)表面的空心絕緣子本體，上述密封材料是有機材料且通孔的內(nèi)表面是經(jīng)過上釉和焙燒的釉面。
本發(fā)明的第二方面在于一個光纖組合絕緣子包括一個帶有軸向通孔和至少一根在通孔中延伸的光纖以及用密封材料氣密地密封通孔的內(nèi)表面的空心絕緣子本體，上述密封材料是無機密封材料，并且通孔的內(nèi)表面是未加任何釉，并被焙燒的無釉表面或拋光面。
如后面所述，從實驗結果發(fā)現(xiàn)當通過使用有機密封材料例如硅橡膠等使光纖氣密地與空心絕緣子本體中通孔的上釉表面隔開時，粘合強度增力，從而維持長期的氣密性能。另外，當通過使用無機密封材料，例如玻璃等，使光纖氣密地與空心絕緣子本體中通孔的無釉表面或拋光面隔開時，氣密性能得到改善。
由上面可以看出，空心絕緣子本體中的通孔內(nèi)表面應該適用于特定的密封材料，以對特定的密封材料提供一個最佳密封狀況，從而改善密封部分的密封性能，結果使具有光纖組合絕緣子的故障檢測系統(tǒng)對于電力輸電網(wǎng)絡和變電站等具有一個高氣密可靠性和極佳的電絕緣性能。
本發(fā)明的第三個方面在于一個光纖組合絕緣子包括帶有軸向的通孔和在通孔中延伸的至少一根光纖以及通過密封材料氣密地與通孔內(nèi)表面隔開的一個空心絕緣子本體，空心絕緣子本體的通孔內(nèi)徑“d”與空心絕緣子的外徑“D”的比值d/D最大為0.25。從下面所述的實驗結果可以看出，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，光纖組合絕緣子的機械強度可以增加到和具有相同幾何形狀和外部尺寸的常規(guī)實心絕緣子的機械強度基本相同。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面的光纖組合絕緣子可以代替在配電系統(tǒng)的斷路開關中使用的常規(guī)實心絕緣子使用，從而故障檢測系統(tǒng)可以在現(xiàn)有配電系統(tǒng)中容易地設置。
如果d/D的比值超過0·25，光纖組合絕緣子的機械強度和耐熱極限值變得比具有相同幾何形狀和外部尺寸的常規(guī)實心絕緣子低。
最好是通孔的內(nèi)徑“d”至少為3mm，以使光纖穿過并且在密封之后保持滿意的氣密性。
本發(fā)明的第四個方面在于一個光纖組合絕緣子包括具有一個軸向通孔，至少一根光纖在通孔內(nèi)延伸以及氣密地與通孔的內(nèi)表面隔開的空心絕緣子本體，光纖的一個涂層部分通過采用有機密封材料例如硅橡膠被氣密地與通孔的內(nèi)表面隔開，光纖的涂層部分包括由楊氏模量至少為10kg/mm2和抗拉強度至少為300kg/cm2的樹脂構成的緩沖層。
有機密封材料最好是硅橡膠，它具有這樣的材料特性從而斷裂伸長率至少為300%，并且抗拉強度至少為30kg/cm2。
本發(fā)明的第五個方面在于生產(chǎn)光纖組合絕緣子的方法包括將至少一根光纖穿過一個空心絕緣子本體中形成的通孔并且用一種密封材料氣密地密封通孔中的光纖的步驟。根據(jù)本發(fā)明，將要在通孔中密封的光纖部分使用楊氏模量至少為10kg/mm2和一抗拉強度至少為300kg/cm2的樹脂進行涂層，并且在涂層部分上進行涂底處理(Primer treatmeut)硅橡膠填滿光纖涂層部分和通孔內(nèi)表面之間的空隙，并在溫度不低于60℃下進行固化，以使光纖和空心絕緣子本體的內(nèi)表面之間氣密地隔開。
根據(jù)本發(fā)明的第五個方面，涂層材料和有機材料的特殊組合有可能提供一種有機密封式光纖組合絕緣子，它能夠很好地承受如使用組合絕緣子的環(huán)境溫度變化之類的環(huán)境壓力，并具有長期保持氣密性的性能。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的光纖組合絕緣子的空心絕緣子本體的截面示意圖;
圖2是根據(jù)本發(fā)明的光纖組合絕緣子的一個實施例的截面示意圖;
圖3是一個試驗片的截面圖，以及圖4是一根光纖的放大的橫截面圖。
下面將參考附圖對本發(fā)明進行更詳細的解釋。
實施例1下面將采用有機材料作為密封材料來描述一個例子。
備制每個都具有一個中心通孔的各種陶瓷空心絕緣子本體1，如圖1所示。這些空心絕緣子本體的材料與在變電站中用作斷路開關支撐物的常規(guī)實心絕緣子的相同。每個空心絕緣子本體的外徑為105mm，長度為1，000mm。備制三種內(nèi)徑為6mm、8mm和10mm的不同的中心通孔的空心絕緣子本體，中心通孔2，在其相對兩端具有內(nèi)徑比通孔2大10mm的開口和與軸成30°的錐形部分，從而由于減輕周圍溫度的變化而產(chǎn)生的內(nèi)部壓力。
為進行實驗，備制兩種空心陶瓷絕緣子本體。一個具有無釉內(nèi)表面，另一個具有與絕緣子體外表面上上相同釉的上釉內(nèi)表面(加釉表面;兩種顏色的釉)。應該注意空心絕緣子本體的中心通孔的內(nèi)表面通常是無釉的，因為在內(nèi)表面上上釉是困難的。
這些空心絕緣本體具有穿過其中心通孔的光纖旦由一種硅橡膠密封以產(chǎn)生光纖組合絕緣子。因此，備制的光纖組合絕緣子用作試驗樣品。在這些試驗樣品中使用的光纖，考慮到光纖本身的氣密性能和在密封過程中的光纖加工性能，該光纖被涂有一層底涂層和一層緩沖層。另外，為了保證在光纖涂層部分最外層的緩沖層表面的必要的氣密粘合特性，通過使用硅烷偶聯(lián)劑以在緩沖層表面進行涂底處理。
還有，在加成式的具有高溫固化性能的各種硅橡膠中，一種具有高抗拉強度和高斷裂伸長率的硅橡膠被選擇作為密封材料。涂于光纖上的緩沖層性能及作為密封材料的硅橡膠示于表1
表1光纖涂層部分硅橡膠抗拉強度(kg/cm2) 450 45斷裂伸長率(%)47570硬度肖氏硬度DJIS5434材料環(huán)氧系列丙烯酸加成反應型樹脂硅膠橡膠每個試驗樣品具有二根光纖穿過陶瓷空心絕緣子本體的通孔中，并在每根光纖受到1kg的拉力的情況下，硅橡膠填充到光纖和通孔內(nèi)壁之間空隙中。硅橡膠在最大為1乇(Torr)的真空中攪拌30分鐘以去掉氣泡，然后填入以5kg/cm2的壓力填入空隙。當硅橡膠在壓力下填充時，最好是在與填充端相對的通孔端抽真空以防止在硅橡膠和光纖之間的粘合界面以及通孔表面和硅橡膠之間粘合界面保留的氣泡。絕緣子本體以硅橡膠填充，然后，將其放在80℃的恒溫室達6小時以固化硅橡膠，從而生成如實驗樣品一樣的光纖組合絕緣子。
這樣產(chǎn)生的光纖組合絕緣子再分別進行耐熱極限試驗，熱擊試驗，以及在熱循環(huán)處理之后交流耐壓試驗。
在熱擊試驗中，備制10個試驗樣品，該試驗通過將樣品分別交替地浸入一個90℃的熱水槽和一個0℃的冷水槽各達30分鐘。在試驗后，對試驗樣品中破裂的形成進行研究，觀察結果如表2表示，當在所有10樣品中沒有任何破裂出現(xiàn)時，用符號◎表示，當在試驗樣品中有破裂出現(xiàn)時，用符號X表示。
在耐熱極限試驗中，備制10個試驗樣品，這些試驗樣品以30℃/小時的速率加熱到預定溫度，緊接著在該溫度下保持3小時，在冷卻之后，觀察試驗樣品的外觀狀況。試驗結果如表2所示，符號◎表示在所有10個試驗樣品中沒有任何破裂出現(xiàn)，符號△表示破裂明顯出現(xiàn)，在1/10的試驗樣品中硅橡膠凸出或光纖傳輸系數(shù)改變，符號X表示在至少有2/10的試驗樣品中發(fā)生毀壞性變化。上述試驗第一步是在80℃的溫度下進行，然后，未毀壞的試驗樣品依次在90℃，100℃，110℃，120℃溫度下試驗，在加熱循環(huán)試驗中，備制10個試驗樣品并且分別交替地浸入一個90℃的恒溫槽和一個-20℃的恒溫槽各達3小時，在500，1000，1500，2000，2500，3000次循環(huán)的每一熱循環(huán)，都進行外觀破裂觀察和交流耐壓試驗。試驗的結果如表2所示，符號◎表示沒有出現(xiàn)任何故障，符號△表示電流擊穿1/10的試驗樣品，以及符號X表示電流擊穿至少2/10的試驗樣品。
從表2的結果可以看出在通孔中具有上釉內(nèi)表面或未上釉內(nèi)表面的樣品在熱擊試驗中顯示良好結果，而在耐熱極限試驗和熱循環(huán)試驗中出現(xiàn)不同的結果，即，在耐熱極限試驗中，具有上釉A或B的內(nèi)表面的光纖組合絕緣子的樣品直到120℃仍無問題，且與通孔直徑無關，而具有無釉內(nèi)表面的試驗樣品隨著通孔內(nèi)徑的增加，耐熱極限溫度減小。這是因為硅橡膠和空心絕緣子本體的陶瓷之間熱膨脹系數(shù)區(qū)別大而在耐熱極限試驗時，由于硅橡膠膨脹，在空心絕緣子本體的通孔中產(chǎn)生內(nèi)壓，從而導致空心絕緣子毀壞。
另外，從加熱循環(huán)試驗的結果可以看出，具有釉A或B的上釉內(nèi)表面的試驗樣品顯示出沒有破裂形成并且直到2，500次循環(huán)交流耐壓也未降低，產(chǎn)生一個良好的測試結果。而通孔具有未上釉內(nèi)表面的樣品，由于粘合部分的分離，在1，500～2，000次循環(huán)時，交流耐壓下降。在通過調(diào)查經(jīng)過與在交流耐壓試驗中毀壞的那些樣品相同熱循環(huán)次數(shù)后的已分解的光纖組合絕緣子的結果表示通孔內(nèi)表面和硅橡膠之間粘合交界面相分離，該分離隨著熱循環(huán)次數(shù)的增加而加劇。
另外，通過使用直徑為40mm，高度為10mm且用與光纖組合絕緣子相同的陶瓷制成的試驗樣品進行粘合強度試驗。一些和硅橡膠粘合的試驗樣品表面上釉(兩種釉色)，與硅橡膠粘合的剩下的試驗樣品表面未上釉。制作試驗樣品的方式為焙燒和與硅橡膠粘合之后，兩個陶瓷材料片被磨成給定形狀，硅橡膠的備制與光纖組合絕緣子的處理的方式相同，并在80℃溫度下固化1小時。在粘合強度試驗中，備制從相同成分和固化條件的固化批量中取出的20個試驗樣品，這些試驗樣品由一個拉力試驗機以25毫米/分鐘的速度進行拉伸。粘合強度由在粘合部分的硅橡膠斷裂時的拉力負荷除以粘合截面積來計算。斷裂的方式是硅橡膠從試驗樣品表面分開并且硅橡膠本身拉斷。
粘合破裂率由硅橡膠對于所有試驗樣品的拉斷數(shù)以百分比來表示，其試驗結果示于表3。
表3試驗號上釉情況粘合強度(kg/cm2) 粘合破裂率(%)10A4210011B4010012無250注釉A是白色釉，釉B是棕色釉，兩者都用來作為絕緣子表面上釉。
從表3所示的粘合強度的結果表明，具有上釉表面的試驗樣品具有高粘合強度，由硅橡膠本身的抗拉強度決定的破裂方式為粘合破裂，并且粘合交界面牢固。此外，上釉表面和硅橡膠的粘合具有高粘合強度和高氣密密封性能。
實施例2在本實施例中使用了一種無機物質(zhì)。
備制各種陶瓷空心絕緣子本體1，每一種都具有一個中心通孔2，如圖1所示。這些空心絕緣子本體的材料與常規(guī)的，在變電站中用作斷路開關支撐物的固體絕緣子的材料相同。每一個空心絕緣子本體的外徑為105mm，長度為1000mm。通孔的內(nèi)徑為6mm。同樣，通孔的兩端均有錐形開口，其錐角為5°，沿空心絕緣子本體軸向長度為50mm。
通孔的內(nèi)表面為上釉表面或無釉表面，上釉表面使用一種用于常規(guī)實心絕緣子本體外表面的白色釉面。或者，通孔的內(nèi)表面在焙燒后拋光。
光纖是一種芯線直徑為80μm，芯包直徑為125μm的石英玻璃系列纖維。考慮到光纖本身的氣密性質(zhì)以及加工性能，須使用涂有底涂層和緩沖層的光導纖維。為了在密封玻璃和光纖之間進行氣密密封，并且防止密封玻璃在熔化玻璃的高溫下因光纖涂層部分中有機物質(zhì)的燃燒而起泡，上述涂層部分長度為35mm，并且在其浸入乙醇后通過剝皮器將其機械剝除。
一個具有與空心絕緣子本體通孔端開口同樣的錐角為5°的錐形外表面的和在其底端有一個用于穿過光纖或纖維的通孔的圓柱體是由Koval制成，該圓柱體的外表面涂以一層玻璃并且預先用三氯化鐵(FeCl3)溶液進行酸處理來清洗和去油。同樣也進行氧化處理，以用玻璃改善濕潤度并且用熔化玻璃徹底進行粘合反應。氧化反應在空氣中在800℃溫度下進行20分鐘。由Koval制成的圓柱體的外周部分通過噴涂而覆蓋一層厚度約為1mm的玻璃。
接著，覆蓋在圓柱體上的玻璃在80℃溫度下干燥30分鐘，然后在電爐內(nèi)在320℃溫度下鍛燒(Calcinate)1小時。這樣，涂以玻璃的圓柱體被置于空心絕緣子本體通孔的開口端部分中。作為上述玻璃，使用了一種具有低熔點和低熱脹系數(shù)的硼酸鉛系列玻璃。
此外，鍛燒過的玻璃本體長度為35mm，并具有一個錐形外表面，其錐角和直徑與圓柱體的內(nèi)表面相同。玻璃本體還有一個用來穿過光纖的通孔，鍛燒過的玻璃本體置于圓柱體內(nèi)，其通孔與圓柱體的通孔在一條直線上。通過鍛壓加工使一個添加少量甲基纖維素的硼酸鉛系列玻璃成形同時調(diào)節(jié)進水并將外周部分和通孔加工成型，然后以50℃/小時的速率加熱并在達到320℃時持續(xù)一小時而備制成鍛燒過的玻璃本體。
光纖穿過空心絕緣子本體的通孔以及Koval圓柱體和鍛燒過的玻璃本體的通孔。
然后，絕緣子置于一個七匝的銅線圈內(nèi)，該線圈通過一個高頻電壓發(fā)生器加上一個高頻電壓。Koval制成的圓柱體由高頻電壓加熱。整定高頻電壓和電流將圓柱體加熱至500℃。
結果，圓柱體在加上高頻電壓后大約20分鐘內(nèi)被加熱至500℃。圓柱體在500℃保持10分鐘左右，同時，其上端用一個20kg的重物重壓以將其圓周部分及端開口氣密密封。然后，圓柱體自然冷卻。
此外，為了保護從絕緣子通孔開口的玻璃密封部分延伸的玻璃纖維涂層部分，填入在真空中除氣的硅橡膠并在80℃溫度下固化一小時。上述一系列生產(chǎn)過程是這樣進行的，在完成絕緣子一端的密封和涂層增強過程之后，將絕緣子翻轉(zhuǎn)，再將其另一端進行密封和增強。最后，用粘合劑固定凸緣蓋便完成了光纖組合絕緣子的制作。本實施例中所用陶瓷空心絕緣子本體以及密封玻璃的材料如表4所示。
表4絕緣子玻璃A玻璃B熱脹系數(shù)(×10-7/℃) 74 42 58熔點(℃)-420450主要成份 SiO2， pbO，TiO2pbO，SiO2Al2O3B2O3B2O3，Li2O對本實施例中的光纖組合絕緣子進行耐熱極限試驗、熱擊試驗以及以實施例1中同樣的方式進行的熱循環(huán)之后的交流耐壓試驗。應注意到耐熱極限試驗的起始溫度為120℃，然后對沒有受損的試驗樣品在130℃，140℃和150℃的溫度下進行試驗。熱循環(huán)試驗按2000，3000和5000次循環(huán)進行試驗。上述試驗結果如表5所示。
從表5的結果可以證實下面的結論。對于熱擊試驗，未上釉的和磨光的通孔內(nèi)表面沒有破裂，結果是滿意的。而上釉的表面在通孔的玻璃與內(nèi)表面之間的部分發(fā)生破裂。在耐熱極限試驗中，具有無釉和磨光內(nèi)表面的光纖組合絕緣子在150℃以前都沒有問題，而具有上釉內(nèi)表面的光纖組合絕緣子在140℃時便部分地破裂。在熱循環(huán)試驗中，具有無釉和磨光內(nèi)表面的光纖組合絕緣子可以承受直到5000次的循環(huán)，結果良好，而具有上釉表面的光纖組合絕緣子不能承受3000次以上的循環(huán)。從對經(jīng)受過與在一個低交流耐電壓下毀壞的絕緣子同樣的熱循環(huán)的已分解光纖組合絕緣子的調(diào)查結果中可以發(fā)現(xiàn)，通孔的玻璃和內(nèi)表面之間的密封部分已經(jīng)破裂，通孔中間部分的空穴已經(jīng)進水。
此外，利用試驗樣品檢測粘合強度。試驗樣品的直徑為20mm，高度為10mm，由用于光纖組合絕緣子同樣的陶瓷材料制成。分別備制具有無釉、磨光以及上釉的內(nèi)粘合表面的此類試驗樣品。這些試驗樣品經(jīng)焙燒(fired)然后磨光以提供預定型狀的端，并且，在通過噴涂將一層玻璃涂在粘合表面之后，在350℃溫度下再鍛燒(calcinated)1小時。兩個試驗樣品涂上玻璃的表面緊密接觸并且在500℃溫度下焙燒(fired)1小時，以將兩個試驗樣品粘合為一個整體。利用一個拉力試驗機在每一強度以0.5毫米/分鐘的速度對20個試驗樣品進行粘合強度試驗。粘合強度通過將破斷力除以粘合面面積而計算出來。粘合破裂率由所有試驗樣品中硅橡膠本身破裂的數(shù)量來表示。上述試驗結果如表6所示。
表 6
注上釉表面上加上絕緣子表面所用的白色釉可以從表6所示的粘合強度試驗結果中了解到，具有與玻璃粘合的無釉表面或磨光表面的試驗樣品，其粘合強度高并且在破裂起始點位于玻璃內(nèi)部時，在粘合表面上沒有破裂起始點。另一方面，具有上釉表面的試驗樣品在粘合表面上都有破裂起始點，因此玻璃與釉表面之間的粘合強度低。
實施例3備制多種具有一個如圖1所示通孔2的陶瓷空心絕緣子本體1。該空心絕緣子本體的材料與在變電站中用作斷路開關支撐物的材料相同。備制的空心絕緣子本體的外徑“D”為80～145mm，通孔內(nèi)徑“d”為2～60mm，內(nèi)徑與外徑之比(d/D)×100(%)為2.8～50%。通孔相對兩端的每一端均有一個錐形部分3，其錐角為30°，并且有一個開口，它比通孔大10mm。提供錐形部分3是為了減輕在硅橡膠固化后因周圍溫度變化而產(chǎn)生的內(nèi)壓。通孔的內(nèi)表面用空心絕緣子本體外表面所使用的同樣的釉面上釉。
這些空心絕緣子本體被加入穿過其通孔的光導纖維并且由一個硅橡膠來密封，以制成光纖組合絕緣子。如此制備的光纖組合絕緣子被用作試驗樣品?？紤]到光纖本身的性能以及在密封過程中光纖的加工性質(zhì)，這些試驗樣品所用的光纖被涂以底涂層和緩沖層。此外，為了確保作為光纖涂層部分最外層的緩沖層表面的氣密粘合性能，須使用硅烷偶聯(lián)劑對緩沖層表面進行涂底(Primer)處理。
同樣，在加成類型的具有高溫固化性能的各種硅橡膠中，一種具有高抗拉強度和在破裂時伸長的硅橡膠被選擇作為密封材料。涂在光纖上的緩沖層性能以及作為密封材料的硅橡膠的性能如表7所示表 7
每一個試驗樣品均有二根光纖穿過陶瓷空心絕緣子本體中的通孔，并在每根光纖受到1kg拉力的情況下，硅橡膠填充到光纖和通孔內(nèi)壁之間的空隙中。硅橡膠在最大為1乇(Torr)的真空中被搖動以除去氣泡，然后在5Kg/cm2的壓力下填充到該空隙中。當硅橡膠在壓力下填充時，最好在通孔相對于填充端的另一端抽真空，以便防止氣泡仍然留在硅橡膠與光纖之間的粘合交界面中。絕緣子本體的通孔填充以硅橡膠，然后試驗樣品在80℃的恒溫槽內(nèi)放置6小時，以固化硅橡膠，從而最后制成作為試驗樣品的光纖組合絕緣子。
如此制作的光纖組合絕緣子須進行彎曲強度試驗、耐熱極限試驗和氣密試驗。
在彎曲強度實驗中，備制10個試驗樣品。每個樣品均在其一端通過凸緣蓋脊狀地固定，而另一自由端在垂直于空心絕緣子本體縱向軸的方向上加一負荷。實驗結果由10個試驗樣品的平均機械強度相對于具有同樣外徑為100的實心絕緣子的平均機械強度的值來表示。
在耐熱極限試驗中，備制10個試驗樣品。這10個樣品按30℃/小時的速率被加熱至一個預定的溫度，在該溫度下保持3小時，然后，觀察冷卻后試驗樣品的外觀狀態(tài)。實驗結果在表8中以符號◎表示在所有10個試驗樣品中沒有發(fā)生任何破裂以符號△表示明顯發(fā)生破裂，在1/10的試驗樣品中硅橡膠凸出或光傳輸系數(shù)改變，以符號×表示在至少2/10的試驗樣品中發(fā)生毀損性變化。上述試驗的起始溫度為90℃，然后依次在100℃、110℃和120℃溫度下對未毀損的試驗樣品進行試驗。
在氣密實驗中，備制10個試驗樣品。每一個試驗樣品都加上一個對應于每個絕緣子外部飛弧電壓的交流耐壓。試驗結果以符號×表示試驗樣品被電流擊穿或者在分解1/10的10個試驗樣品后，在試驗樣品內(nèi)部發(fā)現(xiàn)痕跡。
上面的試驗結果如表8所示。
從表8的結果可以知道，當通過孔內(nèi)徑(d)與空心絕緣子本體外徑(D)之比(d/D)×100(%)最大為25%時，光纖組合絕緣子與常規(guī)的實心絕緣子具有同樣的彎曲強度，從而光纖組合絕緣子與常規(guī)實心絕緣子考慮到強度時可以互換。
另外，從表8所示耐熱極限實驗的結果可以知道，當內(nèi)外徑之比(d/D)×100(%)最大為25%時，光纖組合絕緣子的耐熱性在溫度不超過120℃時與常規(guī)實心絕緣子的耐熱性沒有什么不同。然而，當上述比值(d/D)×100(%)超過25%時，光纖組合絕緣子損壞或者硅橡膠破裂。
另外，當通孔內(nèi)徑“d”小于3mm時，具有相同幾何形狀絕緣子的光纖組合絕緣子在交流耐壓實驗中被擊穿。通過調(diào)查分解后的外部遭受飛弧的光纖組合絕緣子可以發(fā)現(xiàn)，兩根光導纖維已相互接觸或者與通孔的內(nèi)表面接觸，從而，光導纖維沒有被硅橡膠密封進而導致氣密性的下降。
可以知道，上述的缺陷是由于熱脹系數(shù)的巨大差異所造成的，因而硅橡膠的熱脹系數(shù)比陶瓷大30倍。即，在硅橡膠的體積大于恒定體積的情況下，硅橡膠在高溫下的熱膨脹將產(chǎn)生一個內(nèi)部壓力，其結果將造成光纖組合絕緣子的毀壞或硅橡膠的破裂。
相應地，可以看出，當比值(d/D)為一個特定值，即最多為0.25以及通孔內(nèi)徑“d”大于3mm時，絕緣子的內(nèi)在機械強度不會降低，光纖的粘合性沒有問題。
實施例4根據(jù)本實施例的光纖組合絕緣子的結構如圖2所示。參照圖2，光纖組合絕緣子包括一個空心絕緣子本體1和一光導纖維4?？招慕^緣子本體有一個穿過其的中心通孔2。中心通孔2在其相對的兩端分別設有錐形部分3。光導纖維4穿過通孔2并由填入通孔2和錐形部分3的硅橡膠6密封?？招慕^緣子本體1在其相對兩端分別設有凸緣蓋5，用于垂直堆放多個空心絕緣子本體。備制涂有具有預定性能的樹脂的一光纖4，如圖2所示。涂層部分的表面使用硅烷偶聯(lián)劑并經(jīng)過涂底處理。具有經(jīng)過這樣處理的涂層部分的光纖4穿過空心絕緣子本體1的通孔2。然后，一種具有必要的材料性能的硅橡膠通過錐形部分3被填入光纖和通孔2內(nèi)表面之間的空隙。硅橡膠在60℃或更高的溫度下被固化，從而利用硅橡膠在光纖和空心絕緣子本體之間進行氣密密封。
對于將用于光纖上涂層部分作為涂層材料的樹脂的性能以及對于作為密封材料的硅橡膠的性能進行實驗。
具有包括一涂底層和一緩沖層的涂層部分的光導纖維因考慮到光纖本身的氣密性以及在密封過程中光纖的加工性能，而被選擇進行實驗。將楊氏模量以及在破斷點等的伸長率作為參數(shù)考慮，應選擇構成光纖涂層部分的一種樹脂。在光纖涂層部分的表面涂以底涂層。將固化方式、固化后抗拉強度、在破裂點的伸長率，以及硬度等作為參數(shù)考慮，應選擇硅橡膠作為密封材料來密封涂層部分及絕緣子本體。
在制作本實施例中的光纖組合絕緣子時，許多光導纖維互不接觸地穿過空心絕緣子本體的中心通孔，然后一種硅橡膠液體被填入光纖和通孔內(nèi)表面之間的空隙以及各光導纖維之間的空隙。硅橡膠固化方式分為縮合型和加成型?？s合型的硅橡膠橫向連接并通過縮合反應固化，并且產(chǎn)生反應的副產(chǎn)品。加成型的硅橡膠橫向連接并通過未飽和基以及包括Si-H的硅氧烷的加成反應而固化。
氣密地粘附在光纖外表面上的涂層部分的性能如下面表9所示。用于密封的硅橡膠的性能如其后的表10所示。
注抗拉強度、在破斷點的伸長率和硬度的測量是根據(jù)JISK-6301進行的。硬度試驗根據(jù)A型彈簧硬度試驗進行。
將這些選擇的材料組合起來，備制10個用于每一個實驗等級的試驗樣品，每個樣品均有光纖被密封在一個長為200mm，內(nèi)徑為10mm，外徑為20mm的陶瓷空心絕緣子本體內(nèi)，并且上述試驗樣品用于損壞實驗，其中自然環(huán)境下的溫度和溫度條件增加。試驗樣品的幾何形狀和構成材料如圖3所示，并且一個光纖的放大的橫截面如圖4所示。
在損壞實驗中，熱擊反復循環(huán)地加在試驗樣品上，如表11所示。在每一次循環(huán)中，試驗樣品分別被浸入80℃的熱水箱中30分鐘然后浸入-20℃不凍的液體箱中30分鐘。試驗樣品的密封狀態(tài)在熱擊后便予以測定。對所選擇的材料組合的損壞實驗結果如下面表11所示。
在表11中測定所有選擇材料組合的測定項目為為確定光纖的斷裂或不斷裂而進行的光纖透光實驗硅橡膠與光纖涂層部分之間交接面的粘合性以及用于確定硅橡膠與陶瓷空心絕緣子本體之間交接面粘附力的交流耐壓實驗。
熱沖擊實驗之后進行評價的結果以符號◎表示所有10個試驗樣品都具有良好的透光性和耐壓性，以符號△表示1/10～3/10的試驗樣品被毀壞，從而光纖變成不透光或者試驗樣品在耐壓實驗中被電流擊穿，符號×表示4/10或者更多的試驗樣品由于光纖不透光或被電流擊穿而毀壞。
如表11所示，所有試驗樣品都顯示出完全可以承受500次熱擊的滿意結果，其中具有較大楊氏模量和抗拉強度的作為光纖涂層部分的材料A、B、C或D被硅橡膠密封。
在這些試驗樣品中，其中材料A、B、C或D用作光纖涂層部分的材料，那些通過縮合型固化的硅橡膠f或p而與陶瓷空心絕緣子本體密封的試驗樣品在熱擊1500次或更多時就出現(xiàn)損壞，盡管它們能承受或耐受500次。損壞的形式是陶瓷空心絕緣子本體和硅橡膠之間的密封交接面處的絕緣被損壞。
這一點應當考慮，因為填入陶瓷空心絕緣子本體通孔中的伸長而狹窄的空隙中的硅橡膠固化時，由于縮合型硅橡膠在其內(nèi)部緩慢的固化過程以及在其內(nèi)部形成的不穩(wěn)定副產(chǎn)品，而造成密封交接面強度表現(xiàn)出不足。
同時，在這些試驗樣品中，其中材料A、B、C或D用作光纖涂層部分的涂層材料，那些通過加成型固化的硅橡膠a、b、c、p或o而與陶瓷管密封的試驗樣品在熱擊1500次或更多時就出現(xiàn)部分或全部損壞，盡管它們在熱擊500次時沒有出現(xiàn)損壞。
在這些實驗中，試驗樣品的毀壞形式大部分是光纖的斷裂或者密封端部分硅橡膠的凸起。
將陶瓷空心絕緣子本體的熱脹系數(shù)與硅橡膠的熱脹系數(shù)相比較，后者比前者大30倍左右。考慮到在密封時產(chǎn)生的一個殘余應力以及在熱擊實驗時產(chǎn)生的熱應力，在光纖涂層上硅橡膠的密封交接面的毀壞或光纖的斷裂是由于硅橡膠在高溫下熱膨脹產(chǎn)生的抗拉應力造成硅橡膠的破裂而產(chǎn)生的。
在這些試驗樣品中，其中材料A、B、C或D用作光纖涂層部分的材料，那些通過加成固化硅橡膠d、e、g、h、i、j、k、l、m或n而與陶瓷空心絕緣子本體密封的試驗樣品，即使熱擊4000次之后，仍保持初始的透光性以及氣密密封性。
同時，試驗樣品，其中具有低楊氏模量以及低抗拉強度的材料E、F、G或H用作光纖涂層部分的材料，在熱擊500次時，該樣品的部分或全部就會出現(xiàn)損壞。
在這些試驗中試驗樣品的毀壞形式發(fā)現(xiàn)為一個或多個源于涂層部分，終止于硅橡膠的裂縫，而該裂縫或多個裂縫造成了試驗樣品絕緣的損壞。
這些結果表明，一般來說最好使用具有大楊氏模量和高抗拉強度的材料作為光纖的涂層部分的材料，特別是使用具有高抗拉強度以及在破斷時具有大伸長率的硅橡膠來密封光纖和陶瓷空心絕緣子本體為更佳，因為硅橡膠本身具有高彈性以及對由于溫度變化而引起的熱膨脹和收縮的高耐久性。
實施例5下面研究硅橡膠的固化條件。
采用與實施例4中同樣的試驗樣品來研究固化溫度和硅橡膠密封時間，以及經(jīng)熱擊試驗樣品的損壞情況。試驗及評定的方法與實施例4中的方法相同。損壞試驗的結果如下面表12所示。
加成型高溫固化硅橡膠的固化溫度和固化時間具有反比關系，即隨著溫度的增加能更迅速地硬化。
在本實施例中，硅橡膠i與光纖涂層部分材料A的組合(在實施例4中通過保持光纖的原有性能，使其即使在損壞實驗之后仍有良好的結果)在這里用來研究在熱擊之后的固化條件和光纖的損壞。結果表明，如果固化溫度至少為60℃，那么在用實施例4所用的同樣條件熱擊后的光纖透光性以及試驗樣品的耐壓能力仍然良好。
通常，一個具有不同熱脹系數(shù)的密封體在其內(nèi)會由于密封時溫度與冷卻至室溫后的溫差而產(chǎn)生殘余應力?？紤]到熱應力將持續(xù)很長一段時間，密封條件最好為小殘余應力。由此看來，最好在低溫下密封。
然而，在本發(fā)明中，硅橡膠以及光纖涂層部分的熱脹系數(shù)比起陶瓷管和光纖的熱脹系數(shù)要大得多，從而硅橡膠的殘余應力實際上作為一種抗拉應力。
X射線熒光檢查的結果表明，當固化溫度較高時，通過在硅橡膠中形成單獨的小氣泡可以減輕應力。當試驗樣品在損壞實驗中處于高溫下，在高溫固化時產(chǎn)生的單獨氣泡將被消除以吸收硅橡膠的熱膨脹。
同時，獨立泡沫在固化溫度較低，如40℃時并不產(chǎn)生。因此，沒有單獨氣泡的試驗樣品在高溫下不能吸收硅橡膠的熱膨脹，從而有可能發(fā)生密封硅橡膠在密封交接面上從光纖的涂層部分脫落。
實施例6下面研究對光纖涂層部分表面進行涂底處理的效果。
通過熱擊，研究經(jīng)過或未經(jīng)過涂底處理的光纖的損壞，上述涂底處理是將一種涂底層，如硅烷偶聯(lián)劑等，使用與實施例4同樣的材料，涂在光纖涂層部分的表面。實驗方法和測定方法與實施例4中的方法相同。熱擊的結果如下面表13所示。
在本實施例中，硅橡膠i與光纖涂層部分材料A或D的組合用來研究熱擊后光纖涂層部分進行涂底處理時損壞性質(zhì)的影響，在實施例4中則通過保持光纖的原有性能，即使在熱擊之后仍有很好的結果。
結果表明，如果包括材料A或D的光纖涂層部分未經(jīng)涂底處理，則在密封交接面上的硅橡膠從光纖涂層部分脫落造成光纖絕緣的損壞發(fā)生在熱擊后進行耐壓實驗之時，因此，可以斷定最好對光纖涂層部分進行涂底處理，以便更穩(wěn)固地保持在光纖涂層部分上硅橡膠的密封狀態(tài)。
就使用所需的包層部分和密封材料而言，組合絕緣子的結構和光纖的數(shù)量是可以變化的。
盡管本發(fā)明參照具體數(shù)值和實施例進行了說明，但是很明顯，對于本領域普通技術人員在不違背所附權利要求書所定義的本發(fā)明的精神和觀點的前提下可以做出許多變化和修正。
權利要求
1.一種光纖組合絕緣子包括一個具有軸向通孔以及至少一根在通孔中延伸的并且由一種密封材料與通孔內(nèi)表面氣密地隔開的光纖的空心絕緣子本體，上述密封材料是一種有機材料并且通孔內(nèi)表面內(nèi)是施加一種釉和焙燒的上釉表面。
2.一種光纖組合絕緣子包括一個具有軸向通孔以及至少一根在通孔中延伸的并且由一種密封材料與通孔內(nèi)表面氣密隔開的光纖的空心絕緣子本體，上述密封材料是無機材料，并且通孔內(nèi)表面是沒有施加釉，并且被焙燒的未上釉表面或是一個拋光表面。
3.一種光纖組合絕緣子包括一個具有軸向通孔以及至少一根在通孔中延伸的并且由一種密封材料與通孔內(nèi)表面氣密隔開的光纖的空心絕緣子本體，空心絕緣子本體的通孔內(nèi)表面內(nèi)徑“d”與空心絕緣子外徑“D”之比d/D最大為0.25。
4.根據(jù)權利要求3所述的光纖組合絕緣子，其中，通孔內(nèi)徑至少為3mm。
5.一種光纖組合絕緣子由一空心絕緣子本體組成，該絕緣子本體具有一個軸向通孔以及至少一根在通孔中延伸的，并且與通孔內(nèi)表面氣密地隔開的光纖，光纖的涂層部分由有機材料，如硅橡膠與通孔內(nèi)表面氣密地隔開，光纖的涂層部分包括由楊氏模量至少為10kg/mm2和抗拉強度至少為300kg/cm2的樹脂構成的緩沖層。
6.根據(jù)權利要求5所述的光纖組合絕緣子，其中，有機密封材料是硅橡膠，它具有斷裂延長至少為300%，抗拉強度至少為30kg/cm2的材料性能。
7.一種生產(chǎn)光纖組合絕緣子的方法包括將至少一根光纖穿過在一個空心絕緣子本體內(nèi)形成的通孔以及通過有機密封材料，例如硅橡膠將光纖氣密地密封在通孔中的步驟，其中密封在通孔中的光纖部分是由楊氏模量至少為10kg/mm2、抗拉強度至少為300kg/cm2的樹脂涂層并且在涂層部分上進行一個涂底處理。
8.根據(jù)權利要求7的方法，其中，硅橡膠填充光纖的涂層部分和通孔內(nèi)表面之間的間隙，并且在溫度不低于60℃時進行固化以使光纖和空心絕緣子內(nèi)表面之間氣密地隔開。
全文摘要
一個光纖絕緣子包括一個空心絕緣子本體，該絕緣子本體具有一個軸向通孔和至少一根在通孔中延伸的以及通過一種密封材料與通孔內(nèi)表面氣密地隔開的光纖，選擇通孔內(nèi)表面狀況和密封材料、通孔的內(nèi)徑和空心絕緣子的外徑或光纖上的涂層材料之間的關系以提供高絕緣性能、機械強度和氣密性能的光纖組合絕緣子。
文檔編號H01B19/00GK1042444SQ8910792
公開日1990年5月23日 申請日期1989年10月14日 優(yōu)先權日1988年10月14日
發(fā)明者清家捷二, 美馬敏元, 野崎政行, 谷直樹, 池田光司 申請人:日本礙子株式會社