光纖復合絕緣子光纖內嵌技術探討

史文強，張浩哲，楊向陽

（許繼集團有限公司，河南 許昌 461000）

1 前言

特高壓套管關鍵技術屬于我國特高壓一次設備國產化的“卡脖子”難題，其中光纖復合絕緣子作為特高壓套管關鍵技術一個重要分支，在全光纖電流互感器光學信號傳輸方面具有無法替代的作用，絕緣子用于保護光纖、防污、電氣絕緣、承擔機械強度。

如圖1所示，全光纖電流互感器由光纖傳感環、傳感環密封腔體、光纖復合絕緣子、底部密封腔體和電子裝置構成，其中光纖傳感環位于一次高壓端采集電流信號并以光學信號形式經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制解調、高速數據采集及傳輸、數字信號處理等功能，按IEC 60044-8協議輸出數字信號到控保系統。

圖1 全光纖電流互感器結構示意圖

光纖復合絕緣子是基于現有特高壓復合絕緣子技術發展而來的一種具備光學信號傳輸性能的復合絕緣子，各廠家采取的光纖內嵌技術方案及制造工藝存在差異。

本文提出一種光纖復合絕緣子光纖內嵌技術，與現有技術對比，只需按照復合絕緣子的生產工藝保證傘群與絕緣子芯體的黏結即可，降低了生產難度，密封結構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，且可實現多路光纖傳輸，簡化了加工工藝，具有較高的經濟性。

2 現有技術方案

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即發生閃絡事故進行研究，并通過對事故光CT進行解體分析和試驗驗證，得出廠家在產品設計過程中并未考慮光CT平放時淋雨進水的可能性，未在過線環與其底座連接處進行密封處理，同時，由于光纖槽敷設工藝不到位，導致雨水下滲，最終引發貫穿性放電的論述。

以上述廠家生產的FOS型全光纖電流互感器為例，FOS型光CT產品所用光纖復合絕緣子由硅橡膠傘套、芯棒、金屬法蘭和光纖構成，經過光纖埋入芯棒、芯棒打磨處理和高溫包膠生產環節，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5個階段。如圖2所示，芯棒圓周面預留螺旋光纖槽，光纖敷設后進行密封膠固化，后經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工藝，最后，硅橡膠傘群采取注射成型工藝制造。

圖2 光纖復合絕緣子結構示意圖

FOS型光CT產品所用光纖復合絕緣子技術方案雖然基于復合絕緣子制造工藝實現了光纖內嵌芯棒并一體化硅橡膠注射成型，但自身存在以下技術難點：

（1）光纖作為光學器件，敷設在芯棒光纖槽內使用密封膠進行固化封裝并達到一定硬度后，芯棒需要整體重新進行打磨處理，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雜，區別于現有復合絕緣子芯棒及硅橡膠傘群黏連工藝。

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

由于上述技術難點的存在，現有光纖復合絕緣子設計及制造工藝復雜。通過對現有光纖絕緣子技術方案的分析，并根據全光纖電流互感器光學信號傳輸的實際應用需求，提出一種光纖復合絕緣子光纖內嵌技術，為本領域技術人員開展全光纖電流互感器產品創新提供了一種有效的參考。

3 空心復合絕緣子內嵌光纖技術

3.1 空心復合絕緣子

隨著國家對特高壓電網建設持續投入，目前，我國110kV及以上電壓等級的輸電線路上運行的復合絕緣子已經突破700萬支，極大地促進了復合絕緣子產品的應用及技術提升。

如圖3所示，空心復合絕緣子主要由硅橡膠傘套、空心芯棒和金具法蘭構成，其機械性能主要取決于空心芯棒的強度及空心芯棒和金具法蘭的黏連設計，金具法蘭端面設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，光纖出口處進行倒圓角處理，杜絕光纖磨損風險，金具法蘭端面安裝密封圈后并與傳感環密封腔體共同作用，可防止水汽的侵入。

圖3 光纖復合絕緣子結構示意圖

同時，田正波等基于特高壓復合絕緣子研制工作實踐，提出采取完善的工藝及質量控制措施，可有效確保復合絕緣子長期穩定運行。

3.2 保偏光纖密封、灌封技術

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

目前，在電子工業中，灌封材料的選擇是多種多樣的，其中主流材料包括環氧樹脂、有機硅以及各類聚氨酯等。環氧樹脂的特點是：收縮率小，具有優異的絕緣耐熱性，耐腐蝕性好，機械強度大，但不耐溫度沖擊，固化時會產生內應力，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，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；有機硅材料固化時不吸熱，不放熱，固化后不收縮，具有優異的電氣特性以及化學穩定性。

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用，光學儀器進行密封、灌封工藝后，可以滿足保證環境試驗后的密封性能、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）進行密封，這種膠作為光學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、可緩沖振動降低應力、防紫外輻射等優異特性。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，雙組分硅凝膠經過充分真空脫氣后利用高壓注膠系統注入密封腔體內，并使用堵頭及密封圈將注膠通道封閉，用于保護光纖免受高壓、潮濕、機械和熱沖擊。馮傳均等對灌封中出現的問題進行分析并總結出相應問題的解決辦法。

4 技術應用的前景

通過發展特高壓電網實現清潔能源遠距離傳輸，對我國實現雙碳目標至關重要。全光纖電流互感器廣泛應用于特高壓電網電流采集，光纖復合絕緣子作為全光纖電流互感器重要組成部分，發揮著無法替代的作用。采用空心復合絕緣子內嵌光纖并配套相應的密封、灌封工藝，可有效降低光纖復合絕緣子生產制造難度，為光學器件廠家自主化生產全光纖電流互感器提供有效解決方案。

5 結語

由于芯棒預留螺旋槽內嵌光纖工藝復雜，同時，存在光纖敷設在芯棒光纖槽內使用密封膠進行固化封裝并達到一定硬度后，芯棒需要整體重新進行打磨處理，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，通過空心復合絕緣子結構設計優化以及密封、灌封工藝的運用，實現光纖復合絕緣子結構簡單易實現、光學性能可靠、耐濕熱老化特性優異、經濟性突出等獨特優勢。該方案為復合絕緣子廠家以及光學器件廠家提供了一種新思路和有效參考。