【摘要】 本研究深入分析复合绝缘子GRP杆内孔洞结构，揭示标准染料渗透法检测盲区。提出乙醇饱和染料渗透法改良方案，显著提升相关孔洞检出率。结合高分辨率显微CT技术解析孔隙特征，为预防绝缘子异常发热故障提供有效检测手段。

复合绝缘设备凭借其由多种高性能绝缘材料构成的结构，显著提升了整体性能。相较于传统陶瓷、玻璃，高温硫化硅橡胶具备优异的防污闪能力，而玻璃增强聚合物（GRP）则拥有高强度与低密度的特点。由二者结合而成的复合绝缘子，已在输电线路中广泛应用。作为核心承力部件，GRP杆自复合绝缘子诞生起便是主流选择。然而，生产过程中的质量缺陷，特别是具有一定轴向长度的孔洞，难以完全避免。为防止复合绝缘子断裂事故，国际电工委员会（IEC）对GRP杆提出了严格的抽样测试标准。

目前，评估GRP杆内孔洞的检测方法包括染料渗透试验、透明度试验、超声波试验和X射线透射试验。虽然各有依据，但其有效性评估需基于孔洞结构分析。X射线计算机断层成像（CT）能区分不同物质的X射线吸收率差异，精准分辨孔结构特征，从而有助于分析不同类型孔洞的检测效果，并针对特定孔洞的局限性改进方法，提升整体检测效率。

基于独立环境查核要求，染料渗透测试被指定为抽样方法。然而，本研究通过对华南地区复合绝缘子异常发热故障的分析，揭示了标准染料渗透法在检测特定孔洞类型时的不足。研究选取了华南三家供应商的GRP杆样本，结合异常发热故障案例进行深入调查。来自不同供应商、采用不同工艺制备的样本，均接受了标准染料渗透测试，并利用高分辨率显微CT（microCT）​​ 技术进行了内部孔隙结构研究。

研究将孔洞划分为相关孔洞​（interconnected pores）和独立孔洞​（isolated pores）两类。结果显示，异常发热故障率高的复合绝缘子，其GRP杆内相关孔洞占比较高。这类孔洞因具有缠绕复杂的通道结构，导致标准染料渗透法难以有效检出，成为传统检测的盲区。为克服此局限，研究尝试通过延长测试时间和提高检测环境中的乙醇浓度来改良染料渗透法。实验证明，​乙醇浓度接近饱和状态的染料渗透测试方案，能显著提升对相关孔洞的检出能力。此外，研究还基于孔隙率与染料渗透点数量的关联性，提出了一种推断GRP杆整体孔隙率的实用方法。

尽管复合绝缘子产品能满足IEC标准要求，但异常发热故障及由此引发的类衰变断裂事件仍时有发生。例如，2019年7月中国南方某维修部门更换的部分新复合绝缘子，在运行中即出现严重发热现象。其独特性在于：1）作为新产品，排除了老化的影响；2）发热区域从高压端延伸至绝缘子中部。已有研究指出，发热故障主要由极化损失引起，局部电场强度过高是温升主因。正常情况下，复合绝缘子中部电场强度较低，电场主要集中于高压端。但当杆内存在内部导电通道时，相应区域的电场强度会剧增，导致该截面异常发热。解剖分析表明，发热区界面粘结良好，因此推断连接高压端与中部的内部通道应位于GRP杆内部。

图1染色渗透测试是加热绝缘体的结果

（图1清晰显示，对发热绝缘子进行标准染色渗透测试后，其GRP杆内未见染料渗透迹象，进一步印证了该方法在检测关键孔洞类型上的效能不足。为避免因开孔引发的发热故障，亟需更有效的检测方案。）

 

孔隙结构分析：高分辨率显微CT的关键作用

观察GRP杆的表面微观结构通常依赖扫描电镜或金相显微镜。然而，玻璃纤维的脆性使得内部切片分析极为困难，限制了这些方法对杆内孔洞的研究。

三维成像技术提供了更优解，但要求像素尺寸远小于孔径，且像素提取需有效区分不同物质。鉴于GRP杆所用玻璃纤维直径约为16微米，且纤维与环氧树脂交错分布，检测分辨率需优于10微米（μm）。

  • ​传统工业CT局限性​：基于几何投影原理（如图2a），其分辨率通常在10-100μm范围，难以满足GRP杆的精细检测需求。
  • ​新型显微CT优势​：采用基于几何投影原理的透镜耦合高分辨率探测器（如图2b）。在20倍光学放大下，配合10μm像素的CCD相机，其理论分辨率可达500纳米（nm），空间分辨率可达2μm³，完全胜任GRP杆内部结构的精密成像。

图2 CT 成像示意图: (a)传统工业 CT 成像; (b)新型显微 CT 成像

在成像分析中，玻璃纤维的X射线吸收能力最强，环氧树脂次之，孔洞（空气）的吸收能力最低。MicroCT成像可清晰区分玻璃纤维与环氧树脂的边界，但环氧树脂与孔洞的区分则需依据灰度比设定阈值。本研究采用环氧树脂最大灰度值的2.5%作为孔隙边界阈值。尽管阈值设定可能使边界略欠精确，但为孔隙率研究提供了可靠依据。通过对同一采样位置三个样本的扫描数据进行软件处理，可重建整体结构。将相邻的空气像素集合体定义为一个孔洞并进行提取，其中接触上下端面的孔洞即为需重点关注的贯穿性孔洞。

 

参考文献：1.Zhang, S., et al.: Study on the detection method of holes in composite insulator rods. High Volt. 6(5), 873–880 (2021). https://doi.org/10.1049/hve2.12083.

 

科学指南针已获得检验检测机构资质认定证书（CMA）、实验动物使用许可证、“ISO三体系认证”等专业认证，并荣获国家高新技术企业、国家“互联网+科研服务领军企业等多项荣誉。未来，科学指南针将继续朝着“世界级科研服务机构”的目标，在产品研发和用户服务等方面持续努力，为科学发展和技术创新做出更大贡献。

 

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。