用于早期检查因玻璃纤维杆外露而引起的潜在故障的化学掺杂合成绝缘子

摘要

本发明描述一种具有提供对即将发生的故障的早期预警措施的合成绝缘子，此故障是由应力腐蚀裂纹、爬电或被放电活动状态造成的杆损坏而引起的。一种合成绝缘子包括玻璃纤维杆，它被聚合物外壳所包围，并且杆的每一端配有金属端接件，此绝缘子用一种以染料为基础的化学掺杂剂掺杂。掺杂剂处于包围玻璃纤维杆外表面周围的地方。掺杂剂做成具有与水相关联的迁移和扩散特性，而且在干燥状态下不活泼，同时与绝缘子元件兼容。掺杂剂置于绝缘子里面，使一旦潮气通过绝缘子外表面的渗透通道从外壳渗到杆上时，掺杂剂即被激活并从同一渗透通道渗出。然后被激活的掺杂剂在绝缘子外壳外表面上形成一个淀积物或痕迹。掺杂剂包含一种对一个或多个特定波长的辐射敏感或可用视觉识别的染料。一旦绝缘子外表面成象时，可利用适当的成象仪器或肉眼检测绝缘子外表面上被激活掺杂剂的淀积物。

说明书

发明领域

本发明总的说与输电线的绝缘子有关，更具体地说，是关于化学掺杂的输电和配电元件如合成(非陶瓷)绝缘子，它提供更有效地识别由于玻璃纤维杆暴露在环境中的高故障风险的部件。

发明背景

输电和配电系统包括各种各样的绝缘元件，它们在结构上必须保持一个整体，以便在经常是极端的环境和运行条件下正常运转。举例来说，架空的输电线要求绝缘子将传送电力的电缆与支撑它的钢塔绝缘开来。传统的绝缘子是由陶瓷或玻璃制成，但因为陶瓷绝缘子一般很重且易断裂，人们已经研发了一些新的绝缘材料。在1970年代中期，已研制出一些代替陶瓷的合成  材料用作输电系统的绝缘子。这类合成绝缘子也称为“非陶瓷绝缘子”(NCI)或聚合物绝缘子，通常是采用乙丙橡胶(EPR)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶、或其它类似材料做绝缘子外壳。此绝缘子外壳通常是包绕在一个玻璃纤维(也可以是纤维加强塑料或玻璃加强塑料)芯或杆上，由后者承受机械载荷。玻璃纤维杆一般用树脂包围的玻璃纤维制成。玻璃纤维可由E玻璃或类似的材料制成，树脂可以是环氧树脂、乙烯基酯，聚酯，或类似材料。杆一般与金属端接件或法兰相连接，后者将张力传给电缆和输电线塔。

尽管合成绝缘子与传统陶瓷或玻璃绝缘子相比有某些优点(如重量轻，材料和安装费用较低等)，但它在由与环境和运行条件有关的应力引起的某些故障形式下容易破损。例如，这类绝缘子可能由于过热或使用不当、或由于污染物引起的击穿而使杆产生机械故障。合成绝缘子故障的一个重要原因是潮气渗入聚合物绝缘子外壳并与玻璃纤维杆相接触。一般而言，有三种主要的由于潮气渗入聚合物绝缘子的故障形式。它们是应力腐蚀裂纹(脆性断裂)，爬电(flashunder)，和由于放电造成的杆损坏。

应力腐蚀裂纹(也称脆性断裂)，是与合成绝缘子有关的最普通故障形式之一。“脆性断裂”一词通常用来描述与张力机械负荷有关的电解腐蚀造成的故障的视觉现象。与脆性断裂有关的故障机理通常认为是使金属离子渗透到玻璃纤维的酸或水造成的，这样就产生应力腐蚀裂纹。脆性断裂理论认为水是通过聚合物外壳内的渗漏通道渗透并在杆内积聚起来。酸帮助水使杆内的玻璃纤维腐蚀。这些酸可以是由环氧树脂固化剂的水解作用而留在玻璃纤维内或者是由电晕放电产生的硝酸。图1表示由脆性断裂而在合成绝缘子杆内的故障模式的一个例子。外壳102包围玻璃纤维杆104。断裂108是由于杆同潮气长期接触而引起的应力腐蚀而造成的，潮气使得杆内的纤维106被切开。

爬电是一种电气故障形式，它一般发生在潮气与玻璃纤维杆接触并沿杆或杆和绝缘外壳间的交界面向上爬的时候。当潮气和因潮气引起放电的任何副产物沿绝缘子伸展一个临界距离时，绝缘子不再能承受所加的电压，这就造成了爬电的条件。这种现象往往出现绝缘子杆的裂开或裂口。当它发生时，绝缘子不再能让电导体与输电线结构电绝缘。

杆因放电而损坏是一种机械故障形式。在这种故障形式中，潮气和其它污染物渗入防风雨裙部系统并与杆相接触而产生内部放电。这些内部放电可能损坏杆的纤维和树脂基体，直至此部件无法承受外加负载，此时杆一般会分离。这种损坏是由与放电有关的热、化学和运动力造成的。

由于这三种主要的故障形式可能意味机械和电气整体性丧失，当它们出现在输电线绝缘子内时可能相当严重。合成绝缘子的强度和整体性在很大程度上取决于杆的内在电气和机械强度、端接件和密封件的结构和材料、橡胶防风雨裙部系统的结构和材料、杆的连接方法，及其它的一些因素(包括环境和场地配置条件)。如上所述，许多合成绝缘子故障与水浸入构成绝缘子杆的玻璃纤维材料有关。因为所有三种故障形式(脆性断裂，爬电，和杆因放电而损坏)都产生在绝缘子杆内，它们都被外壳挡住了，通过偶然的检查不容易看见或察觉。例如，因为通过简单视觉检查来检测绝缘子由于潮气渗入而引起的故障需要仔细观察，因而可能非常费时间和金钱，而且通常不能断定行还是不行。另外，在某些场合下，通过视觉检查方法发现杆的故障简直就不可能。其它的检查方法，如日间电晕和红外技术可以用来识别与放电(它可能由一种故障形式造成)有关的状况。这类检测可以在离绝缘子一段距离处进行，但只限于少量故障形式下的检查，这时在检查时必须有放电现象存在。此外，这类检查要求操作员有较高的技术和分析能力。

因此希望提供一些对带防护外壳的合成绝缘子或其它任何类型的合成  系统的改进检查方法，以便检测同潮气通过绝缘子内部到外表面的迁移路径浸入内部结构有关的故障形式。

另外，还希望所提供的合成绝缘子能给出由应力腐蚀、爬电或放电引起的杆损坏造成的即将发生的故障的早期预警，而且可以从远处检查，同时不需要有故障征兆的真实表现。

还希望通过仪器扫描和图象处理提供现场的合成绝缘子的自动化检查。

发明内容

本发明描述一种合成绝缘子或其它的聚合物容器，包括提供由于杆暴露于环境中造成的即将发生的故障的早期预警。通过用聚合物外壳包围玻璃纤维杆和在杆的任一端配以金属端接件而构成的合成绝缘子用一种以染料为基础的化学掺杂剂掺杂。此掺杂剂置于玻璃纤维杆外表面附近(例如在杆和外壳之间的涂层内)或整个杆基体内(如玻璃纤维杆的树脂元件内)。掺杂剂的成份应具有和水相关的迁移和扩散特性，而且在干燥条件下是惰性的与绝缘子元件兼容。掺杂剂在绝缘子内的位置应使潮气通过绝缘子外表面内渗漏通道从外壳渗入杆内时，掺杂剂变成被激活的并从同一渗漏通道渗出。这样被激活的掺杂剂就在绝缘子外壳的外表面上产生一个淀积物。掺杂剂包含一种染料或涂料化合物，它可以用视觉识别或者对一种或数种特定波长的辐射是敏感的。用适当的成象仪器使绝缘子外表面成象或通过肉眼就可以检测被激活掺杂剂在绝缘子外表面上的淀积物。

本发明的其它目标、特性、和优点不难从下面的附图和详细说明中了解。

附图说明

本发明将通过各附图(但并不限于)以举例方式加以说明，各图中相似的标号表示类似的元件，其中：

图1表示在合成绝缘子杆中由脆性断裂引起的一种故障型式的例子；

图2A表示一种悬吊式合成绝缘子，它可以包含本发明的一种或多种实施方案；

图2B表示一种柱型合成绝缘子，它可以包含本发明的一种或多种

实施方案；

图3是根据本发明的一个实施例的用来表示潮气渗入绝缘子外壳的化学掺杂合成绝缘子结构。

图4是根据本发明的第一种替换实施例的用来表示潮气渗入绝缘子外壳的化学掺杂合成绝缘子结构；

图5是根据本发明的第二种替换实施例的用来表示潮气渗入绝缘子外壳的化学掺杂合成绝缘子结构；

图6A表示按本发明一种实施例在潮气已渗入合成绝缘子杆内时掺杂剂的激活情况；

图6B表示图6A的被激活掺杂剂的迁移；

图7表示按本发明一种实施例的具有被激活掺杂剂的合成绝缘子，和检测被激活掺杂剂以确认潮气渗入绝缘子杆的装置。

优选实施例的详细说明

本发明描述一种包含化学掺杂剂的合成绝缘子或容器，它能提供由于玻璃纤维杆暴露在环境中而引起的即将发生的故障的早期预警。在以下的说明中，为便于解释，给出了大量的具体细节，以提供对本发明的全面了解。但是，对于本专业技术人员来说很显然，本发明不按这些具体细节也能实现。在另一些情况下，我们用框图形成展示一些大家都知道的结构和装置以便于说明。对优选实施例的说明无意限制后面权利要求书中的范围。

在1950年代末研发了一些重量轻的合成绝缘子来代替陶瓷绝缘子用于1000仟伏的输电线。这类绝缘子较之传统陶瓷绝缘子具有重量大大降低、不易破裂、安装成本低和各种其它的优点。典型的合成绝缘子由玻璃纤维杆构成，带两个金属端接件，一个聚合物或橡胶鞘或外壳包围此杆。一般鞘有一些模压的绝缘子裙部，后者将水从绝缘子表面驱散，并可用三元乙丙橡胶(EPDM)为基础的橡胶或其它类似材料制造。

图2A表示一种悬吊式合成绝缘子，它可包含本发明的一种或几种实施例。悬吊绝缘子一般配置成以I形索，V形索，或末端等应用中承受张力负荷。在图2A中，输电线206被悬吊在钢塔201和203之间。合成绝缘子202和204在导线206伸展在两塔之间时为它提供支撑。在绝缘子202和204内的玻璃纤维杆的整体性是很关键的，任何故障将导致在导线206与任一塔201或203之间电短路，或让导线206落到地面上。

本发明各实施例也可用于其它类型的输电和配电线及变电所绝缘子。此外，其它类型的输电配电元件也可用来实施本发明的各实施例。这包括绝缘衬套、接线端子、电涌放电器、以及其它任何形式的合成物品，它们提供绝缘功能并包含一个带合成或纤维玻璃内部元件的外表面，后者用来防护环境的侵害。

图2B表示一个柱型合成绝缘子，它可包含一个或多个本发明的实施例。柱型绝缘子典型地承受张力、弯曲、或压缩负荷。在图2B中，导线216伸展在两塔之间，后者被柱型绝缘子212和214支在其顶端。这些绝缘子还包括一个玻璃纤维芯子，后者被聚合物或橡胶外壳和金属端接头包围着。除了悬吊和柱型绝缘子外，本发明的各方面还可用于其它在聚合物或橡胶外壳内包含气密芯子的任何形式的绝缘子，例如，相与相之间的绝缘子，和所有输电配电线和变电所线绝缘子，以及电缆端子和设备衬套。

图2A所示的合成绝缘子202典型地由包在橡胶或聚合物外壳内的玻璃纤维杆构成，杆的两端固定着金属端接件。橡胶密封件用来在端接件和绝缘子外壳之间造成密封界面，以将杆与环境气密地隔绝开来。密封根据绝缘子的结构可采用多种形式。某些结构包含O型圈或压缩密封垫，而其它的一些结构是将橡胶外壳直接粘在金属端接件上。由于输电线绝缘子用在室外，它们要经受各种环境条件，如暴露在雨中和各种污染中。这些条件可能降低和损害绝缘子的整体性，从而导致各种机械故障及可能的掉线和电短路。

倘若潮气能与绝缘子内的玻璃纤维杆接触，则可能引发各种各样的故障  形式。一种较普遍的故障形式是脆性断裂型故障，此时杆的玻璃纤维由于应力腐蚀裂纹而破裂。其它由潮气浸入玻璃纤维杆而引起的故障类型为爬电，和由放电造成的杆破坏。很大百分比(如果不是大多数)的绝缘子故障是由潮气渗透而不是机械故障或电力过载造成的。因此，及早检测潮气侵入杆内对在现场出现故障之前采取正确的措施是很有价值的。

尽管绝缘子是设计和制造成气密性的，潮气仍能以多种不同方式渗入绝缘子外壳并与玻璃纤维杆相接触。例如，潮气渗入可以通过裂纹、气孔或绝缘子外壳本身中的间隙、端接件内的缺陷，或者通过外壳和端接件之间的不良密封形成的间隙。这些状态的出现可能是由于制造缺陷，或者随时间变劣，或者是线路操作人员操作不当，以及/或者恶劣的环境条件。

当前的检查方法通常是试图检测潮气的存在，和由于脆性断裂在杆中造成裂纹、可能毁坏杆的放电或者由于碳化造成的电场变化而引起故障的开始。但是，这些方法一般要求在检查时有潮气存在，或者由于放电引起的损坏对于特定的检查方法(如视觉检查，X-射线，等等)容易看出。

掺杂剂结构

在本发明的一个实施例中，化学掺杂剂是置于绝缘子杆表面之内或之上或树酯纤维基体内。当潮气渗透绝缘子外壳并与杆接触时，掺杂剂被激活。在本文中，“被激活”一词是指掺杂剂因存在潮气而水解，这样掺杂剂就可以迁移到绝缘子表面上。被激活的掺杂剂的成份应具有与水相似的扩散特性，因此一旦被激活，它就可以通过外壳中的渗漏通道(如裂纹或间隙)迁移，故潮气可以渗透到杆内。一旦掺杂剂来到绝缘子外壳的外表面，就可以通过一些对所用掺杂剂类型敏感的检测方法发现掺杂剂的存在。例如，利用紫外(UV)灯可从视觉上发现荧光染料掺杂剂。在绝缘子外部检测到掺杂剂，表明以前存在潮气与杆芯的接触，即使在检查时在绝缘子上或里面可能不存在潮气，或者不容易看到裂纹或间隙。

本发明的几方面利用了下述事实：在合成绝缘子的故障中，水迁移透过橡胶外壳并通过化学腐蚀侵蚀玻璃纤维。水对于外壳和包围玻璃纤维的树脂基本上不起作用。水通常是通过外壳和/或杆树脂内的裂纹及外壳和端接件间的不良密封而渗透到纤维上。若在水的通道内掺杂剂中有可溶于水的染料，则染料将要水解并溶于水中。由于通道或裂纹很可能含有残留的水分子，染料将迁移回到绝缘子外壳的外表面上。这种染料迁移是由浓度梯度引起的。由于化学平衡是最低能量态，故不论何处有水存在，染料都将试图变成均匀浓度，因而将从染料的高内部浓度区移至零或较低的外部浓度区。此外，许多染料在溶于水时具有高的渗透压力，所以渗透有助于向壳外部的迁移。

图3是按本发明一个实施例中一种化学掺杂合成绝缘子结构，用来提供绝缘子外壳潮气渗透的指示。此合成绝缘子300可以包括玻璃纤维杆301，后者被橡胶或聚合物外壳306包围。端接件302固定在杆301的两端，它们用橡胶密封环304相对于绝缘子外壳306密封。对于图3的实施例，至少沿玻璃纤维杆301的一部分表面施加有化学掺杂剂308。掺杂剂308可以在将杆插入绝缘子外壳内之前施加到杆301的外表面或绝缘子外壳306的内表面上，或者两个表面都加上，或者将绝缘子外壳绕杆卷绕起来。也可以在将端接件固定在杆的一端或两端之前把掺杂剂注在绝缘子外壳和杆之间。掺杂剂/染料层308可以是一个独立的染料层、一个包含染料的涂覆/粘结层，或是用染料浸渍过的橡胶或环氧树脂表面层。中间粘结层可使橡胶外壳和合成杆之间的固定更牢固，这样可减少潮气的渗透。此层也可以用纳米粘土来实施，这样可以通过增加扩散通道的长度有助于减少潮气的渗入。

可以按与图3所示不同的其它各种结构将掺杂剂308绕杆表面放置或置于玻璃纤维杆的结构内。图4表示按本发明的另一个实施例的提供绝缘子外壳潮气渗透指示的化学掺杂合成绝缘子结构。此合成绝缘子400包括一个玻璃纤维杆401，它被橡胶或聚合物外壳406包围着。端接件402固定在杆401的两端，它们用橡胶密封圈404与绝缘子外壳406密封。对于图4所示实施例，是沿端接件402的下面和密封圈404下表面的一部分施加化学掺杂剂408。图4的实施例可以扩展到沿杆401的整个表面都有掺杂剂，如图3所示。如图所示的掺杂剂安置有利于在密封圈404出毛病或端接件402和绝缘子外壳406之间密封不良的情况下掺杂剂的激活和迁移。

图3和4的实施例表示掺杂剂被施加在玻璃纤维杆301或401的表面附近的绝缘子。在另一个实施例中，掺杂剂可以分布在玻璃纤维杆整个内部。在这个实施例中，掺杂步骤可以与玻璃纤维杆的制造合在一起。玻璃纤维杆一般由用树脂固定在一起的玻璃纤维(如E-玻璃，以形成玻璃-树脂基体)构成。在这个实施例中，可以在制造玻璃纤维杆之前将掺杂剂加到树脂化合物内。掺杂剂可以在杆的整个截面内均匀分布。在这种情况下，随着杆的暴露和损坏不断增加，释放的掺杂剂量也将增加。这样在一次检查中观察到的被激活掺杂剂量就可以提供杆内损坏程度的指示，从而增加识别有缺陷的绝缘子的几率。

在本发明另一个实施例中，掺杂剂可以分布在组成绝缘子外壳的橡胶或聚合物材料上。在此实施例中，最好把掺杂剂置于靠近杆的绝缘子外壳的一个深层内，因此它在潮气渗入靠近绝缘子杆而不是更靠近外壳表面时就被激活。同样，掺杂剂可以分布在玻璃纤维杆本身的上层，而不是象图3所示那样沿着杆的表面分布。对于这个实施例，当潮气渗透到绝缘子外壳及有掺杂剂存在的杆层时掺杂剂就被激活。根据特定的制造限制和要求，掺杂剂可包括液体、粉末、微胶囊、或相似类型的化合物。

掺杂剂可做成液体或半液体(胶状)成份，以便涂覆在杆、绝缘子外壳、或端接件的一个表面上，或者在绝缘子内部流动；或者对于掺杂剂分布在整个杆上的实施例是与玻璃纤维基体混合。另外，掺杂剂可做成粉末状物质(干的)或类似的结构，以便置于绝缘子或杆里面。根据杆的结构和与绝缘子相关的制造技术，还可以把掺杂剂做成颗粒状化合物。

在合成绝缘子中加入(例如在制造过程中)掺杂剂的机理可能包括静电吸引即范德瓦尔力，它将固态颗粒吸到杆、端接件的表面、和/或外壳的内表面。掺杂剂也可能被共价地结合到树脂或橡胶表面，且这种结合随着与潮气相接触而减弱或破坏。掺杂剂也可以结合在杆的粘接层，附加的环氧树脂涂层，或类似的物质中，或者在橡胶外壳的硫化或固化过程中混合在接触玻璃纤维杆的橡胶层内。

图5表示按本发明另一个实施例的用来提供绝缘子外壳潮气渗透指示的化学掺杂合成绝缘子结构。此合成绝缘子500包括一个被橡胶或聚合物外壳包围且带端接件的玻璃纤维杆501。对于图5所示的实施例，化学掺杂剂508以微胶囊染料或盐状染料形式分布在整个杆中。此种盐状掺杂剂被存在于绝缘子杆501中的酸或水所激活。作为一种盐状或微胶囊染料，这种掺杂剂不大可能在绝缘子中迁移。一旦暴露于酸或水中，这种掺杂剂能以离子形式通过杆自由得多地迁移，并跑出绝缘子外壳内的任何渗透路径。当用在杆的表面或外壳内部时(如图3和4的实施例中)，这种微胶囊染料还可用来封装掺杂剂。

对于微胶囊的实施例，染料可以用水溶性聚合物涂覆，以防止染料污染制造工厂，并尽可能降低制造过程中染料在绝缘子外壳外部表面上的污染。这种聚合物涂层还可以帮助防止在制造过程中染料由于暴露于周围潮气而水解或激活。

至于微胶囊，另一个实施例中将染料封装在一个小囊内，此囊本身能迁移出渗透路径。在这种情况下，染料溶液装在一个清洁的(对观察媒质透明的)微囊涂层内。一旦潮气侵入，含染料的小囊就迁移出外壳的表面并被外壳的表面网纹结果收集。这样染料将可在穿过涂层的适当波长上被检测出。在此实施例中，染料溶液可以收集在一个环状糊精分子内。一般来说，环状糊精是轻度可溶于水的(例如1.8gm/100ml)，所以暴露于很重的潮气可能使涂层溶化。这种微胶囊的另一种形式是利用巴克球分子。对于这个实施例球壳状碳分子(巴克球)的内部可包含另一个小分子，因而起微胶囊的作用。微胶囊的尺寸应选得能通过渗透通道迁移。

应该指出，上面参照图3至5描述的各实施例表示掺杂剂相对于绝缘子杆，外壳，端接件，和密封件的各种安置例，但也可以采用这些实施例的其它变型和组合。

掺杂剂组成

对于上述每个实施例，该掺杂剂是一种化学物质，它与水起作用或被渗透到绝缘子外壳的水迁移并与绝缘子杆外表面上或附近的掺杂剂相接触。我们假定水是通过外壳或密封件中或在端接件、密封件和外壳之间任何界面内的裂纹、间隙或其它空隙而渗透到绝缘子外壳或橡胶密封处。该掺杂剂包括能从允许水渗透到杆内的渗透通道渗漏出来的物质，并沿绝缘子外壳的外表面迁移。本发明各实施例利用了以下事实：若水迁移到绝缘子的内部，则类似尺寸和极性的化合物也应当能迁移出去。掺杂剂由环境中不容易发现的元素构成，故浓度梯度将有利于掺杂剂通过双向扩散或渗透路径向外运动。

在本发明一个实施例中，掺杂剂(如掺杂剂308)是一种可溶于水的激光染料。这类掺杂剂的一个例子是罗丹明(Rhodamine)590氯化物(也叫Rhodamine 6G)。这种化合物在479nm时吸收最大，且对于激光染料是用于5×10^-5摩尔浓度下。这种染料也可以由过氯酸盐(ClO₄)和四氟化硼(BF₄)获得。另一种合适的化合物是二钠荧光素(也叫荧光素钠)。它在41 2nm下吸收最大，在4×10^-3摩尔浓度和荧光范围536-568内用作激光染料。也可采用地下水示踪染料作掺杂剂。地下水的荧光特性和激光染料相似，但用肉眼也能看见。

在本发明另一个实施例中，掺杂剂可以是一种红外吸收染料。这类染料的一个例子是花青染料，如Heptamethinecyanine，Phthalocyanine和Naphthalocyanine染料。其它的例子包括苯醌染料和金属铬合染料等。其中某些染料有时被称为“不溶于水”的染料，因为它们的溶解度小于水的2000分之一。一般而言，百万分之几数量级的水溶液就足以提供一个可检测出的电磁变化。也可以采用更高水溶解度的染料。

总的说来，用于本发明的掺杂剂特性包括：掺杂剂不从尚未渗透或损坏的绝缘子中迁移，以及掺杂剂在一个很长的时段(例如，数十年)和多种环境压力(如温度循环、电晕放电、风力载荷，等等)下保持稳定并在绝缘子内化学上不活泼。其它希望的掺杂剂特性是很强的检测器响应，和水相关的迁移/扩散特性，一旦被激活后在环境中长时间(如至少一年)的稳定性，以便能在潮气侵入绝缘子很久之后进行检测。

在一个实施例中，可通过加入永久性染色剂(如亚甲蓝)来增强掺杂剂。这将给绝缘子表面上的掺杂剂提供一种持久的痕迹，即使掺杂剂本身并不继续存在于绝缘子的外面。这种染料可以以微胶囊形式提供，它在与潮气接触时可有效地溶解。这种微胶囊有助于增加染料的寿命并最大限度地减小对绝缘子性能的任何可能的影响。还有一些在技术上不叫染料的材料也适合用作掺杂剂。例如，聚苯乙烯可以用作掺杂剂。聚苯乙烯的最大吸收激励在260nm左右，而其峰值荧光度在约330nm。在此实施例中，聚苯乙烯可以封装在微球内，后者经过涂覆粘结在绝缘子的外表面上。当迁移到绝缘子外部后，可以采用水银灯作为激发源以激发聚苯乙烯球并通过适当的检测器(如日间电晕(如DayCor^TM)照相机)进行检测，这种检测器可检测240-280nm范围的辐射，此范围在UV太阳盲带之内(电晕放电一般发射230至450nm的辐射)。

聚苯乙烯球可以采用表面能量低于已收风雨侵蚀的橡胶但高于新橡胶的材料制造或涂覆。这样这些球就不会弄湿在绝缘子内表面上的橡胶，但会打湿并粘到已老化的外表面。从打毛的老化橡胶表面进行物理收集有助于不让微球从外壳冲洗掉。另外，也可以采用“太阳胶”(即，它在绝缘子内部是不活泼的，但在暴露于阳光时变成活泼的)帮助把微球粘到绝缘子表面上。

掺杂剂也可以包含不溶于水的染料，对于它最强的信号是不含水溶液。这类化合物的例子是聚α烯族烃(PAO)，它一般用作冷却电路的不导电流体。PAO是一种液体，可用作亲脂染料的溶剂。在这个实施例中，染料可溶解于PAO内并在杆和外壳之间增加一个液体层。一旦通过渗透路径暴露于潮气，PAO染料溶液将优先弄湿外壳中的已暴露橡胶，然后通过毛细作用迁移到外壳外部。作为一种相关的替代方式，可以把一种有机溶剂或PAO微囊封装到一个溶于水的涂层内。水溶剂微囊可以与不溶于水的染料作干式混合，然后把混合后的粉末放到绝缘子内。一旦接触渗透进来的潮气，此溶剂囊将溶解，然后使释放出的有机溶剂将染料溶解。这种有机溶剂染料溶液将打湿橡胶并迁移出绝缘子外壳。

图6A和6B表示按本发明一个实施例在有潮气渗透到合成绝缘子杆时的水解(激活)和迁移情况。在图6A中，来自雨水620的潮气已渗透到合成绝缘子外壳607内的裂纹606中。该裂纹606代表一个渗透通道，它允许潮气经过绝缘子外壳渗透到杆内。另一条渗透通道608可能是由于密封609失效而造成的。掺杂剂604置于外壳607的内表面和杆602的外表面之间，如图3所示。一旦与潮气接触，掺杂剂604的一部分610和612就被激活。在绝缘子内和绝缘子外环境中的掺杂剂浓度的差别使得已被激活的掺杂剂迁移出渗透通道606和608。图6B表示被激活的掺杂剂从绝缘子内迁移到绝缘子外壳表面的情形。如图6B所示，一旦被激活，则已被激活的掺杂剂从渗漏通道渗出并流动到外壳表面上形成淀积物614或616。若采用渗透染料或染色剂，则渗出的染料614可以通过外壳聚合物网状结构的渗透而混合在外壳内，而不象图6B那样形成一个严格的表面淀积物。根据所用掺杂剂染料或染色剂的不同，可以利用适当的成象或观察装置来发现它的存在。

图7表示按本发明一个实施例在潮气已渗透到合成绝缘子杆时的激活、迁移和检测情况。如图6B所示，当绝缘子外壳有裂纹或密封失效时，杆将外露且掺杂剂迁移到绝缘子外表面。图7表示水渗透到绝缘子外壳的两个例子。裂纹706是在绝缘子外壳本身内的一个空隙，如图6A和6B中所示。所造成的水渗透引起掺杂剂704的激活710。然后已被激活的掺杂剂通过裂纹706回流出去，在绝缘子外壳表面上形成一个掺杂剂淀积物714。另一种类型的渗透通道可以通过密封件709和外壳707和/或端接件711之间的间隙产生。这在图7中以间隙708表示。当潮气渗透通过此间隙时，该掺杂剂704被激活。此被激活的掺杂剂712流出间隙708而形成淀积物716。根据掺杂剂的组成，可利用适当的检测方法检测它在绝缘子表面上的存在。例如，光源720代表一个激光或紫外光发射器，它可以暴露含染料(如激光诱发荧光染料)的掺杂剂淀积物614和616的存在，因为这些染料对于适当波长光的发射是敏感的。类似地，光源718可以是一个可见光、红外光、或超光谱照相机。可以采用陷波滤波器通过其在特定波长下的反射，吸收，或荧光来检测任何掺杂剂淀积物的存在。这些检查装置可让操作人员从远处对绝缘子进行检查(若染料是肉眼看得见的，则利用肉眼也可以识别出有缺陷的部件)。这样它们也可用于自动化检查程序中。在绝缘子外表面上检测到掺杂剂提供了可靠的证据，表明绝缘子杆已暴露在潮气下，这或者是由于密封不良或绝缘子外壳中有裂纹，或者是在绝缘子或端接件中有任何其它可能的空隙。虽然可能还不存在真正的故障形式(如杆的脆性断裂)，但杆已暴露在潮气下表明此类故障形式最终可能出现。这种情况下，可根据需要对绝缘子进行维修或更换。因而已掺杂的合成绝缘子提供了一种自检的机理，并提供一种故障处理的早期高风险预警。根据所用染料和光源的不同，检测器可以是一个分立的部件(未示出)、与光源718或720集成一体的部件，或者是一个人工操作员(在染料可以看见的情况下)。

根据染料成份和检测方法，可能只需要很少量的染料就能产生可检测到的信号。例如，利用UV、IR、激光、或其它类似的检测手段，在绝缘子表面上有百万分之一(1ppm)的染料对于某些染料和掺杂剂组合可能就足以产生信号。在绝缘子内掺杂剂的分布和密封情况也与所用掺杂剂的类型有关。例如，一段1千克的玻璃纤维杆可能包含(或涂覆上)10克左右的染料。

前面讨论过的各实施例所述的掺杂剂包含一种染料，它在被渗透潮气水解时从外壳中迁移出来。换一种方式，掺杂剂可以包含一种激活物质，它与存在于外壳表面上的一种物质一起工作。一旦掺杂剂迁移到表面上，就引起化学反应而“产生”一种染料，该染料可以看得见，或者在外壳表面上检测到。在一个相关实施例中，外壳可能包含一种有助于掺杂剂或染料沿外壳外表面扩散的吸附剂(wickingagent)，从而增加染色的面积。这种吸附剂应该是疏水的，以保持外壳的防水功能，因此在这个实施例中应采用亲脂染料。

在本发明的一个实施例中提供了一个自动检查系统。在此实施例中，利用适当的成象装置(如数字静态相机或摄象机)周期性地扫描非合成绝缘子。将图象收集后进行实时分析以检测渗透到绝缘子表面上的染料。用数据库贮存一些相应于带各种数量掺杂剂的绝缘子的图象。将记录下来的图象与具有对比度，颜色或其它参考指标的贮存图象进行比较。如果被记录的图象与一种不存在掺杂剂的图象相合，则检测回复一个“好”的读数。若被记录的图象与一种存在一些掺杂剂的图象相合，则检测回复一个“差”的读数，并且或者设置一个标志，或者给操作人员发出一个信息，或者进一步对图象进行处理以确定存在的掺杂剂的浓度或假阳性显示。进一步处理可包括将记录下来的图象滤波，以确定任何表面对比度是否是由于环境、光照、阴影、材料的差别、或其它与实际存在的渗漏染料无关的原因造成的。

本发明的各方面也可用于任何其它带外防护罩的合成系统或聚合物物品，其中系统的故障可能是由于水渗透到外壳内而引发的。合成压力容器是这类东西的一个代表。例如，用在车辆内或用来贮存的压缩天然气(CNG)罐经常用玻璃纤维制成，且可能由于上述应力腐蚀裂纹或有关的缺陷而产生故障。这类罐子通常都用防水衬套或不透水的保护套覆盖以防潮气渗透。用在这些罐或容器内的合成衬套往往没有足够好的外部阻挡层抵御潮气侵入，也不足以防止水的渗透。构成罐子的玻璃纤维材料可以如图3、4或5所示以及按上面有关非陶瓷绝缘子说明的那样嵌入染料或用染料化学掺杂。罐子材料暴露于渗透防水衬套或密封的潮气时将引起染料迁移到罐的表面，通过视觉或自动检测手段可以在那儿发现它。

在某些应用中，暴露在酸中而不是水潮气中也可能导致故障。根据实际装置的情况，可把掺杂剂做成只与酸的释放物(例如PH值为5或更小)而不与水起作用。微封装技术或药用倒肠涂层(如不溶于PH大于6左右的那些东西)可用来激活存在于酸中的染料。另外，也可以采用对PH敏感的染料，它在中性PH下是透明的，但在某种酸度下有颜色。

上面描述了一种合成绝缘子，它包括提供由于杆暴露在环境中而造成故障状态的早期预警措施。虽然本发明是参照一些特定实施例加以说明的，但显然对这些实施例可以作各种修改和更动而不背离下面权利要求书界定的本发明的广泛思路和范围。因而，说明书和附图只是说明性的而不是一种限制。

权利要求书

(按照条约第19条的修改)

1.  一种支撑输电电缆的合成绝缘子，包括：

杆，它有外表面以及第一端和第二端；

外壳，它有内表面和外表面并包围着所述杆，其中外壳内表面与杆外表面的至少一部分相邻；

化学掺杂剂置于杆的外表面和外壳内表面附近，此掺杂剂包含染料并配制成具有与水相当的扩散特性，并且设置成当掺杂剂暴露于潮气时通过外壳内的渗透通道迁移到外壳的外表面，沿外表面的一可见部分分散开，并在该外表面的可见部分上留下半永久性并可察觉的痕迹，以指示在外壳中该渗透通道的存在。

2.如权利要求1的合成绝缘子，其中所述外壳是用硅基橡胶制成，所述杆包括由树脂粘在一起的玻璃纤维形成的基体。

3.如权利要求1的合成绝缘子，其中外壳用三元乙丙橡胶为基础的橡胶制成。

4.所述合成绝缘子还包括：

第一端接件，它与杆的第一端相连，并通过第一密封件与外壳的第一端相连接；

第二端接件，它与杆的第二端相连，并通过第二密封件与外壳的第二端相连接。

5.如权利要求4的合成绝缘子，其中所述杆是玻璃纤维杆。

6.如权利要求4的合成绝缘子，其中化学掺杂剂沿杆的外表面放置。

7.如权利要求4的合成绝缘子，还包括：

第一橡胶密封，它置于外壳第一端和第一端接件之间；和

第二橡胶密封，它置于外壳第二端和第二端接件之间。

8.如权利要求7的合成绝缘子，其中化学掺杂剂置于杆的外表面和第一端接件及第二端接件之间。

9.如权利要求2的合成绝缘子，其中化学掺杂剂置于构成杆的整个玻璃纤维基体内。

10.如权利要求4的合成绝缘子，其中化学掺杂剂包含处在整个杆内的盐形式的化合物。

11.如权利要求4的合成绝缘子，其中化学掺杂剂处在构成外壳的整个材料内。

12.如权利要求4的合成绝缘子，其中染料从主要由以下物质的组中选择：溶于水的激光染料、荧光染料、染色剂、紫外染料、红外吸收染料或阳光诱发荧光染料，由于染料的存在，可在离绝缘子一预定距离处在外表面上察觉到掺杂剂。

13.如权利要求4的合成绝缘子，其中化学掺杂剂可以从选自下述组的方法检测：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检测方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法或超光谱检测方法。

14.一种将输电线与支撑塔绝缘的绝缘子，它包括：

具有第一和第二端的玻璃纤维杆；

橡胶基外壳，它卷绕在杆的外表面上；

含水溶性染料的化学掺杂剂置于外壳和杆之间，掺杂剂做成可从允许潮气渗透到外壳并接触杆的渗透通道渗出，并沿外壳外表面的一部分按由于渗透通道存在潮气产生的浓度梯度而造成的迁移模式移动。

15.如权利要求14的绝缘子，还包括：

第一端接件，它用第一密封件与杆的第一端连接；和

第二端接件，它用第二密封件与杆的第二端连接。

16.如权利要求14的绝缘子，其中渗透通道包括外壳内的裂纹。

17.如权利要求14的绝缘子，其中渗透通道包括第一或第二端接件和外壳的密封连接之间的间隙。

18.如权利要求14的绝缘子，其中掺杂剂做成在不存在潮气时以不活泼状态储存，一旦与潮气接触则转变为水解状态，此水解状态可让水溶性染料迁移到外壳的外表面，且其中掺杂剂保持类似于水解时水的扩散特性。

19.如权利要求18的绝缘子，其中掺杂剂以液体状态、颗粒状态或粉末状态中的一种处于绝缘子内。

20.如权利要求18的绝缘子，其中掺杂剂做成微胶囊形式并分布在整个杆内。

21.如权利要求18的绝缘子，其中当掺杂剂被激活并从渗透通道渗出时该可水溶染料对一预定波长的辐射敏感。

22.一种提供由于绝缘子内的杆暴露于潮气而引起绝缘子可能故障的早期检测方法，它包括以下步骤：

将外壳绕杆固定；

将含水溶性染料的掺杂剂加到杆外表面和外壳内表面附近，此掺杂剂做成可从允许潮气渗透到外壳并与杆接触的渗透通道渗出，沿外表面的一可见部分分散开，并在外表面该可见部分留下半永久性的可察觉痕迹，以表明在外壳内存在渗透通道，在掺杂剂内的染料可在离绝缘子一预定距离处在所述外表面上察觉到。

23.如权利要求22的方法，还包括以下步骤：

将端接件固定在杆的每一端；

将掺杂剂加进杆的外表面和至少一个端接件的内表面附近。

24.如权利要求22的方法，其中染料做成能反射按某预定波长传播的辐射。

25.如权利要求22的方法，其中染料做成能吸收按某预定波长传播的辐射。

26.如权利要求24的方法，其中掺杂剂可用选自下述组的方法检测出来：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检查方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法、或超光谱检测方法。

27.如权利要求25的方法，其中掺杂剂可用选自下述组的方法检测出来：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检查方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法、或超光谱检测方法。

28.如权利要求22的方法，其中掺杂剂包括液体化合物，且该方法还包括在外壳固定到杆上的步骤之前用掺杂剂涂覆杆的外表面的步骤。

29.如权利要求22的方法，其中该方法还包括在外壳固定到杆上的步骤之前将掺杂剂散布到整个杆的步骤，而且此掺杂剂包含颗粒形式、粉末形式或微胶囊形式的化合物。

30.一种玻璃纤维容器，包括：

玻璃纤维芯，它有外表面和内表面；

外防护壳体绕玻璃纤维芯外表面放置，并将该容器的外表面密封以防止潮气渗透；

含水溶性染料的化学掺杂剂，此掺杂剂置于芯子外表面和外壳内表面附近，且做成在它暴露于潮气时能通过外壳内的渗透通道渗透到外壳的外表面上，沿着外表面的一可见部分分散开，并在外表面该可见部分上留下半永久性的可察觉痕迹，以指明外壳内存在渗透通道。

31.如权利要求30的玻璃纤维容器，其中外壳用硅基橡胶制造，且芯子包含用树脂粘在一起的玻璃纤维形成的基体。

32.如权利要求31的玻璃纤维容器，其中化学掺杂剂一旦暴露于潮气就能吸收按预定波长传播的辐射。

33.如权利要求32的玻璃纤维容器，其中化学掺杂剂沿芯子外表面放置。

34.如权利要求32的玻璃纤维容器，其中化学掺杂剂放置在包含芯子的整个玻璃纤维基体内。

35.如权利要求32的玻璃纤维容器，其中化学掺杂剂从主要由以下物质构成的组中选择：溶于水的激光染料、荧光染料、染色剂、紫外染料、红外吸收染料、或阳光诱发荧光染料。

36.如权利要求32的玻璃纤维容器，其中化学掺杂剂由选自下述组的方法检测：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检测方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法、或超光谱检测方法。

37.一种用来贮存高压气体的玻璃纤维合成压力容器，包括：

内衬套，用作所装气体的渗透阻挡层；

埋在树脂基体内的玻璃纤维衬套包层，用来提供足够的强度以承受所贮存的压力；

外部树脂，用作液体从外部工作环境渗透的阻挡层；

第一端接件，它与内衬套的第一端相连接，并用作能让容器充满或放空气体的阀；

第二端接件，与内衬套的第二端相连接；以及

以染料为基础的化学掺杂剂，它置于玻璃纤维合成包层附近，且掺杂剂一旦暴露于潮气或酸性流体则通过渗透通道迁移到容器的外表面，且沿外表面的一可见部分分散开，并在外表面该可见部分留下半永久性和可察觉的痕迹，以表明在外壳内存在渗透通道。

38.如权利要求37的合成压力容器，其中化学掺杂剂置于构成衬套包层的整个玻璃纤维基体中。

39.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂沿衬套包层的玻璃纤维表面放置。

40.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂沿衬套包层的玻璃纤维和树脂基体的交界面放置。

41.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂沿内衬套和衬套包层间的交界面放置。

42.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂做成在不存在潮气时以不活泼状态储存，一旦与潮气接触则转变为水解状态，此水解状态可让掺杂剂迁移到合成压力容器的外表面。

43.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂做成在不存在酸性液体时以不活泼状态储存，一旦与潮气接触则转变为激活状态，此激活状态可让掺杂剂迁移到合成压力容器的外表面。

44.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂包含染料，当掺杂剂被激活并从渗透通道渗出时该染色剂对一预定波长的辐射敏感。

45.如权利要求37的合成压力容器，其中掺杂剂可用选自下述组的方法检测出来：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检查方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法、或超光谱检测方法。

46.一种提供与潮气或酸性液体渗透到具有内表面和外表面的聚合物物件相关的状态可能引起的故障的早期检测方法，该方法包括以下步骤：

在绕丝之前将水溶性化学掺杂剂加进构成聚合物物件的玻璃纤维基体；并且

掺杂剂做成在不存在潮气时以不活泼状态储存，一旦与潮气接触时转变为水解状态，其中化学掺杂剂保持与水转变为水解状态时的溶解度相当的溶解度，因而可让掺杂剂通过允许潮气渗透到聚合物物件的内表面的渗透通道迁移到聚合物物件的外表面。

47.如权利要求46的方法还包括绕丝前添加化学掺杂剂的步骤，此掺杂剂用作玻璃丝的表面涂层。

48.如权利要求46的方法，其中掺杂剂做成在不存在酸性液体时储存在不活泼状态，而一旦与潮气接触就转变为激活状态，掺杂剂包含一种水溶性染料，掺杂剂一旦被激活染料就沿聚合物物件外表面的一可见部分移动，以给观察聚合物物件的人提供信号，表明潮气已渗透到物件的外表面。

49.如权利要求46的方法，其中掺杂剂包括选自下述组的化合物：液体形式、微胶囊形式、盐形式、颗粒形式或粉末形式。

50.如权利要求46的方法，其中掺杂剂可用选自下述组的方法检测出来：紫外检测方法、红外检测方法、视觉检查方法、激光辐射诱发的荧光方法、激光辐射诱发的吸收方法或超光谱检测方法。

51.如权利要求46的方法，其中聚合物物件包括选自下述组的物件：玻璃纤维容器、输电和配电管套、端子、电涌放电器、合成绝缘子或合成压力容器。