0 引言
随着我国电网建设的深入推进和持续发展，远距离大容量的输电线路工程受到广泛的关注[1-4]。当前，各电压等级的输电线路多采用传统的杆塔结构并配置金属横担加绝缘子串挂接导线运行。为了符合相应的绝缘强度和爬电比距的要求，金属横担必须搭配足够长度的绝缘子串，在恶劣的气象条件下，较长的绝缘子串容易使导线风舞从而造成相间短路等线路故障，严重威胁着线路的安全可靠运行[5-6]。并且设计上为避免导线风舞引起故障需要增加导线间距，从而增加了线路走廊的征地面积，这在土地资源稀缺的地区会为线路的投资建设增添较大的麻烦。同时，线路的电压等级越高，要求的绝缘子串就越长，为满足对地的安全距离需增加杆塔高度，这不仅加大了建设的钢材用量，也为日后的运检工作增加了难度。复合材料绝缘横担由于具有耐腐蚀、抗老化、降低线路维护成本、降低运输和组装成本、提高配电线路的绝缘水平等优点，正逐步替代原先的金属横担[7]。
国际上，日本在20世纪60年代最早开展了复合横担的研究[8]，加拿大从1995年开始在部分10kV、69kV、132kV线路中应用复合横担，2005年荷兰电网完成了一条380kV/150kV复合绝缘横担线路[7]。在国内，保定电力修造厂1997年成功研发35kV复合横担[9]，后经近十年的发展，2007年国网武汉高压研究院成功研制了10kV线路防雷击及污闪的绝缘横担[10-11]。2009年12月，连云港220kV茅蔷线试点运行了由江苏南通神马电力科技有限公司研制的复合绝缘横担[12]。2013年，新疆与西北联网工程中投运了750kV复合绝缘横担，目前运行情况良好[13]。2017年7月，依托1 000kV胜利至锡盟特高压工程，首条交流特高压单回复合横担线路成功带电[14]。2018年12月，南网依托大唐雷州电厂接入工程，首次成功在500kV双回路输电线路中使用复合绝缘横担。两项国网复合横担技术标准Q/GDW 11124.1-2013《750kV架空输电线路复合横担技术规定》、Q/GDW 11714.2-2017《1 000kV交流架空输电线路杆塔复合横担》已分别于2013年和2017年正式实施[13,15]，南网也计划于2019年颁布110～500kV架空输电线路杆塔复合横担技术标准。目前复合横担在我国呈快速发展趋势，具有广泛的应用前景[12-14]。
然而，复合横担的应用仍存在一些亟待解决的问题，主要表现在：第一，复合横担真型力学性能。特别是承载力/刚度/挠度问题等。横担与拉索以及横担与杆塔之间的节点连接性能问题[7]，且已发生横担因缺乏力学验证投入运行的事故[16]，给电网的安全运行造成了隐患；第二，复合横担的污闪外绝缘性能。大直径复合横担与小直径悬式绝缘子相比，单位绝缘高度闪络电压降低[2-4,17]，大直径横担污闪特性是一个需要研究的问题；第三，复合横担高电压等级下均压特性。750kV及以上电压等级横担受杆塔、高压导线分布电容的影响，均压、均场问题更突出[1,18]，均压特性需要进一步研究；第四，复合横担内部填充材料的绝缘问题。包括内芯填充硬泡绝缘性能与发泡密度、泡孔直径等参数的关联关系，水分渗透对泡沫填充材料绝缘性能影响问题；第五，复合横担界面问题。若粘接不牢，或在运行中界面产生气隙、水分等缺陷，这些缺陷可能会使电场强度畸变、引起局部放电从而影响复合横担内绝缘性能。
除此之外，复合横担塔头设计、经济性、老化性能、施工运维规范等研究仍严重不足。本文主要从复合绝缘横担中面临的界面问题出发，从界面的宏观检测手段、微观检测手段以及界面建模三个方面进行综述。
1 复合绝缘横担界面问题
复合绝缘横担由硅橡胶伞裙、护套、芯棒和内芯组成。其中，芯棒主要材料为纤维增强聚合物（FRP），常见聚合物基体为环氧树脂和聚氨酯树脂，具有绝缘强度高、比强度高、比模量大、抗腐蚀性和耐久性能好的特点，满足横担应力承载需要。由于内芯填充差异，以江苏神马电力和武汉南瑞集团的产品为例，500kV复合横担内芯主要采用空心结构（包括正压型、常压型等）或有机填料内芯结构（通常为聚氨酯硬泡）。正压型、常压型等空心结构通过内部充入干燥绝缘气体，减轻自身质量。有机内芯依靠填充中密度硬泡聚氨酯材料（150～200kg/m3），具有质量轻、绝缘强度好、发泡简单的优点，可以减小自重造成的弯矩，减小生产和安装成本，且无气压泄漏隐患。目前两种内芯结构横担均已应用到工程中。
复合材料一个显著特点就是其具有许多界面区域，按照几何尺寸的大小，界面可以划分为微观或宏观界面区[19-20]。不考虑材料与空气界面，复合绝缘横担宏观界面区为芯棒/护套、芯棒/聚氨酯、护套与伞裙（仅限挤包穿伞）或芯体与端部金具之 间[13,15,19]。加工芯棒时，玻璃纤维树脂基体和胶体之间形成了微观界面区，生产绝缘护套时，橡胶轴向和径向硫化点之间也形成了微观界面区[21]。微观界面是绝缘横担可靠工作的关键因素，由于宏观界面区在工程实际中更具有可测性，所以界面问题的研究更注重评估上述宏观界面区域。如未经特殊说明，下文所提界面问题均指复合绝缘横担宏观界面。
复合绝缘体系存在界面问题突出、抗老化性能差等问题[22-26]。针对复合绝缘横担，目前已有界面问题在试验中被发现。2013年，昆明特高压实验基地发现一例复合横担由于界面缺陷导致的界面击穿事故。同时，亦有复合横担样品（支柱部分）淋雨冲击试验后出现了冲击电压波形异常的情况，事后发现泡沫材料出现了大面积的碳化通道，聚氨酯泡沫与芯棒界面出现大面积的碳化通道如图1所示。原因可能为芯棒与聚氨酯界面的胶层（聚氨酯自结皮）存在应力集中的现象，高应力状态导致胶层致密性降低，湿气/污秽等侵蚀介质容易扩散至胶层界面，使得胶层粘结性降低或产生孔隙。同时，在应力集中的作用下，环境介质的侵蚀可能导致过早发生粘结失效破坏，造成界面问题，进而产生界面击穿等事故。
图1 复合横担界面故障
Fig.1 Interface breakdown of composite cross-arm
中国电科院报告显示[27]，界面质量问题是复合绝缘子发生界面击穿或芯棒断裂的重要原因，界面黏结质量差将使得界面中容易形成孔隙，诱使界面周边的电场产生畸变，长时间的老化作用或局部放电将进一步加剧界面性能的劣化，造成界面击穿甚至芯棒断裂等严重后果[28]。对于复合横担而言，在运行过程中除了受到施加在导线上的风力和张角的拉力的相互作用，还可能有来自相邻跨度间的导线不均匀的拉力或导线断裂处罕见的机械负荷[21]，多种负荷作用下使得绝缘横担承受比复合绝缘子更复杂的工况。在复合横担长期运行的情况下，护套与芯棒、芯棒与聚氨酯等界面不可避免地受到老化作用的影响，形成孔隙、剥离、粘性不足等缺陷，导致局部电场强度过大从而造成发生界面击穿，局部放电的可能性增加。考虑到南方地区湿度较大，此类界面问题可能更加明显。复合横担界面问题的存在将会对绝缘横担在电力系统中的安全、稳定运行造成隐患。
由于国内外复合绝缘横担的研究以及应用尚处于起步阶段，运行数量以及运行年限有限，对于复合绝缘横担界面特性检测研究尚不充分。目前对于复合绝缘横担界面特性检测的研究很少，大部分研究借鉴了复合绝缘子的结论，但复合横担相比于复合绝缘子具有不同的结构、材料特性及受力特点，基于复合绝缘子的成果不能完全应用于复合绝缘横担。随着复合绝缘横担的日益推广及在特高压领域的应用，进行复合绝缘横担界面特性检测的研究，将为推动复合横担界面问题的解决起到关键作用，对保证电网安全可靠运行具有重大意义。
2 复合绝缘横担界面宏观检测方法
复合横担界面宏观检测主要包括对横担芯棒/护套、芯棒/聚氨酯和护套/伞裙（仅限挤包穿伞）界面进行电气、机械等宏观参量的检测。考虑到实际运行特点，芯棒/护套、芯棒/聚氨酯界面是横担界面检测的重点。750kV及1 000kV复合横担标准已实行，界面宏观性能检测试验主要包括界面的陡波前冲击电压试验、改进的水扩散试验和染料渗透试验，侧重于电气性能检测[13,15]。同时，复合横担与复合绝缘子在伞裙/护套和芯棒/护套界面上具有很大相似之处，参照复合绝缘子对此类界面的机械性能测试方法，认为目前复合绝缘子的解剖分级试验和界面压剪试验应同样适用于复合绝缘横担。下面对上述五种界面检测方法进行阐述，并结合复合横担各个界面特点针对每种检测方法进行分析。
2.1 陡波冲击耐受试验
陡波冲击耐受试验用来检验绝缘横担界面可能存在的气孔、缝隙等缺陷[13,15]。首先在横担试品上安置电极，使试品形成沿轴向长约500mm区段。冲击电压分别施加于两个相邻的电极之间，施加电场强度不低于30kV/mm，电压陡度至少为1 000kV/μs，每段应经受正负极性冲击各25次。每次冲击都应在横担两电极间发生外部闪络，同时不应出现界面击穿。
试验原理如图2a所示[29]，在界面存在缺陷，则施加陡波冲击时，其界面的电路模型可近似简化为图2b，其中界面气隙以Cx表示，与气隙串联及并联的良好绝缘部分以电容Ca和Co表示。气隙的相对介电常数相较于良好绝缘部分较小，造成界面气隙的单位电容较低，因而电场强度远高于绝缘良好部分。而气隙击穿强度低于绝缘良好部分，因此陡波冲击会使气隙处先发生击穿，其余部分则承受了冲击，在连续的冲击下，界面气隙发展并逐步扩大，可能导致产生进一步击穿。
图2 陡波冲击实验原理
Fig.2 Test schematic diagram of steep wave impulse voltage test
陡波冲击耐受试验被规范[30]并被采纳为复合绝缘体系界面检测方法[13,15,31-32]，经历大量实验室试验分析和现场实际修正[33-35]，成功证明用于分析伞裙/护套、芯棒/护套界面粘接稳定性是十分有效的。然而，陡波试验仍然有其局限性。王黎明、张福林等认为陡波试验在界面严重具有缺陷时效果检测较好，但对于微小缺陷的检验效果不佳[36-37]。值得注意的是，考虑到横担内芯聚氨酯材料具有孔隙结构，可能会对界面检测产生干扰，目前鲜有陡波试验对横担芯棒/聚氨酯界面检测的研究的报道，可行性有待研究。由于复合横担外层伞裙/护套及芯棒/ 护套界面同复合绝缘子类似，陡波试验可用于对横担此类界面进行检测，但其对微小缺陷的检验效果仍有待进一步探究验证。
2.2 解剖分级试验
解剖分级试验可用来检验复合绝缘横担护套/芯棒界面粘结程度，适用于整体注射成型和挤包穿伞复合绝缘横担。以图3护套/芯棒界面为例说明解剖分级法试验操作方法。
图3 解剖分级法试验操作
Fig.3 Operational drawings of anatomical grading test
对整体注射成型的复合绝缘横担，将横担的伞裙及护套沿着轴向合膜缝划开，沿合模缝和伞裙切开缝隙下刀，切开护套同时深度达到芯棒的同时不能损伤芯棒。由于挤包穿伞的复合绝缘横担没有合膜缝，因此可任取一条轴线作为参考，其余均与整体注射横担相同。预处理后，将伞裙沿着切口部分分开，左手勾住左半边伞裙，右手勾住右半边伞裙。 双手同时均匀用力沿径向向外拉扯伞裙，直至护套与芯棒脱离或伞裙被抻裂与护套分离。通过复合横担解剖分级试验，根据芯棒/护套界面分离的难易程度，建立反应界面粘结程度的五维定性评价指标：CC1～CC5。CC1代表界面粘接性最差的状态，此时护套/芯棒彻底分离；CC5代表界面粘接性最优的状态，此时护套/芯棒完全不能分离。
南网科研院张福增研究了使用解剖分级法评估护套/芯棒界面粘接质量，认为生产过程中的粘接质量和长期的高电场强度作用是影响护套/芯棒界面性能的两个关键因素[24]。Wang等在对界面进行水煮后，使用解剖分级法对护套/芯棒界面粘结等级进行判断，并建立了解剖分级难度与界面泄漏电流对应关系[38]。解剖分级法可较好地判定各类绝缘横担护套/芯棒界面粘接性能优劣，采用解剖分级法操作简单，结论直观清晰。但该方法亦存在一定局限性，仅能定性分析横担护套/芯棒界面粘结程度，同时检测结果受操作人员主观因素的影响较大，分级标准未有定量化指标，不能保证绝对的客观。因芯棒为玻璃钢材质极难割切，该方法对横担中聚氨酯/芯棒界面的粘结质量检测效果有限。为了改善这一问题，以下进一步介绍复合绝缘横担界面宏观检测的界面压剪试验。
2.3 界面压剪试验
界面压剪试验适用于定量检测复合横担护套/芯棒及芯棒/聚氨酯界面粘接程度。通过将要检测的界面置于专用工装中如图4所示，使用万能机械试验机在界面处加载剪应力如图5所示，缓慢增加应力荷载值直至界面完全分离，分析载荷/位移曲线，判断界面剪切分离所用载荷大小来检测界面的粘接性[39]。
图4 压剪试验工装
Fig.4 Compression-shear craft equipment
图5 界面压剪试验用万能机械试验机
Fig.5 Universal mechanical testing machine for compression-shear test
以护套/芯棒界面为例，基本操作方法如下：将长度为30mm的试样放置在支撑金具上，将压头金具与万能试验机的压力传感器连接。需要保持护套/芯棒界面与芯棒和护套的竖向轴线平行，使用万能试验机通过压头金具对芯棒施加恒定压力，使芯棒匀速下滑，而护套由于工装支撑金具作用无法顺着芯棒下滑。装置载荷通过芯棒传递至护套与芯棒的粘接界面，缓慢增加荷载值直至护套与芯棒完全分离。
参考GB/T 177-1989《无机胶粘剂套接压缩剪切强度试验方法》中对有机胶粘剂体系压剪性能的测试原理[40]，压剪试验最先在机械设计中被提出，被华北电力大学屠幼萍等最早应用于护套/芯棒界面评估[28,39]。清华大学王黎明在压剪实验的基础上探究了芯棒/护套交界面在高温水煮作用下的老化特性，同时结合了解剖分级法的判断标准进行界面的数码图像处理，以及老化程度的综合评估[41]。对于复合绝缘横担界面检测而言，界面压剪试验较解剖分级法而言具有很大优点，检测时可以从剪切力/剪切功等不同角度对界面性能进行深度比较，更具有客观性和实用性。同时其界面压剪检测受界面类型影响较小，对于解剖分级法不能检测的聚氨酯/芯棒界面，可以通过定制相应尺寸类型的工装进行解决。值得注意的是，在前期使用界面压剪试验检测横担聚氨酯/芯棒界面时，由于聚氨酯硬泡材料较脆，发现存在聚氨酯先于界面断裂的情况，定制工装时需要为聚氨酯材料考虑相应的余量。
2.4 改进水扩散法试验
水扩散试验通常称为水煮试验。其方法通过将30mm厚度样品放入体积分数为0.1%氯化钠溶液中沸煮一定时间，施加工频12kV电压后，检测其泄漏电流[13,15,41]。水扩散试验最初被用来检测芯棒或全截面芯体质量，后经一系列改进后用来检测各类界面缺陷[13,15]。改进的水扩散试验对界面研究的基础是水煮前后，流经试样界面两侧材料及其表面的泄漏电流变化较小，而流经界面区域的电流产生显著地改变，则界面的老化状态可由泄漏电流反映。改进的水扩散试验可用来检验复合绝缘横担中护套/芯棒及芯棒/聚氨酯界面的缺陷。
华北电科院陈原通过理论分析和实验，在标准试验方法的基础上，对水扩散试验方法进行了改 进[42-43]。同时对有/无护套的芯棒样品进行水煮试验，利用上述样品在水煮后电流比值或差值作为护套/芯棒界面缺陷评价的标准。Wang等对不同运行年限界面样品进行了300h水扩散试验，同时考察泄漏电流值，界面解剖分级与水煮时间的关系[38,44]。同时推荐根据实际情况调整水扩散试验中水煮时间及漏电流阈值。Jia等研究了不同水煮时间、切割厚度与芯棒/伞裙界面泄漏电流间关系[45]，进一步丰富了改进的水扩散法进行界面缺陷检测的应用基础。
对复合绝缘横担而言，由于芯棒和护套在水煮前后泄漏电流变化不大，对横担聚氨酯内芯完全去除后，对带护套试样和无护套试样同时进行水煮，根据水煮后两种试样的泄漏电流值判断横担护套/芯棒的界面缺陷。横担护套完全去除后，对带聚氨酯内芯试样和无聚氨酯内芯试样同时进行水煮，则水扩散试验可用于判断芯棒/聚氨酯界面存在的缺陷。值得注意的是，因为聚氨酯具有孔隙结构较硅橡胶材料特殊，其具有较高的吸水率，且吸水率与截面积有关[13,15]，若在水扩散试验时保留聚氨酯部分过大可能会对泄漏电流产生较大影响。因此在研究芯棒/聚氨酯界面时使用刮刀仅仅保留界面处极薄一层（小于1mm）聚氨酯自结皮部分效果较好。
2.5 染料渗透试验
染料渗透试验是一种方便可靠的界面特性检测手段[46-47]，可对全截面复合绝缘横担样品进行品红溶液的渗透检测[13,15]，对横担芯棒/护套和芯棒/聚氨酯界面均有较好的检测效果。具体操作步骤如下：在玻璃容器中放置一层直径相同的钢球或玻璃球，球径1～2mm。将试品按纤维垂直向上方向放置在球上，并将染色液倒入容器，液面应比球顶高2～3mm。染色液为含1%红色或紫罗兰色次甲基染料的酒精溶液，染色液会在毛细作用下穿过绝缘芯体或界面上升，测量染色液穿过界面部分的时间来判断界面缺陷程度。染料渗透试验方法直观、操作简便，能快捷地检查出界面结合不紧等隐蔽性较高的缺陷的情况[28]。对复合绝缘全截面芯体进行染料渗透测试，根据染料渗透位点，不仅仅可检测出护套/芯棒、护套/聚氨酯界面缺陷，同时可反映玻璃钢芯棒、聚氨酯芯体缺陷。
3 复合绝缘横担界面微观检测方法研究
物质层面来说，复合绝缘横担界面涉及到两种有机复合材料及其偶联剂，材料结构决定性能，传统复合绝缘体系微观检测在于检测单一表面层化学结构和微观集聚态结构的改变[21,48-50]。对于界面来说，由于界面跨度远超测量手段的精度，传统的物理化学性质检测方法如X射线衍射图谱（X-Ray Diffraction, XRD）、傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform- Infrared Spectroscopy, FT-IS）、X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy, XPS）、热重分析（Thermo Gravimetric Analysis, TGA）、差示扫描热（Differential Scanning Calorimeter, DSC）等起到的作用有限。目前对复合绝缘材料微观检测方法集中于界面的微观形貌观测和界面缺陷的无损检测等。断面微观形貌检测主要用到扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope, SEM）和静电力显微镜（Electrostatic Force Microscope, EFM），界面缺陷的无损检测主要有超声检测（相控阵检测）、射线检测（CT检测）、微波检测（红外热波）等。
3.1 界面形貌检测
扫描电子显微镜（SEM）作为一种微观特性观测工具诞生于1965年，其主要原理是通过二次电子信号成像来表征样品微观表面，通过狭窄的电子束与样品间的作用产生观测效应。通过对不同界面样品进行SEM分析，观察样品表面或切面的微观形貌，以及是否污浊、发生硬化、产生裂纹、孔洞等，分析界面缺陷情况[51]。SEM主要用来观测复合绝缘材料的表面形貌[52-53]，不同老化状态下样品表面形貌明显不同。Zhu等在SEM下观测内芯填充支柱绝缘子聚氨酯材料形貌，泡孔形貌结构清晰可见，为SEM观测绝缘横担芯棒/聚氨酯界面缺陷提供了依据[54]。深圳大学崔宏志等使用SEM观测轻骨料混凝土界面过渡区的微观结构特征，研究发现轻骨料混凝土界面过渡区的厚度为25～30μm[55]。西安交通大学张志博等研究SEM观测纯铝/硬铝双金属界面裂纹，裂纹区和正常区在50μm的尺度下区分明显[56]。参照上述研究，从分辨率/清晰度来看，采用SEM观测复合横担中芯棒/护套以及芯棒/聚氨酯界面是合适的。由于SEM分辨率很高，亦可清晰观测到横担芯棒中玻璃纤维/树脂微观界面。然而，SEM检测的缺陷是其仅仅能主观上区分界面微观缺陷程度，且同一样品不同微观位置电镜图像可能相差较大，仅仅能定性判断界面缺陷程度，缺少定量标准。
静电力显微镜（EFM）是扫描探针显微镜家族中探测长程力的显微镜，EFM是由IBM研究中心于20世纪80年代在原子力显微镜基础上发展起来的一种测量微区静电力、电势分布以及电容大小的方法[57-61]，通过使用导电探针完成对针尖/样品之间静电作用的检测。静电力显微镜可以在μm甚至nm尺度下获得高空间分辨率的样品形貌图像和静电力特征图像。静电力显微镜界面观测（a, b上）与样品表面电势分布（a, b下）如图6所示。由图6a和图6b可知，在界面两侧，不仅形貌出现较大的衬度差，同时对EFM数据处理得到的界面附近两点电势也出现突变，表明界面两边不同组分的材料在导电探针外加电场作用下的电势不同，而根据不同界面在相同探针电场作用下的电势差的相对大小以及电势差的峰值，可作为微观领域界面分子作用机理研究 的依据[62-64]，也可作为宏观界面实验不同阶段界面特性的判据之一。
图6 静电力显微镜界面观测图
Fig.6 EFM interface diagram
除了观测样品表面形貌和电势分布，静电力显微镜可完成对界面样品高度和相位的观测。在复合绝缘横担芯棒/护套和芯棒/聚氨酯界面的研究中，含有高度值的界面信息可丰富对界面细节的观测。通过相位滞后与导电电势的关系可推到出样品介电常数信息，进而区分不同界面区域介电性能的差异。通过对图像进行比较分析，可以得到复合横担界面在nm尺度微区上的电学特性，为横担界面检测与缺陷判定提供新的思路。
3.2 界面无损检测
超声检测是较为成熟的界面探伤方法，也是最早应用在绝缘界面无损检测的技术之一。超声检测的原理在于利用超声波在各介质传播时的衰减现象及其在两种介质界面之间的折反射来判断介质内部有无缺陷[39]。运用超声检测可以探明各类气泡、缝隙、分层、脱粘和放电通道等界面缺陷[65]。华南理工大学郝艳捧等使用数字超声波探伤仪，利用射频反射法和射频幅度法，成功判别护套/芯棒界面是否脱粘，同时可良好检测出护套/芯棒间0.5mm模拟界面气孔[66]。清华大学梁曦东、高英等自主研制了超声波检测装置对芯棒、硅橡胶材料缺陷进行检测，分别能分辨0.2mm芯棒裂纹及3mm人造硅橡胶缺陷[67-68]。然而，对于复合横担界面检测而言，超声检测法仍面临一些挑战。首先，复合横担同样具有伞裙，超声探头不易接触到护套表面；其次，分辨率不能保证检测出所有严重的界面缺陷[69]，内层聚氨酯/芯棒界面的缺陷的检测可行性有待探究。
相控阵技术是近年来超声检测领域的热点，这一技术克服了常规超声检测方法的诸多弊端，具有较强的检测深度[65,70]。其试验原理是通过对多个晶片的延迟控制使得各个晶片激发时间不同，产生具有干涉效应的声束，以此来实现波束偏转、焦点位置和聚焦方向的控制，生成内部结构图像[39]。谢从珍等利用相控阵超声波探伤仪对成功对护套/芯棒界面严重脱粘（有明显空气隙）进行了有效检测，其检测结果与红外测温图像吻合[65,71]。夏正武等采用相控阵水囊耦合法检测出护套/芯棒界面0.8mm缺陷，且缺陷图谱清晰易辨[72-73]。Gubanski等运用2.5MHz超声相控阵检测对芯棒/护套界面存在的气孔、腐蚀缺陷等自然缺陷和钻孔、纸带等人工缺陷均取得较好的检测效果[74]。相比常规超声检测法，相控阵技术具有缺陷检出率大，缺陷图像直观的优点。然而其同样具有局限性，对于护套/芯棒界面可能存在的部分脱粘的情况，由于声阻抗参数在基材和玻纤部分相差悬殊，当缺陷过小又恰好位于界面处时，相控阵法目前可能还无法实现检测。要实现对复合横担界面的检测可从相控阵探头参数、改进扫描方式和优化成像等方面开展探索。
射线检测原理在于利用各介质对射线的吸收率的不同来实现检测。主要应用的射线为X射线、γ射线和中子射线。直接观测透过被检样品的射线强度，即可判断被检件界面是否存在缺陷。介质密度相差越大，相邻位置明暗差距就越明显，成像对比度越大。详细的X射线检测流程如图7所示[75]。华北电力大学李卫国、屠幼萍等进行了X射线对芯棒/护套界面开展透射的实验，得出如下结论：X射线可对护套缺损/芯棒微小缺损/护套厚度不达和界面气道问题进行有效检测[76-77]。然而，由于护套（硅橡胶）和芯棒（玻璃钢树脂）同属于有机材料，若能够被射线检测需要缺陷间距达到一定尺寸。射线检测对界面气孔夹渣等体积性缺陷敏感，但对界面面积型缺陷（如裂纹、脱粘等）不易检出。特别是对于复合绝缘横担聚氨酯/芯棒界面检测中，由于聚氨酯中存在大量空气闭孔，其对X射线的吸收和散射和空气较为接近，可能会造成该界面出现气隙等缺陷时检测灵敏度降低。
图7 X射线检测流程
Fig.7 X-ray detection flow chart
计算机断层扫描仪（CT）作为具有高分辨率的X射线扫描装置，其与传统X射线扫描仪的主要区别在于CT对试样进行圆周扫描，而传统X射线装置对试样仅有两个方向的扫描。Gubanski等研究了将CT技术应用于护套/芯棒界面缺陷的可行性[78]。研究发现CT技术适用于检测气隙与分层等缺陷，使用X射线源可以呈现样品的横截面。Altafim等研究了在复合绝缘子生产过程中对气泡、气隙和缺陷的X射线检测[79]。CT技术是无损检测领域的研究热点，然而目前对CT技术应用于绝缘界面检测的研究仍相对较少[39]。对检测界面缺陷而言，CT技术和其他无损检测方法相比分辨率仍相对不高，并且操作复杂，价格昂贵且对人身体有害，目前仅适用于生产工艺过程中的抽样检测。
微波具有波长（1～1 000mm）短和频率（300MHz～ 300GHz）高的特点，作为界面缺陷检测新技术正日益得到国内外的重视[80]。微波检测机理在于通过发射与被测物质发生反射、投射、投射及产生物质间的相互作用，微波信号会随被检材料电磁和几何参数而改变，通过测量微波信号基本参数及计算其变化值即可达到检测内部缺陷的目的。Qaddoumi等使用24GHz微波，在2mm的距离内对不同护套/芯棒不同尺寸的气孔进行检测，缺陷位置和缺陷类型被准确定位[81]。清华大学关志成[82]、王黎明[83-86]等进行了高频微波反射法对运行复合绝缘子内部缺陷进行无损探伤，实验结果表明：近场微波方法直接进行无接触的界面缺陷检测是可行的，对气孔识别能力较强并可识别小于0.4mm的细微缺陷。微波检测方中探头和被检样品不需要有表面接触、偶联剂，相对于超声检测方法丰富了检测应用场合。同时，微波法检验快速，可信度高，价格相对低廉，受外界环境因素干扰小，且功率等极（mW级）低，有利于便携设备的开发，未来有较大的发展空间。然而，微波检测对检测距离十分敏感，对复合绝缘横担界面特别是芯棒/聚氨酯界面的研究值得深入。
红外热波无损检测技术是考虑不同物质对于红外辐射产生表面温度的差异及其与材料特性的内在关系，利用红外接收设备获取被测物体的红外辐射特征并处理得到热像图，通过分析物体内部红外特征，对缺陷进行检测判别[87]。樊丹丹等建立了橡胶/ 橡胶/钢两层界面缺陷模型，将缺陷温差作为特征指标，从理论和试验两方面验证了红外热波法对双层界面检测的有效性[88]。王黎明等最早进行红外热波无损检测技术对瓷绝缘子裂纹缺陷检测研究，检测精度达到0.4mm，并可检测支柱瓷绝缘子缺陷深度[89]。红外热波检测具有更强的直观性、更大的可测面积和更优的实时性，和传统无损检测手段相比（射线、超声等）具有显著的优势。目前红外热波法应用于复合绝缘材料界面缺陷的研究仍在探索中。
目前无损检测技术的发展十分迅速，在各类复合绝缘界面缺陷检测中的研究应用也逐渐增多。以上每种无损检测方式都有其相应的优缺点和应用范围。应结合复合绝缘横担界面的特点，从检测内容、参数设置和评价指标等方面得到适合于复合绝缘横担界面检测的方法，并需要通过大量的界面检测试验加以验证。复合横担宏观界面在结构上为两个有机物间的交界面，在物理、材料、机械等领域对不同聚合物之间界面性质研究的手法可用来对复合横担宏观界面参考借鉴，有助于对界面性能机理的深入分析研究。
4 复合绝缘横担界面模型的研究
复合绝缘横担界面模型是研究界面特性及进行界面老化、缺陷等分析的必要条件。从模型的表示形式来看，目前主要有界面数值方程模型、等效电路模型及物理场模型等。通过建立复合横担界面模型，可对界面承载力、气隙电场强度、界面等效阻抗等力学及电气参量进行分析，解释不同界面状态下各参量的变化特性，对指导复合横担界面的宏观检测和微观表征具有重要意义。以下分别按界面的力学和电气参数模型进行综述。
4.1 界面力学参数模型
界面力学模型旨在分析界面受力和粘接状态，判断界面缺陷类型及计算疲劳寿命，进而为界面压剪、振动声学等试验及界面寿命预测提供理论依据。考虑到绝大多数失效界面不存在mm级空气间隙[90]，廖瑞金等从界面弱粘接机理出发，将氢键弹簧模型以及迟滞摩擦模型引入双线性理论的数值方程[91]。将芯棒/护套界面的粘结等效为质量块M2关于振动源M1的非线性受迫振动，如图8所示，压力及振动作用大小等效为Fs和M1A0ω2sin(ωt)，利用与振动层接触力Fd、等效接触刚度Ki、等效接触阻尼Ci建立非线性阻尼模型。图中，Kad和Cad分别为界面等效接触刚度和接触阻尼，同时引入非线性系数评价界面的粘接强度与微观结构。通过非线性超声检测证明该力学模型可合理解释弱粘接缺陷的作用机理，能有效反映芯棒/护套界面力学性能。肖琦等建立了芯棒/护套界面的疲劳力学有限元模型，界面等效厚度设置为2mm，界面加载振动载荷数值依据导线所受最大动弯应力、导线悬挂角度得到，使用Ansys疲劳分析模块计算出该工况下界面疲劳寿命为6.68年[92]。屠幼萍等将护套/芯棒界面简化为一个没有厚度的粘接层，仅考虑护套与芯棒之间的粘结力，以此建立护套/芯棒压剪试样的力学有限元模型。基于不同界面脱粘形式加载边界条件，对压缩位移与压缩载荷进行了定量分析，仿真结果与试验数据吻合良好[39]。马艳枝等基于内聚力单元损伤理论建立了界面开裂的三维Abqus有限元模型，依据弹性本构关系对界面在弯矩荷载作用下的力学行为及其破坏过程进行了分析，解释了界面开裂过程的三个阶段，即界面承载阶段、界面开裂阶段和界面裂纹扩展阶段，并且得到了极限应力、断裂能、极限应变、界面刚度的变化规律[93]。目前对护套/芯棒界面的力学参数模型的研究相对较多，可在此基础上结合内层界面结构特点构建对应的聚氨酯/芯棒界面复合模型。从聚氨酯自结皮界面形成机理出发，引入动力学方程，对界面机械、力学性能进行连续定量分析，为实际复合横担界面缺陷及老化程度分析提供借鉴。
图8 护套/芯棒界面非线性力学模型
Fig.8 Nonlinear vibration model of sheath/rod interface
4.2 界面电气参数模型
复合横担界面脱粘或产生气隙、水分时会引起界面电气参量（电场分布、泄漏电流、等效阻抗等）的相应变化。建立电气参数模型旨在分析界面在不同缺陷类型、老化程度等条件下电气特性的发展规律，从场和路的角度建立电气参量与界面特性的联系。王成江等建立具有不同局部微气隙的二维和三维轴对称护套/芯棒界面模型，如图9所示，通过改变气隙位置/形状/跨度/厚度，研究关键节点处电场强度的变化情况，考察了缺陷对界面电场分布影 响[94-96]。结果显示，护套/芯棒界面存在气隙缺陷时，缺陷局部电场畸变严重，但对整体电场分布影响有限。气隙内部电场强度最大畸变值与气隙跨度厚度呈正相关，与长度呈负相关，气隙跨度、厚度、长度对界面电场强度影响存在交互效应。王黎明等把护套/芯棒模型等效成状态为完好/缺陷的微小单元，基于界面单元的二元机械连接，假设界面老化状态的性能指标与断开单元的数目呈线性关系，建模得到界面泄漏电流指标与老化指标的S型数值函数关系[41]。通过水扩散试验后泄漏电流数据拟合验证了模型合理性。然而该模型仅仅考虑界面是否对水分敏感，且未能解释界面弱粘结特性，更多影响判 据值得深入研究。
图9 护套/芯棒二维和三维气隙界面模型
Fig.9 Two-dimensional and three-dimensional finte element model of sheath/rod air gap
除了以上针对界面缺陷/老化的电气参数模型之外，复合横担界面本质上为两材料间物理/化学的交联微区，基于其他类型聚合物界面的电气参数模型亦可对复合横担聚氨酯/芯棒界面建模提供借鉴。Dong等在研究聚氨酯等聚合物涂层及其界面时通过施加宽频激励信号（1×10-2～1×105Hz），根据响应的Bode和Nyquist图谱建立界面等效电路模型如图10所示[97-100]。以界面阻抗参数Rinterphase定量分析不同界面状态特性，其中Cdl表示介电双层电容，Rt和Zw分别表示界面电荷传递阻抗和瓦尔堡阻抗。该类模型在研究固固界面绝缘性能方面已有应用，未来可根据聚氨酯/芯棒界面特点进行模型优化。Calame等引入准静电有限差分法对具有不同粗糙程度的两材料界面区域进行介电常数数值建模分析，考虑不同界面粗糙程度、界面材料类型进行介电常数仿真与验证。该模型对绝缘界面具有较好适应性，有助于介电常数角度对复合横担聚氨酯/芯棒界面研究进行指导[101]。
图10 界面等效电路模型
Fig.10 Equivalent circuit model of the interface
目前，界面模型主要集中在电学和力学的静态单参量分析，没有考虑多因素条件下界面特性变化规律。由于复合横担界面具有复杂性和多样性，如何结合横担界面实际特点，借鉴聚合物绝缘界面的建模方法和动力学原理，针对机械载荷、电场及环境作用进行动态边界条件设置，多物理场耦合建模与求解等问题需要进一步研究。
5 结论
本文综述了复合横担界面问题，复合横担界面的宏观、微观检测方法和复合横担界面模型，主要结论和展望如下：
1）随着我国电网建设的深入推进和持续发展，复合绝缘横担既能节省线路征地成本，又降低了维护成本，凭借其独特的优势，已在中国高压线路上得到试点应用，且未来将会迎来新一轮的发展推广。
2）复合横担中界面是其可靠工作的关键，其中，芯棒/护套和芯棒/聚氨酯界面是复合横担界面研究重点。宏观上对界面电性能、机械性能进行检测评估，同时微观上亦可进行形貌及无损检测。
3）各检测方式有其相应优缺点和应用范围。应结合复合绝缘横担界面的特点，从检测内容、参数设置和评价指标等方面得到适合于复合绝缘横担界面检测的方法，并需要通过大量的界面检测试验加以总结和验证。同时，材料、物理领域界面性质研究的方法可用来为复合横担界面研究提供参考借鉴。
4）界面模型是界面检测的基础，建立合适的物理模型可构建界面宏观及微观状态的联系，同时对运行过程中界面状态的改变进行分析和预测，目前对复合绝缘横担界面模型的研究需要继续深入，进而为复合绝缘横担的大范围应用推广提供基础支撑。
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