用于早期检测聚合物包层玻璃纤维因暴露于水的可能故障的指示剂

摘要

描述了复合物绝缘体，复合物绝缘体包括用于提供对因应力腐蚀破裂、爬电或因放电行为导致的杆破坏而即将到来的故障的早期警示的装置。包括由聚合物壳体围绕的且在其任一端上连接有金属端部配合件的玻璃纤维杆的复合物绝缘体掺杂有基于染料的化学掺杂剂。掺杂剂绕玻璃纤维杆的外表面的附近散布。掺杂剂配制为具有转移和扩散的特征，且在干状态下是惰性的且与绝缘体部件相容。掺杂剂定位在绝缘体内使得当湿气通过在绝缘体外表面内的渗透路径而通过壳体穿透到杆时掺杂剂将变得被激活且将析出相同的渗透路径或通过壳体扩散。被激活的掺杂剂然后造成了绝缘体壳体的外表面上的沉积或着色。掺杂剂包括可以视觉识别或对于一个或多个特定波长的辐射敏感的油溶性染料、指示剂或着色剂化合物。掺杂剂也可以由纳米微粒使能材料配制。被激活的掺杂剂在绝缘体外表面上的沉积可以在通过合适的成像仪器或裸眼在对绝缘体外表面成像时检测到。

说明书

与相关申请的交叉参考

本申请是2003年8月14日提交的目前待决的名为“Chemically-Doped Composite Insulator for Early Detection of Potential Failure Due toExposure of Fiberglass Rod”的专利申请No10/641,511的部分继续，该专利申请转让给本申请的受让人。

技术领域

本发明一般地涉及用于输电线的绝缘体，且更特定地涉及提供了对具有因玻璃纤维芯暴露于环境导致故障的高风险的单元的改进识别的化学掺杂的传输和分配部件，例如复合物(非陶瓷)绝缘体或聚合物包层玻璃纤维容器。

背景技术

电力传输和分配系统包括多种绝缘部件，绝缘部件必须维持结构完整性以在经常为极限环境和运行条件下正确运行。例如，架空输电线要求绝缘体将导电电缆与支承它们的钢塔隔离。传统的绝缘体由陶瓷制成，例如由玻璃制成，但是因为陶瓷绝缘体典型地重且脆，因此已开发了多个新的绝缘材料。作为陶瓷的替代物，二十世纪七十年代中期开发了复合聚合物材料以用在用于传输系统的绝缘体中。这样的复合物绝缘体也称为“非陶瓷绝缘体”(NCI)或聚合物绝缘体，且通常使用由例如乙丙橡胶(EPR)、聚四氟乙烯(PTFE)、硅橡胶或其他类似材料的材料制成的绝缘体壳体。绝缘体壳体通常绕承载了机械负荷的玻璃纤维(替代地，纤维强化的塑料或玻璃强化的塑料)的芯或杆包裹。玻璃纤维杆通常由以树脂围绕的玻璃纤维制造。玻璃纤维可以由E型玻璃或类似的材料制成，且树脂可以是环氧树脂、乙烯基酯、聚酯或类似的材料。杆通常连接到金属的端部配合件或凸缘，它们将张力传输到电缆和输电线塔。

虽然复合物绝缘体具有优于传统陶瓷和玻璃绝缘体的某些优点，例如更轻的重量和更低的材料和安装成本，但复合物绝缘体易遭受某些因涉及环境或运行条件的应力导致的故障模式。例如，绝缘体可能遭受因过热或处理不当导致的杆的机械故障，或因为污染导致的飞弧。复合物绝缘体的重要的故障原因是因为湿气穿透聚合物绝缘体壳体且与玻璃纤维杆接触。一般地，存在三种与湿气进入到复合物绝缘体内相关的主要故障模式。它们是：应力腐蚀破裂(脆性断裂)、爬电(flashunder)和杆因放电行为的破坏。

也已知为脆性断裂的应力腐蚀破裂是与复合物绝缘体相关的最通常的故障模式之一。术语“脆性断裂”一般地用于描述由电解腐蚀与张力负荷相结合产生的故障的视觉外观。与脆性断裂相关的故障机制一般地归因于玻璃纤维内金属离子的酸或水析出，从而导致应力腐蚀破裂。脆性断裂理论要求水通过聚合物壳体内的路径的渗透和水在杆内的积累。酸可以帮助水来腐蚀杆内的玻璃纤维。这样的酸可能因环氧树脂硬化剂的水解或因电晕造成的硝酸而留在玻璃纤维内。图1图示了复合物绝缘体的杆内的因脆性断裂的故障图案的例子。壳体102围绕玻璃纤维杆104。断裂108由因杆与湿气的长期接触的应力腐蚀导致，这导致切割杆内的纤维106。

爬电是电故障模式，它典型地在湿气与玻璃纤维杆接触且循杆行进或在杆和绝缘体壳体之间的界面行进时发生。当湿气和任何因湿气的放电行为的副产物沿绝缘体延伸了临界距离时，绝缘体不能再抵抗所施加的电压，且发生了爬电情况。这经常被观察为绝缘体杆的分裂或穿孔。当此发生时，绝缘体不能再将电导体与输电线结构电隔离。

因放电行为的杆破坏是机械故障模式。在此故障模式中，湿气和其他污染物穿透天气防护系统且与杆接触，从而导致内部放电行为。这些内部放电可能破坏杆的纤维和树脂基质，直至单元不能承受所施加的负荷，在此点时杆通常分离。此破坏因与放电行为相关的热、化学和动力学力相关而发生。

因为三个主要故障模式可能意味着机械或电完整性的损失，所以这样的故障当在输电线绝缘体内发生时可能是非常严重的。复合物绝缘体的强度和完整性很大程度上取决于杆的固有电气和机械强度、端部配合件和密封件的设计和材料、橡胶天气保护系统的设计和材料、杆的接附方法和包括环境和现场配置情况的其他因素。如上所陈述，许多复合物绝缘体故障与水进入到组成绝缘体杆的玻璃纤维材料中相关联。

因为所有三个故障模式-脆性断裂、爬电和因放电行为的杆破坏在绝缘体杆内发生，它们被壳体隐藏且不能通过偶然检查而容易地被观察或觉察到。例如，对绝缘体的简单视觉检查以检测因湿气进入导致的故障要求靠近观察，这非常耗时、昂贵且一般地不给出确定性的“通过”或“不通过”的评定。另外，在一些情况中，通过视觉检查技术的杆故障检测可能简单地是不可能的。其他检查技术，例如白日电晕和红外技术可以用于识别与可能由故障模式的一个导致的放电行为相关的情况。这样的测试在距绝缘体一些距离处进行，但限制为仅能检测到少数故障模式。此外，必须在检查时存在放电行为以被检测且要求操作者的技能和分析水平相对地高。

为便于检测与杆芯暴露于湿气相关的故障模式，已展示了染料或类似标志的使用，它们在灾难性损坏发生前通过渗透路径转移到壳体表面。这一般地提供了有效方式来提供对因应力腐蚀、爬电或因放电行为的杆破坏的即将到来的故障的早期警示，且允许从一定距离处检查而不需要故障征兆的实际展现。然而，为此类检查机制所使用的染料或标志的成分因为染料所经历的环境条件以及涉及对用于检测染料存在的检查技术的实际限制是非常重要的。

一些系统使用高度可见的水溶性染料，例如亚甲基蓝。此类染料已被证明有效地通过典型的非陶瓷绝缘体的聚合物鞘内的断裂位置转移，因此提供了对湿气穿透通过绝缘体壳体的有效指示剂。然而，一些水溶性染料是光敏的且当受到室外条件时随时间而褪色。此外，许多非陶瓷绝缘体壳体使用硅橡胶制造。一般地，硅橡胶难于染色。与硅橡胶一起使用的大多数着色剂是在聚合前混入硅树脂内的颜料。因此，必须特别地配制意图于在现场将硅橡胶壳体染色的标志。

因此希望提供半永久染料以用在用于使用硅树脂和其他聚合物壳体的非陶瓷绝缘体的自诊断系统中，以警示绝缘体芯因湿气通过壳体穿透的可能故障。

发明内容

描述了包含了用于提供对因杆暴露于环境而即将到来的故障的早期警示的装置的复合物绝缘体或其他聚合物容器。包括由聚合物壳体围绕的且在其任一端上装配有金属端部配合件的玻璃纤维杆的复合物绝缘体掺杂有基于染料的化学掺杂剂。掺杂剂绕玻璃纤维杆的外表面的附近散布，例如在杆和壳体之间的涂层内散布。掺杂剂也可以遍及杆基质散布，例如在玻璃纤维杆的树脂成分内散布。掺杂剂配制为具有转移和扩散的特征，且在干状态下是惰性的且与绝缘体部件相容。掺杂剂放置在绝缘体内，使得当湿气通过在绝缘体外表面内的渗透路径而通过壳体穿透到杆时，掺杂剂将变得被激活且将析出相同的渗透路径或通过聚合物壳体扩散到鞘表面。被激活的掺杂剂然后造成了绝缘体壳体的外表面上的沉积。掺杂剂配制为结合到硅橡胶或其他聚合物壳体表面且配制为抵抗空气和阳光的光-氧化。掺杂剂包括可以视觉识别或对于一个或多个特定波长的辐射敏感的油溶性染料或着色剂或指示剂。被激活的掺杂剂在绝缘体外表面上的沉积可以在分别通过合适的成像仪器或裸眼在对绝缘体外表面成像或可视化时检测到。掺杂剂包括合成有允许染料共价地与硅橡胶结合的官能团的有机染料、或易混合在硅油、非水溶剂、或硅橡胶内的着色剂、胶束、或指示剂。替代地，掺杂剂可以包括具有更长的持久荧光量子效率的无机染料，例如利用了量子点作为输送机制内的掺杂剂的那些无机染料。

本发明的其他目的、构造、特征和优点将从如下的附图和详细描述中显见

附图说明

本发明通过例子且非限制性地在附图中描述，其中相同的参考指示了类似的元件，各图为：

图1图示了复合物绝缘体的杆内因脆性断裂的故障图案的例子；

图2A图示了可以包括本发明的一个或多个实施例的悬挂型复合物绝缘体；

图2B图示了可以包括本发明的一个或多个实施例的柱型复合物绝缘体；

图3图示了根据本发明的一个实施例的用于指示湿气穿透绝缘体壳体的化学掺杂复合物绝缘体的结构；

图4图示了根据本发明的第一替代实施例的用于指示湿气穿透绝缘体壳体的化学掺杂复合物绝缘体的结构；

图5图示了根据本发明的第二实施例的用于指示湿气穿透绝缘体壳体的化学掺杂复合物绝缘体的结构；

图6A图示了根据本发明的一个实施例的在已穿透到复合物绝缘体的杆的湿气存在时掺杂剂的激活；

图6B图示了图6A的被激活的掺杂剂的转移；

图7图示了根据本发明的一个实施例的带有被激活的掺杂剂的复合物绝缘体和用于检测被激活的掺杂剂以验证湿气穿透到绝缘体杆的装置；

图8A图示了根据本发明的一个或多个实施例的可用于封装油基掺杂剂的胶束结构；

图8B图示了根据本发明的一个实施例的胶束结构到绝缘体壳体表面的转移；

图8C图示了根据本发明的一个实施例的染料从胶束的释放和通过聚合物表面的扩散；

图9A图示了根据本发明的一个实施例的油溶性染料通过非陶瓷绝缘体的壳体的释放；和

图9B图示了图9A中的油溶性染料的释放的更详细的视图。

具体实施方式

描述了复合物绝缘体或容器，复合物绝缘体或容器包含了油溶性化学掺杂剂以用于提供对因玻璃纤维杆或玻璃强化树脂材料的暴露于环境而即将到来的故障的早期警示。在如下的描述中，为解释目的，阐述了多个特定的细节以提供对本发明的完全理解。然而，对于本领域一般技术人员将明显的是，本发明可以使用这些细节的变化来实施。在其他情形中，已熟知的结构和设备以方框形式示出以便于解释。优选实施例的描述不限制在此附带的权利要求书的范围。

在二十世纪五十年代后期，已开发了轻量的复合物绝缘体来替代陶瓷绝缘体以用在高容量输电线中(数百千伏)。这样的绝缘体的特征是大的重量降低、破裂降低、更低的安装成本和多种其他优于传统陶瓷绝缘体的优点。复合物绝缘体典型地包括装配有两个金属端部配合件的玻璃纤维杆，聚合物或橡胶鞘或壳体围绕杆。典型地，鞘具有模制的防护件，它使水从绝缘体表面散开且可以由硅树脂或三元乙丙单体基(EPDM)橡胶或其他类似的材料制成。

图2A图示了可以包括本发明的一个或多个实施例的悬挂型复合物绝缘体。悬挂绝缘体典型地构造为在I型索、V型索或终端应用中承载张力负荷。在图2A中，输电线206悬挂在钢塔201和203之间。当导体206在两个塔之间伸长时，复合物绝缘体202和204提供了用于导体206的支承。绝缘体202和204内的玻璃纤维杆的完整性是关键的，且任何故障可能导致导体206和塔201和203的任一个之间的电短路，或允许导体206落到地面。

本发明的实施例也可以在其他类型的传输和分配线和变电站绝缘体中实施。此外，其他类型的传输和分配部件也可以用于实施本发明的实施例。这些部件包括套管、终端、电涌放电器和提供了绝缘功能且包括带有复合物或玻璃纤维内部部件的外表面的任何其他类型的复合物物品，该内部部件从环境被保护。本发明也应用于其他工业，其中玻璃纤维强化树脂用于具有水穿透故障的结构应用，例如复合物燃料存储箱或容器。

图2B图示了可以包括本发明的一个或多个实施例的柱型复合物绝缘体。柱绝缘体典型地承载了张力、弯曲或压缩负荷。在图2B中，导体216在以柱绝缘体212和214为顶的塔之间伸长。这些绝缘体也包括被聚合物或橡胶壳体围绕的玻璃纤维芯和金属端部配合件。除悬挂和柱绝缘体外，本发明的方面也可以应用于在聚合物或橡胶壳体内密闭地包含了密封芯的任何其他类型的绝缘体，例如相到相绝缘体和所有传输和分配线和变电站线路绝缘体以及电缆终端和设备套管。

在图2A中图示的复合物绝缘体202典型地包括包围在橡胶或聚合物壳体内的玻璃纤维杆，金属端部配合件接附到杆端部。橡胶密封件用于形成端部配合件和绝缘体壳体之间的密封界面且密闭地将杆与环境密封。密封件取决于绝缘体设计可以具有多个形式。一些设计包括O型圈或压缩密封件，而其他的设计将橡胶壳体直接地结合在金属端部配合件上。因为输电线绝缘体在外部部署，它们经历环境条件，例如暴露于雨水和污染物。这些条件可能削弱和危及绝缘体的完整性，从而导致机械故障和线路落下或电短路的可能性。

如果湿气被允许与绝缘体内的玻璃纤维杆接触，则可能触发多种故障模式。最通常的故障类型之一是脆性断裂类型的故障，其中杆的玻璃纤维因应力腐蚀破裂而断裂。可能由湿气进入到玻璃纤维杆内导致的其他类型的故障是爬电和因放电行为的杆破坏。即使不是绝缘体故障的大多数也是显著的百分比的是由湿气穿透而非由机械故障或电气过载情况所导致。因此，对湿气进入到杆内的早期检测在确保在野外故障前采取修正措施中是非常有价值的。

虽然绝缘体设计且制造为被密闭地密封，但湿气可以以多种不同方式穿透绝缘体的壳体且与玻璃纤维杆接触。例如，湿气可能通过绝缘体壳体自身内的裂缝、孔或空隙进入，通过端部配合件内的缺陷进入或通过可能由壳体和端部配合件之间的不良密封所形成的间隙进入。这样的情况可能因制造缺陷，或由于时间导致的退化或线路人员的处理不当，和/或严重的环境条件而发生。

当前的检查技术典型地意图于检测湿气的存在和故障的开始，该故障因由脆性断裂导致的杆内的裂缝、可能破坏杆的放电或因碳化导致的电场改变而导致。然而，这些技术一般地要求在检查时存在湿气或因放电的损坏对于例如视觉检查、X射线等的所给定的检查技术容易地可见。

掺杂剂构造

在本发明的一个实施例中，化学掺杂剂放置在绝缘体杆的表面内或表面上或树脂纤维基质内。当湿气穿透绝缘体壳体且与杆接触时，掺杂剂被激活。在此方面，术语“激活”可以包括水解、带有或不带有表面活性剂的增溶、保护性涂层的溶解或因水的存在导致的掺杂剂的释放，这允许掺杂剂转移到绝缘体的表面。在一个构造中，被激活的掺杂剂配制为使得当激活时，它可以通过壳体内的例如裂缝或间隙的允许湿气穿透到杆的渗透路径转移。在另一个构造中，被水激活的掺杂剂可以通过聚合物壳体扩散到绝缘体表面。一旦在绝缘体壳体的外表面上，则掺杂剂的存在可通过对所使用的掺杂剂类型敏感的检测装置觉察到。例如，荧光染料掺杂剂可以使用紫外(UV)灯在视觉上被觉察到。检测到在绝缘体外侧上的掺杂剂指示了以前的与杆芯接触的湿气的存在，即使湿气可能不存在在绝缘体上或内部，或者裂缝或间隙可能不容易在检查时可见。

本发明的方面利用了这样的事实，即复合物绝缘体故障中，水通过橡胶壳体转移且通过化学腐蚀侵袭玻璃纤维。水基本上对于壳体和围绕玻璃纤维的树脂是惰性的。水典型地通过渗透通过壳体和/或杆树脂内的裂缝以及在壳体和端部配合件之间的密封故障而到达纤维。如果水溶性染料处于水的路径内，则染料将在水中溶解。因为路径或裂缝可能包含剩余的水分子，所以染料将转移回到绝缘体壳体的外表面。此染料转移由浓度梯度驱动。因为化学平衡是最低的能量状态，只要在有水存在之处，染料将试图于变成均匀的浓度，且将因此从内部的高染料浓度移动到外部的零染料浓度或较低的染料浓度。另外，当溶解在水中时，许多染料具有高的渗透压，所以渗透性可以帮助向壳体外的转移。

图3图示了根据本发明的一个实施例的用于提供对湿气穿透绝缘体壳体的指示的化学掺杂的复合物绝缘体的结构。复合物绝缘体300包括被橡胶或聚合物壳体306包围的玻璃纤维杆301。端部配合件302接附到杆301的端部，端部配合件302以橡胶密封环304靠在绝缘体壳体306上密封。对于图3中图示的实施例，化学掺杂剂308沿玻璃纤维杆301的表面的至少部分施加。掺杂剂可以在将杆插入到绝缘体壳体内或绕杆包括绝缘体壳体之前施加到杆301的外表面，或绝缘体306的内表面，或施加到二者。替代地，掺杂剂可以在端部配合件接附到杆的一个端部或两个端部之前注入在绝缘体壳体和杆之间。掺杂剂/染料层308可以是离散的染料层、包含染料的涂层/粘性层、或以染料浸渍的橡胶或环氧树脂的表面层。粘性中间层可以提供橡胶壳体和复合物杆之间的较强的结合，这降低了湿气进入的可能性。此层也可以合并纳米粘土，纳米粘土可能通过增加扩散路径长度而帮助降低湿气穿透。

掺杂剂308可以以不同于图3中示出的多种其他构造绕杆的表面散布或散布在玻璃纤维杆的结构内。图4图示了根据本发明的替代实施例的化学掺杂复合物绝缘体的结构，以用于提供湿气穿透绝缘体壳体的指示。复合物绝缘体400包括由橡胶或聚合物壳体406包围的玻璃纤维杆401。端部配合件402接附到杆401的端部，端部配合件402以橡胶密封环404靠在绝缘体壳体406上密封。对于图4中图示的实施例，化学掺杂剂408沿端部配合件402的下侧且沿密封件404的下侧表面的至少部分施加。图4中图示的实施例可以延伸为包括沿杆401的整个表面的掺杂剂，如在图3中图示。如在图4中图示的掺杂剂的放置便于在密封件404故障或端部配合件402和绝缘体壳体406之间的不良密封的情况下掺杂剂的激活和转移。

图3和图4中图示的实施例示出了其中掺杂剂靠近玻璃纤维杆301或401的表面施加的绝缘体。在替代实施例中，掺杂剂可以遍及玻璃纤维杆的内部分布。在此实施例中，掺杂步骤可以合并在玻璃纤维杆的制造中。玻璃纤维杆一般地包括由树脂保持在一起的玻璃纤维(例如E型玻璃)以造成玻璃-树脂基质。对于此实施例，掺杂剂可以在玻璃纤维杆制造前添加到树脂化合物。掺杂剂可以均匀地遍及杆的整个截面分布。在此情况中，当杆变得日益暴露和损坏时，被释放的掺杂剂的量将增加。这允许在检查期间观察到的被激活的掺杂剂的量提供了对杆内损坏程度的指示，因此增加了识别有缺陷绝缘体的可能性。

在本发明的进一步的替代实施例中，掺杂剂可以通过构成了绝缘体壳体的橡胶或聚合物材料分布。对于此实施例，掺杂剂将优选地放置在绝缘体壳体的靠近杆的深层内，使得当湿气穿透靠近杆的绝缘体而非更靠近壳体表面的绝缘体时，掺杂剂被激活。类似地，掺杂剂可以通过玻璃纤维杆自身的上层分布而非如在图3中示出沿杆的表面分布。对于此进一步的实施例，在湿气穿透存在掺杂剂的绝缘体壳体以及杆的层时，掺杂剂将被激活。掺杂剂可以包括液体、粉末、微封装或类似的化合物类型，这取决于特定的制造约束和要求。

掺杂剂可以构造为液体或半液体(凝胶)组合物，这允许在杆表面上、绝缘体壳体上或端部配合件上的涂层，或允许在绝缘体内的流动；或对于其中掺杂剂遍及杆分布的实施例，允许与玻璃纤维基质的混合。替代地，掺杂剂可以构造为粉末物质(干的)或类似的组合物，以放置在绝缘体或杆内。取决于杆的成分和与绝缘体相关的制造技术，掺杂剂也可以制成为粒状化合物。

例如在制造过程期间将掺杂剂施加到复合物绝缘体的机制可以包括静电吸引或范德华力，这将固体微粒附着到杆表面、端部配合件和/或壳体的内表面。掺杂剂也可以共价地结合到树脂或橡胶表面，使得结合在与湿气接触时被削弱或破裂。替代地，掺杂剂可以合并在粘性层内，即杆上的额外的环氧树脂或类似的物质的涂层，或混合在橡胶层内而在橡胶壳体的硫化或固化过程期间与玻璃纤维杆接触。

图5图示了根据本发明的进一步的替代实施例的用于提供对湿气穿透绝缘体壳体的指示的化学掺杂复合物绝缘体的结构。复合物绝缘体500包括接附有端部配合件的由橡胶或聚合物壳体围绕的玻璃纤维杆501。对于图5中图示的实施例，化学掺杂剂508以微封装染料形式或染料的盐形式遍及杆分布。在这样的盐形式中，掺杂剂被存在于被损害的绝缘体杆501内的酸或水激活。作为盐或微封装染料，掺杂剂不能在绝缘体内转移。当暴露于酸或水时，掺杂剂以其离子形式可以更自由地通过杆转移且转移到绝缘体壳体内的任何渗透路径外。这样的微封装染料也可以用于在掺杂剂使用在杆表面上或壳体内时包装掺杂剂，例如在图3和图4中图示的实施例。

对于微封装实施例，染料可以涂敷以水溶性聚合物，该水溶性聚合物保护染料不污染制造车间且最小化了在制造期间染料在绝缘体壳体的外部上的表面污染的可能性。这样的聚合物涂层也可以帮助防止在制造期间通过暴露于环境湿气的染料水解或激活。

关于微封装，替代的实施例是将染料封装在胶囊内，胶囊自身能转移到渗透路径外。在此情况中，染料溶液包含在透明的(对于观察介质透明)微胶囊涂层内。当湿气进入时，包含染料的胶囊将转移到壳体表面且被壳体的表面纹理捕获。染料则在通过涂层的合适的波长范围内是可检测的。对于此实施例，染料溶液可以封闭在环糊精分子内。一般地，环糊精是略微水溶性的(例如1.8mg/100ml)，所以暴露于严重的湿气可能导致涂层溶解。封装的替代形式是使用巴克球(buckyball)分子。对于此实施例，富勒烯(巴克球)可以在其内部包含另外的小分子，因此用作纳米胶囊。纳米胶囊的尺寸应选择为使得可以通过渗透路径转移。

应注意的是，以上参考图3至图5描述的实施例图示了与绝缘体的杆、壳体、端部配合件和密封件相关的掺杂剂的多种典型放置，且这些实施例的其他变化和组合是可以的。

掺杂剂成分

水溶性掺杂剂

对于以上描述的实施例，掺杂剂是以穿透绝缘体壳体且在绝缘体杆的外表面上或附近与掺杂剂接触的水激活的或由它运输的化学物质。假定水已通过壳体或密封件内、或在端部配合件、密封件和壳体之间的界面的任何界面内的裂缝、间隙或其他空隙而穿透绝缘体壳体或橡胶密封件。在一个构造中，掺杂剂包括能通过渗透路径析出且沿绝缘体壳体外表面转移的物质。本发明的实施例利用了这样的事实，即如果水转移到绝缘体内部，则类似尺寸和极性的化合物也应能转移出。掺杂剂包括在环境中不容易发现的元素，使得浓度梯度有利于掺杂剂通过双向扩散或渗透途径向外移动且最小化来自环境污染的伪阳性。

在本发明的一个实施例中，例如掺杂剂308的掺杂剂是水溶性激光染料。这样的掺杂剂的一个例子是罗丹明(Rhodamine)590氯化物(也称为Rhodamine 6G)。此化合物在479nm处具有最大吸收且以5×10E-5的摩尔浓度用作激光染料。此染料也以高氯酸盐和四氟硼酸盐获得。另一个合适的化合物是二钠荧光素(也称为荧光素纳)。此化合物以4×10E-3的摩尔浓度用作激光染料，在412nm处具有最大吸收且具有536至568nm的荧光范围。地下水示踪染料也可以用作掺杂剂。地下水失踪染料具有类似于激光染料的荧光特征，但也可以对于裸眼是可见的。

在本发明的替代实施例中，掺杂剂可以是红外吸收染料。这样的染料的例子包括：花青染料，例如七甲川菁、酞菁和萘酞菁染料。其他例子包括醌和金属络合物染料等。这些典型的染料的一些有时称为“水不溶性”染料，因为它们溶解性可以低于水的两千分之一。一般地，在百万分之几的量级上的水溶液足以提供可检测到的改变。也可以使用具有更高的水溶解性的染料。

一般地，用作本发明的掺杂剂的特征包括：掺杂剂从非穿透的或未损坏的绝缘体内不转移，以及掺杂剂在绝缘体内很长期间内(例如数十年)且在例如温度循环、电晕放电、风载荷等的多种环境应力下保持稳定和化学惰性。对于掺杂剂所希望的其他特征是强的检测器响应、与水相关的转移/扩散特征、一旦被激活的长时间期间(例如至少一年)内在环境中的稳定性，以允许在湿气进入到绝缘体内长时间后的检测。

在一个实施例中，掺杂剂可以通过添加永久着色剂强化。这将提供掺杂剂在绝缘体表面上的存在的持久印记，即使掺杂剂自身不能在绝缘体外部保持。涂料可以以微封装形式提供，在与湿气接触时，微封装有效地溶解。这样的微封装有助于增加染料的寿命且最小化任何对绝缘体性能的可能影响。一些技术上不已知为染料的材料也适合于用作掺杂剂。例如，聚苯乙烯可以用作掺杂剂。聚苯乙烯具有在大约260nm处的峰值吸收激励且其峰值荧光性在大致330nm处。对于此实施例，聚苯乙烯可以封装在纳米球内，纳米球被涂敷以附着到绝缘体外表面。当转移到绝缘体外部时，汞光可以用作激励源以激励聚苯乙烯球且使得能通过合适的检测器来检测，例如通过可以检测在240至280nm范围内的辐射的白日电晕照相机(例如DayCor^TM)，该范围处于UV太阳盲带内(电晕放电典型地发出230nm至405nm的UV辐射)。

聚苯乙烯球可以涂敷以其表面能量低于风化橡胶但高于原始橡胶的材料或由这样的材料制成。以此方式，球将不弄湿绝缘体内表面上的橡胶但将弄湿且附着到风化的外表面。来自已变粗糙的风化橡胶表面的物理束缚将有助于保持纳米球不从壳体被冲洗去。替代地，在绝缘体内无活性，但当暴露于阳光后具有活性的“日光胶”可以用于帮助将纳米球附着到绝缘体表面。

掺杂剂也可以包括水不溶性染料，对于该染料，非水溶液是最强的信号。这样的化合物的例子是聚α烯烃(PAO)，它典型地用作非传导流体用于冷却电子器件。PAO是液体且可以用作亲脂性染料的溶剂。对于此实施例，染料将在PAO中溶解且作为液体层添加在杆和壳体之间。当暴露于通过渗透路径的湿气时，PAO染料溶液将优选地弄湿壳体内暴露的橡胶且然后通过毛细作用转移到壳体的外部。作为相关的替代，有机溶剂或PAO可以微封装到水溶性涂层内。水溶性微胶囊可以是与水不溶性染料干共混的且混合的粉末然后可以放置在绝缘体内。当与穿透的湿气接触时，水溶性胶囊将溶解且导致释放的有机溶剂溶解染料。有机溶剂-染料溶液将然后弄湿橡胶且转移到绝缘体壳体外。

图6A和图6B图示了根据本发明的一个实施例的掺杂剂在已穿透到复合物绝缘体的杆的湿气存在时的激活和转移。在图6A中，来自雨水620的湿气穿透了复合物绝缘体的外壳607内的裂缝606。裂缝606代表了允许湿气穿透通过绝缘体壳体且穿透到杆的渗透路径。另一个渗透路径608可能由于密封件609的故障导致。掺杂剂604布置在壳体607的内表面和杆602的外表面之间，例如在图3中图示。当与湿气接触时，掺杂剂604的部分610或612变得被激活。绝缘体内和绝缘体外侧环境内的掺杂剂的浓度差异导致了被激活的掺杂剂转移出渗透路径606或608。被激活的掺杂剂从绝缘体内转移出到绝缘体壳体的表面在图6B中图示。如在图6B中示出，当激活时，被激活的掺杂剂从渗透路径析出且流动以形成壳体表面上的沉积614或616。如果使用穿透染料或着色剂，则析出的染料614可能在壳体内通过穿透壳体的聚合物网络而混合，而非严格的表面沉积，如在图6B中示出。取决于掺杂剂所使用的染料或着色剂，掺杂剂的存在可能通过使用合适的成像或观察设备被觉察到。

图7图示了根据本发明的一个实施例的在已穿透到复合物绝缘体的杆的湿气存在时的掺杂剂的激活、转移和检测。如在图6B中图示，当绝缘体壳体破裂时或如果密封件无效时，杆将被暴露且掺杂剂转移出到绝缘体的外表面。图7图示了两个典型的水穿透到绝缘体壳体的例子。裂缝706是绝缘体自身的壳体内的空隙，例如在图6A和图6B中所图示。作为结果的水进入造成了掺杂剂704的激活710。被激活的掺杂剂然后通过裂缝706向外流回以形成了绝缘体壳体表面上的掺杂剂沉积714。另一个渗透路径的类型可以由密封件709和壳体707和/或端部配合件711之间的间隙造成。该间隙在图7中图示为间隙708。当湿气穿透通过此间隙时，掺杂剂704被激活。被激活的掺杂剂712然后流出间隙708以形成沉积716。取决于掺杂剂的组成，其在绝缘体表面上的存在可以使用合适的检测装置被检测到。例如，源720图示了激光或紫外光发射器，它能揭示掺杂剂沉积714或716的存在，掺杂剂沉积714或716包含了在合适的波长处对于传输敏感的染料，例如激光诱导荧光染料。类似地，源718可以是视觉、红外或超谱照相机。陷波滤波器可以通过在特定波长处的反射、吸收或荧光性用于检测任何掺杂剂沉积的存在。这些检查设备允许操作者从一定距离处进行对绝缘体的检查(如果染料在可见光波长范围内反射光，则裸眼也可以识别有缺陷的单元)。它们也可以使自身进行自动检查过程。掺杂剂在绝缘体的外表面上的检测提供了绝缘体杆已暴露于湿气的确定性证据，该暴露因为有故障的密封件或绝缘体壳体内的裂缝，或因为在绝缘体或端部配合件内的任何其他的可能空隙导致。虽然杆的例如脆性断裂的实际故障可能尚未存在，但杆暴露于湿气指示了这样的故障模式可能最终发生。在此情况中，绝缘体可按要求被维修或替换。以此方式，掺杂的复合物绝缘体提供了自诊断机制且提供了在故障过程中早期的高风险警示。取决于所使用的染料和源的类型，检测器可以是分开的单元(未示出)，与源718或720整合的单元，或在视觉可检测染料的情况中是操作者个人。

取决于掺杂剂成分和检测装置，为生成可检测信号可能仅需要非常小量的染料存在。例如，绝缘体表面上的百万分之一(1ppm)的染料可能对于某些掺杂剂/染料成分足以产生使用紫外、红外、激光或其他类似检测装置的信号。掺杂剂在绝缘体内的分布和包装也取决于被利用的掺杂剂的类型。例如，每一千克的玻璃纤维杆部分可能包含(或涂覆以)大约10克染料。

油溶性掺杂剂

在本发明的一个实施例中，如在图3、图4和图5中示出的用于指示湿气通过壳体穿透的掺杂剂是油基染料或着色剂化合物，它们配制为提供改进的到硅橡胶的结合和在外部条件中更高的耐退色性。

将油溶性染料化合物作为掺杂剂用在NCI壳体中要求了某些运输机制，以便于掺杂剂通过壳体内的渗透路径且沿壳体的在湿气渗透区内的表面的移动。这样的运输机制可以包括封装了油溶性染料且允许沿NCI聚合物壳体的机械断裂转移的胶束，或允许染料通过NCI聚合物壳体扩散的通常的溶剂化系统。

在一个实施例中，如在图3、图4和图5中图示的分布在NCI芯或壳体表面内或上的掺杂剂包括聚集成胶束结构的油溶性染料。一般地，胶束是表面活性剂分子的特定的组合，其中厌水性(处于极性连续相)端或亲水性(处于非极性连续相)端向内群集以逃离连续相。当表面活性剂存在于临界胶束浓度以上时，它们作为乳化剂起作用。对于胶束系统，一旦在水存在时掺杂剂被激活，则溶剂和染料包含在胶束芯内。这在图8A中图示，其中溶剂和染料802包含在胶束结构804内。

图8B图示了胶束结构804通过例如非陶瓷绝缘体的聚合物壳体的表面806的扩散。胶束沿水渗透路径(进入/排出途径)转移到壳体表面。胶束结构内的油和染料一旦在表面上则扩散到壳体的聚合物材料内，如在图8C中以着色区域808示出。这将聚合物壳体着色。对于其中使用了胶束结构的油溶性掺杂剂的实施例，存在两个可能的到壳体外表面的途径。第一途径是溶剂和染料通过聚合物的扩散，且第二个途径是胶束沿水路径到外表面的转移。这在图9A中分别图示为路径902和904。

在油溶性掺杂剂系统的替代实施例中，掺杂剂可以包括将单元的亲油性区域着色的染料。这些染料可以包括例如油红O，油蓝N和苏丹IV的着色剂。用于将燃料、油和油脂染色的标志技术也可以用作油溶性染料。例如，溶解在石油蒸馏物中的Unisol染料浓缩物或类似的染料用作硅油内的分散剂且适合于用作用于本发明的实施例的油溶性染料化合物。类似地，也可以使用包括散布在溶剂内的颜料以形成膏的用于硅橡胶的涂料。在一个实施例中，乳化剂可以用于形成用于亲油性和水溶性染料的硅树脂泡输送系统。染料也可以封闭在硅树脂油脂内的水激活的微胶囊内，或包含了硅油或低聚物的水激活的微胶囊内。

取决于染料如何封装，因水渗透和在NCI的芯内的存在导致的染料通过壳体的扩散可以通过数个不同的方法完成。这些包括毛细作用、渗透压梯度、掺杂剂通过聚合物壳体的扩散和胶束转移。在一个实施例中，例如甲基蓝或类似的水溶性化合物的某些化合物可以与油溶性化合物结合使用，以在水存在时构建压力来帮助将染料驱动到壳体表面且沿壳体表面驱动。

在进一步的替代实施例中，油基掺杂剂可以包括使得能实现纳米技术的材料，例如半导体量子点、金或银纳米微粒等。这样的化合物是极小的，典型地仅数千个原子或更少。这为它们赋予了可以通过改变点的尺寸和/或组合而定制的特别的光学特性。这些特性通过电子在点分子内的“量子限制”而发生。在一个实施例中，有机染料分子由量子点微粒替代。量子点的典型的核直径为5nm。量子点可以由可用于调整它们与其他材料的化学吸引或排斥的其他成分来“封罩”或封装。由于它们的小尺寸，它们可以转移到非陶瓷绝缘体的聚合物外表面。一般地，量子点指示剂在物理上比有机染料远更稳健且也以比标准荧光染料更高得多的量子效率发荧光。虽然量子点化合物典型地由半导体材料制成(例如镉、硒化物等)，但它们的小尺寸和低浓度具有在电力绝缘体应用中最小的电效应。量子点化合物可以包括在胶束结构内，如在图8A中示出。

如以上参考水溶性染料实施例所描述，使用油溶性染料的掺杂剂的检测可以利用对于提供了可见颜色或阴暗标记的着色剂、染料、墨或颜料的视觉技术，或用于在红外范围内可检测的标记的红外技术。

虽然以上描述的实施例的一些针对油溶性掺杂剂，例如石油衍生物质，但应注意的是，也可以使用其他类型的非水溶性或非水基掺杂剂。这些掺杂剂包括由矿物、植物、动物或合成源得到的物质制成的掺杂剂，且它们一般是粘性的且在多种有机溶剂内可溶但在水中不可溶。

先前论述的实施例描述了包含在由穿透的湿气激活时转移出壳体的染料的掺杂剂。替代地，掺杂剂可以包括与在壳体表面上存在的物质结合工作的激活剂。当掺杂剂转移到表面时，发生化学反应以将在壳体表面上的可见或另外地可被检测的染料“显影”。在相关的实施例中，壳体可以包括帮助掺杂剂或染料沿壳体的外表面扩展且因此增加着色面积的芯吸剂。芯吸剂应是厌水的，以维持防水壳体的功能性，因此对于此实施例，应使用亲油性染料。

作为进一步的替代实施例，壳体自身的外表面可以被处理，例如通过臭氧或等离子处理，以便于使壳体被转移出表面且沿表面转移的染料着色。

在本发明的一个实施例中，提供了自动检查系统。对于此实施例，使用合适的成像设备将非陶瓷绝缘体周期性扫描，例如使用数字照相机或摄像机。图像被收集且然后被实时分析以检测绝缘体表面上的析出的染料的存在。数据库存储了对应于带有变化的掺杂剂量的绝缘体的多个图像。将捕获的图像与存储的图像参考对比度、颜色或其他标记进行比较。如果捕获的图像与无掺杂剂存在的图像相配，则测试返回“好”的读数。如果捕获的图像与带有一些存在的掺杂剂的图像相配，则测试返回“差”的读数，且设定了记号或向操作者发送信息，或进一步处理图像以确定掺杂剂的存在程度或伪阳性指示。进一步的处理可以包括将捕获的图像滤波以确定任何表面对比度是否是由于环境、光照、阴影、材料差异或其他与析出的掺杂剂的实际存在无关的原因。

本发明的方面也可以应用于任何其他带有外部保护覆盖物的复合物系统或聚合物物品，其中系统的故障可以由水通过壳体的渗透导致。复合物压力容器是这样的项目类的代表。例如，使用在车辆内或用于存储的压缩天然气(CNG)罐经常由玻璃纤维制成，且可能因为如上所述的应力腐蚀破裂或相关的缺陷而出现故障。这样的罐典型地覆盖有防水衬或不可渗透的密封件以防止湿气的穿透。在这些罐或容器中使用的复合物外包裹件经常不具有足够好的对湿气进入的外屏障，且易受水的穿透。组成罐的璃纤维材料可以嵌入或化学地掺杂以如在图3、图4或图5中示出的且根据以上涉及非陶瓷绝缘体论述的染料。罐材料对穿透通过防水衬或密封件的湿气的暴露将导致染料转移到罐表面，在表面处染料可以通过视觉或自动装置被觉察到。

在某些应用中，暴露于酸而非水的湿气可能导致可能的故障。取决于实际实施，掺杂剂可以构造为仅对酸释放(例如pH值为5和低于5)而非对于对水的暴露做出反应。微封装技术或制药上使用的倒肠涂层，例如在大于大约pH值6下不溶解的那些可以用于在酸存在时激活掺杂剂。替代地，可以使用对pH值敏感的染料，该染料在中性pH值时是透明的，但在酸性水平下显影出颜色。

在前文中已描述了用于提供对因绝缘体芯暴露于环境导致的复合物绝缘体或类似的物品的故障情况的早期警示的指示剂。虽然本发明已参考特定的典型实施例描述，但将显见的是对于这些实施例可以进行多种修改和变化而不偏离本发明的如在权利要求书中阐明的更宽广的精神和范围。因此，说明书和附图被考虑为具有示例性意义而非限制性意义。