圓柱頭瓷絕緣子生產過程中內水壓值的確定方法

鄒德仕，于清波

（大連電瓷集團輸變電材料有限公司技術研發中心，遼寧大連 116600）

引言

電力工業關系國計民生，是國家的基礎產業之一，加快建設堅強的國家電網，對于實現資源的優化配置，促進經濟社會可持續發展，推動我國能源的高效開發利用和全面建設小康社會具有深遠意義[1]。在社會主義新時代下，國家電網要轉變成以特高壓為主，各級電網協調發展的堅強智能電網，同時也要充分運用人工智能、移動互聯等先進的信息通信技術，將國家電網打造成萬物互聯的泛在電力物聯網。這一切實現的基礎就是要擁有強大且安全的國家電網。

絕緣子是架空輸電線路的重要組成部分，特高壓輸電工程對懸式絕緣子提出了更多更高的要求，如防污穢閃絡、更高的機械強度、提高過電壓耐受能力等等。特高壓架空輸電線路懸掛的導線較多且橫截面積較大，運行條件比較復雜，因此，應用于特高壓線路的絕緣子要擁有足夠大的承載能力。為了保障特高壓電網的安全運行，作為絕緣子制造企業，必須對產品質量進行嚴格控制。優質的絕緣件是性能優良絕緣子的基礎，對膠裝前的絕緣件進行內水壓試驗，有效剔除有缺陷的廢品，對于保障絕緣子的機電性能至關重要。如何科學確定內水壓值，成功剔除有缺陷的廢品，使優質絕緣件順利流轉到下一生產環節，需要技術研發人員仔細研究。

1 內水壓試驗

1.1 試驗原理

圓柱頭盤型懸式瓷絕緣子在掛線運行時，主要承受拉力作用，當絕緣子的鐵帽和鋼腳承載拉力負荷時，因為鋼腳頭部的“楔子”效果，通過膠合劑使絕緣件頭部瓷壁產生應力，該應力與絕緣件在內水壓試驗中承受內壓負荷時產生的應力間存在一定的聯系[2]，因此可用此法剔除有雜質、氣泡和裂紋等缺陷的絕緣件。該方法操作簡單，容易實現自動化，而且由于它是在膠裝前的絕緣件上進行，施加負荷可以較高，能更有效地剔除廢品。

1.2 試驗設備

內水壓試驗設備主要由底座、支架、氣缸、壓頭、水箱、油泵等幾部分組成，內水壓試驗如圖1所示。試驗時，絕緣件處于靜止狀態，主要承受由于密封和承載所受的機械力P1，絕緣件自身重力G，注水壓力P2和圓柱頭絕緣件內壁對水的阻力P。

圖1 內水壓試驗

1.3 試驗方法

絕緣件在進行內水壓試驗前，將水箱注滿水，調整給水系統水的流量，滿足水箱與絕緣件內孔有足夠的水；檢查內水壓機油箱供油情況，并對潤滑部位進行潤滑。試驗人員根據產品品種，更換壓頭、密封墊與墊圈，調整壓頭上下距離，根據產品等級確定水壓機的工作壓力和油泵的工作壓力（以剛好封住水不泄露為宜），在空車試運行無異常的情況下，使用與被試驗產品等級相同的廢品進行試壓，完全正常后開始工作。

2 內水壓值的確定方法

要想使內水壓試驗有效剔除缺陷絕緣件，保證后期的產品質量，就需要結合瓷質強度科學地確定內水壓試驗值，內水壓過程中絕緣件處于靜止狀態，受力平衡，忽略由于密封和承載所受的機械力P1和自身重力G，則圓柱頭絕緣件內孔中的水只受壓力P2和瓷壁對水的阻力P，為保證絕緣件處于平衡狀態，P2可簡化與P相等，所以內水壓試驗簡化后的受力情況如圖2所示。其中D為圓柱頭絕緣件外徑，d為圓柱頭絕緣件內徑，P為內水壓值。此時可將正在進行內水壓試驗的圓柱頭絕緣件近似為內部受壓力作用的厚壁瓷筒，借用拉美公式可對厚壁圓筒任意半徑處的應力進行計算。

圖2 內水壓受力簡化圖

當絕緣件只受內壓時，根據拉美公式，任意半徑r處的周向應力σθ、徑向應力σr，軸向應力σz分別為：

令K=D/d，則公式（1）、（2）、（3）分別轉化為：

由公式（4）、（5）、（6）可以看出，σθ在r=d時最大，即瓷頭內壁處周向應力取得最大值；σr為負值，即壓應力，徑向壓應力最大值也出現在瓷頭內壁；σz為固定值。所以各應力最大值為：

三個應力中最大的為σθ，則在內水壓試驗中，最易導致瓷件破壞的應力為周向應力σθ。為了有效剔除不良品，同時又不使更多合格品被破壞，可按無缺陷破壞概率0.50%至5.0%之間取值，參照標準正態分布表，內水壓對產品產生的應力取σp-2.58 s≤σ≤σp-1.64 s比較適宜，其中σp為瓷質的固有強度，s為瓷質固有強度的標準偏差，則內水壓值P的范圍為：

由公式（10）可知，圓柱頭絕緣件的內水壓值主要取決于絕緣件的K值和固有強度以及標準偏差。根據多年生產實踐，各等級絕緣件的K值主要在1.7～2.0之間，K的取值由各廠家的產品結構確定。絕緣件的固有強度和標準偏差主要取決于生產企業的瓷質配方和生產工藝。假定某等級絕緣件的K值為1.80，標準偏差為15 MPa，則內水壓值P的范圍隨固有強度的變化情況如圖3所示。從圖3可知，隨著固有強度提升，絕緣件內水壓值將顯著提高，但在標準偏差不變的情況下，內水壓上下限值之差不變。

圖3 內水壓范圍隨固有強度的變化情況

假定某等級絕緣件的K值為1.80，瓷質的固有強度為80 MPa，則內水壓值P的范圍隨標準偏差的變化情況如圖4所示。對生產工藝進行優化后，可在一定程度上降低絕緣件固有強度的標準偏差。從圖4可知，當標準偏差變大之后，絕緣件內水壓值明顯降低，且內水壓上下限值之差明顯變大。此時如果還按無缺陷破壞概率0.50%至5.0%之間取值，則無法保證后期產品強度。

圖4 內水壓范圍隨標準偏差的變化情況

3 結論

圓柱頭瓷質絕緣件的內水壓值主要與絕緣件頭部外徑與內徑之比和瓷質強度以及生產工藝有關。在絕緣件內孔尺寸固定的情況下，提高K值，可以提升內水壓值，但會導致懸式絕緣子鐵帽帽口變大，使產品重量增加，降低了產品在市場中的競爭力。提高瓷質固有強度，優化生產工藝，降低瓷質固有強度的標準偏差，可明顯提高絕緣件內水壓值，且內水壓上下限值之差明顯變小。對于特高壓線路的高強度等級圓柱頭懸式瓷絕緣子，需要提高瓷質固有強度，同時降低標準偏差，否則按無缺陷破壞概率0.50%至5.0%之間取內水壓值，將無法保證后期產品強度。

在生產實踐中，通過科學嚴謹的計算和試驗驗證，針對不同瓷質和不同等級產品，確定科學合理的圓柱頭絕緣件內水壓值，可以有效剔除缺陷絕緣件，保證懸式絕緣子的產品質量。