淺談瓷絕緣子的生產(chǎn)工藝及燒成

劉義敏

（江西高強電瓷集團有限公司）

0 引言

瓷絕緣子按照使用方向的不同主要分為三種，一種是輸電線路中使用的絕緣子，一種是電站的電氣設(shè)備上使用的絕緣子，另外其它帶電體中使用的絕緣部件也會用到瓷質(zhì)絕緣子。瓷絕緣子的作用主要是連接不同位置的導(dǎo)體和部件，并在支撐這些導(dǎo)體和部件的同時發(fā)揮絕緣作用。瓷絕緣子在我國電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，如盤型懸式絕緣子和長棒型絕緣子用于不同電壓的輸電線路中，支柱型絕緣子用于電站的母線以及電氣設(shè)備。瓷絕緣的生產(chǎn)制造水平是一個國家電力工業(yè)水平的重要體現(xiàn)，對其生產(chǎn)工藝進行探討有著重要的實用意義。

1 瓷絕緣子的性能要求

由于瓷絕緣子是為輸電線路提供支撐和絕緣作用，因此無論在機械強度還是絕緣強度方面的要求都比較高，而且我國自然環(huán)境相對比較復(fù)雜，瓷絕緣子大多用于室外甚至野外環(huán)境，所以還要求瓷絕緣子產(chǎn)品能夠適應(yīng)復(fù)雜的環(huán)境條件。

1.1 電氣強度和絕緣強度的要求及檢測

瓷絕緣子的工作原理是將空氣和絕緣件進行并聯(lián)從而發(fā)揮絕緣作用，因此在絕緣子使用過程中如果極間電壓過大，就會使得瓷絕緣子和空氣之間產(chǎn)生放電現(xiàn)象或是瓷絕緣子被空氣擊穿的現(xiàn)象，所以瓷絕緣子必須能夠承受一定的電壓，以防止發(fā)生閃絡(luò)。

此外，瓷絕緣子主要用于高壓輸供電線路、超高壓輸供電線路以及電站電氣設(shè)備的外絕緣部分，因此要求其必須具備較高的外絕緣性能。

瓷絕緣子大量地用于高壓和超高壓輸電線路及相關(guān)電氣設(shè)備的外絕緣設(shè)備，故對其外絕緣電氣性能有極高的要求。對于可擊穿型瓷絕緣子和瓷套管來說，使用環(huán)境比較復(fù)雜，有的需要受機械、電氣以及熱負荷共同作用，所以對這兩種瓷絕緣子的內(nèi)絕緣性能的要求也非常高，產(chǎn)品必須經(jīng)過內(nèi)絕緣性能試驗后方可出廠。如針對可擊穿型絕緣子需要進行電火花試驗，以檢測其內(nèi)部是不是有裂紋和氣泡等問題，如果發(fā)現(xiàn)問題則直接列為廢品。對于瓷套管則需進行沖擊試驗和濕耐受試驗，還要對電容瓷套管的電容量和介電損耗予以測量。無論是濕接法成型還是瓷接法成型的套管還要經(jīng)受瓷壁耐壓試驗對接口的質(zhì)量進行檢測。

1.2 機械強度要求及檢測

瓷絕緣子能夠作為電氣設(shè)備和輸供電線路的支撐，按照具體使用的方向，在機械強度要求上有一定的差別。以應(yīng)用于輸供電線路中的懸式絕緣子為例來說，其主要受到線路兩端拉伸力的作用，而對于支柱型絕緣子和瓷套管來說承受的主要包括拉力和風力，在這兩種力的共同作用下支柱型絕緣子和瓷套管的負荷形式為彎曲負荷，而對于作為電氣設(shè)備開關(guān)的絕緣子來說承受的則主要為扭矩力。

通過機械強度試驗既可以對瓷質(zhì)絕緣子的機械性能進行檢測，還可以對其整體結(jié)構(gòu)以及附屬部分的粘連強度進行檢測。支柱型瓷質(zhì)絕緣子和瓷套管在出廠時需接受多方向的彎曲負荷試驗，滿足要求后方允許出廠。另外也可以通過內(nèi)水壓試驗對瓷質(zhì)絕緣子的機械強度和耐受強度進行檢測。對于野外使用的瓷質(zhì)絕緣子來說還會受到溫度、大氣條件等環(huán)境因素的影響，所以瓷質(zhì)絕緣子產(chǎn)品出廠時還要接受反復(fù)的溫度循環(huán)試驗、防污性能試驗以及模擬環(huán)境試驗。

2 瓷絕緣子生產(chǎn)工藝

我國國內(nèi)生產(chǎn)制造瓷質(zhì)絕緣子的歷史可追溯到上世紀20年代，逐漸發(fā)展出一套比較成熟的濕法可塑成型工藝，國內(nèi)廠家利用這一工藝生產(chǎn)出的盤型懸式絕緣子強度可達550kN，已經(jīng)能夠在很大程度上滿足我國直流550kV、交流750kV輸電線路的需求。后來為了繼續(xù)提高瓷質(zhì)絕緣子產(chǎn)品的強度，研發(fā)了等靜壓干法成型工藝，以棒型支柱瓷質(zhì)絕緣子為例，通過傳統(tǒng)濕法工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品在工序上比較繁瑣，而且由于原材料的微觀均勻性難以達到標準，在抗彎曲強度上已不能完全適應(yīng)現(xiàn)代電力工業(yè)的需求，而干法工藝不僅工序較為簡單，能夠更好適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的機械化要求，而且通過這一工藝生產(chǎn)的瓷質(zhì)絕緣子產(chǎn)品具有機械強度高、產(chǎn)品性能穩(wěn)定以及材料分散性較小等優(yōu)勢，因此該種工藝在我國瓷質(zhì)絕緣子企業(yè)中逐漸推廣開來。就目前來說，空心絕緣子的生產(chǎn)工藝分為兩種，一種是傳統(tǒng)的整體成型生產(chǎn)工藝，還有一種是粘接成型生產(chǎn)工藝。如果瓷質(zhì)絕緣子規(guī)格小于2.5m，通常采用整體成型工藝進行生產(chǎn)，產(chǎn)品在外形上不存在接口。而對于規(guī)格超過2.5m的瓷質(zhì)絕緣子的生產(chǎn)一般通過粘接成型工藝，按照粘接材料的不同還可細分為無機粘接和有機粘接，在此不再贅述。

3 瓷絕緣子的燒成

在瓷質(zhì)絕緣子的生產(chǎn)過程中，燒成即對絕緣子的坯體進行熱處理，這是一個非常關(guān)鍵的工序，對瓷質(zhì)絕緣子的顯微結(jié)構(gòu)以及產(chǎn)品質(zhì)量有著重要影響。受溫度環(huán)境、坯體質(zhì)量等因素的影響，燒成過程發(fā)生的反應(yīng)程度會存在一定的差別，使得瓷質(zhì)絕緣子產(chǎn)品的顯微結(jié)構(gòu)、物相組成以及最終質(zhì)量也會受到影響。一般來說，國內(nèi)采用的瓷質(zhì)絕緣子燒成的溫度標準為1250-1300℃，在保溫條件和溫度條件的共同作用下，坯體的顯微結(jié)構(gòu)就會發(fā)生變化，某一組分可能發(fā)生溶解、某一相可能會被析出。在對坯體進行加熱的過程中會發(fā)生復(fù)雜的物理化學(xué)變化，才能最終制造出由玻璃相、晶相以及少部分氣相共同構(gòu)成的瓷體。為了保障燒成工序的順利進行，必須建立完善的燒成制度，設(shè)計合理的燒成溫度曲線，包括加熱速度、燒成溫度和冷卻速度三個要素。

燒成溫度指的是絕緣子胚體在加熱、冷卻等過程中溫度的最高點，因此，也被叫做止火溫度。對于大部分瓷質(zhì)絕緣子來說，其最終的性能和燒成溫度有著很大的關(guān)系，雖然絕緣子的胚體在燒成過程中只要處于規(guī)定的溫度范圍內(nèi)就可以最終成型，而且吸水率和氣孔率也能夠得到保障，但是瓷質(zhì)絕緣子的顯微結(jié)構(gòu)和最終性能會在很大程度受到燒成溫度的影響。通常來說，只要胚體能夠進入最后的燒結(jié)狀態(tài)，其電氣絕緣性能就會非?？煽?，但是機械強度則不一定，因此在選擇燒成溫度時主要以瓷體的機械強度作為考慮因素。在瓷質(zhì)絕緣子的燒成過程中所發(fā)生的物理化學(xué)變化會造成胚體結(jié)構(gòu)變化，主要分為下面幾個部分：

3.1 低溫階段（室溫——300℃）

在這一階段中，可以將瓷質(zhì)絕緣子坯體中的殘余水分和黏土中的吸附水予以排除。

3.2 氧化分解階段（300——950℃）

在這一階段中，可以將原材料中礦物的結(jié)構(gòu)水予以排除，同時坯體中的無機物、有機物以及碳元素會發(fā)生氧化反應(yīng)，硫化物和碳酸鹽會發(fā)生分解。另外，原材料中的石英成分會從低溫晶型向高溫晶型轉(zhuǎn)化。坯體中的高嶺石等礦物中的大部分結(jié)構(gòu)水會在完備的達到500-650℃時被排除，進而轉(zhuǎn)化成為偏高嶺土。高嶺石中的結(jié)構(gòu)水排除時會減輕瓷質(zhì)絕緣子胚體的重量和硫化物、碳酸鹽發(fā)生分解所產(chǎn)生的氣體被排除會增加瓷質(zhì)絕緣子胚體中的氣孔數(shù)量，進而提高胚體的性能。當溫度達到573℃時，由于石英的晶型轉(zhuǎn)化會使得胚體的體積迅速變大，但與此同時高嶺石由于結(jié)構(gòu)水被排除會發(fā)生收縮，從而在一定程度上緩解胚體的體積變化。

3.3 高溫階段（950℃——燒成溫度）

這一階段可以進一步細分為三個部分：

氧化階段：在這一階段中，隨著氧化分解過程的進行和結(jié)構(gòu)水的進一步排除，偏高嶺石中的γ-Al2O3尖晶石會逐漸成型，并向硅鋁尖晶石和無定型SiO2轉(zhuǎn)化。同時原材料中的長石被熔解成為液相，當液相足夠時瓷質(zhì)絕緣子胚體就會開始燒結(jié)。在上述過程中，瓷質(zhì)絕緣子胚體會不斷發(fā)生收縮，減少內(nèi)部氣孔的數(shù)量，使得胚體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)更加緊密。

還原階段：在這一階段中，由γ-Al2O3尖晶石轉(zhuǎn)化形成的硅鋁尖晶石會形成方石英和一次莫來石，隨著硫酸鹽和高價鐵的逐步分解，會產(chǎn)生很多的液相，石英被進一步熔融的同時會在其周圍形成富硅無定型熔蝕圈。固體顆粒的間隙中會被玻璃熔體所填滿，同時瓷質(zhì)絕緣子胚體的氣孔率進一步降低，同時一部分Al2O3和SiO2被熔解形成二次莫來石，進一步提高胚體的機械強度。

保溫階段：上一階段中胚體內(nèi)部的反應(yīng)，通過液相將各個晶粒進行連接，形成一個均勻的整體結(jié)構(gòu)。

3.4 冷卻階段（燒成溫度-室溫）

在這一階段中，原材料中的長石析出少量二次莫來石，同時由于液相的粘度較大不會結(jié)成晶體，隨著溫度逐漸冷卻，液相的粘度進一步提高，最終固化成瓷體。

4 結(jié)束語

近年來，我國電力工業(yè)發(fā)展迅猛，對于瓷質(zhì)絕緣子的性能要求也越來越高，因此需要加大瓷質(zhì)絕緣子產(chǎn)品的研究力度，開發(fā)出更強性能的產(chǎn)品，這是我國電力工業(yè)發(fā)展的客觀需求，能夠有力推動我國遠距離電網(wǎng)建設(shè)。文章對瓷絕緣子生產(chǎn)工藝以及燒成過程進行了探討，希望能夠為我國電瓷絕緣子的發(fā)展略盡綿薄之力。