圓柱頭瓷絕緣子生產(chǎn)過程中內(nèi)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(shù)研發(fā)中心，遼寧大連 116600）

引言

電力工業(yè)關(guān)系國計民生，是國家的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一，加快建設(shè)堅強的國家電網(wǎng)，對于實現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，促進經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展，推動我國能源的高效開發(fā)利用和全面建設(shè)小康社會具有深遠(yuǎn)意義[1]。在社會主義新時代下，國家電網(wǎng)要轉(zhuǎn)變成以特高壓為主，各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng)，同時也要充分運用人工智能、移動互聯(lián)等先進的信息通信技術(shù)，將國家電網(wǎng)打造成萬物互聯(lián)的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)。這一切實現(xiàn)的基礎(chǔ)就是要擁有強大且安全的國家電網(wǎng)。

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(luò)、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(dǎo)線較多且橫截面積較大，運行條件比較復(fù)雜，因此，應(yīng)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(wǎng)的安全運行，作為絕緣子制造企業(yè)，必須對產(chǎn)品質(zhì)量進行嚴(yán)格控制。優(yōu)質(zhì)的絕緣件是性能優(yōu)良絕緣子的基礎(chǔ)，對膠裝前的絕緣件進行內(nèi)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(guān)重要。如何科學(xué)確定內(nèi)水壓值，成功剔除有缺陷的廢品，使優(yōu)質(zhì)絕緣件順利流轉(zhuǎn)到下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需要技術(shù)研發(fā)人員仔細(xì)研究。

1 內(nèi)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(dāng)絕緣子的鐵帽和鋼腳承載拉力負(fù)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(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力與絕緣件在內(nèi)水壓試驗中承受內(nèi)壓負(fù)荷時產(chǎn)生的應(yīng)力間存在一定的聯(lián)系[2]，因此可用此法剔除有雜質(zhì)、氣泡和裂紋等缺陷的絕緣件。該方法操作簡單，容易實現(xiàn)自動化，而且由于它是在膠裝前的絕緣件上進行，施加負(fù)荷可以較高，能更有效地剔除廢品。

1.2 試驗設(shè)備

內(nèi)水壓試驗設(shè)備主要由底座、支架、氣缸、壓頭、水箱、油泵等幾部分組成，內(nèi)水壓試驗如圖1所示。試驗時，絕緣件處于靜止?fàn)顟B(tài)，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(nèi)壁對水的阻力P。

圖1 內(nèi)水壓試驗

1.3 試驗方法

絕緣件在進行內(nèi)水壓試驗前，將水箱注滿水，調(diào)整給水系統(tǒng)水的流量，滿足水箱與絕緣件內(nèi)孔有足夠的水；檢查內(nèi)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(jù)產(chǎn)品品種，更換壓頭、密封墊與墊圈，調(diào)整壓頭上下距離，根據(jù)產(chǎn)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(chǎn)品等級相同的廢品進行試壓，完全正常后開始工作。

2 內(nèi)水壓值的確定方法

要想使內(nèi)水壓試驗有效剔除缺陷絕緣件，保證后期的產(chǎn)品質(zhì)量，就需要結(jié)合瓷質(zhì)強度科學(xué)地確定內(nèi)水壓試驗值，內(nèi)水壓過程中絕緣件處于靜止?fàn)顟B(tài)，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(nèi)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(tài)，P2可簡化與P相等，所以內(nèi)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(nèi)徑，P為內(nèi)水壓值。此時可將正在進行內(nèi)水壓試驗的圓柱頭絕緣件近似為內(nèi)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(yīng)力進行計算。

圖2 內(nèi)水壓受力簡化圖

當(dāng)絕緣件只受內(nèi)壓時，根據(jù)拉美公式，任意半徑r處的周向應(yīng)力σθ、徑向應(yīng)力σr，軸向應(yīng)力σz分別為：

令K=D/d，則公式（1）、（2）、（3）分別轉(zhuǎn)化為：

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

三個應(yīng)力中最大的為σθ，則在內(nèi)水壓試驗中，最易導(dǎo)致瓷件破壞的應(yīng)力為周向應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布表，內(nèi)水壓對產(chǎn)品產(chǎn)生的應(yīng)力取σp-2.58 s≤σ≤σp-1.64 s比較適宜，其中σp為瓷質(zhì)的固有強度，s為瓷質(zhì)固有強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，則內(nèi)水壓值P的范圍為：

由公式（10）可知，圓柱頭絕緣件的內(nèi)水壓值主要取決于絕緣件的K值和固有強度以及標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)多年生產(chǎn)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定。絕緣件的固有強度和標(biāo)準(zhǔn)偏差主要取決于生產(chǎn)企業(yè)的瓷質(zhì)配方和生產(chǎn)工藝。假定某等級絕緣件的K值為1.80，標(biāo)準(zhǔn)偏差為15 MPa，則內(nèi)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(nèi)水壓值將顯著提高，但在標(biāo)準(zhǔn)偏差不變的情況下，內(nèi)水壓上下限值之差不變。

圖3 內(nèi)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(zhì)的固有強度為80 MPa，則內(nèi)水壓值P的范圍隨標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化情況如圖4所示。對生產(chǎn)工藝進行優(yōu)化后，可在一定程度上降低絕緣件固有強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。從圖4可知，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)偏差變大之后，絕緣件內(nèi)水壓值明顯降低，且內(nèi)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(chǎn)品強度。

圖4 內(nèi)水壓范圍隨標(biāo)準(zhǔn)偏差的變化情況

3 結(jié)論

圓柱頭瓷質(zhì)絕緣件的內(nèi)水壓值主要與絕緣件頭部外徑與內(nèi)徑之比和瓷質(zhì)強度以及生產(chǎn)工藝有關(guān)。在絕緣件內(nèi)孔尺寸固定的情況下，提高K值，可以提升內(nèi)水壓值，但會導(dǎo)致懸式絕緣子鐵帽帽口變大，使產(chǎn)品重量增加，降低了產(chǎn)品在市場中的競爭力。提高瓷質(zhì)固有強度，優(yōu)化生產(chǎn)工藝，降低瓷質(zhì)固有強度的標(biāo)準(zhǔn)偏差，可明顯提高絕緣件內(nèi)水壓值，且內(nèi)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(zhì)固有強度，同時降低標(biāo)準(zhǔn)偏差，否則按無缺陷破壞概率0.50%至5.0%之間取內(nèi)水壓值，將無法保證后期產(chǎn)品強度。

在生產(chǎn)實踐中，通過科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠嬎愫驮囼烌炞C，針對不同瓷質(zhì)和不同等級產(chǎn)品，確定科學(xué)合理的圓柱頭絕緣件內(nèi)水壓值，可以有效剔除缺陷絕緣件，保證懸式絕緣子的產(chǎn)品質(zhì)量。