圆柱头瓷绝缘子生产过程中内水压值的确定方法

邹德仕，于清波

（大连电瓷集团输变电材料有限公司技术研发中心，辽宁大连 116600）

引言

电力工业关系国计民生，是国家的基础产业之一，加快建设坚强的国家电网，对于实现资源的优化配置，促进经济社会可持续发展，推动我国能源的高效开发利用和全面建设小康社会具有深远意义[1]。在社会主义新时代下，国家电网要转变成以特高压为主，各级电网协调发展的坚强智能电网，同时也要充分运用人工智能、移动互联等先进的信息通信技术，将国家电网打造成万物互联的泛在电力物联网。这一切实现的基础就是要拥有强大且安全的国家电网。

绝缘子是架空输电线路的重要组成部分，特高压输电工程对悬式绝缘子提出了更多更高的要求，如防污秽闪络、更高的机械强度、提高过电压耐受能力等等。特高压架空输电线路悬挂的导线较多且横截面积较大，运行条件比较复杂，因此，应用于特高压线路的绝缘子要拥有足够大的承载能力。为了保障特高压电网的安全运行，作为绝缘子制造企业，必须对产品质量进行严格控制。优质的绝缘件是性能优良绝缘子的基础，对胶装前的绝缘件进行内水压试验，有效剔除有缺陷的废品，对于保障绝缘子的机电性能至关重要。如何科学确定内水压值，成功剔除有缺陷的废品，使优质绝缘件顺利流转到下一生产环节，需要技术研发人员仔细研究。

1 内水压试验

1.1 试验原理

圆柱头盘型悬式瓷绝缘子在挂线运行时，主要承受拉力作用，当绝缘子的铁帽和钢脚承载拉力负荷时，因为钢脚头部的“楔子”效果，通过胶合剂使绝缘件头部瓷壁产生应力，该应力与绝缘件在内水压试验中承受内压负荷时产生的应力间存在一定的联系[2]，因此可用此法剔除有杂质、气泡和裂纹等缺陷的绝缘件。该方法操作简单，容易实现自动化，而且由于它是在胶装前的绝缘件上进行，施加负荷可以较高，能更有效地剔除废品。

1.2 试验设备

内水压试验设备主要由底座、支架、气缸、压头、水箱、油泵等几部分组成，内水压试验如图1所示。试验时，绝缘件处于静止状态，主要承受由于密封和承载所受的机械力P1，绝缘件自身重力G，注水压力P2和圆柱头绝缘件内壁对水的阻力P。

图1 内水压试验

1.3 试验方法

绝缘件在进行内水压试验前，将水箱注满水，调整给水系统水的流量，满足水箱与绝缘件内孔有足够的水；检查内水压机油箱供油情况，并对润滑部位进行润滑。试验人员根据产品品种，更换压头、密封垫与垫圈，调整压头上下距离，根据产品等级确定水压机的工作压力和油泵的工作压力（以刚好封住水不泄露为宜），在空车试运行无异常的情况下，使用与被试验产品等级相同的废品进行试压，完全正常后开始工作。

2 内水压值的确定方法

要想使内水压试验有效剔除缺陷绝缘件，保证后期的产品质量，就需要结合瓷质强度科学地确定内水压试验值，内水压过程中绝缘件处于静止状态，受力平衡，忽略由于密封和承载所受的机械力P1和自身重力G，则圆柱头绝缘件内孔中的水只受压力P2和瓷壁对水的阻力P，为保证绝缘件处于平衡状态，P2可简化与P相等，所以内水压试验简化后的受力情况如图2所示。其中D为圆柱头绝缘件外径，d为圆柱头绝缘件内径，P为内水压值。此时可将正在进行内水压试验的圆柱头绝缘件近似为内部受压力作用的厚壁瓷筒，借用拉美公式可对厚壁圆筒任意半径处的应力进行计算。

图2 内水压受力简化图

当绝缘件只受内压时，根据拉美公式，任意半径r处的周向应力σθ、径向应力σr，轴向应力σz分别为：

令K=D/d，则公式（1）、（2）、（3）分别转化为：

由公式（4）、（5）、（6）可以看出，σθ在r=d时最大，即瓷头内壁处周向应力取得最大值；σr为负值，即压应力，径向压应力最大值也出现在瓷头内壁；σz为固定值。所以各应力最大值为：

三个应力中最大的为σθ，则在内水压试验中，最易导致瓷件破坏的应力为周向应力σθ。为了有效剔除不良品，同时又不使更多合格品被破坏，可按无缺陷破坏概率0.50%至5.0%之间取值，参照标准正态分布表，内水压对产品产生的应力取σp-2.58 s≤σ≤σp-1.64 s比较适宜，其中σp为瓷质的固有强度，s为瓷质固有强度的标准偏差，则内水压值P的范围为：

由公式（10）可知，圆柱头绝缘件的内水压值主要取决于绝缘件的K值和固有强度以及标准偏差。根据多年生产实践，各等级绝缘件的K值主要在1.7～2.0之间，K的取值由各厂家的产品结构确定。绝缘件的固有强度和标准偏差主要取决于生产企业的瓷质配方和生产工艺。假定某等级绝缘件的K值为1.80，标准偏差为15 MPa，则内水压值P的范围随固有强度的变化情况如图3所示。从图3可知，随着固有强度提升，绝缘件内水压值将显著提高，但在标准偏差不变的情况下，内水压上下限值之差不变。

图3 内水压范围随固有强度的变化情况

假定某等级绝缘件的K值为1.80，瓷质的固有强度为80 MPa，则内水压值P的范围随标准偏差的变化情况如图4所示。对生产工艺进行优化后，可在一定程度上降低绝缘件固有强度的标准偏差。从图4可知，当标准偏差变大之后，绝缘件内水压值明显降低，且内水压上下限值之差明显变大。此时如果还按无缺陷破坏概率0.50%至5.0%之间取值，则无法保证后期产品强度。

图4 内水压范围随标准偏差的变化情况

3 结论

圆柱头瓷质绝缘件的内水压值主要与绝缘件头部外径与内径之比和瓷质强度以及生产工艺有关。在绝缘件内孔尺寸固定的情况下，提高K值，可以提升内水压值，但会导致悬式绝缘子铁帽帽口变大，使产品重量增加，降低了产品在市场中的竞争力。提高瓷质固有强度，优化生产工艺，降低瓷质固有强度的标准偏差，可明显提高绝缘件内水压值，且内水压上下限值之差明显变小。对于特高压线路的高强度等级圆柱头悬式瓷绝缘子，需要提高瓷质固有强度，同时降低标准偏差，否则按无缺陷破坏概率0.50%至5.0%之间取内水压值，将无法保证后期产品强度。

在生产实践中，通过科学严谨的计算和试验验证，针对不同瓷质和不同等级产品，确定科学合理的圆柱头绝缘件内水压值，可以有效剔除缺陷绝缘件，保证悬式绝缘子的产品质量。