劉義敏

（江西高強(qiáng)電瓷集團(tuán)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(jìn)行探討有著重要的實(shí)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(jī)械強(qiáng)度還是絕緣強(qiáng)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(qiáng)度和絕緣強(qiáng)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(jìn)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(jī)械、電氣以及熱負(fù)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(yàn)后方可出廠。如針對可擊穿型絕緣子需要進(jìn)行電火花試驗(yàn)，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(jìn)行沖擊試驗(yàn)和濕耐受試驗(yàn)，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(yàn)對接口的質(zhì)量進(jìn)行檢測。

1.2 機(jī)械強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)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(fēng)力，在這兩種力的共同作用下支柱型絕緣子和瓷套管的負(fù)荷形式為彎曲負(fù)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(jī)械強(qiáng)度試驗(yàn)既可以對瓷質(zhì)絕緣子的機(jī)械性能進(jìn)行檢測，還可以對其整體結(jié)構(gòu)以及附屬部分的粘連強(qiáng)度進(jìn)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(fù)荷試驗(yàn)，滿足要求后方允許出廠。另外也可以通過內(nèi)水壓試驗(yàn)對瓷質(zhì)絕緣子的機(jī)械強(qiáng)度和耐受強(qiáng)度進(jìn)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(yàn)、防污性能試驗(yàn)以及模擬環(huán)境試驗(yàn)。

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(jì)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(qiáng)度可達(dá)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(qiáng)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(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，在抗彎曲強(qiáng)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(jī)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(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(xì)分為無機(jī)粘接和有機(jī)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)行，必須建立完善的燒成制度，設(shè)計(jì)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(diǎn)，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(jìn)入最后的燒結(jié)狀態(tài)，其電氣絕緣性能就會非常可靠，但是機(jī)械強(qiáng)度則不一定，因此在選擇燒成溫度時主要以瓷體的機(jī)械強(qiáng)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(jī)物、有機(jī)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(dá)到500-650℃時被排除，進(jìn)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(jìn)而提高胚體的性能。當(dāng)溫度達(dá)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(jìn)一步細(xì)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(jìn)行和結(jié)構(gòu)水的進(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)一步降低，同時一部分Al2O3和SiO2被熔解形成二次莫來石，進(jìn)一步提高胚體的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)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(jìn)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(qiáng)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(yuǎn)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(jìn)行了探討，希望能夠?yàn)槲覈姶山^緣子的發(fā)展略盡綿薄之力。