浅谈瓷绝缘子的生产工艺及烧成

刘义敏

（江西高强电瓷集团有限公司）

0 引言

瓷绝缘子按照使用方向的不同主要分为三种，一种是输电线路中使用的绝缘子，一种是电站的电气设备上使用的绝缘子，另外其它带电体中使用的绝缘部件也会用到瓷质绝缘子。瓷绝缘子的作用主要是连接不同位置的导体和部件，并在支撑这些导体和部件的同时发挥绝缘作用。瓷绝缘子在我国电力系统中得到了广泛的应用，如盘型悬式绝缘子和长棒型绝缘子用于不同电压的输电线路中，支柱型绝缘子用于电站的母线以及电气设备。瓷绝缘的生产制造水平是一个国家电力工业水平的重要体现，对其生产工艺进行探讨有着重要的实用意义。

1 瓷绝缘子的性能要求

由于瓷绝缘子是为输电线路提供支撑和绝缘作用，因此无论在机械强度还是绝缘强度方面的要求都比较高，而且我国自然环境相对比较复杂，瓷绝缘子大多用于室外甚至野外环境，所以还要求瓷绝缘子产品能够适应复杂的环境条件。

1.1 电气强度和绝缘强度的要求及检测

瓷绝缘子的工作原理是将空气和绝缘件进行并联从而发挥绝缘作用，因此在绝缘子使用过程中如果极间电压过大，就会使得瓷绝缘子和空气之间产生放电现象或是瓷绝缘子被空气击穿的现象，所以瓷绝缘子必须能够承受一定的电压，以防止发生闪络。

此外，瓷绝缘子主要用于高压输供电线路、超高压输供电线路以及电站电气设备的外绝缘部分，因此要求其必须具备较高的外绝缘性能。

瓷绝缘子大量地用于高压和超高压输电线路及相关电气设备的外绝缘设备，故对其外绝缘电气性能有极高的要求。对于可击穿型瓷绝缘子和瓷套管来说，使用环境比较复杂，有的需要受机械、电气以及热负荷共同作用，所以对这两种瓷绝缘子的内绝缘性能的要求也非常高，产品必须经过内绝缘性能试验后方可出厂。如针对可击穿型绝缘子需要进行电火花试验，以检测其内部是不是有裂纹和气泡等问题，如果发现问题则直接列为废品。对于瓷套管则需进行冲击试验和湿耐受试验，还要对电容瓷套管的电容量和介电损耗予以测量。无论是湿接法成型还是瓷接法成型的套管还要经受瓷壁耐压试验对接口的质量进行检测。

1.2 机械强度要求及检测

瓷绝缘子能够作为电气设备和输供电线路的支撑，按照具体使用的方向，在机械强度要求上有一定的差别。以应用于输供电线路中的悬式绝缘子为例来说，其主要受到线路两端拉伸力的作用，而对于支柱型绝缘子和瓷套管来说承受的主要包括拉力和风力，在这两种力的共同作用下支柱型绝缘子和瓷套管的负荷形式为弯曲负荷，而对于作为电气设备开关的绝缘子来说承受的则主要为扭矩力。

通过机械强度试验既可以对瓷质绝缘子的机械性能进行检测，还可以对其整体结构以及附属部分的粘连强度进行检测。支柱型瓷质绝缘子和瓷套管在出厂时需接受多方向的弯曲负荷试验，满足要求后方允许出厂。另外也可以通过内水压试验对瓷质绝缘子的机械强度和耐受强度进行检测。对于野外使用的瓷质绝缘子来说还会受到温度、大气条件等环境因素的影响，所以瓷质绝缘子产品出厂时还要接受反复的温度循环试验、防污性能试验以及模拟环境试验。

2 瓷绝缘子生产工艺

我国国内生产制造瓷质绝缘子的历史可追溯到上世纪20年代，逐渐发展出一套比较成熟的湿法可塑成型工艺，国内厂家利用这一工艺生产出的盘型悬式绝缘子强度可达550kN，已经能够在很大程度上满足我国直流550kV、交流750kV输电线路的需求。后来为了继续提高瓷质绝缘子产品的强度，研发了等静压干法成型工艺，以棒型支柱瓷质绝缘子为例，通过传统湿法工艺生产的产品在工序上比较繁琐，而且由于原材料的微观均匀性难以达到标准，在抗弯曲强度上已不能完全适应现代电力工业的需求，而干法工艺不仅工序较为简单，能够更好适应现代工业生产的机械化要求，而且通过这一工艺生产的瓷质绝缘子产品具有机械强度高、产品性能稳定以及材料分散性较小等优势，因此该种工艺在我国瓷质绝缘子企业中逐渐推广开来。就目前来说，空心绝缘子的生产工艺分为两种，一种是传统的整体成型生产工艺，还有一种是粘接成型生产工艺。如果瓷质绝缘子规格小于2.5m，通常采用整体成型工艺进行生产，产品在外形上不存在接口。而对于规格超过2.5m的瓷质绝缘子的生产一般通过粘接成型工艺，按照粘接材料的不同还可细分为无机粘接和有机粘接，在此不再赘述。

3 瓷绝缘子的烧成

在瓷质绝缘子的生产过程中，烧成即对绝缘子的坯体进行热处理，这是一个非常关键的工序，对瓷质绝缘子的显微结构以及产品质量有着重要影响。受温度环境、坯体质量等因素的影响，烧成过程发生的反应程度会存在一定的差别，使得瓷质绝缘子产品的显微结构、物相组成以及最终质量也会受到影响。一般来说，国内采用的瓷质绝缘子烧成的温度标准为1250-1300℃，在保温条件和温度条件的共同作用下，坯体的显微结构就会发生变化，某一组分可能发生溶解、某一相可能会被析出。在对坯体进行加热的过程中会发生复杂的物理化学变化，才能最终制造出由玻璃相、晶相以及少部分气相共同构成的瓷体。为了保障烧成工序的顺利进行，必须建立完善的烧成制度，设计合理的烧成温度曲线，包括加热速度、烧成温度和冷却速度三个要素。

烧成温度指的是绝缘子胚体在加热、冷却等过程中温度的最高点，因此，也被叫做止火温度。对于大部分瓷质绝缘子来说，其最终的性能和烧成温度有着很大的关系，虽然绝缘子的胚体在烧成过程中只要处于规定的温度范围内就可以最终成型，而且吸水率和气孔率也能够得到保障，但是瓷质绝缘子的显微结构和最终性能会在很大程度受到烧成温度的影响。通常来说，只要胚体能够进入最后的烧结状态，其电气绝缘性能就会非常可靠，但是机械强度则不一定，因此在选择烧成温度时主要以瓷体的机械强度作为考虑因素。在瓷质绝缘子的烧成过程中所发生的物理化学变化会造成胚体结构变化，主要分为下面几个部分：

3.1 低温阶段（室温——300℃）

在这一阶段中，可以将瓷质绝缘子坯体中的残余水分和黏土中的吸附水予以排除。

3.2 氧化分解阶段（300——950℃）

在这一阶段中，可以将原材料中矿物的结构水予以排除，同时坯体中的无机物、有机物以及碳元素会发生氧化反应，硫化物和碳酸盐会发生分解。另外，原材料中的石英成分会从低温晶型向高温晶型转化。坯体中的高岭石等矿物中的大部分结构水会在完备的达到500-650℃时被排除，进而转化成为偏高岭土。高岭石中的结构水排除时会减轻瓷质绝缘子胚体的重量和硫化物、碳酸盐发生分解所产生的气体被排除会增加瓷质绝缘子胚体中的气孔数量，进而提高胚体的性能。当温度达到573℃时，由于石英的晶型转化会使得胚体的体积迅速变大，但与此同时高岭石由于结构水被排除会发生收缩，从而在一定程度上缓解胚体的体积变化。

3.3 高温阶段（950℃——烧成温度）

这一阶段可以进一步细分为三个部分：

氧化阶段：在这一阶段中，随着氧化分解过程的进行和结构水的进一步排除，偏高岭石中的γ-Al2O3尖晶石会逐渐成型，并向硅铝尖晶石和无定型SiO2转化。同时原材料中的长石被熔解成为液相，当液相足够时瓷质绝缘子胚体就会开始烧结。在上述过程中，瓷质绝缘子胚体会不断发生收缩，减少内部气孔的数量，使得胚体的内部结构更加紧密。

还原阶段：在这一阶段中，由γ-Al2O3尖晶石转化形成的硅铝尖晶石会形成方石英和一次莫来石，随着硫酸盐和高价铁的逐步分解，会产生很多的液相，石英被进一步熔融的同时会在其周围形成富硅无定型熔蚀圈。固体颗粒的间隙中会被玻璃熔体所填满，同时瓷质绝缘子胚体的气孔率进一步降低，同时一部分Al2O3和SiO2被熔解形成二次莫来石，进一步提高胚体的机械强度。

保温阶段：上一阶段中胚体内部的反应，通过液相将各个晶粒进行连接，形成一个均匀的整体结构。

3.4 冷却阶段（烧成温度-室温）

在这一阶段中，原材料中的长石析出少量二次莫来石，同时由于液相的粘度较大不会结成晶体，随着温度逐渐冷却，液相的粘度进一步提高，最终固化成瓷体。

4 结束语

近年来，我国电力工业发展迅猛，对于瓷质绝缘子的性能要求也越来越高，因此需要加大瓷质绝缘子产品的研究力度，开发出更强性能的产品，这是我国电力工业发展的客观需求，能够有力推动我国远距离电网建设。文章对瓷绝缘子生产工艺以及烧成过程进行了探讨，希望能够为我国电瓷绝缘子的发展略尽绵薄之力。