钢化玻璃工作性能原理

钢化玻璃工作性能原理

随着电力系统安全运行要求和系统运行电压等级的不断提高，对于绝缘要求也越来越高。以往输电线路普遍采用瓷绝缘子。90 年代中后期，国外钢化玻璃绝缘子逐步进入中国市场，其优良的性能渐渐得到公认。特别是随着生产工艺、检验手段的不断创新，近年来，钢化玻璃绝缘子在线路中得到大量的应用。

1 钢化玻璃绝缘子具有优良的性能

钢化玻璃绝缘子在架空输电线路中起着两个基本作用，即支撑导线和防止电流回地。在整条线路的运行寿命中（通常为 40 年），这两个作用必须得到保证，绝缘子不应该由于环境和电负荷条件发生变化导致的各种机电应力而失效。绝缘子承受的机械负荷除了导线和金属附件的重量之外，还必须承受恶劣天气情况下的风载荷、雪载荷、导线舞动以及运输安装过程中操作不当引起的冲击负荷。从电气角度来说，绝缘子不仅要使导线与地绝缘，还必须耐受雷电和开关操作引起的过电压冲击，当因电压冲击而发生闪络时引起的局部过热不应导致绝缘子钢化玻璃体的爆裂。所有的外部因素都会对绝缘子的性能产生影响，因此，也对绝缘子的设计提出了更高的要求。

1.1 优良的介电性能和无老化现象

介电性能是指介质在电场作用下所表现出来的电气性能。绝缘子绝缘性能的好坏与绝缘材料的内部分子结构有很大关系。玻璃属于非晶体结构，是没有固定熔点的硅酸盐化合物，结构致密，质地均匀，产生于易控制的连续生产工艺。SiO2 是构成玻璃的骨架，其他氧化物填充于骨架之中，并由化学键连接起来，相互作用大，不易被电场极化，表现出很好的惰性，是理想的绝缘材料。钢化玻璃绝缘子利用了这一特性，其耐雷电冲击电压值为瓷绝缘子的 3.8 倍。这里所说的老化是指电气性能老化，即介质在电场的长时间作用下，会逐渐发生某些物理化学变化而使介质发生不可逆的劣化，最终导致介质被击穿。而钢化玻璃绝缘子具有很好的抗老化性能，根据法国塞迪维尔公司对马来西亚 132kV 输电线路运行了27 年后的绝缘子的跟踪测试，其机械和电气性能都无明显改变。而同期使用的瓷绝缘子，在运行一段时间后，其机电性能明显下降。

1.2 良好的机械性能

绝缘子的抗拉强度是绝缘子机械性能中重要的一项。在绝缘体的大批量生产

中，完全获得不含显微结构缺陷的绝缘体是不可能的。当绝缘子承受机械拉力时，每个缺陷（如微裂纹）都将不断扩展，导致绝缘子机械性能的下降甚至失效。基于这点，给玻璃体进行钢化处理即可解决此问题。当玻璃体压制成型后还处于高温状态时，通过可控的冷空气喷吹玻璃体表面，使之骤然降温，从而产生均匀的预应力使玻璃体的内部因受冷而收缩，产生内部张力，这种张力使玻璃体表面出现一个永久性的压应力。由于此压应力很大（大约 250MPa）足以阻止表面微裂纹的形成和扩展。而瓷绝缘子并不具有表面压应力，其机械性能随着裂纹的扩展而下降。试验表明，瓷的抗拉强度仅为 39.23 MPa，钢化玻璃的抗拉强度可达88.26 MPa。玻璃体经过钢化过程后，其耐机械打击能力有很大的提高。特别是在重冰区以及有可能产生导线舞动的地区，钢化玻璃绝缘子的良好抗拉强度使线路运行安全系数增大。另外，当送电线路发生单项接地短路时，会产生很大的短路电流，这时既要求绝缘子有良好的抗电弧能力，同时也要求抗拉强度不能下降。通过绝缘子工频电弧试验（施加电流20+20kA, 持续时间 0.12s）表明，钢化玻璃绝缘子耐电弧能力比瓷绝缘子高，而抗拉强度却没有明显下降。

1.3 优良的耐温差特性

在高压线路上运行的绝缘子要受到不同地区和不同季节温度变化的考验，同时也要经受电负荷波动引起的温度剧变。绝缘子因温度变化导致损坏的主要原因是绝缘体和金属附件的膨胀和收缩比率不同。钢化玻璃绝缘子之所以具有优良的耐温差特性，是因为金属附件、钢化玻璃和胶合的水泥有比较接近的热膨胀系数（铁帽、钢脚为 11×10-6/°C；玻璃为 8×10-6/°C；水泥为 9×10-6/°C；瓷为 4×10-6/°C）。所以钢化玻璃绝缘子比瓷绝缘子具有更好的耐温差性能。试验表明，钢化玻璃绝缘子耐温差可达 250°C，因此在线路正常运行情况下，温度变化对绝缘子影响较小。

1.4“零值”自爆和良好的残段抗拉强度

“零值”自爆是指钢化不良或含有杂质的玻璃体在机械、电气、冷热等负荷的作用下便自行破碎的现象。这种特性正是钢化玻璃绝缘子优于其他绝缘子最显著的特点。钢化玻璃绝缘子无隐蔽缺陷，只要玻璃体是完好的就不用检测，给线路运检部门巡线和及时发现提供了极大的便利，降低了运行维护费用。而传统陶瓷绝缘子头部击穿后起伞裙依然完好，必须逐片用摇表检测其电阻值才能发现，

运行维护工作量大，效率低下，还极易造成漏检给线路运行留下隐患。自爆后的绝缘子残段仍然具有很好的抗拉强度，可达机械强度额定值的 80%以上。残段的电气性能同样可靠，即使有过高的电应力，如过电压引起的闪络跨越包括残段的绝缘子串时，内部电弧被残段头部压得很紧的玻璃颗粒所阻止，而电弧完全在外面。所以根本不会造成线路掉线的恶性事故．

2 钢化玻璃绝缘子的设计原理

钢化玻璃绝缘子的设计是以铁帽和钢脚为基础的，用铝酸盐水泥填满两者之间的空隙进行胶合。钢脚上端为圆锥体形，其锥面的倾斜角度与铁帽下端内边的倾斜角度一致，都为 17°左右。当绝缘子在线路上承受拉力负荷时，钢脚上端倾斜的锥面通过水泥向玻璃体头部内壁传输压应力，而此压应力被从玻璃体头部外层环绕的水泥施加的相等的反向作用力所平衡。这种反向作用力由绝缘子铁帽的倾斜内边向玻璃体头部外壁传递。机械压力主要作用于钢脚锥面处，铁帽下端内边和中间元件（钢脚水泥、铁帽水泥、玻璃体）。这种受力状态的目的是使作用于玻璃体上的是巨大的压应力，而仅有少量张应力。因此这样设计很好地利用了玻璃体具有良好的抗压强度的特性。值得指出的是，在钢脚靠近外露表面的表层水泥，机械应力急剧减少，不值得考虑。也即表层水泥对绝缘子的机械强度没有影响。