Методика оценки качества закалки стеклодеталей высоковольтных линейных изоляторов Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 631.331.3

Е. Д. КИМ (НИИВН)

Научно-исследовательский институт высоких напряжений, ул. Генерала Батюка, 22, г. Славянск, Донецкая обл., Украина, 84121, эл. почта: ykim@meta.ua

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ЗАКАЛКИ СТЕКЛОДЕТАЛЕЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫХ ЛИНЕЙНЫХ ИЗОЛЯТОРОВ

Введение

История применения изоляторов из закаленного стекла уходит в далекие 50-ые годы прошлого столетия. Благодаря их уникальным качествам «само идентифицировать» в случае повреждения диэлектрика, но при этом сохранять механическую прочность конструкции стеклянные изоляторы наиболее массово эксплуатируются в воздушных сетях высокого напряжения. Несмотря на то, что последние годы отмечается широкое использование полимерных изоляторов в строительстве воздушных сетей, но все же на ВЛ 330 кВ и выше изолирующим элементом остаются стеклянные изоляторы. Спрос на стеклянные изоляторы не снижается, создаются новые производители данной продукции. В связи с этим острота конкурентной борьбы между кампаниями - изготовителями сохраняется, что вынуждает искать пути снижения удельных затрат и повышения технических характеристик изделий. Разрабатываются новые более технологичные составы стекол, приемы закалки, сборки изоляторов, методы контроля и т.д.

В настоящей работе рассматривается одна из задач контроля качества закалки стеклодеталей в условиях массового производства. Дело в том, что стеклянный элемент несет на себе наибольшую нагрузку: это комплекс механических и электрических напряжений в сочетании с климатическими воздействиями, поэтому надежность и долговечность работы изоляции ВЛ практически определяется состоянием стекла в конструкции изолятора. Вместе с тем нужно констатировать, что методы, приемлемые для количественной характеристики устойчивости элементов из стекла пока что в открытой публикации не предложены. Регламентировано в ГОСТ [1] качество стеклодетали оценивать визуально по внешнему виду поверхностного слоя стекла, по наличию различного рода дефектов. По-видимому, задачи более объективного выходного контроля качества изоляционной детали решаются в каждом производстве обособленно, основываясь на своем опыте и располагаемой информации.

В последнее время создаются малые предприятия по сборке изоляторов на купленных из вне составных элементах, в том числе, стеклоде-талей. Для таких предприятий также остается открытым вопрос количественного определения качества приобретаемых изделий на основе общепринятых методов и критериев приемки.

Методы точечного измерения закалочных напряжений

Сущность закалки стеклоизделия заключается:

- в нагреве до температуры, при которой оно переходит в пластическое состояние, но при этом не изменяет своей первоначальной формы и размеров;

- в резком охлаждении воздушным потоком в течение нескольких минут.

В результате такой термической обработки в изделии создаются (рис. 1):

- напряжение растяжения во внутренних слоях (+);

- напряжения сжатия в наружных слоях (-).

Рис. 1. Распределение закалочного напряжения в стекле

При изгибе напряжение сжатия в поверхностном слое «компенсирует» воздействующее напряжение растяжения. Кроме того предельное напряжение стекла на сжатие на порядок превышает предельную прочность при растяжении. Эти два обстоятельства обуславливают упрочнение закаленного стеклоизделия в несколько крат.

Суть метода измерения закалочного или остаточного напряжения в твердом теле состоит в фиксации упругого перемещения в исследуемой локальной области, обусловленного наличием остаточного сжимающего напряжения. Применяются два способа реализации

© Ким Е. Д., 2014

непосредственного измерения. Первый - создается несквозное отверстие на интересуемой поверхности и измеряется деформация в окрестности отверстия, в простейшем случае, с помощью тензодатчиков [2]. Второй - сопоставлением микрорельефов (голограмм) окрестности будущей лунки на поверхности объекта в исходном состоянии и после высверливания или травления малой лунки [3]. Для этой цели используются лазерная и компьютерная технология. В результате наложения голограмм или цифровой фотографии при их одновременном восстановлении упругие перемещения поверхности в окрестности лунки выявляются в виде интерферограммы или спекл-интерферограмм, которые расшифровываются по разработанной схеме. Методы, основанные на точечном механическом воздействии исследуемой поверхности, являются универсальными, что позволяют установить искомые напряжения в данной локальной области в абсолютных единицах измерения. Вместе с тем нетрудно убедится, что они малопригодны, когда дело касается массового производства.

Метод измерения двойного лучепреломления

Стекло с остаточными напряжениями обладает свойством двойного лучепреломления, что может быть обнаружено с помощью полярископов [4]. Линейно поляризованный луч, проходящий через стекло с остаточными напряжениями, распадается на два луча (рис. 2): обыкновенный о и необыкновенный е с собственными показателями преломления: по ипн .

Оба луча в стекле распространяются с различной скоростью, приобретая некоторую разность хода. Величина двойного лучепреломления определяется разностью между показателями преломления Ап обыкновенного и необыкновенного лучей или разностью хода А, выраженной в нанометрах и отнесенной к толщине образца стекла в 1 см:

А А

Ап = п0 - пе = —.

Таким образом, двойное лучепреломление характеризует степень однородности стекла по показателю преломления. При известной величине разности хода лучей определяется по табличным данным средневзвешенное напряжение в рассматриваемом участке стекла. Метод оценки напряжения в стекле, основанный на измерении разности хода лучей детально описан в ГОСТ 3591 -91 [5]. Как показывает практика,

© Ким Е. Д., 2014

данный метод эффективен для контроля изделий с плоско - параллельными поверхностями. В случае с криволинейными поверхностями, как правило, ограничиваются упрощенными критериями оценки степени термообработки стекла по цветным картинам интерференционных полос на экране анализатора полярископа.

Рис. 2. Двойное лучепреломление

Ударная прочность как параметр контроля качества стеклодеталей

Идея заключается в установлении статистической корреляции между ударной прочностью стеклодеталей и прочностью на растяжение самих изоляторов, изготовленных с использованием деталей данной совокупности - партии. Под ударной прочностью понимается устойчивость стеклодеталей к внешнему динамическому воздействию. Ударная прочность стеклоде-талей определяется следующим образом. Испытуемая деталь устанавливается горизонтально головкой вниз, при этом только тарелка ложится на жесткую поверхность, как показано нарис. 3.

щ,

Рис. 3. Схема испытания на ударную прочность детали

Боек представляет собой металлический цилиндр с массой Шб со сферическим наконечником и может падать практически свободно с фиксированной высоты на поверхности головки стеклодетали. Тогда параметром, характери-

У

зующим устойчивость I — того изделия принимается минимальная высота бойка И\, при которой оно разрушается. Основное требование к установке, на котором проводятся испытания -это отсутствие видимой деформации в момент соударения бойка со стеклом.

Из накопленного опыта установлено, что:

- критическая высота, при которой разрушается испытуемый объект, не зависит от предшествующих ударных воздействий;

- статистика параметра И одной совокупности изделии хорошо согласуется с нормальным законом распределения случайных величин.

Как известно, характер разрушения изоляторов при испытании на растяжение неоднороден: кроме разрушения стеклодеталей имеет место отрыв стержня или шапки; в редких случаях, сползание стержня или шапки. Для корректности решения рассматриваемой задачи необходимо испытывать стеклодетали в конструкции изолятора с упрочненной арматурой, что исключает разрушение металлических элементов. В этом случае можно показать, что распределение разрушающей силы рг изолятора хорошо аппроксимируются нормальным законом.

Нормирование ударной прочности стек-лодеталей

Пусть мы располагаем результатами испытаний на ударную прочность стеклодеталей И (/ = 1,2..п) , случайно отобранных из одной

генеральной совокупности - партии, и на механическую прочность соответствующих изоляторов pj (( = 1,2..т), собранных из этих деталей с упрочненной арматурой.

Требуется установить предельную границу ударной прочности стеклодеталей И^ , соответствующих номинальной прочности изоляторов Pj > Рн.

Воспользуемся известными математическими приемами при оценке статистических характеристик случайных величин, распределенных по нормальному закону. Для некоторой случайной величины а в качестве оценки результатов опыта приняты среднеарифметическое значение а и среднеквадратическое отклонение 8а при п измерений - выборки:

Sa —

- ai)

n -1

(2)

При п среднеарифметическое значе-

ние (1) стремится к своему математическому ожиданию а а; среднеквадратическое отклонение (2) к стандарту отклонения: 8а . Предельные характеристики слу-

чайных величин с заданной доверительной вероятностью Ед можно оценить по следующим соотношениям:

__ Sa

Ma — a ' ta

Vn

yjn -1 • Sa X2a

<°a <■

Xl2a

(3)

(4)

где 1а, Х1а, Х2а — коэффициенты Стъюдента и

Пирсона [6].

Принимаем рабочую гипотезу о том, что функции распределения случайных величин: ударной прочности стеклодеталей Ест и механической прочности изоляторов Еиз , собранных из этих стеклодеталей эквивалентны между собою, т.е.

Fcm ( hi ) = FU3 (Pj ) .

(5)

Тогда можно принять, что относительные объемы изделий, не соответствующих нормированным значениям, также примерно равны друг с другом

Fcm ( 0 < h <hH ) = Fu3 (0 < Pj < PH ). (6)

Для вычисления вероятностей нахождения случайных величин в заданных интервалах (6) воспользуемся функцией Лапласа

Ф

{ К-Mhл

= ф

fP -м л

1Н гр

(7)

где аргументы функций определяются с помощью вышеприведенных формул (1) - (4).

Тогда из (7) получаем выражение для нижней границы ударной прочности стеклодеталей с надежностью Ед,

Zn

„ - 1

a

a —

(1)

n

, ^ _ _ Рн Ммин. p

К ^Mh h--

(8)

-"мак. p

© Ким Е. Д., 2014

Здесь для искомой ударной прочности принимаем средние значения математического ожидания (3) и стандарта отклонения (4)

_ 4п —1 • $>п ^ " " ^

О н = -

v-и = h;

2

1

1

\x2a

Xla

а для прочности изоляторов - наиболее пессимистическое сочетание: минимальное значение математического ожидания (3) и максимальный стандарт отклонения (4). Таким образом, получаемая согласно (8) величина Нн устанавливает нижний порог ударной прочности стеклодеталей.

Пример расчета

Выполним статистический анализ данных испытаний двух разных совокупностей - партий А и Б стеклодеталей (Шб = 1290 гр - масса бойка) и соответствующих изоляторов класса Рн = 120 кН одного из производителей стеклянных изоляторов (табл. 1 - 4).

Определяем числовые характеристики по результатам испытаний партии А.

Для стеклодеталей имеем:

п = 31 — количество выборок;

н = 2,048, х2н = 44,46, х2н = 15,3 — коэффициенты Стьюдента и Пирсона, соответ-

ственно, для п = 31 и доверительной вероятности = 0,95 ;

Рн = 532 мм — среднее математическое ожидание (среднеарифметическая величина) прочности стеклодеталей;

Он = 32,1 мм — средний стандарт отклонение выборки;

Для изоляторов имеем:

Ш = 32 — количество выборок;

2

tp = 2,04, Х\р = 17,54 - коэффициенты Стьюдента и Пирсона, соответственно, для Ш = 32 и доверительной вероятности ^д = 0,95 ;

Рмин р = 131 кН - минимальное математическое ожидание прочности изолятора;

амак р = 2,25 кН — максимальный стандарт

отклонения.

Подставляем эти значения в (8)' получаем нижнюю граничную ударную прочность стек-лодеталей, обеспечивающих нормированную прочность изоляторов

„„ _„ , 120 —131 „„ Н„ > 532 + 32,1-= 375 мм.

* 2,25

Аналогичную расчетную процедуру выполним для продукции партии Б, результаты испытаний которых приведены в табл. 3 и 4.

Таблица1

Результаты испытания стеклодеталей на ударную прочность, Н, мм (партия А)

450 475 500 350 750 725 575 625 525 500 825 700 600 400 375

300 400 575 425 425 750 500 425 725 525 475 500 625 600

Таблица 2

Результаты испытания изоляторов на растяжение, pj , кН (партия А)

133 126 139 127 134 131 128 143 134 140 146 145 116 136 131 130

125 133 137 132 147 136 133 131 135 134 130 128 149 141 136 127

Таблица 3

Результаты испытания стеклодеталей на ударную прочность, Н мм (партия Б)

325 350 325 325 425 525 350 400 350 400 325 350 400 350 425 525

350 400 425 400 400 450 700 400 350 600 350 350 300 300 350 400

350 350 350 350 300 300 600 500 400 350 450 500 500 400 800 400

450 400 300 450 400 450 350

Таблица 4

Результаты испытания изоляторов на растяжение, Pj , кН (партия Б)

140 88 100 113 100 129 139 89 121 135 105 121 128 136 118 136

118 126 112 105 122 116 130 103 121 131 118 110 80 120 96 128

136 115 129 145 112 102 128 101 131 137

© Ким Е. Д., 2014

Статистические параметры для стеклодеталей:

n = 51 - количество выборок; th = 2,°; Х^ = 71,42; x\h = 32,36 - коэффициенты Стьюдента и Пирсона, соответственно, для n = 55 и доверительной вероятности Fд = 0,95 ;

Ph = 401 мм - среднее математическое ожидание прочности стеклодеталей (среднеарифметическая величина);

с h = 17,9 мм — средний стандарт отклонение выборки.

Для изоляторов имеем:

m = 42 — количество выборок;

tp = 2,02;x1p = 25,21 — коэффициенты Стьюдента и Пирсона, соответственно, для m = 42 и доверительной вероятности Fд = 0,95 ;

Рминр = 113 кН - минимальное математическое ожидание прочности изолятора;

смак р = 3,96 кН — максимальный стандарт

отклонения.

Подставляем в соотношение (8), получаем

120 —113 h, > 401 +17,9-= 433 мм.

* 3,96

Сравнивая результаты испытаний изоляторов двух партии (см. табл. 2 и 4) можно отме-

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. ГОСТ 18328-73. Изоляторы стеклянные линейные подвесные и штыревые. Требования к качеству стекла и поверхности изоляционных деталей.

2. Чернышев Г. Н. Остаточные напряжения в деформированных твердых телах / Г.Н. Чернышев,

A. Л. Попов, В. М. Козинцев, И. И. Пономарев. - М.: Наука. Физматлит, 1996. - 240 с.

3. Гусев М. Е. Методы цифровой голографиче-ской интерферометрии и их применение для измерения наноперемещений / М. Е. Гусев, А. А. Воронин, В. С. Гуревич, А. М. Исаев, И. В. Алексеенко,

B. И. Редкоречев. - Наносистемы: Физика Химия Математика. - 2011. - № 2 . - С. 23-39.

4. Измерение двойного лучепреломления оптических стекол [Электрон. ресурс]. - Режим доступа: http://bib.convdocs.org/v20493/

5. ГОСТ 3519-91 Материалы оптические. Методы определения двулучепреломления

6. Чернова Н. И. Математическая статистика: Учеб. пособие / Н. И. Чернова. - Новосибирск.: Но-восиб. гос. ун-т., 2007. - 148 с.

Поступила в печать 20.08.2014.

Внутренний рецензент Сыченко В. Г.

тить, что они существенно отличаются между собой. Изоляторы партии А характеризовались высокой прочностью, pj > Рн = 120 кН, когда

как для партии Б из 51 шт. испытанных изоляторов 20 шт. разрушились при нагрузке ниже нормированной величины. Несмотря на значительную разницу в качествах изделий двух партий предложенная методика приводит к достаточно близким для практики нормированным значениям ударной прочности стеклодеталей.

Выводы

Приведен алгоритм определения нормированного значения hK ударной прочности для оценки качества закалки стеклодеталей в условиях массового производства.

2. Существование непосредственной корреляции между ударной прочностью стеклодета-лей и механической прочностью изоляторов показано на примерах статистического анализа данных испытаний двух партий изоляторов одного и того же типа, но с существенно отличающимися прочными характеристиками.

3. Рекомендуется нормировать ударную прочность стеклодеталей и ввести метод испытания в соответствующий стандарт по техническим требованиям составных элементов изолятора.

REFERENCES

1. GOST 18328-73. Izolyatory steklyannye lineinye podvesnye i shtyrevye. [Glass linear suspension and insulators. The requirements to the quality of glass surface and insulating parts].

2. Chernyshev G.N., Popov A.L., Kozintsev V.M., I.I. Ponomarev Ostatochnye napryazheniya v deformi-rovannykh tverdykh telakh [Residual stresses in deformed solid telah], M.: Nauka. Fizmatlit, 1996.-240 p.

3. Gusev M.E., Voronin A.A., Gurevich V.S., Isaev A.M, Alekseenko I.V., Redkorechev V.I. Metody tsifrovoi golograficheskoi interferometrii i ikh prime-nenie dlya izmereniya nanoperemeshchenii [Digital holographic interferometry methods and their application for measuring nanodisplacement], Nanosystems: Physics Chemistry Matematika, 2011, no. 2, pp. 23-39.

4. Measurement of birefringence of optical glasses. Available at: http://bib.convdocs.org/v20493/

5. GOST 3519-91. Materialy opticheskie. Metody opredeleniya dvulucheprelomleniya [Optical Materials. Methods for determination of birefringence].

6. Chernova N. I. Matematicheskaya statistika [Mathematical Statistics], Novosibirsk, Novosib. state. Univ., 2007, 148 p.

Внешний рецензент Сокол Е. И.

© Ким Е. Д., 2014

Стеклянные изоляторы, благодаря уникальным свойствам «само идентифицировать» в случае повреждения диэлектрика, но при этом сохранять механическую прочность конструкции, получили наиболее массовое применение в воздушных сетях высокого напряжения. Высокая эксплуатационная надежность в сочетании с эффектом самоконтроля обуславливается закаливанием стеклянных деталей в процессе ее изготовления. Вместе с тем контроль качества стеклодеталей ограничивается визуальным осмотром поверхностного слоя стекла на предмет наличия различного рода дефектов. Существующие методы определения остаточных напряжений в локальных точках или оптические методы малоэффективны в условиях поточного производства.

Предлагается количественная методика оценки качества закалки стеклодеталей, основанная на статистическом анализе прочностных характеристик деталей и конечной продукции - изоляторов. Показано, что между устойчивостью стеклодеталей к ударным воздействиям и механической прочностью изоляторов существует статистическая корреляция, которая может быть выражена на основе нормального закона распределения случайных величин. Рекомендуется нормировать ударную прочность стеклодеталей и ввести с методом испытания в соответствующий стандарт по техническим требованиям составных элементов изолятора.

Ключевые слова: стеклянный изолятор, стеклодеталь, закалка, методы измерения остаточного напряжения, ударная прочность, прочность на растяжение, статистическая корреляция, нормальное распределение.

Науково-дослщний шститут високих напруг, вул. Генерала Батюка, 22, м. Слов'янськ, Донецька обл., УкраТна, 84121, ел. пошта: ykim@meta.ua

Скляш iзолятори, завдяки ушкальним властивостям «само щентифкувати» у разi пошкодження дiелек-трика, але при цьому збер^ати мехашчну мщшсть конструкций отримали найбшьш масове застосування в пов^ряних мережах високоТ напруги. Висока експлуатацшна надшшсть у поеднанш з ефектом самоконтролю обумовлюеться гартуванням скляних деталей в процес ТТ виготовлення. Разом з тим контроль якосп склодеталей обмежуеться вiзуальним оглядом поверхневого шару скла на предмет наявност рiзного роду дефекпв. Iснуючi методи визначення залишковоТ напруги в локальних крапках або оптичш методи малое-фективш в умовах потокового виробництва.

Пропонуеться кшьюсна методика оцшки якосп гартування склодеталей, заснована на статистичному аналiзi прочностных характеристик деталей i юнцевоТ продукцп - iзоляторiв. Показано, що мiж стшюстю склодеталей до ударних дш i мехашчною мщшстю iзоляторiв ^нуе статистична кореляшя, яка може бути виражена на основi нормального закону розподшу випадкових величин. Рекомендуеться нормувати удар-ну мщшсть склодеталей i ввести з методом випробування у вщповщний стандарт по техшчних вимогах складових елемен^в iзолятора.

Ключовi слова: скляний iзолятор, склодеталь, гартування, методи вимiрювання залишковоТ напруги, ударна мщшсть, мщшсть на розтягування, статистична кореляшя, нормальний розподш.

High Voltage Research Institute, General Batyk St., 22, Slovyansk, Donetsk Region, Ukraine, 84121, e-mail: ykim@meta.ua

METHOD OF ASSESSING THE QUALITY OF TEMPERING OF THE GLASS PARTS OF THE HIGH VOLTAGE LINE INSULATORS

Glass insulators, that due to unique properties «self to identify» in the case of damage of dielectric, but here to save mechanical strength of construction, got the most application in the air high-voltage lines. High operating reliability in combination with the effect of self-control is caused by hardening of glass element in the process of its making. At the same time control of quality of glass element is limited to visual examination of superficial layer of glass for the purpose the presence of different sort of defects. The known methods of determination of residual tensions in local points or optical methods are ineffective in the conditions of mass production.

The quantitative method of estimation of quality of tempering of glass element, based on the statistical analysis of strength characteristics of details and eventual products - insulators is offered. It is shown that between stability of glass element to impact influences and mechanical strength of insulators there is statistical correlation which can be expressed on the basis of normal distribution of the random variables. It is recommended to normalize the impact strength of glass element and the test method in the relevant standard specifications for the constituent elements of the insulator to include.

Keywords: glass insulator, toughened glass element, methods of measuring of residual tension, impact strength, tensile strength, statistical correlation, normal distribution.

УДК 631.331.3

е. д. kim (ндгвн)

МЕТОДИКА ОЦ1НЮВАННЯ ЯКОСТ1 ЗАКАЛЮВАННЯ СКЛОДЕТАЛЕЙ ВИСОКОВОЛЬТНИХ Л1Н1ЙНИХ 1ЗОЛЯТОР1В

Внутршнш рецензент Сиченко В. Г. UDC 631.331.3 Y. D. KIM (HVRI)

Зовшшнш рецензент Сокол С. I.

Internal reviewer Sichenko V. G.

External reviewer Sokol E. I.

© Ким Е. Д., 2014