В современной технике важное место занимают электрические установки, работающие при напряжениях с частотами от сотен герц до нескольких десятков мегагерц. К ним относятся промышленные установки, например, для индукционного нагрева и ультразвуковой обработки металлов, озонаторы и т.д. Высшие частоты этого диапазона используются для радиовещания и связи. Колебания с частотой в сотни и тысячи герц возникают в энергосистемах при переходных процессах.
Многие современные высокочастотные (ВЧ) установки работают при высоких напряжениях в десятки и сотни киловольт в широком диапазоне частот.
Изоляционные конструкции (ИК) ВЧ установок подвергаются воздействию длительных рабочих напряжений и кратковременных перенапряжений, связанных с различными переходными процессами в схемах ВЧ установок.
Высоковольтные ВЧ ИК в большинстве случаев включают в себя воздушные промежутки, керамические или полимерные изоляторы. Эти ИК могут эксплуатироваться в сухих условиях ВЧ устройств внутренней установки и в условиях воздействия дождя и других осадков ВЧ устройств наружной установки.
Условия работы и конструктивные особенности ВЧ ИК во многом схожи с подобными характеристиками внешней изоляции электротехнических устройств, работающих при промышленной частоте (2).
В качестве примера можно привести антенно-фидерную систему (ЛФС) радиопередающих станций длинно- и средневолнового радиовещательных диапазонов. АФС может работать при частотах от 150 кГц до 1,5 МГц и напряжениях, достигающих значений несколько десятков и даже сотен киловольт. Антенны для длинноволнового и средневолнового радиовещания представляют собой несимметричные вертикальные вибраторы (штыревые, Г-образные, Т-образные, зонтичные, сложные из нескольких снижений). Для сооружения антенн используются металлические мачты большой высоты (иногда более 300 м) [3]. Мачты удерживаются в вертикальном положении при помощи нескольких ярусов оттяжек. Оттяжками служат стальные оцинкованные канаты из высокопрочной проволоки. Для снижения действия потенциалов, наводимых антеннами на близко расположенные стальные канаты, последние секционируют изоляторами. На рис. В-1 в качестве примера схематически изображена простейшая Т-образная антенна.
Рис. В-1. Антенно-фидерная система передающей станции радиовещания: 1 — передатчик; 2 — Т-образная антенна; 3 — мачта; 4 — оттяжки; 5 — антенные и оттяжечные изоляторы
Наиболее трудная задача — обеспечение изоляции оттяжек мачт- антенн. Излучаемая мощность современных антенн радиовещательного диапазона достигает 1000 кВт и более, а напряжение на антенне может составлять сотни киловольт. При увеличении напряжения на антенне растет напряжение на изоляторах, что требует либо увеличить количество последовательно включенных изоляторов, либо применять изоляторы на большее напряжение. Механическая нагрузка на изоляторы достигает иногда 1000 кН. Изоляторы для оттяжек мачт- антенн должны выдерживать не только большие механические нагрузки, но и высокочастотное напряжение без пробоя и коронного разряда. Это требование может быть выполнено выбором необходимых изоляционных расстояний, формы и размеров конструктивных элементов, образующих изоляторы оттяжек. На рис. В-2 в качестве примера приведен изолятор для оттяжек на нагрузку 400 кН. Изолятор включает в себя вкладыши из стеатита, работающие на сжатие. Металлическая арматура образует систему воздушных промежутков. Защитный промежуток защищает изолятор от перенапряжений.
Рис. В-2. Изолятор для оттяжек на усилие 400 кН:
1 — стеатитовые изоляционные вкладыши; 2 — воздушные промежутки; 3 — защитный промежуток
Во многих случаях антенна оказывается удаленной от передатчика на некоторое расстояние. В таких случаях антенна соединяется с передатчиком посредством фидерной системы, состоящей из фидерной линии и переходного устройства между антенной и фидером. К фидерным линиям предъявляются следующие требования общего характера:
потери электромагнитной энергии, передаваемой по фидеру, должны быть минимальны;
линии должны обладать достаточной электрической прочностью, должны быть рассчитаны на передачу требуемой мощности без опасения возникновения электрического пробоя;
фидерные линии должны быть свободны от антенного эффекта, сами по себе не должны излучать или принимать электромагнитные волны.
Для крепления проводов фидеров и для поддержания расстояния между ними применяются различные изоляторы.
Передатчик имеет свою изоляционную конструкцию, причем она обычно размещается в закрытых помещениях.
Таким образом, изоляция АФС включает в себя ВЧ ИК как наружной, так и внутренней установки.
Разработка ВЧ ИК представляет собой многокритериальную задачу оптимизации. При этом наряду с решением других задач требуется скоординировать электрическую прочность ИК с воздействующими напряжениями таким образом, чтобы исключить разряди в воздушных промежутках, в том числе и по поверхности изоляторов, пробой и разрушение изоляторов при рабочих напряжениях и перенапряжениях. .
Решение задачи координации требует знания разрядных характеристик воздушных промежутков и изоляторов. Как современная, так и более ранняя научно-техническая литература, содержит определенные сведения и о теории разряда, и о разрядных напряжениях воздушных промежутков при высоких частотах [1,4—9]. Однако полученные авторами данные позволяют существенно расширить представления о физика высокочастотного разряда в воздухе, разрядных характеристиках воздушных промежутков и вдоль поверхности изоляторов в широком диапазоне частот.
Поэтому в первой части книги освещаются следующие вопросы: физические процессы в разрядном промежутке перед пробоем напряжением высокой частоты; положительный и отрицательный объемные заряды, процессы их накопления; влияние объемных зарядов на высокочастотные разрядные напряжения;
возникновение высокочастотного разряда в воздушных промежутках с однородным и неоднородным электрическими полями; первая и вторая критические частоты; вольт-частотные характеристики;
развитие высокочастотного разряда в воздухе; формирование канала ВЧ разряда, зажигание и развитие канала; гашение ВЧ разряда;
разрядные напряжения типовых некоронирующих и коронирующих воздушных промежутков в зависимости от частот в сухих условиях и под дождем;
разрядные напряжения при перекрытии по поверхности изоляторов в воздухе в зависимости от частоты в сухих условиях и под дождем;
поверхностные частичные разряды, использование их характеристик для оценки стойкости диэлектриков к воздействию частичных разрядов.
Изложенные в первой части материалы используются во второй части работы для решения задач конструирования ВЧ ИК и задачи координации изоляции.
По влиянию окружающей среды условия работы ВЧ ИК такие же, как и для изоляции электротехнических установок: на изоляцию ВЧ ИК влияют давление, температура и влажность воздуха, механические и тепловые нагрузки на изоляторы, различные осадки и загрязнения (для изоляционных конструкций наружной установки).
Что касается напряжений, воздействующих на ВЧ ИК, то они отличаются большим разнообразием.
Нормирование значения рабочих напряжений для высокочастотных устройств отсутствуют. В зависимости от режимов рабочее напряжение может изменяться в широких пределах. Так, например, передатчики радиостанций обычно работают в режимах амплитудной модуляции, при которой на напряжение несущей частоты накладываются модулирующие напряжения звуковой частоты. При этом глубина модуляции может колебаться в широких пределах и достигать 100%. Из этого следует, что в рабочих режимах в схеме АФС постоянно существует переходной процесс, что вызывает воздействие на изоляцию напряжения сложной формы.
Сложные по форме рабочие напряжения возникают в цепях различных высокочастотных электротехнологических устройств, генераторов высокой частоты, усилителей и т.д. Возможны непрерывные и модулированные высокочастотные напряжения, смешанные напряжения с наложением на постоянную составляющую высокочастотной и т.п.
При аварийных и рабочих коммутациях на ВЧ ИК воздействуют коммутационные перенапряжения, которые могут в два и более раз Превышать рабочие напряжения.
Вторая часть работы посвящена вопросам выбора и координации изоляции высокочастотных установок.
Рассмотрены условия работы ВЧ ИК, воздействующие на них рабочие напряжения и перенапряжения, климатические, тепловые и механические воздействия. Обращается внимание на работу изоляции в закрытых помещениях и на открытом воздухе.
Значительное внимание обращено на вопросы разработки изоляции. Приводятся рекомендации по выбору изоляционных материалов. Рассматриваются вопросы регулирования электрических полей, их расчетов и способов выравнивания. Исходя из условия оптимизации ВЧ ИК по их массо-габаритным характеристикам, приводятся рекомендации по выбору электродных систем и форм изоляторов.
Координация изоляции решает задачу обеспечения необходимого запаса электрической прочности ВЧ ИК внутренней и наружной установки в зависимости от условий эксплуатации и частоты рабочего напряжения. Рассмотрены различные изоляционные конструкции внутренней установки: изоляторы, коммутационные устройства, фидеры антенных систем и т.д.
Как пример изоляционных конструкций наружной установки рассмотрена изоляция оттяжек мачт антенн с использованием полимерных изоляторов.
Приведен пример разработки изоляции технологической установки — озонатора барьерного типа.
