РАЗДЕЛ ВТОРОЙ
РАЗРАБОТКА ИЗОЛЯЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УСТАНОВОК ВЫСОКОГО НАПРЯЖЕНИЯ
Глава седьмая
УСЛОВИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ТРЕБОВАНИЯ К ИЗОЛЯЦИИ
7-1. Напряжения, воздействующие на изоляционные конструкции
Высокочастотные установки работают при высоких напряжениях в основном до двухсот киловольт в широком диапазоне частот от единиц килогерц до нескольких десятков мегагерц.
К таким установкам относятся электротехнологические устройства, радиотехническая аппаратура, в том числе аппаратура средств связи, различные устройства для физических исследований и т.д.
Изоляция высокочастотных установок высокого напряжения в течение всего срока эксплуатации подвергается воздействию рабочих напряжений, а также внутренних перенапряжений. На изоляцию антенно-фидерных систем воздействуют также и грозовые перенапряжения.
Рабочие напряжения таких установок изменяются в широких пределах и определяются требованиями оптимизации рабочих режимов. Обычно для них регламентируются наибольшие рабочие напряжения (Uраб max).
Что касается внутренних перенапряжений, связанных с коммутациями и переходными процессами, то для высокочастотных установок такие перенапряжения с вероятностью 0,001 не превышают кратности 2,1 Uраб max, т.е. в первом приближении можно ориентироваться на двухкратные перенапряжения.
Вопросы, связанные с грозовыми перенапряжениями и способами их ограничения, в данной работе не рассматриваются. Такие перенапряжения, имеющие значения для антенно-фидерных систем, возникают при ударах молнии в антенны радиопередающих станций. Защита их изоляции от грозовых перенапряжений определяется методами и средствами, применяемыми при защите открытых распределительных устройств высокого напряжения [43].
Рассмотрим более подробно работу высокочастотных установок высокого напряжения в нормальных технологических режимах.
Технологические установки высокой частоты. Такие установки используются для закалки сталей, плавки особо чистых металлов, обработки (стерилизации) и переработки пищевых продуктов, сушки и переработки древесины, изготовления и сварки полимерных материалов и в ряде других производств.
Особенностью режимов работы большинства таких установок является изменение нагрузки в соответствии с условиями обработки материалов, в том числе напряжения высоковольтных генераторов высокой частоты и других высоковольтных устройств. Это связано в большинстве случаев с переходом обрабатываемых материалов из одного физического состояния в другое, а также с организацией самого технологического процесса. Возможны следующие варианты нагрузки установок:
стационарный, например, при длительной сушке древесины, когда параметры последней медленно изменяются в процессе удаления влаги и в результате повышения плотности древесины; подобный режим характерен для работы и при высокочастотной обработке металлов, например, плавке;
повторно-кратковременный с продолжительностью включения от 20—30 до 70%, когда высокочастотный генератор нагружается циклически, например, при прохождении обрабатываемого материала между пластинами рабочего конденсатора.
Следует отметить, что в установках, связанных с термической обработкой материалов, изоляционные конструкции работают при высоких температурах. Плавильные и закалочные установки отличаются большими мощностями и габаритами, что приводит к увеличению размеров изоляционных конструкций. Все это усложняет работу изоляционных конструкций, способствует образованию в них термоупругих напряжений и развитию теплового пробоя.
Радиотехническая аппаратура (РТА) средств связи, различных устройств для физических исследований включает в себя высокочастотные генераторы высокого напряжения незатухающих и модулированных колебаний. Эти генераторы вырабатывают напряжения сложной формы в различных диапазонах частот. Изоляция РТА в рабочих режимах подвергается воздействию непрерывно изменяющихся по амплитуде, а иногда и частоте рабочих напряжений.
Помимо указанных предсказуемых режимов в РТА возникают неконтролируемые переходные явления, связанные как с аварийными коммутациями, так и с электромагнитными влияниями (наводками), когда напряжение передается из одного устройства или его части в другое путем электромагнитных связей между отдельными элементами или цепями РТА. Паразитные наводки приводят к воздействию на изоляцию сложных по форме и частотному составу напряжений [5].
В специфических условиях работает изоляция источников питания постоянного тока и другие устройства РТА, связанные с цепями постоянного тока. Дело в том, что на постоянное напряжение накладываются пульсации переменного напряжения частоты 50 и 400 Гц, а также частот кило- и мегагерцевого диапазонов, т.е. на изоляцию воздействует смешанное напряжение.
В выходных устройствах вещательных передатчиков могут возникать частотные искажения в диапазоне звуковых частот. Они способствуют возникновению широких боковых частотных полос, перекрывающих каналы соседних передатчиков, и могут привести к возникновению значительных перенапряжений в передатчике.
Одной из возможных причин возникновения перенапряжений в РТА является срабатывание быстродействующей защиты генераторных ламп. Небольшая продолжительность срабатывания защиты (единицы и десятки микросекунд) приводит к значительному росту амплитуды перенапряжений со всеми вытекающими отсюда последствиями для изоляции.
7-2. Влияние на изоляцию режимов работы высоковольтных элементов и устройств
Можно выделить отдельные элементы и устройства высокочастотных установок, изоляция которых наиболее часто находится под высоким напряжением: мощные генераторные лампы, включая системы охлаждения; выходные контурные устройства с катушками индуктивности, вариометрами, конденсаторами и линиями; делители напряжения и поглотители мощности; выходные и антенно-фидерные устройства; высокопотенциальные и высоковольтные трансформаторы различного назначения; разъединители механической блокировки, контакторы, выключатели, переключатели и т.д.
Рассмотрим особенности режимов работы некоторых из этих устройств, влияющие на надежность работы их изоляции.
Генераторные лампы в зависимости от их конструкции и мощности имеют системы воздушного и водяного охлаждения, которые являются элементами изоляции блока этих ламп.
В воздушных системах охлаждения возможно снижение электрической прочности воздушных промежутков от попадания сильно увлажненного и загрязненного проводящей или полупроводящей пылью воздуха, а также возникновения турбулентных завихрений, нарушающих однородность структуры воздушного потока.
Изоляционные трубопроводы водяного охлаждения из-за большой разности температур внутри и снаружи трубопровода подвергаются сжатию и растяжению. В них возникают термоупругие напряжения, что приводит к электромеханическому старению материала. Возможны также пробои промежутков в воде и перекрытия трубопроводов.
При пароводяном охлаждении в результате сложного движения пузырьков пароводяной смеси создаются зоны с повышенной напряженностью электрического поля, что может привести к возникновению электрических разрядов и разрушению системы охлаждения.
Трансформаторы и дроссели усилителей низкой частоты. В усилителях низкой частоты и модуляционных устройствах трансформаторы работают в диапазоне от единиц (десятков) герц область низших частот) до 10—20 кГц (область высших частот). Преобладающими по времени воздействия на изоляцию являются частоты до 2—5 кГц. Экспериментальные исследования и многолетняя практика показали, что эпоксидная изоляция и элементы из стеклоэпоксидных материалов надежно работают в указанном диапазоне частот.
Мощные усилители трансляционных и радиопередающих устройств, в которых наиболее часто применяются высоковольтные трансформаторы низкой частоты, большей частью работают по двухтактной схеме в режиме класса В. Эти так называемые модуляционные трансформаторы имеют выведенную среднюю точку.
Для уменьшения индуктивности рассеяния и улучшения частотной характеристики, первичную и вторичную обмотки модуляционных высоковольтных трансформаторов разбивают на четыре, шесть или более симметричных частей, размещают на двух кернах и соединяют по специальной схеме.
Изоляция в таких трансформаторах подвергается воздействию напряжения частотой до 10—20 кГц, определяемого фазностью потенциалов между отдельными частями первичной и вторичной обмоток. В ряде случаев необходимо учитывать наличие постоянной составляющей в напряжении. Возможны частые переходные процессы с перенапряжениями повышенной частоты.
Переходные процессы в модуляционных трансформаторах определяются малыми значениями индуктивности рассеяния обмоток и небольшой рабочей индукцией, которая возникает при работе в области высших частот.
Для модуляционных дросселей, так же как и для модуляционных трансформаторов с подмагничиванием, принимается во внимание суммарное воздействие на изоляцию постоянной и переменной составляющих нагрузки и большое падение напряжения на первых витках обмотки в момент включения дросселя.
Большое количество выводов первичных и вторичных обмоток модуляционного трансформатора а также внешних перемычек между ними создают дополнительные трудности для обеспечения надежной эксплуатации модуляционных трансформаторов.
Особенностью эксплуатации изоляции таких трансформаторов является также необходимость обеспечивать ее механическую прочность при синхронных колебаниях магнитопровода трансформатора и его обмотки. Последний как мембрана повторяет передачу, идущую в эфир или в трансляционную сеть. Создаются дополнительные частотные потери в магнитопроводе и в механически связанной с ним изоляции катушек.
Все это предъявляет дополнительные требования по механической прочности обмоток
Катушки индуктивностей и вариометров выходных устройств. В качестве элементов дискретной настройки выходных контуров широко применяются каркасные катушки индуктивности со спиральной намоткой высокочастотными проводами типа литцендрата марки ЛЭЛОР с шелковой или лавсановой изоляцией в виде оплетки, рассчитанной на напряжение до 500 В. Большое количество отводов для регулирования контурного устройства посредством изменения индуктивности создают определенное своеобразие внешней изоляции таких катушек
В последние годы каркасные конструкции катушек индуктивности и вариометров с намоткой провода из литцендрата, изолированного тканной изоляцией, стали заменять сварными из провода марки ПВВЭП, с полиэтиленовой изоляцией.
После сварки полиэтиленовой изоляции образуется монолитная самонесущая конструкция, способная противостоять механическим и электрическим нагрузкам, рассмотренным ранее применительно к модуляционным дросселям.
Возможные в непроваренных участках между витками пустоты и раковины приводят к образованию ЧР и ускоренному старению полиэтилена, что особенно характерно для начальных витков, на которые при включении падает большая часть напряжения.
Появления ПЧР, которые недопустимы также по условиям образования радиопомех, могут иметь место между вершинами соседних витков
В вариометрах область повышенной напряженности находится в воздушном зазоре между ротором и статором.
Переходные процессы и перенапряжения в катушках индуктивности происходят в тех редких случаях, когда переключения дискретных участков в процессе настройки происходят под нагрузкой, а в вариометрах — при перемещении ротора.
Импульсные трансформаторы и зарядные дроссели. В импульсных трансформаторах, помимо переходных режимов, обусловленных короткими замыканиями, перегрузками и перенапряжениями, возникают нестационарные процессы в пределах каждого полупериода. Особенность таких процессов связана с малыми значениями емкости и индуктивности рассеяния обмоток. Для большинства импульсных трансформаторов предъявляются высокие требования по межвитковой и межслоевой емкостям, значения которых влияют на форму трансформируемых или формируемых импульсов.
Из-за сравнительно большой диэлектрической проницаемости компаундов и невозможности обеспечить малые значения межвитковой и межслоевой емкости, применение эпоксидной изоляции для импульсных трансформаторов ограничено. Большие диэлектрические потери при повышенных частотах также ограничивают область применения такой изоляции и для них используются материалы с низкими значениями С и tg δ.
Зарядные дроссели обычно используются в зарядных схемах импульсных формирующих цепей, как элемент, отделяющий импульсную часть схемы от источника постоянного тока.
Наряду с приложенным высоким переменным напряжением зарядный дроссель работает при высоком постоянном потенциале по отношению к земле. Частота переменного напряжения на обмотке определяется частотой повторения импульсов, а характер переходных процессов будет соответствовать явлениям, имеющим место в импульсном трансформаторе.
Выходные антенно-фидерные системы (АФС). Электрическая прочность изоляции АФС зависит от ряда параметров: напряжения, частоты, температуры и давления воздуха, наличия в электрическом поле диэлектрика, формы проводников (электродов), к которым подводится напряжение, расстояния между ними. Частота и мощность определяют температуру перегрева изоляции тракта. Общепринятых норм, которые бы регламентировали тепловые режимы, не существует. Предельно допустимой температурой для фидеров, проводники которых выполнены из меди, считают 150°С, так как при дальнейшем повышении температуры начинается интенсивное окисление меди, что вызывает увеличение погонного затухания фидера.
Предельно допустимая напряженность электрического поля в изоляционных конструкциях АФС и соответствующая пиковая мощность определяется требованиями отсутствия ВЧ коронного разряда и ПЧР.
Наличие ВЧ коронного разряда и ПЧР на элементах антеннофидерной системы может привести либо к нагреву и повреждению оборудования, либо к полному пробою воздушного промежутка и разрушению диэлектрического элемента изоляционной конструкции. Поэтому ВЧ корона и ПЧР недопустимы в рабочем диапазоне частот.
Для уменьшения потерь электромагнитной энергии, передаваемой по фидеру, потери в изоляции должны быть минимальными.
Конструкция АФС оставляет мало вариантов для снижения напряженности электрического поля. Повышенная локальная напряженность возникает обычно в «нерегулярной» части АФС в зоне образования «колен», «тройников», «крестовин» и других сложных переходов, где увеличение изоляционного промежутка невозможно по сравнению с коаксиальной «регулярной» частью, характеризующейся значительно меньшим коэффициентом неоднородности электрического поля кн. Снижение кн в «нерегулярной» части посредством экранирования или введения барьерной изоляции практически невозможно из-за необходимости сохранения волнового сопротивления и других волновых параметров по всей длине АФС.
Коммутации в АФС обычно происходят без нагрузки и поэтому воздействие коммутационных перенапряжений на изоляцию можно не учитывать.
Опыт эксплуатации показывает, что при правильном расчете системы изоляции основными причинами перекрытий и пробоев являются недостаточный учет конструкторско-технологических факторов или некачественный монтаж.
Значительное число пробоев связано с разбросом размеров изоляционных промежутков из-за больших допусков в размерах труб, применяемых в АФС; возникновением при эксплуатации из-за смены температур зазоров между изоляцией и электродами; попаданием влаги и пыли; недостаточно прочным механическим и электрическим соединением отдельных деталей или неточным соблюдением размеров изоляторов и электродов.
Некачественный монтаж может определяться дефектами сборки, пайки, небрежным соединением труб или созданием при этом больших локальных механических напряжений и последующим разрывом труб и т.д.
Пробой в указанных случаях может произойти как в воздушном коаксиальном промежутке, так и по поверхности изолятора.
Особое место в АФС занимает антенна, изоляция которой является типичной изоляционной конструкцией наружной установки. Общая характеристика изоляции антенны приведена во введении.
Разъединители механической блокировки (РМБ), контакторные устройства, выключатели, переключатели. Разъединители механической блокировки применяются для отключения емкостных накопителей, защитного заземления этих накопителей и элементов РТА.
В ряде случаев, например, при работе на длинную линию, заряд накопителя может измеряться килоджоулями. Изоляция РМБ при таких разрядах может подвергаться не только воздействию дуги, но и значительным электродинамическим усилиям. То же относится и к контакторным устройствам, включение или отключение которых происходит под токовой нагрузкой. Учитывается температура перегрева изоляции относительно окружающей среды вследствие потерь в контактной системе.
Коммутация выключателей и переключателей контурных устройств происходит обычно при снятой нагрузке, что уменьшает обгорание контактов и позволяет упрощать их конструкцию. Однако, длительное нахождение под высоким напряжением и тепловой нагрузкой из-за переходных сопротивлений в контактных устройствах создает своеобразные условия эксплуатации изоляции, связанные с
появлением термоупругих напряжений, механических нагрузок и, как следствие, накоплением механических повреждений.
Изоляция, в которую заделаны контактные устройства, в момент включения и отключения испытывают особенно большие механические нагрузки. В некоторых конструкциях пружинного типа эти нагрузки могут быть непрерывными. Даже если они составляют 30—40% от предела прочности на растяжение или сдвиг, могут создаваться предпосылки для ускоренного электрического старения изоляции, связанного с воздействием механических нагрузок. Одновременно происходит тепловое старение изоляции. Как и в других высоковольтных элементах и устройствах, влияние условий эксплуатации на изоляцию коммутационной аппаратуры учитывается комплексно, а не по отдельным, даже наиболее существенным факторам.
