9-7. Стеклопластиковые антенные изоляторы наружной установки
Антенны мощных радиопередающих станций являются сложными инженерными сооружениями. Вибраторы таких антенн закрепляются на мачтах, которые фиксируются с помощью оттяжек из металлических тросов (рис. В-1).
Оттяжки обычно секционируются, для чего используются специальные изоляторы (рис. В-2). Эти изоляторы представляют собой типичный пример высокочастотной изоляционной конструкции наружной установки. При этом антенны мощных радиостанций длинно- и средневолнового диапазонов частот работают при напряжениях в десятки и даже сотни киловольт. Поэтому во многих случаях изоляторы для оттяжек мачт антенн являются также и изоляционными конструкциями высокого напряжения. Диэлектрическое тело этих изоляторов выполняется из ультрафарфора и стеатита [1].
Из-за внушительных размеров и массы антенных полей изоляторы подвергаются значительным статическим и динамическим механическим нагрузкам. Разрушающая электромеханическая нагрузка на них может достигать сотен и даже тысяч килоньютонов. Указанные обстоятельства приводят к тому, что часто оттяжечные изоляторы представляют собой громоздкие и тяжелые конструкции (рис. В-2). Их монтаж и эксплуатация достаточно сложны.
Рис. 9-22. Эскиз изолятора типа ЛК 1 — изоляционное тело; 2 — оконцеватели; 3 — стеклоэпоксидный стержень; 4 — покрытие из кремний-органической резины
Между тем, в последнее десятилетие нашли широкое распространение на линиях электропередачи и в контактной сети электрифицированных железных дорог стеклопластиковые стержневые изоляторы (107, 113]. Эти изоляторы отличаются высокой механической прочностью, надежно ведут себя при длительных рабочих напряжениях и кратковременных перенапряжениях, успешно противостоят воздействию ПЧР, скользящих разрядов и электрической дуги. Изоляторы выполнены как изоляционные конструкции наружной установки. Важнейшей особенностью таких изоляторов является малый вес (их масса примерно на порядок меньше массы фарфоровых и стеклянных аналогов), простота монтажа и эксплуатации. В последнее время достигнут значительный срок их службы, сопоставимый со сроком службы фарфоровых и стеклянных изоляторов.
Цель исследования, которое выполнялось по заданию Государственного специального проектного института радио и телевидения (ГСПИ РТВ) под руководством В.К. Адамского, заключалась в том, чтобы доказать возможность использования изоляторов типа ЛК (или изоляторов, разработанных на базе изоляторов ЛК) в качестве оттяжечных изоляторов.
Был рассмотрен весь комплекс электрических, механических, аэродинамических и других характеристик изоляторов. Результаты исследования показали, что изоляторы типа ЛК могут выполнять функции оттяжечных изоляторов в диапазоне длинно- и средневолнового диапазона частот.
Ниже приводятся результаты исследований электрических характеристик изоляторов типа ЛК при частотах до 2,2 МГц, которые проводились авторами данной книги.
Изоляторы типа ЛК выпускаются на диапазоны номинальных линейных напряжений от 35 до 750 кВ и разрушающих электромеханических нагрузок от 70 до 300 кН. Основные характеристики изоляторов типа ЛК по данным [114] приведены в табл. 9-18.
Эскиз и фотография изолятора типа ЛК показаны на рис. 9-22 и 9-23. Основную механическую нагрузку несет стеклоэпоксидный стержень, который запрессован в оконцеватели. Диаметр стержня составляет от 29 до 60 мм в зависимости от электромеханической нагрузки. Стеклоэпоксидный стержень обладает высокой гигроскопичностью, имеет низкие дуго- и короностойкость. Поэтому на его поверхность нанесено гидрофобное, дуго- и короностойкое покрытие из кремний-органической резины. Изолятор является конструкцией наружной установки. Поэтому для обеспечения необходимой длины утечки по поверхности покрытие выполнено с ребрами. Длины пути утечки соответствуют категории А по существующим нормам [109], что обеспечивает работу изоляторов на воздушных линиях электропередачи в районах с I—III степенью загрязненности атмосферы [99]. В соответствии с действующей классификацией условий работы изоляции [99] рассматриваемые изоляторы относятся к I категории для эксплуатации в районах с умеренным климатом на высоте до 1000 м при диапазоне рабочих температур от -40 до +40°С. По техническим требованиям к изоляторам действующее значение максимальной рабочей напряженности в стеклопластике не должно превышать 2,5 кВ/см. Это обеспечивает при частоте 50 Гц частичные разряды в диэлектрике на уровне не выше 10-12 Кл по кажущемуся заряду, что для стеклоэпоксидной изоляции безопасно [107]. По условию, установленному изготовителями, температура нагрева изолятора при длительной работе при рабочем напряжении не должна превышать +60°С.
Таблица 9-18
Основные характеристики изоляторов типа ЛК
Кремний-органическая резина при частоте 1 МГц имеет tg δ≈0,003, у стеклоэпоксидного пластика при частоте 50 Гц tg δ=0,001—0,002 при низких напряженностях электрического поля и возрастает примерно до 0,004—0,005 с увеличением напряженности до 18— 19 кВ/см [107]. При частотах до 0,5—1,0 МГц тангенс угла диэлектрических потерь стеклоэпоксидного пластика возрастает примерно в полтора раза, однако при частоте 5 МГц значение tg δ увеличивается на порядок. Для сравнения укажем, что стеатиты различной модификации при частотах 0,5—1,0 МГц и температуре до 80’С имеют тангенс угла диэлектрических потерь в пределах от 0,0002 до 0,003.
Рис. 9-23. Изолятор типа ЛК с экранной арматурой но время испытаний
Приведенные характеристики изоляторов типа ЛК дают основание предположить, что эти изоляторы можно использовать при частотах до 1—2 МГц, хотя используемые в них диэлектрики могут иметь диэлектрические потери в несколько раз больше, чем в стеатите. Кроме того, как отмечалось выше, опыт разработки и применения монолитных и трубчатых изоляторов внутренней установки на основе эпоксидных компаундов показал, что в килогерцевом диапазоне частот эти изоляторы работают надежно.
Однако для окончательного решения этой задачи необходимо было провести ряд исследований. По условиям работы мощных радиостанций средне- и длинноволнового диапазонов изоляторы должны надежно работать при частотах до 2 МГц и напряжениях до 100 кВ. Конкретно рассматривались рабочие напряжения 50 и 100 кВ и соответствующие им длины изоляционной части изоляторов около 1 и 2 м. По данным табл. 9-18 могут быть применены изоляторы ЛК-70/110 при напряжении 50 кВ, ЛК-70/220 и ЛК- 160/220 при напряжении 100 кВ.
Отметим, что при механических нагрузках выше 70 и 160 кН изоляционная конструкция выполняется либо путем параллельного соединения нескольких изоляторов, либо путем разработки аналогов изоляторов типа ЛК на более высокие механические нагрузки, например, использованием стеклоэпоксидных стержней большего диаметра.
Как указывалось, условия надежной работы изоляторов задаются допустимыми значениями максимальной напряженности электрического поля и температуры нагрева стеклоэпоксидного стержня. Допустимую температуру примем равной +60 С, как и для частоты 50 Гц. Что касается допустимой напряженности, то с учетом снижения напряжения возникновения частичных разрядов с ростом частоты установим ее действующее значение равным 2,0 кВ/см, т. е. на 20% ниже, чем при 50 Гц. Итак, примем
(9-24)
Конструкция изоляторов предусматривает их работу на открытом воздухе в сухих условиях и при дожде, а также в районах с I—III степенями загрязненности атмосферы. При этом принимается, что нормированные для частоты 50 Гц удельные эффективные длины пути утечки [2] устанавливаются и для высокочастотных изоляторов, так как перекрытие под дождем, а также по увлажненной и загрязненной поверхности изоляторов при высоких частотах имеет большое сходство с перекрытием изоляторов в указанных условиях при частоте 50 Гц (гл. 5).
Таким образом, возникла необходимость решить две основные задачи в соответствии с условием (9-24): обеспечить напряженность электрического поля и температуру изоляторов не выше допустимых.
Решение первой задачи рассмотрено в гл. 8. Напомним, что путем использования тороидальных экранов для изоляторов на напряжение 100 кВ было обеспечено Емах=1,66 кВ/см, а для изоляторов на 50 кВ — Емах=2,00 кВ/см (рис. 8-10 и 8-11).
Исследования тепловых режимов проводились на серийном изоляторе ЛК-70/35. Высокочастотный источник позволял получать в требуемом диапазоне частот напряжение не более 15 кВ. Поэтому для проведения исследований при достаточно высокой напряженности в предполагаемой зоне разогрева диэлектрика изолятора (около 5 кВ/см) использовался укороченный макет с длиной диэлектрика Lим=7,0 и 3,5 см с двумя и одним ребром соответственно. Напряжение прикладывалось между металлическим оконцевателем изолятора и дополнительным кольцевым электродом, который заземлялся (рис. 9-24). Исследования проводились в диапазоне частот 0,1— 2,2 МГц при амплитудных значениях напряженности до 5 кВ/см в месте измерения температуры поверхности изолятора.
Для получения картины распределения напряженности электрического поля вдоль поверхности изолятора были выполнены соответствующие расчеты с помощью программы «Аксиал» [19]. Исходные данные для расчета: диэлектрическое тело изолятора имеет форму цилиндра диаметром 29 мм и длиной 7 и 3,5 см, диэлектрик — стеклопластик с относительной диэлектрической проницаемостью 4,5.
Верхний электрод — цилиндрический оконцеватель арматуры изолятора с наружным диаметром 36 мм, с диаметром цилиндрического отверстия 29 мм (в это отверстие запрессован диэлектрический стержень изолятора) и с диаметром скругления торцов 3,5 мм. Длина электрода — 16 мм. Нижний электрод имеет форму кольца с внутренним диаметром 29 мм и диаметром скругления торцов 7,6 мм. Результаты расчетов представлены в табл. 9-19 и 9 -20, где приведены распределения напряженности электрического поля в теле изолятора у его поверхности в относительных единицах Ex, 1/см. Отсчет координаты от точки касания верхнего электрода поверхности диэлектрика.
Рис. 9-24. Макет для исследования тепловых режимов изоляторов типа ЛК
Переход от значений напряженности в относительных единицах к абсолютным осуществляется по соотношению
Напряженность электрического поля в теле изолятора у его поверхности, Lим=7,0 см
Таблица 9-20
Напряженность электрического поля в теле изолятора у его поверхности, Lим=3,5 см
Температурные режимы изолятора исследовались при частотах 0,1; 0,45; 1,3; 1,42; 2,2 МГц и действующем значении напряжения до 15 кВ.
Напряжение измерялось электростатическим киловольтметром С-196, частота — с помощью осциллографа С1-69. Для измерения температуры перегрева поверхности изолятора использовались константан-медные термопары с индикаторами — вольтметром В7-37 и осциллографом С1-69. Градуировка термопары с соответствующим индикатором производилась с помощью ртутного термометра с ценой деления 0,1°С. Погрешность измерения температуры не превышала ±1,4°С.
Методика измерений состояла в следующем. К изолятору прикладывалось испытательное напряжение и выдерживалось не менее 40 мин. После снятия напряжения к поверхности диэлектрического тела изолятора в т. 1 или 2 (рис. 9-24) закреплялась термопара и осуществлялось измерение температуры перегрева Δtп поверхности диэлектрического тела изолятора.
Время выдержки под испытательным напряжением τисп (не менее 40 мин) было принято на основании измерений динамики роста температуры изолятора в зависимости от времени нагрева τнагр.
Результаты измерений перегрева поверхности изолятора приведены па рис. 9-25 и 9-26.
Измерения температуры проводились в т. 1 над ребром (рис.9-24). На рис. 9-25 показаны эти зависимости для Е=5,1 и 2,2 кВ/см при частоте 2,2 МГц.
На рис. 9-26 приведены результаты более длительного эксперимента. Напряжение, приложенное к изолятору, изменялось ступенями от 1,4 до 5,1 кВ/см. На каждой ступени изолятор выдерживался под напряжением до установившегося режима по Δt (на рис. 9-25 и 9-26 и в дальнейшем вертикальными линиями указаны разбросы в измеряемых значениях Δt).
Как следует из экспериментов, время выхода Δt на установившийся режим составляет τуст≈30 мин. Поэтому измерение температуры перегрева поверхности изолятора в последующих опытах проводились после выдержки его под напряжением в течение 40—60 мин.
Измерение температуры перегрева поверхности изолятора осуществлялось примерно через три минуты после отключения напряжения, т. е. около одной минуты требовалось на отключение установки и крепление термопары к поверхности изолятора и еще полторы—две минуты требовалось на то, чтобы температура спая термопары сравнялась с температурой поверхности изолятора.
Оценка динамики охлаждения поверхности изолятора показала, что за время измерения температуры (примерно 3 мин) поверхность изолятора успевает охладиться не более, чем на 8%.
Приведем результаты исследований тепловых режимов. Были проведены измерения Δtη поверхности диэлектрического тела изоляторов над верхним ребром (т. 1 на рис. 9-24) при длине изолятора 3,5 см и между ребрами (т. 2 на рис. 9-24) при длине изолятора 7 см.
Измерения в т. 1 выполнялись в диапазоне частот от 0,1 до 2,2 МГц при напряженностях в месте измерения перегрева от 2,38 до 5,10 кВ/см. Измерения в т. 2 выполнялись при частоте 2,2 МГц и напряженностях в месте измерений перегрева от 1,78 до 2,80 кВ/см. Результаты измерений приведены на рис. 9-27 и 9-28. Измерения выполнялись при toкр=20°С (рис. 9-27) и при toкр=17оС (рис. 9-28). Необходимо отметить следующие моменты.
Рис. 9-27. Зависимости температуры перегрева поверхности макета изоляторов над ребром в т. 1 (рис. 9-24) от частоты и напряженности
Рис. 9-28. Зависимости температуры перегрева поверхности макета изолятора от частоты и напряженности. ● - над ребром, т. 1 (рис. 9-24); х - между ребрами, т. 2 (рис. 9-24). 1 -0,1 МГц; 2 - 0,45; 3 - 1Д 4 - 2,2
Зависимость температуры перегрева от частоты имеет примерно линейный характер в диапазоне частот 0,1—2,2 МГц. При этом при частоте 0,1 МГц температура перегрева составляет около 1°С. Зависимость температуры перегрева от напряженности является примерно квадратичной.
В связи с худшими условиями для отвода тепла температура перегрева, измеренная между ребрами, оказалась примерно в два раза выше по сравнению с измеренной над ребром. Связано это с тем, что конвекция воздуха, обеспечивающая в значительной степени охлаждение поверхности изолятора, в зоне между ребрами существенно меньше, чем над ребром.
Однако для определения рабочего режима изолятора необходимо знать максимальный перегрев диэлектрика, который достигается на оси изолятора. Согласно [115] при постоянстве напряженности по сечению диэлектрического тела изолятора разность температур перегрева на оси изолятора и на его поверхности Δtη
причем удельные потери мощности
Рабочее напряжение по условию отсутствия ЧР опасной интенсивности определяется из соотношения
Результаты расчетов показывают, что изоляторы типа ЛК могут применяться в оттяжках мачт антенн. Для изоляторов на 70 кН (Rи=14,5 мм) определяющим при выборе рабочих напряжений при частотах до 2,0 МГц является условие отсутствия частичных разрядов. Применение для них экранов, обеспечивающих при напряжении 100 кВ Еmах=1,66 кВ/см (рис. 8-10,б — вариант 3) и напряжении 50 кВ Еmах = 2,0кВ/см (рис. 8-11 — вариант 2), позволяет использовать их при указанных напряжениях при частотах до 2 МГц.
Для изоляторов на большие механические нагрузки (Rи=30 мм) условие отсутствия ЧР является определяющим при частотах до 0,9 МГц. При более высоких частотах рабочее напряжение устанавливается по условию допустимого нагрева изолятора. При этом значения рабочих напряжений задаются условием (9-35).
Эффективное применение могут найти стеклопластиковые изоляторы в аэростатной антенной системе (ААС) [116]. Такая система включает в себя (рис. 9-29): антенный трос — вибратор 1, который поддерживается в воздухе аэростатом 2; на земле трос удерживается лебедкой 3, с помощью которой достаточно просто изменять длину антенны при настройке системы на оптимальный режим излучения; связь антенны с передатчиком осуществляется антенно-фидерным трактом 4. Аэростатная система включает в себя два изоляционных узла: нижний изоляционный узел 5, обеспечивающий изоляцию лебедки относительно земли, и верхний изоляционный узел 6 для изоляции аэростата от верхнего конца антенного троса.
Рис. 9-29. Аэростатная антенная система
1 — антенный трос—вибратор; 2 — аэростат, 3 — лебедка; 4 — антенно-фидерный тракт; 5 — электрическая изоляция лебедки; 6 — электрическая изоляция между тросом и аэростатом
Особенно перспективно использование стеклопластиковых изоляторов из-за малой массы для верхнего изоляционного узла (ВИУ). Находясь на высоте Hу.м над уровнем моря, ВИУ работает в условиях, отличных от тех, которые имеют место на земле. Подъем на высоту улучшает температурный режим изолятора из-за снижения окружающей температуры. Однако при подъеме на высоту из-за снижения плотности воздуха уменьшается разрядное напряжение изолятора.
В табл. 9-22 приведены зависимости давления рн, температуры tн и относительной плотности δн воздуха от высоты над уровнем моря для стандартной атмосферы
Таблица 9-22
Зависимость параметров стандартной атмосферы от высоты
Снижение разрядных характеристик верхнего изоляционного узла с ростом высоты должно учитываться поправками на относительную плотность воздуха как для воздушных промежутков, так и для изолятора ВИУ (гл. 4 и 5).
