甚低頻大功率發(fā)射天線高壓絕緣子研究*

鄧鐵輝　柳　超　張　靜

(1.海司信息化部　北京　100841)(2.海軍工程大學電子工程學院　武漢　430033)

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甚低頻大功率發(fā)射天線高壓絕緣子研究*

鄧鐵輝1柳超2張靜2

(1.海司信息化部北京100841)(2.海軍工程大學電子工程學院武漢430033)

摘要對傳統(tǒng)的甚低頻發(fā)射天線大張力頂線絕緣子進行了分析，提出了一種基于棒形復合絕緣子的甚低頻大張力頂線絕緣子組件，它具有重量輕、抗污穢性能好和維護方便等特點。對工頻穿墻絕緣子在甚低頻頻段性能下降的原因進行了研究，提出了一種基于SF6氣體內(nèi)絕緣和復合絕緣子外絕緣的甚低頻穿墻絕緣子，它具有高頻介電損耗小、電容小、耐壓高等特點。

關(guān)鍵詞甚低頻; 發(fā)射天線; 絕緣子

Class NumberTN82

1引言

甚低頻(VLF)無線通信的主要工作頻率范圍為15kHz～30kHz。甚低頻發(fā)射天線盡管結(jié)構(gòu)龐大，但仍屬電小天線[1～2]。大功率甚低頻發(fā)射天線通常工作在高電壓、大電流的工作狀態(tài)，因此，甚低頻發(fā)射天線的絕緣是一個需要重視的問題。VLF發(fā)射天線所用絕緣子的作用主要是將天線的帶電部分與接地部分或墻壁絕緣。用于甚低頻發(fā)射天饋線系統(tǒng)的絕緣子通常有鐵塔底座絕緣子、拉線絕緣子、穿墻絕緣子和頂線絕緣子等[3]。其中，頂線絕緣子和穿墻絕緣子為大功率VLF天線系統(tǒng)的關(guān)鍵絕緣子。如果對天線上的電壓估計不足，或者所采用絕緣子的絕緣強度滿足不了電氣要求，很可能產(chǎn)生從絕緣子的高電位端向支撐鐵塔或機房墻壁低電位端的放電現(xiàn)象，導致系統(tǒng)不能正常工作[4]。本文針對VLF天線大張力高壓絕緣子和高壓穿墻絕緣子進行分析和研究。

2大張力VLF天線頂線絕緣子

連接天線幕與支撐鐵塔的絕緣子稱為天線系統(tǒng)頂線絕緣子。目前，大功率VLF天線系統(tǒng)頂線絕緣子一般采用瓷絕緣子串組成[5]。如某大功率T形天線陣采用高頻瓷弓形絕緣子將矩形天線幕張拉在兩支撐桅桿之間。瓷弓形絕緣子為具有兩個正交反向弓形表面的瓷質(zhì)弓形絕緣件，弓形絕緣子與套在瓷件上兩個弓形表面的正交鐵環(huán)鉸鏈在一起構(gòu)成弓形絕緣子串，見圖1。弓形絕緣子串中瓷件受鐵環(huán)的壓力，且由鐵環(huán)鉸鏈成串，抗拉強度大，即使瓷件脫落，也不會發(fā)生斷串現(xiàn)象。但瓷弓形絕緣子串的瓷件為光滑表面，爬電距離小，耐受電壓能力不強；且瓷件在扭力作用下易損壞、脫落，影響絕緣子串的耐壓強度；此外，瓷弓形絕緣子串重量重(大于1000kg)，組裝和維修很不方便，是它的主要缺點。

圖1　高頻瓷弓形絕緣子串

絕緣子串電壓分布一般呈“U”形曲線分布，串兩端承受電壓最高，中間最低。承受電壓最高的絕緣子易先發(fā)生放電，并逐步發(fā)展成閃絡[6]。為了使絕緣子串上的電壓盡可能均勻分布，通常在絕緣子串兩端增加均壓環(huán)，以提高絕緣子串的起暈電壓和閃絡電壓。

美軍卡特勒甚低頻發(fā)信臺十三塔傘形天線的頂線絕緣子采用瓷支柱絕緣子串[7]，串中支柱絕緣子位于兩正交橫擔之間，承受橫擔對它的壓力，兩相鄰同向橫擔之間用金屬拉桿連接(見圖2)，工作原理與弓形瓷絕緣子串相同。由于支柱絕緣子帶有傘裙，故瓷支柱絕緣子串的耐壓能力高于瓷弓形絕緣子串的耐壓能力。與瓷弓形絕緣子串類似，瓷支柱絕緣子串重量重，組裝和維修也不方便。

圖2　VLF瓷支柱絕緣子串

棒式復合絕緣子重量輕、耐污性能好、維護方便，可作為VLF天線絕緣子[8]。棒式復合絕緣子由玻璃鋼芯棒、端部金具和傘裙護套三部分組成(見圖3)。芯棒采用引拔成型的玻璃纖維增強型環(huán)氧樹脂棒，它是用玻璃纖維作增強材料、環(huán)氧樹脂作基體的玻璃鋼復合材料。端部金具為外表面鍍有熱鍍鋅層的碳素鑄鋼或碳素結(jié)構(gòu)鋼。傘裙護套由高溫硫化硅橡膠、乙丙橡膠等有機合成材料制成，為高分子聚合物。芯棒與端部金具的連接方式主要有外楔式、內(nèi)楔式、內(nèi)外楔結(jié)合式、芯棒羅紋膠裝式和壓接式等[9]。目前，復合絕緣子芯棒與金具主要采用壓接連接工藝，壓接工藝中的壓力控制、金具變形量、芯棒受壓發(fā)聲等均由計算機監(jiān)控，可確保壓接后芯棒完好無損并滿足抗拉要求[10]。

圖3　棒形復合絕緣子

由于復合絕緣子的芯棒由硅橡膠材料包封，所以復合絕緣子具有良好的抗老化性能[11]。硅橡膠傘盤的高分子聚合物所特有的憎水性和憎水遷移性使得復合絕緣子具有優(yōu)良的防污閃性能。此外，硅橡膠材料中摻有鋁粉等阻燃材料，即使遇明火也會在1s內(nèi)自動熄滅，所以雷擊、閃絡等均不會影響復合絕緣子的機械安全。盡管復合材料的介損比瓷質(zhì)材料(尤其是高頻瓷質(zhì)材料)的介損大，但損耗功率與天線功率相比甚微，不會對天線的輻射效能產(chǎn)生影響。

作者設計了一款大張力VLF天線頂線復合絕緣子組件，見圖4。它由四串棒形復合絕緣子串并聯(lián)而成，每一串復合絕緣子的額定拉斷了均大于550kN。每兩串棒形復合絕緣子懸掛在一對三角形聯(lián)板之間，再用一對三角形聯(lián)板將兩對懸掛了復合絕緣子的三角形聯(lián)板連接在一起，總破斷拉力大于1600kN。該復合絕緣子組件的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖4　VLF天線頂線復合絕緣子組件

性能指標工作頻帶15kHz～30kHz標稱對地電壓220kV雷電沖擊耐受電壓?1425kV介質(zhì)損耗因數(shù)(tanδ)?0.5%單串絕緣子額定機械拉伸負荷?550kN絕緣子組件額定機械拉伸負荷?1600kN外護套厚度?6.00mm爬電比距?30mm/kV

該復合絕緣子組件的重量小于200kg，有利于減小頂線的負荷，從而減小頂線的垂度，提高天線效率。特別對于沿海及高污穢地區(qū)，使用復合絕緣子較為合適。

3VLF高壓穿墻絕緣子

目前，市場上已有成熟的工頻高壓穿墻絕緣子，包括35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV～1000kV等系列產(chǎn)品。近年來，隨著工頻高壓電氣設備技術(shù)的發(fā)展，工頻穿墻絕緣子普遍采用電容芯子以實現(xiàn)小型化。電容式穿墻絕緣子的導桿上分層卷繞鋁箔和絕緣的油浸塑料薄膜或紙，在導桿與外套之間形成多個串連電容，可提高外套與導桿之間電場分布的均勻程度，使相同直徑穿墻絕緣子的耐壓能力大大提高，從而縮小穿墻絕緣子的外直徑。常用的穿墻絕緣子有:復合干式電容式穿墻絕緣子、油浸紙電容式穿墻絕緣子、膠浸紙電容式穿墻絕緣子等。

復合干式電容式穿墻絕緣子(硅油式)在標準大氣壓下的工頻介損約為0.2%。VLF發(fā)射系統(tǒng)的工作頻率(15kHz～30kHz)比工頻(50Hz)高很多，當電容式穿墻絕緣子應用于VLF系統(tǒng)時，穿墻絕緣子的容抗將大大降低，介損將明顯提高。復合干式電容式穿墻絕緣子為新型工頻耐污型產(chǎn)品，產(chǎn)品使用時間不長。目前，復合干式電容式穿墻絕緣子貨架產(chǎn)品的最高電壓等級為220kV，高于220kV的復合干式電容式穿墻絕緣子還不成熟。因此，現(xiàn)有工頻復合干式電容式穿墻絕緣子不能直接應用于甚低頻發(fā)射系統(tǒng)中。

油浸紙電容式穿墻絕緣子的絕緣材料為油紙和油，高頻率時的化學穩(wěn)定性較差，工作溫度不允許超過105℃，溫度高時油紙和油絕緣性能劣化明顯。油紙絕緣的穿墻絕緣子介質(zhì)損耗較大，并且隨著頻率的上升，損耗增加。此外，該類穿墻絕緣子電容量較大，對甚低頻發(fā)射系統(tǒng)高饋輸入端的阻抗影響較大，故不宜采用。

膠浸紙電容式穿墻絕緣子的絕緣材料為膠浸紙，套管絕緣介質(zhì)損耗較大，并且隨著頻率的上升損耗增加，因此也不適用于甚低頻發(fā)射系統(tǒng)工作環(huán)境。

為克服工頻穿墻絕緣子在高頻段存在的上述問題，需對傳統(tǒng)工頻穿墻絕緣子進行改進以適應甚低頻發(fā)射系統(tǒng)的工作要求。改進措施主要包括以下四個方面:

1) 內(nèi)絕緣采用SF6氣體。由于套管內(nèi)同軸電容器損耗產(chǎn)生的熱量與介質(zhì)的tanδ成正比，而高頻率工作下，套管的發(fā)熱必定增大，這些熱量必須散發(fā)掉，否則將造成熱不穩(wěn)定，導致熱擊穿。在氣體、液體和固體三種絕緣介質(zhì)中，氣體的損耗最小，故甚低頻穿墻絕緣子內(nèi)絕緣采用SF6惰性氣體。由于SF6為惰性氣體，高頻絕緣性能優(yōu)良，損耗極小。內(nèi)部支撐采用聚四氟乙烯板材，其介電常數(shù)為2.0，損耗低，絕緣性能好。

2) 不采用電容芯子。目前220kV工頻油紙電容式穿墻絕緣子的電容量一般約為幾百pF至1000pF。某220kV級復合外套式電容式穿墻絕緣子產(chǎn)品電容量的典型值為342pF，這樣的電容量在50Hz時漏電流很小，但在15kHz～30kHz頻率范圍內(nèi)漏電流會大很多，這對介質(zhì)材料的絕緣性能提出了比普通穿墻絕緣子高得多的要求，因此，VLF穿墻絕緣子宜采用空芯方式。

3) 加粗導桿直徑。由于甚低頻頻段銅導體的趨膚深度比工頻時的趨膚深度小很多(具體數(shù)據(jù)見表2)，故同等直徑的銅導桿，其射頻載流量比工頻載流量小很多，導桿更易于發(fā)熱。所以載流結(jié)構(gòu)的VLF穿墻絕緣子導桿的直徑比同等載流量的工頻穿墻絕緣子導桿的直徑要粗得多。在兆瓦級甚低頻發(fā)射系統(tǒng)中，穿墻絕緣子選用Φ120銅管(管厚10mm)作載流導桿。導桿必須工作在最大載流量內(nèi)才不致破壞導體材料的諸多物理特性，載流量計算公式如下:

I=U×S

(1)

式中，I為總的載流量，U為單位面積載流量(銅單位面積的載流量取5A/mm2)，S為總的有效載流面積。Φ120銅導桿的載流量計算值見表2?？梢姡撎坠茉?5kHz的頻率上載流能力可達到1000A，即使在30kHz的頻率上，載流能力也超過700A。

4) 增加穿墻絕緣子外絕緣的爬電距離。工作頻率越高，則絕緣子外表面污穢層的表面電阻越小，越易發(fā)生閃絡。因此，與相同等級的工頻高壓穿墻絕緣子相比，VLF穿墻絕緣子應增加外絕緣的爬電距離。

表2　不同頻率銅導體的趨膚深度

論文設計了一款150kV甚低頻氣體絕緣穿墻絕緣子，見圖5。該穿墻絕緣子為內(nèi)部充有SF6氣體的全密封結(jié)構(gòu)；外絕緣采用空心復合絕緣子作為整個絕緣子的絕緣支撐部件；中心貫通的Φ120載流銅導桿。內(nèi)絕緣SF6氣體的相對介電常數(shù)1.0021，損耗小；內(nèi)部支撐為聚四氟乙烯板，介電常數(shù)2.0，絕緣性能高。外絕緣空心復合絕緣子體積小、重量輕、耐污性能優(yōu)異。導桿端部設置勵磁線接口與外部連接。在穿墻絕緣子的戶外端端部設置了充放氣裝置和壓力檢測裝置。在中間法蘭兩側(cè)和絕緣子兩端均設置了均壓環(huán)，可較好地均衡絕緣外套的電壓分布，并對連接端子、壓力表等凸出物進行保護，防止電場不均勻?qū)е码姇灛F(xiàn)象的發(fā)生。該穿墻絕緣子實物見圖6，主要性能參數(shù)見表3。

表3　VLF穿墻絕緣子主要技術(shù)參數(shù)

圖5　150kV氣體絕緣穿墻絕緣子(1/4結(jié)構(gòu)圖)

圖6　150kV氣體絕緣穿墻絕緣子(1/2實物圖)

該穿墻絕緣子經(jīng)試驗測試，技術(shù)參數(shù)達到表3要求。

4結(jié)論

大張力天線頂線末端絕緣子和高壓穿墻絕緣子是甚低頻發(fā)射天線系統(tǒng)的重要耐壓部件，往往成為限制甚低頻發(fā)射系統(tǒng)大功率工作的瓶頸?；诎粜螐秃辖^緣子的大張力天線頂線絕緣子組件重量輕、耐污性能好，滿足大型甚低頻發(fā)射天線的使用要求?；赟F6氣體內(nèi)絕緣和復合絕緣子外絕緣的甚低頻穿墻絕緣子介質(zhì)損耗很小、強度高、耐污穢性能好，適用于大功率高壓饋線引出口對機房墻體的絕緣。

參 考 文 獻

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High Voltage Insulator for High Power VLF Transmitting Antenna

DENG TieHui1LIU Chao2ZHANG Jing2

(1. Communication Ministry, Navy Commander Department, Beijing100841)(2. College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan430033)

AbstractThe huge tension insulator of traditional VLF transmitting antenna is analyzed. A kind of VLF huge tension crest line’s insulator component based on long rod composite insulator is proposed, which has a characteristic of light weight, well anti contamination performance and ease of maintenance. The reason of performance decrease for power frequency wall-through insulator under VLF is researched. A VLF wall through insulator based on insulated inside SF6gas and outside composite insulator is proposed, which has a small loss in HF, a small capacitance, a high permissible voltage, etc.

Key WordsVLF, transmitting antenna, insulator

* 收稿日期：2015年11月25日,修回日期：2015年12月27日

作者簡介：鄧鐵輝，男，高級工程師，研究方向：長波通信、天線設計及通信信號處理。

中圖分類號TN82

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.043