甚低频大功率发射天线高压绝缘子研究*

邓铁辉　柳　超　张　静

(1.海司信息化部　北京　100841)(2.海军工程大学电子工程学院　武汉　430033)



甚低频大功率发射天线高压绝缘子研究*

邓铁辉1柳超2张静2

(1.海司信息化部北京100841)(2.海军工程大学电子工程学院武汉430033)

摘要对传统的甚低频发射天线大张力顶线绝缘子进行了分析，提出了一种基于棒形复合绝缘子的甚低频大张力顶线绝缘子组件，它具有重量轻、抗污秽性能好和维护方便等特点。对工频穿墙绝缘子在甚低频频段性能下降的原因进行了研究，提出了一种基于SF6气体内绝缘和复合绝缘子外绝缘的甚低频穿墙绝缘子，它具有高频介电损耗小、电容小、耐压高等特点。

关键词甚低频; 发射天线; 绝缘子

Class NumberTN82

1引言

甚低频(VLF)无线通信的主要工作频率范围为15kHz～30kHz。甚低频发射天线尽管结构庞大，但仍属电小天线[1～2]。大功率甚低频发射天线通常工作在高电压、大电流的工作状态，因此，甚低频发射天线的绝缘是一个需要重视的问题。VLF发射天线所用绝缘子的作用主要是将天线的带电部分与接地部分或墙壁绝缘。用于甚低频发射天馈线系统的绝缘子通常有铁塔底座绝缘子、拉线绝缘子、穿墙绝缘子和顶线绝缘子等[3]。其中，顶线绝缘子和穿墙绝缘子为大功率VLF天线系统的关键绝缘子。如果对天线上的电压估计不足，或者所采用绝缘子的绝缘强度满足不了电气要求，很可能产生从绝缘子的高电位端向支撑铁塔或机房墙壁低电位端的放电现象，导致系统不能正常工作[4]。本文针对VLF天线大张力高压绝缘子和高压穿墙绝缘子进行分析和研究。

2大张力VLF天线顶线绝缘子

连接天线幕与支撑铁塔的绝缘子称为天线系统顶线绝缘子。目前，大功率VLF天线系统顶线绝缘子一般采用瓷绝缘子串组成[5]。如某大功率T形天线阵采用高频瓷弓形绝缘子将矩形天线幕张拉在两支撑桅杆之间。瓷弓形绝缘子为具有两个正交反向弓形表面的瓷质弓形绝缘件，弓形绝缘子与套在瓷件上两个弓形表面的正交铁环铰链在一起构成弓形绝缘子串，见图1。弓形绝缘子串中瓷件受铁环的压力，且由铁环铰链成串，抗拉强度大，即使瓷件脱落，也不会发生断串现象。但瓷弓形绝缘子串的瓷件为光滑表面，爬电距离小，耐受电压能力不强；且瓷件在扭力作用下易损坏、脱落，影响绝缘子串的耐压强度；此外，瓷弓形绝缘子串重量重(大于1000kg)，组装和维修很不方便，是它的主要缺点。

图1　高频瓷弓形绝缘子串

绝缘子串电压分布一般呈“U”形曲线分布，串两端承受电压最高，中间最低。承受电压最高的绝缘子易先发生放电，并逐步发展成闪络[6]。为了使绝缘子串上的电压尽可能均匀分布，通常在绝缘子串两端增加均压环，以提高绝缘子串的起晕电压和闪络电压。

美军卡特勒甚低频发信台十三塔伞形天线的顶线绝缘子采用瓷支柱绝缘子串[7]，串中支柱绝缘子位于两正交横担之间，承受横担对它的压力，两相邻同向横担之间用金属拉杆连接(见图2)，工作原理与弓形瓷绝缘子串相同。由于支柱绝缘子带有伞裙，故瓷支柱绝缘子串的耐压能力高于瓷弓形绝缘子串的耐压能力。与瓷弓形绝缘子串类似，瓷支柱绝缘子串重量重，组装和维修也不方便。

图2　VLF瓷支柱绝缘子串

棒式复合绝缘子重量轻、耐污性能好、维护方便，可作为VLF天线绝缘子[8]。棒式复合绝缘子由玻璃钢芯棒、端部金具和伞裙护套三部分组成(见图3)。芯棒采用引拔成型的玻璃纤维增强型环氧树脂棒，它是用玻璃纤维作增强材料、环氧树脂作基体的玻璃钢复合材料。端部金具为外表面镀有热镀锌层的碳素铸钢或碳素结构钢。伞裙护套由高温硫化硅橡胶、乙丙橡胶等有机合成材料制成，为高分子聚合物。芯棒与端部金具的连接方式主要有外楔式、内楔式、内外楔结合式、芯棒罗纹胶装式和压接式等[9]。目前，复合绝缘子芯棒与金具主要采用压接连接工艺，压接工艺中的压力控制、金具变形量、芯棒受压发声等均由计算机监控，可确保压接后芯棒完好无损并满足抗拉要求[10]。

图3　棒形复合绝缘子

由于复合绝缘子的芯棒由硅橡胶材料包封，所以复合绝缘子具有良好的抗老化性能[11]。硅橡胶伞盘的高分子聚合物所特有的憎水性和憎水迁移性使得复合绝缘子具有优良的防污闪性能。此外，硅橡胶材料中掺有铝粉等阻燃材料，即使遇明火也会在1s内自动熄灭，所以雷击、闪络等均不会影响复合绝缘子的机械安全。尽管复合材料的介损比瓷质材料(尤其是高频瓷质材料)的介损大，但损耗功率与天线功率相比甚微，不会对天线的辐射效能产生影响。

作者设计了一款大张力VLF天线顶线复合绝缘子组件，见图4。它由四串棒形复合绝缘子串并联而成，每一串复合绝缘子的额定拉断了均大于550kN。每两串棒形复合绝缘子悬挂在一对三角形联板之间，再用一对三角形联板将两对悬挂了复合绝缘子的三角形联板连接在一起，总破断拉力大于1600kN。该复合绝缘子组件的主要技术参数见表1。

图4　VLF天线顶线复合绝缘子组件

性能指标工作频带15kHz～30kHz标称对地电压220kV雷电冲击耐受电压⩾1425kV介质损耗因数(tanδ)⩽0.5%单串绝缘子额定机械拉伸负荷⩾550kN绝缘子组件额定机械拉伸负荷⩾1600kN外护套厚度⩾6.00mm爬电比距⩾30mm/kV

该复合绝缘子组件的重量小于200kg，有利于减小顶线的负荷，从而减小顶线的垂度，提高天线效率。特别对于沿海及高污秽地区，使用复合绝缘子较为合适。

3VLF高压穿墙绝缘子

目前，市场上已有成熟的工频高压穿墙绝缘子，包括35kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV～1000kV等系列产品。近年来，随着工频高压电气设备技术的发展，工频穿墙绝缘子普遍采用电容芯子以实现小型化。电容式穿墙绝缘子的导杆上分层卷绕铝箔和绝缘的油浸塑料薄膜或纸，在导杆与外套之间形成多个串连电容，可提高外套与导杆之间电场分布的均匀程度，使相同直径穿墙绝缘子的耐压能力大大提高，从而缩小穿墙绝缘子的外直径。常用的穿墙绝缘子有:复合干式电容式穿墙绝缘子、油浸纸电容式穿墙绝缘子、胶浸纸电容式穿墙绝缘子等。

复合干式电容式穿墙绝缘子(硅油式)在标准大气压下的工频介损约为0.2%。VLF发射系统的工作频率(15kHz～30kHz)比工频(50Hz)高很多，当电容式穿墙绝缘子应用于VLF系统时，穿墙绝缘子的容抗将大大降低，介损将明显提高。复合干式电容式穿墙绝缘子为新型工频耐污型产品，产品使用时间不长。目前，复合干式电容式穿墙绝缘子货架产品的最高电压等级为220kV，高于220kV的复合干式电容式穿墙绝缘子还不成熟。因此，现有工频复合干式电容式穿墙绝缘子不能直接应用于甚低频发射系统中。

油浸纸电容式穿墙绝缘子的绝缘材料为油纸和油，高频率时的化学稳定性较差，工作温度不允许超过105℃，温度高时油纸和油绝缘性能劣化明显。油纸绝缘的穿墙绝缘子介质损耗较大，并且随着频率的上升，损耗增加。此外，该类穿墙绝缘子电容量较大，对甚低频发射系统高馈输入端的阻抗影响较大，故不宜采用。

胶浸纸电容式穿墙绝缘子的绝缘材料为胶浸纸，套管绝缘介质损耗较大，并且随着频率的上升损耗增加，因此也不适用于甚低频发射系统工作环境。

为克服工频穿墙绝缘子在高频段存在的上述问题，需对传统工频穿墙绝缘子进行改进以适应甚低频发射系统的工作要求。改进措施主要包括以下四个方面:

1) 内绝缘采用SF6气体。由于套管内同轴电容器损耗产生的热量与介质的tanδ成正比，而高频率工作下，套管的发热必定增大，这些热量必须散发掉，否则将造成热不稳定，导致热击穿。在气体、液体和固体三种绝缘介质中，气体的损耗最小，故甚低频穿墙绝缘子内绝缘采用SF6惰性气体。由于SF6为惰性气体，高频绝缘性能优良，损耗极小。内部支撑采用聚四氟乙烯板材，其介电常数为2.0，损耗低，绝缘性能好。

2) 不采用电容芯子。目前220kV工频油纸电容式穿墙绝缘子的电容量一般约为几百pF至1000pF。某220kV级复合外套式电容式穿墙绝缘子产品电容量的典型值为342pF，这样的电容量在50Hz时漏电流很小，但在15kHz～30kHz频率范围内漏电流会大很多，这对介质材料的绝缘性能提出了比普通穿墙绝缘子高得多的要求，因此，VLF穿墙绝缘子宜采用空芯方式。

3) 加粗导杆直径。由于甚低频频段铜导体的趋肤深度比工频时的趋肤深度小很多(具体数据见表2)，故同等直径的铜导杆，其射频载流量比工频载流量小很多，导杆更易于发热。所以载流结构的VLF穿墙绝缘子导杆的直径比同等载流量的工频穿墙绝缘子导杆的直径要粗得多。在兆瓦级甚低频发射系统中，穿墙绝缘子选用Φ120铜管(管厚10mm)作载流导杆。导杆必须工作在最大载流量内才不致破坏导体材料的诸多物理特性，载流量计算公式如下:

I=U×S

(1)

式中，I为总的载流量，U为单位面积载流量(铜单位面积的载流量取5A/mm2)，S为总的有效载流面积。Φ120铜导杆的载流量计算值见表2。可见，该套管在15kHz的频率上载流能力可达到1000A，即使在30kHz的频率上，载流能力也超过700A。

4) 增加穿墙绝缘子外绝缘的爬电距离。工作频率越高，则绝缘子外表面污秽层的表面电阻越小，越易发生闪络。因此，与相同等级的工频高压穿墙绝缘子相比，VLF穿墙绝缘子应增加外绝缘的爬电距离。

表2　不同频率铜导体的趋肤深度

论文设计了一款150kV甚低频气体绝缘穿墙绝缘子，见图5。该穿墙绝缘子为内部充有SF6气体的全密封结构；外绝缘采用空心复合绝缘子作为整个绝缘子的绝缘支撑部件；中心贯通的Φ120载流铜导杆。内绝缘SF6气体的相对介电常数1.0021，损耗小；内部支撑为聚四氟乙烯板，介电常数2.0，绝缘性能高。外绝缘空心复合绝缘子体积小、重量轻、耐污性能优异。导杆端部设置励磁线接口与外部连接。在穿墙绝缘子的户外端端部设置了充放气装置和压力检测装置。在中间法兰两侧和绝缘子两端均设置了均压环，可较好地均衡绝缘外套的电压分布，并对连接端子、压力表等凸出物进行保护，防止电场不均匀导致电晕现象的发生。该穿墙绝缘子实物见图6，主要性能参数见表3。

表3　VLF穿墙绝缘子主要技术参数

图5　150kV气体绝缘穿墙绝缘子(1/4结构图)

图6　150kV气体绝缘穿墙绝缘子(1/2实物图)

该穿墙绝缘子经试验测试，技术参数达到表3要求。

4结论

大张力天线顶线末端绝缘子和高压穿墙绝缘子是甚低频发射天线系统的重要耐压部件，往往成为限制甚低频发射系统大功率工作的瓶颈。基于棒形复合绝缘子的大张力天线顶线绝缘子组件重量轻、耐污性能好，满足大型甚低频发射天线的使用要求。基于SF6气体内绝缘和复合绝缘子外绝缘的甚低频穿墙绝缘子介质损耗很小、强度高、耐污秽性能好，适用于大功率高压馈线引出口对机房墙体的绝缘。

参 考 文 献

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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

作者简介：邓铁辉，男，高级工程师，研究方向：长波通信、天线设计及通信信号处理。

中图分类号TN82

DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.05.043