При модификации старого РА возникла проблема. После повышения напряжения источника анодного питания (с 2,4 до 2,9 кВ) временами при настройке стал "прошивать" воздушный анодный КПЕ
Да, зазор у него был невыдающийся: 2 мм. Но при анодном питании 2,4 кВ он работал устойчиво. А вот повышения до 2,9 кВ не вынес.
Конечно, бескомпромисно правильным решением было бы заменить слабоватый КПЕ на более мощный: аналогичной емкости, но с большим зазором, или применить вакуумный КПЕ. Но в нашем грубом практическом мире такое решение восторга не вызвало. Вакуумный конденсатор не влезал в имеющуюся плотную компоновку (да там еще и счетчик оборотов нужен), а найти или заказать воздушный КПЕ с большим зазором и теми же точками крепления и расположения оси не удалось. А пересверливать красивую, промышленным образом выполненную, переднюю панель и заново наносить разметку шкалы совсем не хотелось.
Пришлось пойти другим путем.
С одной стороны старое радиолюбительское правило гласит: "1 мм зазора на каждый киловольт".
А с другой стороны физики-экспериментаторы дают пробивное напряжение воздуха при нормальных условиях (атмосферное давление 760 мм рт. ст , 220С, 55 % влажность) 4,5 кВ на 1 мм воздушный промежуток и 8 кВ на 2 мм промежуток (пробивное напряжение не прямо пропорционально зазору, чем шире зазор, тем это напряжение меньше ожидаемого, если просто брать пропорцию к 1 мм).
Но при повышении влажности и росте температуры эти цифры снижаются максимум на 25…30%.
Кроме того, надо иметь в виду снижение пробивного напряжения воздуха на высокой частоте. Те же физики-экспериментаторы рапортуют, что в в полосе 2 … 30 МГц пробивное напряжение воздуха снижается от 25% (на 2 МГц) до 15% (на 30 МГц) от значения на постоянном токе.
Ну хорошо, скинем от 8 кВ пробоя 2 мм промежутка 30% на превратности погоды (а в РА жарко) и еще уменьшим на 25% на частоте 2МГц. Получим 4,2 кВ.
Т.е. наш зазор 2 мм на диапазонах 1,8 и 3 МГц в самых худших условиях окружающей среды должен бы выдерживать 2,9 кВ. Но не выдерживает.
Почему?
Дело в том, что вышеприведенные цифры относятся к однородному электрическому полю и разряду между двумя плоскостями. Казалось бы, в плоском воздушном КПЕ разряд идет между двумя плоскостями.
Теоретически да. Но только в том случае, если все пластины строго параллельны, а торцы пластин обработаны так, чтобы их края были закруглены.
На торцах пластин (даже правильно закругленных) поле совсем неоднородное. Его напряженность значительно выше, чем на гладкой поверхности пластин. И если край хотя бы одной пластины хотя бы едва загнут в сторону или имеет крохотный заусенец, то разряд пойдет именно с этого края. Тот же эффект будет даже при небольшом эксцентриситете между ротором и статором.
Опыт это подтверждает: разряд в воздушном КПЕ идет с краев роторных или статорных пластин. И повреждения пластин КПЕ разрядом (например, оплавление алюминиевых пластин) почти всегда оказываются на их краях.
То есть разряд получается не между двумя плоскостями, а между выступом и плоскостью. Экспериментальная физика говорит, что в случае разряда стержень-плоскость пробивное напряжение воздуха оказывается меньше в 1,5 … 2 раза, чем при пробое плоскость-плоскость. Степень уменьшения зависит от остроты стержня. На острых выступах снижение до 2 раз, на более плавных – до 1,5 раз.
Поэтому чтобы быть спокойным надо брать цифры пробивного напряжения для промежутка стержень – плоскость. В полтора…два раза ниже вышеприведенных. Т.е. наш КПЕ с зазором 2 мм в самых худших условиях и при неидеальном исполнении пробьется не при 4,2 кВ , а при 2,1 … 3,15 кВ. Что уже весьма близко к радиолюбительскому правилу "1мм на 1 кВ".
Что можно в принципе сделать, чтобы минимизировать снижение пробивного напряжения воздушного КПЕ? Как мы видели выше, самая большая потеря этого напряжения происходит из-за разряда выступ-плоскость. Поэтому:
Пластины КПЕ должны быть хорошо отрихтованы, отполированы и не иметь изгибов и выступов
Эксцентриситета быть не должно.
Торцы пластин должны быть плавно скруглены (т.е. обработаны после штамповки или резки) и не иметь ничего похожего на заусенцы или острые края.
Пластины должны быть толстыми , т.к. чем тоньше торец, тем больше напряженность поля вокруг него (а пробивает не само напряжение, а именно напряженность поля). Кроме того, толстые пластины более стабильны и меньше подвержены температурной деформации (кроме того, что в РА жарко само по себе, так еще и ток через анодный КПЕ в киловаттном РА может достигать 10 А и подогревать пластины).
Эти меры хороши и правильны. Особенно при выборе или изготовлении нового КПЕ. Но к уже имеющемуся и установленному КПЕ можно только в небольшой мере применить п. 3 (надфиль, тонкая шкурка) и очень ограничено п.1 (точная рихтовка пластин без разборки КПЕ и пресса невозможна, вручную можно только поправить совсем грубые загибы пластин).
В профессиональной высоковольтной технике для увеличения электрической прочности изоляционных промежутков без увеличения их ширины применяют барьерную изоляцию. Она бывает разных видов, но нас в данном случае интересует только один из них: покрытие электродов тонким слоем диэлектрика, электрически более прочного, чем диэлектрик основного промежутка.
Эффективность такого покрытия не столько в его толщине, сколько в повышении работы выхода с поверхности покрытого электрода. Покрытие затрудняет появления первого эффективного электрона лавины пробоя (т.е. такого электрона, который имеет достаточную энергию, чтобы выбить из диэлектрика не меньше двух других электронов). Иными словами, затрудняется образование ударной ионизации и стримеров, предшествующих лидеру разряда. Поэтому для возникновения разряда требуется увеличить напряженность поля, по сравнению со случаем отсутствия покрытия.
Дополнительно покрытие уменьшает разброс значений пробивного напряжения (а в КПЕ он всегда есть т.к. зазоры между разными пластинами не строго одинаковы), поднимая его нижнюю границу. А этот разброс может превышать 100% в случае сильных загрязнений пластин (например, пыль, протягиваемая обдувом лампы, накапливается в узких местах).
По литературным данным увеличение пробивного напряжения барьерным покрытием достигает 50…100% (причем большая цифра соответсвует худшему состоянию основного диэлектрика, т.е. воздуха в данном случае).
Возникла мысль попробовать барьерную масляную изоляцию на проблемном КПЕ. Для этого его пластины (и роторные, и статорные) были покрыты тонким слоем конденсаторного масла (просто прокрашены очень тонкой кисточкой). Масло было добыто из старого, вздувшегося неисправного высоковольтного масляного конденсатора. Особо тщательно были промаслены торцы пластин. Излишки масла промокнул мягкой тряпочкой, на пластинах осталась лишь его очень тонкая пленка.
После покрытия пластин маслом пробои исчезли и не возвращаются уже в течение полугода. То есть, пробивное напряжение возросло как минимум на 20 % (рост анодного напряжения, напомню, был с 2,4 до 2,9 кВ) и этот эффект сохранился не менее 6-ти месяцев (на момент написания статьи). Побочных эффектов не отмечено.
Я не измерял на сколько именно возросло пробивное напряжение (полученный эффект меня устроил, а исследования не интересовали).
Также не знаю, какое время сохранится эффект увеличения пробивного напряжения. Возможно из-за высыхания масла раз в несколько месяцев-лет придется его обновить, пройдясь кисточкой по пластинам КПЕ (хотя проходится сухой кисточкой при профилактических осмотрах надо по любому воздушному КПЕ, чтобы вымести накопившуюся пыль).
Предельная простота метода позволяет рекомендовать его для всех воздушных КПЕ, если есть сомнения в их электрической прочности. Думаю, что кроме конденсаторного масла, скорее всего можно использовать трансформаторное или даже минеральное моторное, но эти варианты я не проверял.
04.09.2020