Zagadnienia izolacji masztu - anteny

Podstawowym problemem stojącym do rozwiązania przy realizacji przyjętej koncepcji anteny okazała się sprawa odpowiedniej izolacji masztu. Sprawa ta — początkowo nie w pełni doceniana — kryła w sobie źródło podstawowych trudności i nieoczekiwanych kosztów. Wstępne podejście do rozwiązania tego problemu, uwzględniające tylko napięcia robocze w.cz. i podział lin odciągowych z punktu widzenia uzyskania prawidłowej charakterystyki promieniowania, doprowadziło do niewłaściwych wniosków jak się to później okazało.

Według badań modelowych, nie dzielone odciągi (izolatory tylko na obu końcach lin odciągowych) w pierwszych trzech poziomach nie miały wpływu na charakterystykę promieniowania anteny zarówno w płaszczyźnie poziomej jak i pionowej. Nie dzielone odciągi czwartego poziomu wpływały głównie na poziomą charakterystykę promieniowania. Nie dzielone odciągi piątego poziomu wpływały natomiast niekorzystnie w sposób istotny na charakterystyki w obu płaszczyznach. Oczekiwano też małego wpływu podziału odciągów na impedancję wejściową anteny. Podział lin odciągowych na odcinki nie dłuższe niż 0,2? likwidował praktycznie zupełności niekorzystny wpływ tych odciągów na pracą anteny. Ponadto w pełni realne było wykonanie izolacji odciągów, wystarczającej z punktu widzenia napięć roboczych w.cz., tuż przy punktach ich zaczepienia do masztu.

Wobec tego wstępną koncepcję anteny oparto na następującym, optymalnym jak się wydawało punkcie widzenia podzialu lin odciągowych:

- odciągi pierwszych trzech poziomów nie dzielone,

- odciągi czwartego poziomu dzielone na dwie równe części,

- odciągi piątego poziomu podzielone na trzy równe części.

Podstawową trudność i główny składnik kosztów izolacji anteny upatrywano w izolatorach podstawy masztu narażonych na znaczne napięcia robocze, oceniane według badań modelowych na 116kV w szczycie modulacji . Bagatelizowano natomiast w pewnej mierze izolację odciągów. Bliższe rozeznanie tych spraw, poparte szeregiem konsultacji przeprowadzonych ze specjalistami laboratoriów antenowych firm ubiegających się o kompleksową dostawę urządzeń dla NRC, a mianowicie: AEG-Telefunken, Brown-Boveri i Thomson-CSF, zmusiło do zrewidowania poglądów w tym zakresie.

Przede wszystkim okazało się, że wykonanie izolacji i podstawy masztu dla szczytowych napięć nawet przy równocześnie działających tam siłach mechanicznych (składowa pionowa rzędu 900 t, składowa pozioma rzędu 8 t), nie nastręcza szczególnych trudności przy użyciu zespołu 6 izolatorów ceramicznych w układzie bądź to piętrowym (po trzy w dwóch poziomach przedzielonych środkową płytą metalową), bądź też tak jak to zaproponowane zostało w ofercie firmy Thomson-OSF — w układzie jednopoziomowym sześciobocznym, mniej korzystnym pod względem możliwości równomiernego obciążenia poszczególnych izolatorów. Koszty izolatorów podstawy masztu oszacowano w każdym rozwiązaniu na przewidywanym poziomie 45-100 tysięcy złotych dewizowych.

Zwrócono jednak ponadto uwagę na niedopuszczalność niedoceniania wpływu elektryczności atmosferycznej, szczególnie groźnej przy tak wysokim maszcie, na bezawaryjną i niezawodną pracę anteny w założonych warunkach eksploatacyjnych (praca stacji praktycznie. 24 godziny na dobę). Zgłoszone przez trzy powyżej wymienione firmy oferty na izolację odciągów masztu w różnym stopniu uwzględniały ten postulat. Analizę przeprowadzono na podstawie danych technicznych izolatorów typu Ki 3051(1 według patentu f. Stemag, Holenbrunn, NRF z jarzmami firmy C. H. Jucho, Dortmund, NRF opierając się na metodzie obliczeń opublikowanej w październiku 1969 r. w piśmie Rundfunktechnische Mitteilungen w artykule P. Brugera „Pardunenisolation der Mittenwellen-antenne Langenberg des Westentschen Rundfunks".Ten właśnie typ izolatora z jarzmami firmy Brownboveri znoszącymi obciążenie robocze 100 t okazał się właściwy dla przewidywanych obciążeń maksymalnych rzędu 70t. Był on zgodnie zalecany przez wszystkich oferentów jako rozwiązanie najbardziej prawidłowe technicznie (lekkie, proste, nowoczesne) i wygodne w eksploatacji (szczególnie dzięki łatwości wymiany izolatora w przypadku jego uszkodzenia), umożliwiające przy tym elastyczną rozbudowę łańcucha izolatorowego w zależności od rzeczywistych potrzeb. Jedynie f. Thomson-CSF marginesowo oferowała zastosowanie starego typu izolatorów, tzw. „lampionowych" z ciężkimi jarzmami typu podobnego do stosowanych w istniejącym maszcie długofalowej anteny WRC Raszyn, jako rozwiązanie korzystniejsze z jednego tylko względu — tańsze.

Dla obliczenia napięć na izolatorach posłużono się metodami opracowanymi w Laboratorium Antenowym f. AEG-Telefunken i opublikowanymi ostatnio w piśmie Rundfunktechnische Mitteilungen, B.13.H.5. Najtańsza (135 izolatorów, koszt ok. 455 tys. zł dew.) okazała się propozycja f. AEG-Telefunken przyjęta w kolejnym etapie opracowań projektu wstępnego jako wersja proponowana do realizacji. Natomiast najbardziej kosztowna (405 izolatorów, koszt sprowadzony do warunków porównywalnych ok. 11 000 tys. zł dew.) była propozycja f. Thomson CSF i propozycja f. Brown-Boveri (165 izolatorów, koszt ok. 590 tys. zł dew.) zajęła miejsce pośrednie, zbliżone jednak wyraźnie do propozycji f. AEG-Telefunken. Ze szczegółowej analizy tych propozycji wynikało co następuje: 1) Z punktu widzenia napięć roboczych w.cz. przy gradiencie pola elektrostatycznego w troposferze rzędu 100—130 V/m, występującym normalnie, każde z proponowanych rozwiązań izolacji odciągów spełniało swoje zadanie z mniejszym lub większym zapasem. Najkorzystniejsze, bo najbardziej równomierne, obciążenie napięciowe izolatorów dawało jednak rozwiązanie f. Brown-Boveri . Najmniej korzystna z tego punktu widzenia okazała się propozycja .f. Thomson-CSF. 2) Przy uwzględnieniu poziomu natężenia pola elektrycznego rzędu 400 V/m występującego stosunkowo często, a mianowicie w dość długim czasie przed i po burzach, należało się już liczyć z nakładaniem się na izolatorach znacznych napięć statycznych na napięcia robocze w.cz. Największe wartości osiągają one na izolatorach bliskich masztu. Dalej w dół odciągu szybko maleją do wartości niemal bliskich zeru, by następnie stopniowo znów osiągnąć dość znaczne wartości w strefie bliskiej ziemi.

W tych warunkach rozwiązanie f. Brown-Boveri jak i w zasadzie również rozwiązanie f. AEG-Telefunken, gwarantowało nieprzekroczenie napięć przeskoku na mokro na wszystkich izolatorach odciągowych, przy równoczesnym racjonalnym wykorzystaniu pełnej zdolności izolacyjnej wszystkich łańcuchów izolatorowych. Trzeba jednak stwierdzić, że niektóre izolatory dla rozwiązania AEG-Telefunken były już obciążone krytycznie. Rozwiązanie proponowane przez f. Thomson-CSF wykazywało natomiast duże rezerwy. 3) Biorąc pod uwagę poziom natężenia pola elektrostatycznego 1600 V/m, która to wartość jest statystycznie biorąc bardzo rzadko osiągana, a tym bardziej przekraczana, choć trzeba podkreślić że prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest skończone, trzeba stwierdzić, że zarówno izolacja odciągów proponowana przez f. Brown-Boveri jak i f. AEG-Telefunken nie była przystosowana do znoszenia takich obciążeń. Mogły zatem w takich warunkach występować częste i groźne dla izolacji masztu przeskoki z podtrzymaniem powstałego równolegle do izolatora łuku przez energię w.cz. dostarczaną do anteny. Izolacja zaproponowana przez f. Thomson-CSF wytrzymywała wprawdzie ten poziom zagrożenia, jednak nie przedstawiała sobą pełnowartościowego pod względem technicznym i ekonomicznym rozwiązania.

Podczas gdy niektóre łańcuchy izolatorowe osiągają już bowiem obciążenie krytyczne, to jednak większość okazywała się zbędnie napięciowo przewymiarowana. Jak z tego wynika, najbardziej prawidłowe rozwiązanie (pomijając przyjęty poziom izolacji) przestawiała sobą koncepcja izolacji odciągów zaproponowana przez f. Brown-Boveri. Dopuszczała ona jednak stosunkowo duże prawdopodobieństwo powstawania podtrzymujących się wyładowań na izolatorach odciągowych w okresach burzowych i w związku z tym wymagała dodatkowych przedsięwzięć zmierzających do poprawy niezawodności pracy anteny. Celowość i możliwości stosowania takich środków dla ochrony odciągów przed niszczącymi skutkami łuku w.cz. była przedmiotem dodatkowych rozważań.

Pewnego rodzaju paradoksem może się wydawać to, że w pewnej mierze jako środek zapobiegawczy mogłaby być brana pod uwagę bardzo głęboka modulacja nadajników, umożliwiająca w ujemnych półokresach modulacji obniżenie napięcia w.cz. do poziomu sprzyjającego procesowi dejonizacji, a więc gaszenia łuku. Nie był to jednak na pewno środek wystarczający. Ponadto w grę mogły wchodzić monitory wyładowań na izolatorach włączone w układ blokady nadajników i powodujące krótkotrwały zanik mocy wyjściowej , zdjęcie wzbudzenia, bądź obniżenie do zera napięcia prostowników głównych wysokiego napięcia. Niestety nie znano rozwiązania dającego wystarczająco niezawodne kryterium wykrywania powstającego łuku. Urządzenia reflektometryczne w torze zasilającym antenę były bezużyteczne, ponieważ występujące w tym przypadku rozstrojenie anteny i zmiana dopasowania na ogół okazywały się dla nich praktycznie niezauważalne. Znacznie lepsze rezultaty można było uzyskać za pomocą opracowanego przez f. RCA detektora zmian fazy i amplitudy prądu w feederze. Najbardziej stosownym środkiem wydawało się zastosowanie oporników upływowych dla elektryczności statycznej o wartościach rzędu 75 do 500k? (zależnie od mocy w.cz.), przyłączonych równolegle do izolatorów.

Niektóre firmy proponowały w tym celu oporniki ocelitowe. Mimo specjalnie odpornego na wpływy atmosferyczne wykonania tych oporników pewność ich działania w czasie była jednak kwestionowana, a kontrola ich stanu utrudniona i kłopotliwa w eksploatacji. W ówczesnych warunkach oceniano je jako środek nazbyt niepewny. W tej sytuacji należało się oprzeć na zastosowaniu kulowych iskierników bocznikujących izolatory w łańcuchach izolacyjnych i takim zaprojektowaniu izolacji odciągów, która dawałaby rękojmię wystarczająco małego prawdopodobieństwa powstania prze-skoku na izolatorach.

powrót