Почему неоновые трансформаторы выходят из строя

Основная часть эксплуатационных проблем неоновой рекламы обусловлена спецификой использования электромагнитных трансформаторов в отечественных сетях. Выход из строя львиной доли трансформаторов на световых установках есть результат плохого проектирования и монтажа.

Недогрузка и перегрузка

Газосветные трансформаторы имеют две неприятные особенности: при малой нагрузке возможен перегрев обмоток, являющийся одной из главных причин их выхода из строя, в свою очередь, перегрузка трансформатора приводит к развитию в электрической цепи высокочастотных колебаний, ухудшающих качество сетевого напряжения. Возникают помехи, способные влиять на работу конденсаторов (что приводит к пробоям) и устройств защиты (что влечет за собой ложные срабатывания автоматов).

Ошибки, возникающие при расчетах элементов цепей электропитания, часто связаны с недостоверностью исходных данных. Еще философ Гексли писал: «Математика подобно жернову, перемалывает то, что под него засыпают». Поэтому никакие правильные расчетные методики не спасут нас от ошибок, если в основе лежат недостоверные данные.

Ошибки в исходных данных имеют три источника. Во-первых, несоответствие стандартов сетевого напряжения. Большинство европейских, американских и азиатских моделей трансформаторов рассчитаны на сетевое напряжение 230 В. Могут отличаться и другие параметры, к примеру, частота сетевого напряжения (60 Гц вместо 50 Гц), а также величины допустимых отклонений. Поэтому характеристики газосветных трансформаторов, необходимые для расчета световых линий и элементов внешней электрической цепи, верны только для сетей страны изготовителя. Во-вторых, несмотря на интернациональный характер технических знаний, формы их представления в технической документации могут заметно отличаться из-за проблем с профессиональным переводом. Таким образом, любые технические данные требуют осмысления. В-третьих, на самом деле мы всегда имеем дело с системой «трансформатор - световой контур (нагрузка)». При отклонениях от рекомендуемой нагрузки токовые и мощностные параметры трансформаторов будут отличаться от номинальных, которые предоставляются потребителю в качестве справочных. Подробнее о тонкостях в расчетах схем подключения газосветных установок и нюансах электромагнитных трансформаторов можно прочитать в выпусках журнала «НАРУЖКА. Издание для производителей рекламы» за февраль и май 2008 года.

Нарушение герметичности корпуса

Механизм образования микро- и макротрещин в бескорпусных неоновых трансформаторах весьма любопытен. Все органические компаунды в той или иной мере поглощают влагу. Различают два механизма: поглощение из газовой фазы по механизму адсорбции и поглощение из жидкой фазы (набухание). Во втором случае компаунды способны поглотить значительные количества влаги. При этом с ростом температуры количество поглощенной влаги растет. Молекулы воды, проникая внутрь компаунда, способны разрушать сетку химических связей материала, тем более, что он является неоднородным. При снятии контакта с жидкой средой наблюдается обратный процесс: частичное удаление влаги из компаунда. Повторяющиеся периодически циклы «набухание – десорбция» и приводят, в конце концов, к образованию сначала микро-, а затем и макротрещин в корпусе. Отсюда практический вывод: не следует эксплуатировать бескорпусные трансформаторы в условиях прямого воздействия жидкой фазы. Именно такие дефекты наблюдались у вышедших из строя трансформаторов, проработавших на газосветных установках свыше одного года. Если нет возможности укрыть устройства от прямого воздействия воды, то целесообразнее использовать корпусные модели трансформаторов, например, фирмы Brollo Siet.

Проблемы с динамикой

Установка, состоящая из большого количества ртутных ламп диаметром 12 мм, должна была работать в динамическом многоканальном режиме. Каждый канал содержал по две лампы. Расчет, проведенный с учетом погодных условий, показал, что достаточно использовать трансформаторы с номиналом 3 кВ. Во время монтажа каналы проверялись в тестовом режиме (в режиме постоянного горения). Никаких отклонений в работе ламп не наблюдалось. Однако при работе в динамическом режиме отдельные лампы или совсем не зажигались, или же зажигались только после работы в тестовом режиме. Лампы из плохо работающих каналов были демонтированы. Проверка их электрических параметров показала, что лампы изготовлены качественно: их напряжение горения находится в пределах допуска. Поведение этих ламп можно объяснить двумя факторами. Во-первых, известно, что в момент включения холодной лампы ее электрические параметры (напряжение горения и напряжение зажигания) на 50-100 В превосходят значения тех же параметров в разгоревшейся лампе. Во-вторых, при недостатке ртутных паров в момент включения в трубках относительно малых диаметров наблюдаются реактивные колебания, которые способны привести к «отключению» управляющего элемента (симистора). Следует заметить, что этот эффект еще более ярко выражен в случае использования ламп, заполненных неоном. Таким образом, для нормальной работы ламп в динамическом режиме следует снижать коэффициент нагрузки трансформатора. Этого можно достичь двумя путями: уменьшением давления рабочей смеси в лампах или увеличением номинала выходного напряжения трансформатора. Второй путь является более предпочтительным, поскольку не влияет на срок службы ламп. В описываемом случае была произведена полная замена трансформаторов, что и обеспечило нормальную работу вывески.

Колебания в напряжении

Рассмотрим, к чему может привести действие периодически изменяющейся нагрузки. На одной из автозаправочных станций, где была смонтирована световая линия из неоновых трубок, спустя месяц после сдачи в эксплуатацию стал проявляться прерывистый режим работы, который периодически заканчивался гашением световых элементов. Осмотр показал, что электроды, рассчитанные на ток 100 мА, при питании от трансформаторов с рабочим током 50 мА, распылились. Заказчик потребовал заменить некачественные лампы. Замеры напряжения в дневное время не выявили отклонений от нормы. Однако аналогичные замеры в вечернее время и ночью показали, что значение сетевого напряжения не превышало 180 В. Последующий осмотр электропроводки выявил факт несанкционированного подключения мощного прожектора к кабелю, питающему установку. Дополнительная нагрузка привела к сильному перегреву кабеля и падению напряжения на входе трансформаторов. Световые линии трансформаторов во время включения прожектора (в вечернее и ночное время суток) оказывались перегруженными, что привело к возникновению прерывистого режима работы ламп. В условиях развитых реактивных колебаний ускорились процессы деградации эмиссионного слоя электродов, что и привело к их распылению. И это притом, что ток в световой линии был меньше 20 мА. В результате лампы пришлось изготавливать заново за счет заказчика.

Несоблюдение температурного режима эксплуатации

Автору этой статьи пришлось расследовать и такой случай: световые элементы газосветной витринной установки после 10-15 минут работы начинали «мерцать». Осмотр показал, что виной всему были неправильные условия эксплуатации трансформаторов. Они располагались в закрытом металлическом коробе. Было принято решение об изготовлении перфорационных отверстий в коробе. Этого оказалось достаточным для охлаждения корпусов трансформаторов, и режим «мерцания» больше не наблюдался. Причина этого дефекта проста. Вследствие ухудшения теплообмена поверхностей трансформатора с окружающей средой увеличились тепловые потери в обмотках, что привело к перераспределению напряжения между выходными обмотками трансформаторов и неоновыми лампами и, следовательно, к уменьшению тока и увеличению коэффициента нагрузки. Это спровоцировало переход реактивных колебаний в релаксационную фазу, в результате разряд стал прерывистым. По счастливой случайности после начала «мерцания» установка отключалась электриком. Поэтому трансформаторы не вышли из строя, а электроды ламп не распылились. Грамотные действия технического специалиста владельца установки позволили избежать серьезных последствий. Описанные в этом примере дефекты могут иметь место, например, при расположении трансформаторов в закрытой витрине или коробе, что обязательно нужно учитывать во время проектирования установки.

Утечка тока

На установке, принятой в эксплуатацию в конце 1980-х годов, периодически начали наблюдаться отключения автоматов защиты. Было сделано предположение, что этот эффект связан с исчерпанием ресурса газосветных ламп, хотя в течение эксплуатации регулярно проводились замены вышедших из строя ламп. Полная замена ламп не привела к улучшению работы установки; отключения автоматов защиты не прекратились. Осмотр электрических элементов установки показал, что высоковольтный кабель не заменялся с момента сдачи установки в эксплуатацию и проложен по металлическим частям установки. Известно, что с течением времени в изоляции высоковольтного провода накапливаются дефекты, связанные с микропробоями, вследствие чего токовые утечки на металл увеличиваются. В электрических цепях начинают наблюдаться импульсные помехи, которые способны приводить к срабатыванию автоматов токовой защиты. Было принято решение полностью заменить высоковольтные провода и дополнительно поместить их в гофрированный пластиковый шланг. Кроме того, токовые автоматы были заменены комбинированными. Указанные меры позволили избавиться от ложных срабатываний автоматов защиты. Данный пример показывает, что такие элементы, как высоковольтный кабель, со временем могут терять свои изоляционные свойства. Поэтому при проектировании наружных вывесок необходимо максимально изолировать провода от металлических частей и от влияния окружающей среды.

Выводы

Надежность работы газосветных установок существенно зависит от работы систем электропитания. Стабильность основных элементов этих систем определяется не только их качеством, но и правильным выбором электрических параметров, обеспечивающих электрическую стабильность работы контура «трансформаторы – неоновые лампы», стабильностью и качеством сетевого напряжения и обеспечением нормального теплообмена поверхностей трансформаторов с окружающей средой.

Расчеты электрических характеристик основных элементов цепей газосветных установок носят типовой характер, однако их точность во многом зависит от исходных параметров нагрузки системы «трансформатор – неоновые лампы».

Представленный анализ причин типичных дефектов реальных газосветных установок показывает, что их плохая работа чаще всего связана с непониманием особенностей поведения системы «трансформатор - неоновые лампы» в различных условиях. Изменения погодных условий и/или параметров питающей сети способны перевести работу этой системы в неустойчивое состояние, которое и приводит к развитию самых нежелательных дефектов. Таким образом, стабилизация работы всей системы с учетом внешних факторов и есть основная задача проектирования электрических схем газосветных установок.

Виктор Марков, технолог неонового производства

Материалы для производства рекламы. Каталог поставщиков.