水冷式可變陶瓷真空電容在國(guó)產(chǎn)500kW短波發(fā)射機(jī)的應(yīng)用與運(yùn)維探析

陶 金

（國(guó)家廣播電視總局2024臺(tái)，黑龍江 佳木斯 154025）

國(guó)產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)作為我國(guó)首批自主研發(fā)的大功率短波發(fā)射機(jī)，已在多個(gè)發(fā)射臺(tái)投入使用。整機(jī)共使用可變陶瓷真空電容8只，其中6只為水冷式真空電容，2只為自然冷卻式真空電容，分別位于射頻前級(jí)輸入網(wǎng)絡(luò)端、射頻末級(jí)輸入網(wǎng)絡(luò)端、射頻末級(jí)輸出網(wǎng)絡(luò)端，主要起到調(diào)諧、濾波、匹配等作用[1]。由于真空電容結(jié)構(gòu)精密、技術(shù)指標(biāo)要求高且價(jià)格昂貴，因此要加強(qiáng)真空器件運(yùn)維管理，這樣不僅能延長(zhǎng)其使用壽命，還能穩(wěn)定和提高發(fā)射機(jī)運(yùn)行指標(biāo)，減少設(shè)備故障，從而保障安全傳輸發(fā)射工作。

1 水冷式可變陶瓷真空電容結(jié)構(gòu)

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可調(diào)電容由兩組電極片組成（圖1），一組固定，一組可移動(dòng)，兩組極片間為同心圓結(jié)構(gòu)。移動(dòng)電極片連接在一個(gè)中空管（波紋管）上，波紋管將移動(dòng)電極片連接到傳動(dòng)系統(tǒng)的固定端，波紋管起兩個(gè)作用，一個(gè)是保持電容內(nèi)的真空，另一個(gè)是傳導(dǎo)電流到移動(dòng)電極片[2]。通過螺桿調(diào)節(jié)波紋管的伸縮，帶動(dòng)與它連接的移動(dòng)電極上下移動(dòng)，改變兩個(gè)電極間的相對(duì)面積，從而起到了調(diào)節(jié)容量的作用，這樣的設(shè)計(jì)保證了電極片的同軸性。電極片采用無氧銅制成，陶瓷部分采用無釉陶瓷。

圖1 真空電容內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 水冷式結(jié)構(gòu)原理

目前大部分發(fā)射機(jī)在用的水冷式可變真空電容主要分為標(biāo)準(zhǔn)水冷式和渦流水冷式。標(biāo)準(zhǔn)水冷：冷卻水經(jīng)過固定導(dǎo)向管周圍的水腔孔和波紋管內(nèi)部，然后流回到可動(dòng)管（導(dǎo)向管）的內(nèi)部，再流出水腔。這個(gè)系統(tǒng)只能在豎直位置運(yùn)行，因?yàn)槔鋮s水不能完全填滿波紋管的螺旋凹槽。當(dāng)波紋管被壓縮到最小電容值位置時(shí)這個(gè)問題就尤其突出，氣泡會(huì)停留在波紋管的螺旋凹槽內(nèi)，產(chǎn)生過熱的一個(gè)點(diǎn)。這種情況在電容水平安裝時(shí)會(huì)更加嚴(yán)重，甚至導(dǎo)致電容過早損壞。渦流水冷：其原理是在移動(dòng)電極片上的水冷盤設(shè)計(jì)一個(gè)噴射器，給水流加上一個(gè)離心作用力。這樣冷卻水被強(qiáng)迫流向波紋管內(nèi)壁，從而使氣泡向中心聚集，然后隨著水流排出。需要特別指出的是，這種系統(tǒng)在電容處于水平或者豎直位置都能發(fā)揮作用，能確保在波紋管內(nèi)壁和螺旋凹槽內(nèi)對(duì)冷卻不會(huì)有反作用，這也是我們現(xiàn)在最常用的[3]。

2 水純度、水壓、水流對(duì)電容壽命的影響及要求

使用水冷真空電容的射頻發(fā)射機(jī)內(nèi)由于高功率器件密集，因此要注意維持足夠的冷卻水和保證水的純度，這樣才能確保真空器件正常運(yùn)行并有較長(zhǎng)的使用壽命。普通自來水達(dá)不到這種要求，因此，這種冷卻系統(tǒng)只能使用蒸餾水或者去離子水。應(yīng)定期檢查水的純度和水流情況以確保其質(zhì)量。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，時(shí)刻都要維持水流要求和入水口的壓力不得超過最大壓力，冷卻入口壓力不超過0.1 MPa，冷卻水最小流速要求22 L/min，通常為25 L/min，出水口溫度不高于70℃。連接電容入水口與出水口的連接管應(yīng)該使用絕緣材料并有足夠柔韌性，以防止水接頭過度拉緊?？蛇x擇的材料特性：聚丙烯管使用效果不錯(cuò)；氯化聚氯乙烯（CPVC）管，它的強(qiáng)度更好；加強(qiáng)的聚丙烯，如尼龍軟管，價(jià)格很高，但是使用效果最佳。

水冷卻系統(tǒng)中的所有金屬部件，如泵，其材料必須是銅、不銹鋼，或者無鉛黃銅或青銅，銅、不銹鋼最好。如果使用黃銅或者是青銅，一些鋅可能會(huì)進(jìn)入系統(tǒng)。其他任何材料如鐵或者冷軋鋼都會(huì)嚴(yán)重污染冷卻水。即使系統(tǒng)是使用推薦的材料，在蒸餾水或者去離子水進(jìn)入后，冷卻液中氧和二氧化碳也會(huì)形成氧化銅，從而降低冷卻效率，電解也會(huì)破壞冷卻通道。因此必須對(duì)水流和水管裝置進(jìn)行定期檢查，絕緣部分的正電勢(shì)端的連接處尤其容易受到腐蝕或者電解。當(dāng)整機(jī)重新清洗換水后建立冷卻循環(huán)應(yīng)該考慮冷卻系統(tǒng)的維護(hù)要求，不能超過以下的最高污染物，含量指標(biāo)：銅0.05 ppm比重，氧0.5 ppm比重，二氧化碳0.5 ppm比重，總固體含量3.0 ppm比重。

3 搬運(yùn)及拆裝的不當(dāng)行為對(duì)電容壽命造成的影響

如電容需要運(yùn)輸，必須把電容轉(zhuǎn)動(dòng)在最小電容值位置，這可使移動(dòng)電極片的相互碰撞的風(fēng)險(xiǎn)最小化，無論何時(shí)，盡可能使用原始包裝，這樣可以避免電容晃動(dòng)和與箱體的碰撞。由于真空電容采用焊接工藝來封裝銅和陶瓷，銅在退火處理后處于很軟的狀態(tài)，高溫抽真空過程中又進(jìn)行了二次加熱，銅級(jí)會(huì)變得更軟，非常易于產(chǎn)生機(jī)械變形。在安裝或者搬運(yùn)真空電容時(shí)，必須小心避免對(duì)電容體的損傷，因?yàn)檫@很容易導(dǎo)致電極片移位。電容的陶瓷部分禁止用手或很臟的擦布來接觸，附著在陶瓷表面的薄膜可能會(huì)導(dǎo)電，甚至導(dǎo)致意外的打火或者漏電流升高，從而對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行帶來不利影響。

4 合理打壓對(duì)提升電容壽命的影響

由于真空器件是用來承載高電壓的，可以說耐壓能力越強(qiáng)電容的壽命相對(duì)越長(zhǎng)，因此用于提升它壽命的一個(gè)很好的方法就是定期進(jìn)行打壓測(cè)試。影響電容耐壓值的主要因素包括真空度和電容內(nèi)部導(dǎo)體表面工藝。一方面真空電容內(nèi)部采用真空作為介質(zhì)，但從空間內(nèi)清除所有的分子是不可能實(shí)現(xiàn)的，然而在氣壓為10-8mm Hg的真空容器中，每立方英寸會(huì)有1.6×1011個(gè)分子。必須意識(shí)到氣體分子可能聚集在很小空間內(nèi)形成分子云或者分子團(tuán)，這種聚集可能只是一瞬間，但是它出現(xiàn)的地方真空度就沒有其他地方的好，如果這個(gè)分子云或者聚集發(fā)生在高電壓分布點(diǎn)，例如真空電容的兩組電極片之間，就會(huì)產(chǎn)生打火。另一方面，由于生產(chǎn)工藝和機(jī)械加工的影響，真空電容內(nèi)的導(dǎo)體表面可能會(huì)存在幾點(diǎn)很小的尖端或者毛刺，這些金屬尖端和毛刺也會(huì)直接影響到電容的耐壓值。

對(duì)真空電容打壓的過程實(shí)際上就是一個(gè)清理“氣體分子團(tuán)”和“金屬尖端毛刺”的過程。使用打壓儀給真空電容加上高壓源，當(dāng)電壓上升到一定等級(jí)時(shí)（可參考不同電容出廠資料中明確的峰值測(cè)試電壓要求），真空電容內(nèi)的氣體分子團(tuán)就會(huì)打火從而被驅(qū)散，同時(shí)金屬導(dǎo)體表面的尖端毛刺打火就會(huì)被熔化，使它變得更加圓滑，這樣整個(gè)電容器的耐壓能力也會(huì)得到提高。

5 電容“諧振”對(duì)使用壽命的影響及解決方法

5.1 真空電容自感應(yīng)和自振頻率

真空電容的自感應(yīng)主要取決于其自身設(shè)計(jì)與尺寸，固定電容的自感應(yīng)都很小而且穩(wěn)定，不同型號(hào)其自感應(yīng)范圍為2～10 nH，可調(diào)電容的內(nèi)部自感應(yīng)比較大，范圍為6～50 nH。這是由于一些延伸結(jié)構(gòu)引起的，如波紋管，用來連接移動(dòng)電極片的安裝法蘭。因此，可調(diào)電容的自感應(yīng)隨著電容值的改變而改變，圖2顯示的是一個(gè)典型1000 pF可調(diào)電容的自感應(yīng)隨著頻率以及自感頻率隨著電容值變化曲線。根據(jù)公式Fr=（L為自感曲線，F(xiàn)r為自感頻率曲線）可知，真空電容的自振頻率取決于其電容值及自感應(yīng)，大部分電容的規(guī)格說明書上列有其具體自感值。

對(duì)真空電容而言，由于其損耗通常都很低，效率相對(duì)較高，因此它的Q因數(shù)會(huì)很高，這些損耗通常來源于銅件特別是波紋管的射頻阻抗。這些損耗以及Q因數(shù)是因工作頻率引起的。由于波紋管所產(chǎn)生的附加的串連阻抗，如圖3所示，Rs為等效串連電阻，L為自感應(yīng)，C為電容值，Rp為等效并聯(lián)電阻（Rp在頻率介于10 kHz與自振頻率之間時(shí)可忽略不計(jì)）。

圖2 電容自感應(yīng)曲線圖

圖3 電容自感等效電路圖

5.2 發(fā)射機(jī)高次諧波與電容諧振產(chǎn)生的不良影響

國(guó)產(chǎn)500 kW短波發(fā)射機(jī)射頻通路主要由頻率合成器、自動(dòng)增益控制器、寬放、高前級(jí)、高末級(jí)、輸出網(wǎng)絡(luò)、VHF濾波器組成，其中由寬放、高前電子管、高末電子管構(gòu)成了三級(jí)放大，對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行能量放大，而在這個(gè)過程中由于放大器的非線性所引起的多次諧波分量疊加在基波信號(hào)上，而這些諧波信號(hào)的頻率往往很高（幾十MHz至幾百M(fèi)Hz），因射頻元件分布參數(shù)及附件串聯(lián)阻抗、調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)工作狀態(tài)直接影響到高次諧波分量的大小。而對(duì)于電容本身而言，當(dāng)流經(jīng)電容的射頻信號(hào)中的諧波分量頻率與該電容在當(dāng)前容值下的自感頻率相近或者重合時(shí)，諧波信號(hào)與電容就會(huì)產(chǎn)生“諧振”，而這種諧振對(duì)電容的危害是很大的，當(dāng)諧振時(shí)，電容內(nèi)特別是波紋管及連接件上會(huì)產(chǎn)生異常高電壓，器件溫度升高，甚至?xí)蚧饟p壞。

5.3 規(guī)避電容與諧波諧振的方法

按照發(fā)射機(jī)上在用的射頻調(diào)諧電容規(guī)格情況，參考電容出廠資料，結(jié)合自振頻率計(jì)算式Fr=，使用Excel表格核算繪制每種規(guī)格電容的自振頻率表，見表1。選取1000 pF真空電容為例，我們可以清楚地掌握該規(guī)格電容在不同容值下的自振頻率。當(dāng)然，為了更準(zhǔn)確調(diào)試分析，建議維護(hù)人員可以選取更多的點(diǎn)將容值間隔設(shè)置在密些。

表1 自振頻率表

當(dāng)發(fā)射機(jī)播音過程中發(fā)現(xiàn)某路真空電容出現(xiàn)溫度異常升高時(shí)，可以利用停機(jī)時(shí)間對(duì)電容工作狀態(tài)進(jìn)行復(fù)查。維護(hù)人員需要在該電容附近安裝射頻取樣環(huán)，使用射頻線纜將信號(hào)取至頻譜分析儀進(jìn)行觀察，并結(jié)合發(fā)射機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)諧。注意：使用帶金屬編制護(hù)套的電纜，電纜在射頻機(jī)箱內(nèi)應(yīng)盡量貼著機(jī)箱邊緣接地型材上布線。電纜預(yù)留在射頻元件附近的長(zhǎng)度越短越好，避免串?dāng)_和安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)線纜屏蔽層要做好接地處理。為保障儀器使用安全，取樣信號(hào)要經(jīng)過衰減器衰減后方可接入頻譜分析儀。選取出現(xiàn)電容故障的頻率預(yù)置好馬達(dá)位置，發(fā)射機(jī)升至半功率狀態(tài)，讀取頻譜分析儀上各次諧波信號(hào)分布情況及信號(hào)能量大小。查看電容自振頻率表，找出該電容當(dāng)前容值下自振頻率，對(duì)比頻譜分析儀讀取的各次諧波頻率和幅度值，核準(zhǔn)是否存在自振頻率與諧波頻率相近或者相重合情況，如果出現(xiàn)重合問題，需要重新調(diào)整該電容在當(dāng)前工作頻率下的使用位置以改變自振頻率，從而破開自振頻率與諧波重合[4]。要注意，在實(shí)際工作中往往出現(xiàn)單獨(dú)調(diào)整電容使用位置后不能改善電容諧振誘發(fā)的發(fā)熱問題，可以進(jìn)一步連同該電容附近的電感組合調(diào)整，對(duì)附近諧波分量進(jìn)一步優(yōu)化，降低諧波幅度。

舉例：筆者維護(hù)的國(guó)產(chǎn)500 kW發(fā)射機(jī)播出某頻率的過程中，C133電容出現(xiàn)了發(fā)熱異常，播出30 min后電容溫度從28℃上升至55℃，同時(shí)前級(jí)陰流伴隨著播音時(shí)間增長(zhǎng)不斷變大，V1Ia從1.2 A上漲至1.5 A。鑒于此種現(xiàn)象，我們懷疑C133電容諧振誘發(fā)的此問題，因此從該電容附近取出諧波信號(hào)，如圖4所示。測(cè)試發(fā)現(xiàn)，5次諧波幅度相對(duì)基波達(dá)-8.6 dB，查看電容出廠單核算該電容在當(dāng)前容值下的自振頻率約為87 MHz，與5次諧波頻率相近，可以判斷電容與諧波產(chǎn)生了諧振。維護(hù)人員對(duì)高前輸出網(wǎng)絡(luò)匹配位置進(jìn)行了調(diào)整，交替調(diào)諧C133電容和L133電感，經(jīng)調(diào)整5次幅度從-8.6 dB，下降至-21.3 dB（圖5），實(shí)際開機(jī)測(cè)試C133電容溫度恢復(fù)正常，未再出現(xiàn)溫升異常問題，同時(shí)前級(jí)陰流表值穩(wěn)定，未再發(fā)生變化，故障排除[5]。

圖4 調(diào)整前諧波分布圖

圖5 調(diào)整后諧波分布圖

6 結(jié)語

水冷式可變陶瓷真空電容作為大功率短波發(fā)射機(jī)的核心元件，對(duì)發(fā)射機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮著至關(guān)緊要的作用，電容的故障率和使用壽命直接影響著安全播出。而由于其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和行業(yè)需求造成器件價(jià)值高，采購價(jià)格昂貴，又因目前受財(cái)政預(yù)算縮減的壓力，廣播發(fā)射臺(tái)對(duì)真空器件的管理和使用面臨著巨大壓力[6]。因此，如何提高真空電容的使用壽命及降低電容故障的發(fā)生，是一線維護(hù)人員要高度重視關(guān)注的一項(xiàng)工作。