射頻阻流圈打火故障成因與解決方法研究

摘要：文章從分析射頻阻流圈L233的原理入手，分析了阻流圈在高頻工作狀態(tài)下的等效電路；結(jié)合阻流圈L233在TSW2500型短波發(fā)射機上的實際應(yīng)用，分析了阻流圈L233打火故障的成因，并提出了相應(yīng)的解決辦法。

關(guān)鍵詞：射頻阻流圈；打火故障成因；故障解決辦法；等效電路；短波發(fā)射機 文獻標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TN838 文章編號：1009-2374（2015）25-0068-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.25.034

在高末電子管的屏極供電通路中，為了防止射頻頻率信號串入到電源而導(dǎo)致的設(shè)備損壞或者發(fā)射機狀態(tài)不穩(wěn)定，大功率短波發(fā)射機通常會在高末屏級的供電通路末級串接一射頻阻流圈，與其配合使用的有兩個短路棒，分別為短路棒1和短路棒2，這兩個短路棒分別由電機MS22和MS23控制合斷。根據(jù)不同的載波頻段，由發(fā)射機的控制系統(tǒng)通過控制電機MS22和MS23帶動短路棒1和短路棒2來選擇不同的電感量。當(dāng)發(fā)射機狀態(tài)在調(diào)整完畢后會將短路棒1和短路棒2所處的合斷狀態(tài)的數(shù)據(jù)進行保存，其所處的合斷狀態(tài)是唯一確定的，不允許更改。播音過程中，在倒頻、新開頻率、頻率播音一段時間后曾經(jīng)出現(xiàn)射頻打火故障，有時甚至更換多個射頻阻流圈L233，問題都無從解決，只能降低載波功率維持播音或者進行代播，這給安全播音工作帶來了巨大隱患。下面從阻流圈的結(jié)構(gòu)、原理入手，分析導(dǎo)致射頻阻流圈打火故障的成因，進而提出解決方法。

1 射頻阻流圈簡介

射頻阻流圈也叫射頻扼流圈，我機房發(fā)射機中射頻阻流圈的主要作用是阻止射頻電路的高頻成分流向電源里面引起的串?dāng)_。其實物圖如圖1所示。在我所維護的TSW2500型短波發(fā)射機中，為了擴展線圈的工作頻段，線圈的一部分采用密繞的方式，另一部分采用的疏繞的方式。

射頻阻流圈在發(fā)射機上的應(yīng)用圖，如圖2所示。與射頻阻流圈在發(fā)射機上應(yīng)用有關(guān)的部分包括短路棒1、短路棒2、短路棒上的接觸彈片以及起固定作用的絕緣瓷支撐。其中短路棒1的合斷由電機MS22控制，短路棒2的合斷由電機MS23控制。根據(jù)播音頻段范圍的不同來確定短路棒1與短路棒2的合斷狀態(tài)。在發(fā)射機調(diào)整完成時，兩個短路棒的狀態(tài)也就隨之確定下來，在播音過程中兩個短路棒所處的狀態(tài)一般是不允許隨便改變的。當(dāng)短路棒處于合狀態(tài)時，短路棒上的接觸彈片就能很好地與阻流圈接觸，起到短路阻流圈相應(yīng)部分的作用，從而可以改變阻流圈的電感量L、分布電容量C以及內(nèi)阻R。

大功率短波發(fā)射機中，電子管的高末屏級饋電通常有兩種方式：分串聯(lián)饋電和并聯(lián)饋電。而現(xiàn)在絕大部分發(fā)射機都采用的是并聯(lián)饋電方式。其原理圖如圖3所示：

在圖3中，電容C250是隔直流電容，在電路中的主要作用是防止電源中的直流分量串入到高頻槽路中；電感L233就是我們要討論的射頻阻流圈，其主要作用就是防止高頻成分串入到高末電子管的屏級電源中。

2 射頻阻流圈的等效電路

由于射頻阻流圈L233是感性元件，在低頻段其自身的電阻值可以忽略，但是在高頻段，其自身的電阻值的大小對于電感的Q值影響很大，而且在阻流圈的圈與圈之間又存在分布電容，因此射頻阻流圈的等效電路圖如圖4所示。其中Ln是每一圈電感的電感量，Rn是每一圈電感的內(nèi)阻值，Cn是電感的圈與圈之間的分布電容，由電感線圈的等效電路可以看出，每一圈就是一個簡單的并聯(lián)諧振電路，其諧振頻率為：

實際應(yīng)用中通常電感的品質(zhì)因數(shù)Q>1，在并聯(lián)諧振時回路阻抗為最大值，在高頻交流電流不變的情況下，由于并聯(lián)諧振時阻抗的模值最大，所以并聯(lián)回路端電壓同時也會出現(xiàn)最大值。由圖4還可以看出，射頻阻流圈的總等效電路相當(dāng)于由多個并聯(lián)諧振電路串聯(lián)在一起構(gòu)成的，所以射頻阻流圈的總的等效電路如圖5所示，其也相當(dāng)于一個簡單的并聯(lián)諧振電路，其并聯(lián)諧振頻率為：

式中：L是阻流圈的總的等效電感量；R是射頻阻流圈的總的等效電阻值；C是射頻阻流圈的總的等效分布電容。

3 射頻阻流圈L233附近存在的可能頻率

對于調(diào)幅波而言，其表達式為：

式中：為調(diào)幅波的調(diào)制度；為音頻信號頻率；為載波信號的頻率。由上式可以看出，對于雙邊帶調(diào)幅波來說，調(diào)制信號頻率包括載波頻率、上下邊帶波頻率等頻率成分。

在TSW2500型短波發(fā)射機中，調(diào)幅波是通過高末電子管的非線性而產(chǎn)生的，其頻率成分較為復(fù)雜，除了上面提到的三個頻率成分以外，由于器件的非線性還存在其他頻率成分：載波的二、三次諧波以及載波的高次諧波；由于器件的非線性還存在載波的高次諧波成分與音頻成分疊加產(chǎn)生的其他頻率成分的雜波以及控制功率模塊通斷的頻率成分等。

4 射頻阻流圈打火故障分析

在工作過程中曾經(jīng)遇到過的射頻阻流圈L233出現(xiàn)的射頻打火故障通常有以下四種情況：（1）短路棒上的接觸彈片與阻流圈L233接觸不良引起的射頻打火；（2）阻流圈L233與絕緣瓷支撐之間的爬電引起的射頻打火；（3）射頻阻流圈L233與絕緣瓷支撐接觸不緊密引起的打火；（4）射頻阻流圈臨近的圈與圈之間出現(xiàn)的射頻打火。

在倒頻操作時由于阻流圈與短路棒上的接觸彈片接觸不良或者由于阻流圈上積聚的灰塵太多致使短路棒上接觸彈片與阻流圈接觸不良引起的射頻打火。當(dāng)彈片與阻流圈接觸不良時，必然在它們之間會產(chǎn)生以空氣或者灰塵為介質(zhì)的間隙，從而導(dǎo)致它們之間出現(xiàn)較大的電阻，當(dāng)發(fā)射機加高壓時，其上面會分得較大部分的電壓，此高電壓會引起強電場，從而導(dǎo)致射頻打火的產(chǎn)生。出現(xiàn)此種故障時，在短路棒上的接觸彈片與阻流圈L233接觸不良部位有明顯的打火痕跡。對于由于短路棒上的接觸彈片與阻流圈接觸不良引起的射頻打火，通常是經(jīng)過調(diào)整短路棒上的接觸彈片或者調(diào)整電機MS22、MS23上的伸縮桿來消除此類故障；對于由于短路棒或者射頻阻流圈上的灰塵積聚較多，導(dǎo)致的接觸不良而引起的射頻打火，可對短路棒和阻流圈進行清潔即可。

射頻阻流圈與絕緣瓷支撐之間的爬電引起的射頻打火，爬電的本質(zhì)就是絕緣表面電壓分布不均勻造成的局部放電。發(fā)生爬電時電弧的長度受污穢的面積大小、空氣濕度、電壓高低等因素影響。發(fā)射機播音過程中，由于射頻諧波的存在致使在阻流圈的某一部分出現(xiàn)諧振狀態(tài)，從而導(dǎo)致絕緣瓷支撐的絕緣表面出現(xiàn)電壓分布不均勻的現(xiàn)象，引起局部放電打火現(xiàn)象的發(fā)生，對于由于諧波而引起的高電壓出現(xiàn)的爬電現(xiàn)象，我們可以通過改變短路棒1或者短路棒2的斷合狀態(tài)，來消除諧振引起的高電壓；絕緣瓷支撐由于灰塵積聚過多引起的爬電現(xiàn)象，可以通過清潔進行處理；由于絕緣瓷支撐的絕緣度下降而引起的爬電現(xiàn)象，可以更換絕緣瓷支撐的辦法來加以解決。在實際工作中，由于絕緣瓷支撐絕緣水平下降而引起的爬電打火現(xiàn)象很少遇見過，經(jīng)常遇到的爬電打火現(xiàn)象大多數(shù)是由于射頻的諧波諧振時引起的。

射頻阻流圈與絕緣瓷支撐接觸不緊密引起的射頻打火線，在工作中也是比較容易出現(xiàn)的。由于阻流圈L233是電感，在高頻環(huán)境中工作時必然會產(chǎn)生磁滯損耗、電阻性損耗等。由于各種損耗的存在，會導(dǎo)致阻流圈L233出現(xiàn)過熱現(xiàn)象。由于熱脹冷縮現(xiàn)象的存在，阻流圈在工作一定的時間后必然會出現(xiàn)阻流圈與絕緣瓷支撐接觸不緊密的現(xiàn)象，從而在它們之間產(chǎn)生一定的空間間隙，必然會有空氣充斥在阻流圈與絕緣瓷支撐之間。在絕緣介質(zhì)中，由于空氣的介電常數(shù)非常小，在阻流圈表面產(chǎn)生微弱的電暈時很容易導(dǎo)致氣體的電離，從而會引起阻流圈與絕緣瓷支撐之間出現(xiàn)打火現(xiàn)象。對于此類故障的處理主要是通過維護確保阻流圈與絕緣瓷支撐之間接觸緊密。在工作中還遇到過射頻阻流圈臨近圈與圈之間的射頻打火。在上面的分析中，我們已經(jīng)知道在阻流圈L233存在的通路中存在多種頻率成分，在射頻阻流圈的圈與圈之間，其相當(dāng)于一個簡單的并聯(lián)諧振電路，當(dāng)射頻諧波的頻率與阻流圈的圈與圈之間的部分構(gòu)成的并聯(lián)諧振電路的諧振頻率一致時，其圈與圈之間的電壓會出現(xiàn)最大值，當(dāng)此電壓值大于其分布電容的耐壓值時，就會導(dǎo)致圈與圈之間出現(xiàn)射頻打火現(xiàn)象，對于此類故障我們可以通過改變短路棒的合斷狀態(tài)，進而使阻流圈的諧振頻率與射頻諧波的頻率錯開，從而消除由于諧振而引起的高電壓放電打火故障。

電暈這種放電現(xiàn)象也會引起阻流圈L233的圈與圈之間出現(xiàn)的射頻打火現(xiàn)象。由于某種原因，例如阻流圈上某一點積聚的灰塵較多或者出現(xiàn)損傷，致使這一點電場強度積聚變強，當(dāng)電場強度超過氣體的電離強度時，使氣體發(fā)生電離和激勵，從而引起電暈產(chǎn)生。由于電暈產(chǎn)生時會釋放出光能和熱能，此時這些能量還會使氣體進一步電離，最終導(dǎo)致射頻阻流圈之間出現(xiàn)射頻打火現(xiàn)象。在我們的工作中通常引起阻流圈L233圈與圈之間電暈放電打火的原因有電壓過高、灰塵積聚過多、阻流圈的某一點損傷三方面因素，對于電壓過高引起的電暈放電，我們可以通過選擇短路棒的狀態(tài)來消除由于諧振引起的高電壓；灰塵積聚過多，我們可以加強清潔、縮短檢修周期來消除電暈；對于阻流圈某一點的損傷引起導(dǎo)致的場強增大而引起的電暈，我們可以通過打磨或者更換阻流圈的辦法來解決電暈引起的打火問題。

5 進口阻流圈國產(chǎn)化存在的問題與解決方法

為了降低對進口備件備品的依賴性和減少發(fā)射機的維護成本，我們對進口備件實現(xiàn)了國產(chǎn)化，其中在TSW2500型短波發(fā)射機上用到的高末屏級射頻阻流圈L233也實現(xiàn)了國產(chǎn)化，然而在實際的工作應(yīng)用中就出現(xiàn)了問題。進口的射頻阻流圈L233在發(fā)射機上運行正常，而當(dāng)換上國產(chǎn)的射頻阻流圈時，有的播音頻率射頻阻流圈就會出現(xiàn)打火放電現(xiàn)象，更換上其他國產(chǎn)的阻流圈后，阻流圈打火放電現(xiàn)象依然存在?？墒钱?dāng)把進口的阻流圈換上去以后，打火放電現(xiàn)象就會消失，可見問題就出在國產(chǎn)阻流圈上。曾經(jīng)有一段時間在更換射頻阻流圈L233時，就放棄使用國產(chǎn)的阻流圈。如何解決好進口阻流圈L233在國產(chǎn)化應(yīng)用上出現(xiàn)的問題，成為我們維護工作的一項課題。只有找到了進口阻流圈與國產(chǎn)阻流圈之間的差異性，才能解決好阻流圈L233在發(fā)射機上實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題。首先我們從阻流圈的結(jié)構(gòu)上找差異性，經(jīng)過仔細檢查測量，沒有發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)上的差異性。由于阻流圈是電感，所以就必然存在一定的電感量和內(nèi)阻值，在這個思路的指導(dǎo)下，分別取出四個國產(chǎn)原件與四個進口元件作為測量樣本，應(yīng)用統(tǒng)一的測試儀器在相同的測試位置與條件下分別對其電感量和內(nèi)阻值進行了測量，測量數(shù)據(jù)如表1樣本數(shù)據(jù)所示：

由表1的測試數(shù)據(jù)可以看出國產(chǎn)阻流圈L233參數(shù)值與進口的阻流圈參數(shù)值無論從電感還是從內(nèi)阻上來看都有很大差異。進口阻流圈無論電感值還是內(nèi)阻值，其值相對來說還是比較穩(wěn)定的。而國產(chǎn)阻流圈則不然，其兩個數(shù)值變化范圍比較大，這有可能就是導(dǎo)致阻流圈打火放電的原因。每一個阻流圈參數(shù)的不同，從而導(dǎo)致引起其射頻打火的諧振頻率也會有所不同，由于在射頻信號中存在各種頻率的，當(dāng)某一高頻信號的頻率與阻流圈諧振頻率一致時，阻流圈就會發(fā)生并聯(lián)諧振，從而諧振電路阻抗變大，諧振電路兩端電壓升高，進而導(dǎo)致射頻阻流圈打火放電故障的產(chǎn)生。

射頻阻流圈的作用就是防止射頻串入到電源里面去，由于射頻阻流圈是電感，而我們發(fā)射機上所用的射頻阻流圈的圈與圈之間由于存在一定的距離，從而導(dǎo)致圈與圈之間具有一定的電容性。由上面的理論分析，由于阻流圈既有電感量L、內(nèi)阻R，還存在等效電容C，因此其可以等效成一個并聯(lián)電路，且其必然存在一個諧振頻率。當(dāng)出現(xiàn)并聯(lián)諧振時，回路阻抗為最大值，在高頻電流一定的情況下，電感兩端的電壓也會出現(xiàn)最大值。經(jīng)過對阻流圈進行原理性的分析，為了防止射頻阻流圈出現(xiàn)射頻打火故障，就得想辦法讓射頻阻流圈L233的諧振頻率與射頻信號諧波的頻率不一致。對于高頻信號的高次諧波，我們無法確定到底是幾次諧波引起的阻流圈L233的諧振，因此想消除高次諧波頻率是比較困難的。另一種情況就是通過調(diào)整短路棒1和短路棒2所處的合斷狀態(tài)，來改變阻流圈的參數(shù)，從而使阻流圈L233的并聯(lián)諧振頻率與高頻的高次諧波不一致，使射頻阻流圈不再處在諧振狀態(tài)，此時并聯(lián)諧振阻抗不是最大值，可使阻流圈兩端的電壓明顯降低，進而使阻流圈的圈與圈之間的電壓降低，這樣就可避免射頻阻流圈打火現(xiàn)象的發(fā)生。

6 結(jié)語

本文從原理分析入手，詳細分析了TSW2500型大功率短波發(fā)射機高末屏極電源阻流圈L233射頻打火的產(chǎn)生原因，對出現(xiàn)的不同打火方式提出了相應(yīng)的解決方法，并對阻流圈L233在國產(chǎn)化方面出現(xiàn)的問題提出了解決方案。

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作者簡介：馬軍輝（1980-），男，河北石家莊人，國家新聞出版廣電總局2022臺工程師，研究方向：大功率中、短波發(fā)射機維護以及高頻電磁場理論分析。

（責(zé)任編輯：黃銀芳）