進口COMET水冷電容的原理、保管、使用

羅艷

摘要：本文結合實踐，詳細闡述了進口COMET水冷電容的構造、原理和使用，對于提升電容的驗收質量，提高電容的使用壽命，避免電容的非正常損壞有借鑒意義。

關鍵詞：進口；水冷電容；原理；使用

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）20-0226-03

瑞士COMET公司生產(chǎn)的真空可調電容在無線局許多臺站都有大量使用，尤其是水冷電容由于其質量可靠、冷卻效果好、使用壽命長，得到了廣大一線維護人員的好評。但同時由于是進口產(chǎn)品，核心技術及專利掌握在別人手中，費用昂貴，要求我們在驗收、存儲、使用電容的過程中嚴格執(zhí)行規(guī)范，避免由于驗收不嚴導致質量不合格的產(chǎn)品進入設備；避免由于保存不當導致?lián)p壞或壽命下降；避免由于使用不當導致壽命下降。本文結合實際維護經(jīng)驗，仔細闡述了進口COMET水冷電容的原理、保管、使用方法，對廣大技術人員有借鑒意義。

1 原理

可調電容由兩組同軸電極片組成，電極片由無氧銅制成，一組固定，一組可以上下移動，通過改變這兩組電極片的接觸面積而改變電容量。電容量的公式：

式中：ε—介電常數(shù)；S—極板面積；d—極板間的距離。

由式中可見，電容量與極板面積成正比，極板面積越大，電容量越大，反之越?。浑娙萘颗c極板間的距離成反比，極板間的距離越遠，電容量越小，反之越大。

移動電極片連接在一個中空管（導向管）上，它在一個固定管內通過一個滑動軸承上下移動，這樣的設計保證了電極片的同軸性。波紋管將移動電極片連接到滑動系統(tǒng)得固定端，波紋管起到兩個作用，一是保持電容內的真空度，另一個是傳導電流到移動電極片。在一些特殊應用要求下，如果沒有特別冷卻（強制風冷或水冷）就工作于高電流環(huán)境下，易破壞脆弱的波紋管材料。

電容冷卻分為自然空氣對流冷卻、強制風冷、強制水冷三種冷卻方式，原來由于發(fā)射機功率小，同時高末槽路采用多級平衡方式，逐步把高頻分量濾除，分擔了工作壓力，對于每一只真空電容工作通過的電流小，發(fā)熱量小，自然空氣對流冷卻和強制風冷就足夠帶走熱量，保持電容工作于規(guī)定溫度下。但隨著大功率短波發(fā)射機的發(fā)展，高周級數(shù)大大減小，原來的高放一、高放二、高放三、高放四等等多級平衡放大，現(xiàn)在由于大功率電子管的出現(xiàn)，由一只電子管單邊放大就足夠了，調諧網(wǎng)絡也采用先進的單邊屏網(wǎng)絡，一級調諧網(wǎng)絡就完成調諧、濾波功能，則這一級網(wǎng)絡上真空電容面臨的電流很大，尤其是π網(wǎng)絡的初級電容，擔負著把絕大多數(shù)高頻紋波濾除的作用，發(fā)熱量很大，尤其是頻率越高發(fā)熱量越大，我們在150KW發(fā)射機上做過測試，17MHz頻率，播音2小時以后，自然冷卻的電容溫度可以達到110℃，非常燙手。加強制風冷后，由于冷卻不均勻，有風吹的位置溫度為60℃，其他位置溫度也非常高，受熱不均，更易損壞。并且自然冷卻電容考慮到冷卻因素，體積大，分布參數(shù)影響大。后來改造為COMET公司的真空水冷電容，克服了以上所有問題：冷卻效果好，溫度下降為50℃；冷卻均勻；壽命提升到2萬小時以上；體積大大減小，分布參數(shù)小，發(fā)射機工作穩(wěn)定。

標準水冷電容的冷卻水經(jīng)過固定導向管周圍的水腔孔和波紋管內部，然后流回到可動管（導向管）的內部，再流出水腔。這個系統(tǒng)只能在豎直位置運行，因為冷卻水不能完全填滿波紋管的螺旋凹槽。當波紋管被壓縮到最小電容值位置時這個問題就會更加突出，氣泡會停留在波紋管的螺旋凹槽內，形成產(chǎn)生過熱的一個點。這種情況在電容水平安裝時會更加嚴重，甚至導致電容過早損壞。

COMET開發(fā)了具有獨家專利的渦流水冷系統(tǒng)，其原理是通過在移動電極片上的水冷盤上設計一個噴射器，給水流加上一個離心作用。這樣冷卻水被強迫流向波紋管內壁，從而使氣泡向中心聚集，然后隨著水流排出。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，能確保在波紋管內壁和螺旋凹槽內不會有對冷卻起反作用的氣穴存在。

2 保存

所有的工作最終是為了實現(xiàn)一個目的：保持真空電容的真空度，保證電容可靠工作。

當兩個帶電體之間的自由電子被加速到足夠快時會使空氣“電離”（使空氣中的分子分解成自由電子），產(chǎn)生電子打火。在真空環(huán)境下，由于空氣分子很少，很難產(chǎn)生電離，因此產(chǎn)生打火需要更高的電壓。在空氣環(huán)境中，1毫米空氣耐壓為1KV，而在真空度很高的環(huán)境下，即使0.8毫米的距離也能達到50KV的耐壓能力。從空間內清除所有的空氣分子是不可能實現(xiàn)的，但真空電容采用了多種先進技術保證電容內部的真空度達到較高水平，以保證較高的耐壓性能。

從運輸、入庫、保管都要嚴格執(zhí)行操作過程，避免電容由于不當存儲導致漏氣真空度下降。

2.1 搬運真空電容嚴禁傾斜、碰撞，運輸時要避免顛簸

必須小心避免對電容體的損傷，這有可能導致電極片移位。運輸時，可調電容必須設定在最小電容值位置，使電極片相互碰撞的風險降低。

2.2 真空電容入庫后要及時對該器件進行外觀檢查、容量測量、耐壓實驗等參數(shù)的測量

2.2.1 檢測儀器

2500V兆歐表、直流高壓試驗器、交流高壓試驗器、電容表。

2.2.2 檢測程序

1）短接電容兩極進行放電。

2）檢查陶瓷外殼、電極環(huán)、傳動桿、進出水管有無損壞.

3）可調電容：將電容調至最大容量測量容值應大于標稱的最大容值。

4）可調電容：將電容調至最小容量測量容值應小于標稱的最小容值。

5）可調電容：調轉動傳動桿調整電容容量（由小到大）檢查傳動是否靈活（力距合格），同時測試電容容量線性。（容圈比合格）

6）可調電容：將電容調至最大容量，使用2500V兆歐表（標稱電壓低于2kV的用1000v搖表）搖測絕緣阻值大于1000MΩ。

7）使用交流高壓試驗器緩慢（一分鐘左右）將電壓升至電容標稱電壓的60%，保持一分鐘，其間不應出現(xiàn)打火。

8）用1-2分鐘將電壓升至電容標稱電壓，升壓過程中可以出現(xiàn)3次打火。

9）在標稱電壓下保持1分鐘可以出現(xiàn)場10次以內的打火，打火停止后，應保持穩(wěn)定1分鐘，其間不允許出現(xiàn)打火。

10）使用直流高壓試驗器（建議在交流測試后）從0電壓緩慢升高到峰值的60%，漏電流應小于是10μA。

2.3 保持器件庫內相應的濕度和溫度，溫度不低于5°C，不高于40℃。濕度不高于80%

1）所有的真空可調電容必須存儲在干燥環(huán)境；室內裝設除濕機，空調設備或紅外線燈來調節(jié)溫濕度。

2）殘留的水、濕氣及污染的空氣會導致波紋管腐蝕，電容應存儲在塑料袋內，放置干燥劑，扎緊袋口；

3）存儲倉庫周圍不能有震動源。

4）電容的陶瓷部分禁止用光手或者很臟的抹布接觸，附著在陶瓷表面的污物薄膜可能會導電，甚至導致意外的打火或者漏電流。

2.4 對長期存放的真空電容，每半年進行一次打壓測試

通過高壓源加限流電阻，保證高壓源產(chǎn)生的電流非常?。ā?.1A），其內部的打火可以去除金屬產(chǎn)生的空氣分子，提高真空度，提高耐壓能力。但要注意如果高壓源產(chǎn)生的電流過高，內部打火就很容易降低部件的耐壓能力甚至損壞它。同時如果真空電容內的導體表面存在一個很小的尖端或者毛刺，發(fā)生在它上面的打火就會熔化尖端部分，是它變得更加圓滑，這樣整個部件的耐壓能力也會得到提高。

注意以上打壓測試是在受控范圍內進行，如果不進行這種打壓老練，直接上機使用，一旦發(fā)生局部耐壓下降打火，由于電流過大，電極片之間的空間就會因為金屬的熔化而變小，并且，凝結在金屬間的氣體也會被釋放，從而降低真空及其絕緣性能，在真空度很高的真空環(huán)境內，只要很少的氣體就會大大降低真空的絕緣性能。

一般采用的限流電阻為水阻，在一段50厘米長、直徑5厘米左右的水管中灌入普通自來水，電阻值大約為500KΩ。優(yōu)點是功率大，不易發(fā)熱，但液體容易滲漏。我們采用了400KΩ的200W功率線繞電阻，使用多年來效果良好。

2.5 每年要進行一次額外的參數(shù)測量和轉動機構潤滑

3 使用

3.1 安裝

1）電容替換應該選用原電容相同的型號，如果要更換為其他廠家其他型號的電容，應該充分論證，與廠家進行聯(lián)系，收集廠家的專業(yè)建議。

2）在安裝時，電容一側必須進行非鋼性安裝，電容一側固定在底座上，但另一側要使用具有變形能力的銅皮進行連接。以避免過度的外部的安裝力作用在電容上，雖然不會立即損壞電容，但電容在長期的應力下工作，壽命會大大降低，甚至數(shù)百小時就漏氣擊穿。

3）對于可調電容，還要特別注意轉動機構的豎直狀態(tài)，不能在轉動時產(chǎn)生偏心的力矩，應該是在一個平面上圓周運動。所以對于傳動機構要保證水平。

4）在安裝時要注意不要污染電容陶瓷面，搬運電容時手要清潔干凈，必要時戴手套。

3.2 使用

電容應該在額定電壓、電流、頻率、環(huán)境下使用，不適宜的條件會降低電容的使用壽命，甚至很快損壞電容。

3.2.1 額定電壓主要有以下兩種

峰值測試電壓：是指在最大50/60Hz頻率下，加于電容兩極一分鐘而不會引起內部或外部損壞的電壓；

峰值射頻工作電壓：是指在最大峰值射頻下，可以連續(xù)加于電容兩極的電壓。通常它是峰值測試電壓的60%，因此可以提供足夠的安全系數(shù)。

為了達到更好的工作性能，COMET建議直流射頻時的峰值工作電壓不應超過額定峰值工作電壓。為了達到更好的效果，在工程實踐時，直流電壓不應超過峰值測試電壓的25%甚至20%。

3.2.2 額定電流

通過計算，得到如上圖所示曲線圖，最大電流起始于左下角，呈上升直線。隨著頻率增大，一直升到最高點。這點最大電流取決于最大功率，并且包含損耗，不再受限于峰值工作電壓。在圖中，這些點是一些上面提到的上升直線和下降直線的交叉點，它們跟電容的不同冷卻方式有關。請注意，圖上所示的電流上限于電壓最高的電容型號有關，其重要性僅限于圖上左邊區(qū)域，在這個區(qū)域電流上限取決于最大工作電壓。

3.2.3 電容值

額定電容值大于50 pF的固定電容的電容值公差應該在±5%以內，額定電容值小于50 pF的固定電容的電容值公差應該在±10%以內。

可調電容的額定電容值范圍是電容值可以保證的最小范圍，如果以電容值曲線的低電容值線性范圍的結束端作為參考點，電容值曲線精度的公差應該控制在±10%以內。

3.2.4 溫度

盡管真空電容的損耗很低，但由于電流升高及頻率增大，可調電容的波紋管內以及電極片之間還是會存在功率損耗

波紋管溫度是跟可調電容平均壽命密切相關的一個因素，COMET公司在說明書中指出，其生產(chǎn)的真空電容可以在不超過125℃（電容表面任何一處的溫度）的情況下持續(xù)使用。當需要增加額定電流時，必須使用附加冷卻以達到更好的工作環(huán)境。

任何安裝有法蘭的真空電容都可以通過外加強制空氣冷卻來降低溫度，提高額定電流。在一些極端環(huán)境，需要使用強制水冷的真空電容，如果對波紋管使用水冷卻，電容就可以實現(xiàn)更高的額定電流。

3.2.5 海拔

在高海拔環(huán)境下使用的設備，必須考慮周圍大氣壓力，因為在大氣壓力降低的條件下，空氣中自由電子增多，相同厚度的空氣的耐壓強度會降低，最終陶瓷封裝外部產(chǎn)生的打火可能性會增加。

4 結論

通過以上科學合理的測試、保管、使用，能大大提高水冷電容的使用壽命，一般都能超過20000小時，并且水冷電容能在工作頻率高、大功率的極端條件下可靠工作，500KW功率的發(fā)射機的高末調諧電容均為水冷電容，150KW功率的發(fā)射機的高末初級調諧電容也改造為水冷電容，原來自然風冷電容使用壽命小于8000小時，1年換一只，增加了維護人員的勞動強度?，F(xiàn)在改造為水冷電容后，4—5年才需要更換一只，提升了安全播出的完成率。為順利完成安全播出工作打下了良好的硬件基礎。

參考文獻：

[1] COMET公司. COMET真空電容應用手冊.

[2] 郭寶璽. 大功率新型短波發(fā)射機射放技術[M].北京： 新聞出版廣電總局無線局出版，1996.

[3] 黃曉兵. TBH-522型150kW短波發(fā)射機維護手冊[M]. 北京： 新聞出版廣電總局無線局出版，2005.