水冷式可變陶瓷真空電容在國產500kW短波發射機的應用與運維探析

陶 金

（國家廣播電視總局2024臺，黑龍江 佳木斯 154025）

國產500 kW短波發射機作為我國首批自主研發的大功率短波發射機，已在多個發射臺投入使用。整機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，分別位于射頻前級輸入網絡端、射頻末級輸入網絡端、射頻末級輸出網絡端，主要起到調諧、濾波、匹配等作用[1]。由于真空電容結構精密、技術指標要求高且價格昂貴，因此要加強真空器件運維管理，這樣不僅能延長其使用壽命，還能穩定和提高發射機運行指標，減少設備故障，從而保障安全傳輸發射工作。

1 水冷式可變陶瓷真空電容結構

1.1 內部結構

可調電容由兩組電極片組成（圖1），一組固定，一組可移動，兩組極片間為同心圓結構。移動電極片連接在一個中空管（波紋管）上，波紋管將移動電極片連接到傳動系統的固定端，波紋管起兩個作用，一個是保持電容內的真空，另一個是傳導電流到移動電極片[2]。通過螺桿調節波紋管的伸縮，帶動與它連接的移動電極上下移動，改變兩個電極間的相對面積，從而起到了調節容量的作用，這樣的設計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 真空電容內部結構示意圖

1.2 水冷式結構原理

目前大部分發射機在用的水冷式可變真空電容主要分為標準水冷式和渦流水冷式。標準水冷：冷卻水經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尤其突出，氣泡會停留在波紋管的螺旋凹槽內，產生過熱的一個點。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。渦流水冷：其原理是在移動電極片上的水冷盤設計一個噴射器，給水流加上一個離心作用力。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。需要特別指出的是，這種系統在電容處于水平或者豎直位置都能發揮作用，能確保在波紋管內壁和螺旋凹槽內對冷卻不會有反作用，這也是我們現在最常用的[3]。

2 水純度、水壓、水流對電容壽命的影響及要求

使用水冷真空電容的射頻發射機內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行并有較長的使用壽命。普通自來水達不到這種要求，因此，這種冷卻系統只能使用蒸餾水或者去離子水。應定期檢查水的純度和水流情況以確保其質量。當系統運行時，時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該使用絕緣材料并有足夠柔韌性，以防止水接頭過度拉緊。可選擇的材料特性：聚丙烯管使用效果不錯；氯化聚氯乙烯（CPVC）管，它的強度更好；加強的聚丙烯，如尼龍軟管，價格很高，但是使用效果最佳。

水冷卻系統中的所有金屬部件，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，一些鋅可能會進入系統。其他任何材料如鐵或者冷軋鋼都會嚴重污染冷卻水。即使系統是使用推薦的材料，在蒸餾水或者去離子水進入后，冷卻液中氧和二氧化碳也會形成氧化銅，從而降低冷卻效率，電解也會破壞冷卻通道。因此必須對水流和水管裝置進行定期檢查，絕緣部分的正電勢端的連接處尤其容易受到腐蝕或者電解。當整機重新清洗換水后建立冷卻循環應該考慮冷卻系統的維護要求，不能超過以下的最高污染物，含量指標：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 搬運及拆裝的不當行為對電容壽命造成的影響

如電容需要運輸，必須把電容轉動在最小電容值位置，這可使移動電極片的相互碰撞的風險最小化，無論何時，盡可能使用原始包裝，這樣可以避免電容晃動和與箱體的碰撞。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，高溫抽真空過程中又進行了二次加熱，銅級會變得更軟，非常易于產生機械變形。在安裝或者搬運真空電容時，必須小心避免對電容體的損傷，因為這很容易導致電極片移位。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導電，甚至導致意外的打火或者漏電流升高，從而對整個系統的運行帶來不利影響。

4 合理打壓對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電容的壽命相對越長，因此用于提升它壽命的一個很好的方法就是定期進行打壓測試。影響電容耐壓值的主要因素包括真空度和電容內部導體表面工藝。一方面真空電容內部采用真空作為介質，但從空間內清除所有的分子是不可能實現的，然而在氣壓為10-8mm Hg的真空容器中，每立方英寸會有1.6×1011個分子。必須意識到氣體分子可能聚集在很小空間內形成分子云或者分子團，這種聚集可能只是一瞬間，但是它出現的地方真空度就沒有其他地方的好，如果這個分子云或者聚集發生在高電壓分布點，例如真空電容的兩組電極片之間，就會產生打火。另一方面，由于生產工藝和機械加工的影響，真空電容內的導體表面可能會存在幾點很小的尖端或者毛刺，這些金屬尖端和毛刺也會直接影響到電容的耐壓值。

對真空電容打壓的過程實際上就是一個清理“氣體分子團”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，當電壓上升到一定等級時（可參考不同電容出廠資料中明確的峰值測試電壓要求），真空電容內的氣體分子團就會打火從而被驅散，同時金屬導體表面的尖端毛刺打火就會被熔化，使它變得更加圓滑，這樣整個電容器的耐壓能力也會得到提高。

5 電容“諧振”對使用壽命的影響及解決方法

5.1 真空電容自感應和自振頻率

真空電容的自感應主要取決于其自身設計與尺寸，固定電容的自感應都很小而且穩定，不同型號其自感應范圍為2～10 nH，可調電容的內部自感應比較大，范圍為6～50 nH。這是由于一些延伸結構引起的，如波紋管，用來連接移動電極片的安裝法蘭。因此，可調電容的自感應隨著電容值的改變而改變，圖2顯示的是一個典型1000 pF可調電容的自感應隨著頻率以及自感頻率隨著電容值變化曲線。根據公式Fr=（L為自感曲線，Fr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，大部分電容的規格說明書上列有其具體自感值。

對真空電容而言，由于其損耗通常都很低，效率相對較高，因此它的Q因數會很高，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因數是因工作頻率引起的。由于波紋管所產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，C為電容值，Rp為等效并聯電阻（Rp在頻率介于10 kHz與自振頻率之間時可忽略不計）。

圖2 電容自感應曲線圖

圖3 電容自感等效電路圖

5.2 發射機高次諧波與電容諧振產生的不良影響

國產500 kW短波發射機射頻通路主要由頻率合成器、自動增益控制器、寬放、高前級、高末級、輸出網絡、VHF濾波器組成，其中由寬放、高前電子管、高末電子管構成了三級放大，對高頻信號進行能量放大，而在這個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上，而這些諧波信號的頻率往往很高（幾十MHz至幾百MHz），因射頻元件分布參數及附件串聯阻抗、調諧網絡工作狀態直接影響到高次諧波分量的大小。而對于電容本身而言，當流經電容的射頻信號中的諧波分量頻率與該電容在當前容值下的自感頻率相近或者重合時，諧波信號與電容就會產生“諧振”，而這種諧振對電容的危害是很大的，當諧振時，電容內特別是波紋管及連接件上會產生異常高電壓，器件溫度升高，甚至會打火損壞。

5.3 規避電容與諧波諧振的方法

按照發射機上在用的射頻調諧電容規格情況，參考電容出廠資料，結合自振頻率計算式Fr=，使用Excel表格核算繪制每種規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格電容在不同容值下的自振頻率。當然，為了更準確調試分析，建議維護人員可以選取更多的點將容值間隔設置在密些。

表1 自振頻率表

當發射機播音過程中發現某路真空電容出現溫度異常升高時，可以利用停機時間對電容工作狀態進行復查。維護人員需要在該電容附近安裝射頻取樣環，使用射頻線纜將信號取至頻譜分析儀進行觀察，并結合發射機工作狀態進行調諧。注意：使用帶金屬編制護套的電纜，電纜在射頻機箱內應盡量貼著機箱邊緣接地型材上布線。電纜預留在射頻元件附近的長度越短越好，避免串擾和安全風險，同時線纜屏蔽層要做好接地處理。為保障儀器使用安全，取樣信號要經過衰減器衰減后方可接入頻譜分析儀。選取出現電容故障的頻率預置好馬達位置，發射機升至半功率狀態，讀取頻譜分析儀上各次諧波信號分布情況及信號能量大小。查看電容自振頻率表，找出該電容當前容值下自振頻率，對比頻譜分析儀讀取的各次諧波頻率和幅度值，核準是否存在自振頻率與諧波頻率相近或者相重合情況，如果出現重合問題，需要重新調整該電容在當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，在實際工作中往往出現單獨調整電容使用位置后不能改善電容諧振誘發的發熱問題，可以進一步連同該電容附近的電感組合調整，對附近諧波分量進一步優化，降低諧波幅度。

舉例：筆者維護的國產500 kW發射機播出某頻率的過程中，C133電容出現了發熱異常，播出30 min后電容溫度從28℃上升至55℃，同時前級陰流伴隨著播音時間增長不斷變大，V1Ia從1.2 A上漲至1.5 A。鑒于此種現象，我們懷疑C133電容諧振誘發的此問題，因此從該電容附近取出諧波信號，如圖4所示。測試發現，5次諧波幅度相對基波達-8.6 dB，查看電容出廠單核算該電容在當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生了諧振。維護人員對高前輸出網絡匹配位置進行了調整，交替調諧C133電容和L133電感，經調整5次幅度從-8.6 dB，下降至-21.3 dB（圖5），實際開機測試C133電容溫度恢復正常，未再出現溫升異常問題，同時前級陰流表值穩定，未再發生變化，故障排除[5]。

圖4 調整前諧波分布圖

圖5 調整后諧波分布圖

6 結語

水冷式可變陶瓷真空電容作為大功率短波發射機的核心元件，對發射機穩定運行發揮著至關緊要的作用，電容的故障率和使用壽命直接影響著安全播出。而由于其獨特的優勢和行業需求造成器件價值高，采購價格昂貴，又因目前受財政預算縮減的壓力，廣播發射臺對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生，是一線維護人員要高度重視關注的一項工作。