进口COMET水冷电容的原理、保管、使用

罗艳

摘要：本文结合实践，详细阐述了进口COMET水冷电容的构造、原理和使用，对于提升电容的验收质量，提高电容的使用寿命，避免电容的非正常损坏有借鉴意义。

关键词：进口；水冷电容；原理；使用

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）20-0226-03

瑞士COMET公司生产的真空可调电容在无线局许多台站都有大量使用，尤其是水冷电容由于其质量可靠、冷却效果好、使用寿命长，得到了广大一线维护人员的好评。但同时由于是进口产品，核心技术及专利掌握在别人手中，费用昂贵，要求我们在验收、存储、使用电容的过程中严格执行规范，避免由于验收不严导致质量不合格的产品进入设备；避免由于保存不当导致损坏或寿命下降；避免由于使用不当导致寿命下降。本文结合实际维护经验，仔细阐述了进口COMET水冷电容的原理、保管、使用方法，对广大技术人员有借鉴意义。

1 原理

可调电容由两组同轴电极片组成，电极片由无氧铜制成，一组固定，一组可以上下移动，通过改变这两组电极片的接触面积而改变电容量。电容量的公式：

式中：ε—介电常数；S—极板面积；d—极板间的距离。

由式中可见，电容量与极板面积成正比，极板面积越大，电容量越大，反之越小；电容量与极板间的距离成反比，极板间的距离越远，电容量越小，反之越大。

移动电极片连接在一个中空管（导向管）上，它在一个固定管内通过一个滑动轴承上下移动，这样的设计保证了电极片的同轴性。波纹管将移动电极片连接到滑动系统得固定端，波纹管起到两个作用，一是保持电容内的真空度，另一个是传导电流到移动电极片。在一些特殊应用要求下，如果没有特别冷却（强制风冷或水冷）就工作于高电流环境下，易破坏脆弱的波纹管材料。

电容冷却分为自然空气对流冷却、强制风冷、强制水冷三种冷却方式，原来由于发射机功率小，同时高末槽路采用多级平衡方式，逐步把高频分量滤除，分担了工作压力，对于每一只真空电容工作通过的电流小，发热量小，自然空气对流冷却和强制风冷就足够带走热量，保持电容工作于规定温度下。但随着大功率短波发射机的发展，高周级数大大减小，原来的高放一、高放二、高放三、高放四等等多级平衡放大，现在由于大功率电子管的出现，由一只电子管单边放大就足够了，调谐网络也采用先进的单边屏网络，一级调谐网络就完成调谐、滤波功能，则这一级网络上真空电容面临的电流很大，尤其是π网络的初级电容，担负着把绝大多数高频纹波滤除的作用，发热量很大，尤其是频率越高发热量越大，我们在150KW发射机上做过测试，17MHz频率，播音2小时以后，自然冷却的电容温度可以达到110℃，非常烫手。加强制风冷后，由于冷却不均匀，有风吹的位置温度为60℃，其他位置温度也非常高，受热不均，更易损坏。并且自然冷却电容考虑到冷却因素，体积大，分布参数影响大。后来改造为COMET公司的真空水冷电容，克服了以上所有问题：冷却效果好，温度下降为50℃；冷却均匀；寿命提升到2万小时以上；体积大大减小，分布参数小，发射机工作稳定。

标准水冷电容的冷却水经过固定导向管周围的水腔孔和波纹管内部，然后流回到可动管（导向管）的内部，再流出水腔。这个系统只能在竖直位置运行，因为冷却水不能完全填满波纹管的螺旋凹槽。当波纹管被压缩到最小电容值位置时这个问题就会更加突出，气泡会停留在波纹管的螺旋凹槽内，形成产生过热的一个点。这种情况在电容水平安装时会更加严重，甚至导致电容过早损坏。

COMET开发了具有独家专利的涡流水冷系统，其原理是通过在移动电极片上的水冷盘上设计一个喷射器，给水流加上一个离心作用。这样冷却水被强迫流向波纹管内壁，从而使气泡向中心聚集，然后随着水流排出。这种系统在电容处于水平或者竖直位置都能发挥作用，能确保在波纹管内壁和螺旋凹槽内不会有对冷却起反作用的气穴存在。

2 保存

所有的工作最终是为了实现一个目的：保持真空电容的真空度，保证电容可靠工作。

当两个带电体之间的自由电子被加速到足够快时会使空气“电离”（使空气中的分子分解成自由电子），产生电子打火。在真空环境下，由于空气分子很少，很难产生电离，因此产生打火需要更高的电压。在空气环境中，1毫米空气耐压为1KV，而在真空度很高的环境下，即使0.8毫米的距离也能达到50KV的耐压能力。从空间内清除所有的空气分子是不可能实现的，但真空电容采用了多种先进技术保证电容内部的真空度达到较高水平，以保证较高的耐压性能。

从运输、入库、保管都要严格执行操作过程，避免电容由于不当存储导致漏气真空度下降。

2.1 搬运真空电容严禁倾斜、碰撞，运输时要避免颠簸

必须小心避免对电容体的损伤，这有可能导致电极片移位。运输时，可调电容必须设定在最小电容值位置，使电极片相互碰撞的风险降低。

2.2 真空电容入库后要及时对该器件进行外观检查、容量测量、耐压实验等参数的测量

2.2.1 检测仪器

2500V兆欧表、直流高压试验器、交流高压试验器、电容表。

2.2.2 检测程序

1）短接电容两极进行放电。

2）检查陶瓷外壳、电极环、传动杆、进出水管有无损坏.

3）可调电容：将电容调至最大容量测量容值应大于标称的最大容值。

4）可调电容：将电容调至最小容量测量容值应小于标称的最小容值。

5）可调电容：调转动传动杆调整电容容量（由小到大）检查传动是否灵活（力距合格），同时测试电容容量线性。（容圈比合格）

6）可调电容：将电容调至最大容量，使用2500V兆欧表（标称电压低于2kV的用1000v摇表）摇测绝缘阻值大于1000MΩ。

7）使用交流高压试验器缓慢（一分钟左右）将电压升至电容标称电压的60%，保持一分钟，其间不应出现打火。

8）用1-2分钟将电压升至电容标称电压，升压过程中可以出现3次打火。

9）在标称电压下保持1分钟可以出现场10次以内的打火，打火停止后，应保持稳定1分钟，其间不允许出现打火。

10）使用直流高压试验器（建议在交流测试后）从0电压缓慢升高到峰值的60%，漏电流应小于是10μA。

2.3 保持器件库内相应的湿度和温度，温度不低于5°C，不高于40℃。湿度不高于80%

1）所有的真空可调电容必须存储在干燥环境；室内装设除湿机，空调设备或红外线灯来调节温湿度。

2）残留的水、湿气及污染的空气会导致波纹管腐蚀，电容应存储在塑料袋内，放置干燥剂，扎紧袋口；

3）存储仓库周围不能有震动源。

4）电容的陶瓷部分禁止用光手或者很脏的抹布接触，附着在陶瓷表面的污物薄膜可能会导电，甚至导致意外的打火或者漏电流。

2.4 对长期存放的真空电容，每半年进行一次打压测试

通过高压源加限流电阻，保证高压源产生的电流非常小（≤0.1A），其内部的打火可以去除金属产生的空气分子，提高真空度，提高耐压能力。但要注意如果高压源产生的电流过高，内部打火就很容易降低部件的耐压能力甚至损坏它。同时如果真空电容内的导体表面存在一个很小的尖端或者毛刺，发生在它上面的打火就会熔化尖端部分，是它变得更加圆滑，这样整个部件的耐压能力也会得到提高。

注意以上打压测试是在受控范围内进行，如果不进行这种打压老练，直接上机使用，一旦发生局部耐压下降打火，由于电流过大，电极片之间的空间就会因为金属的熔化而变小，并且，凝结在金属间的气体也会被释放，从而降低真空及其绝缘性能，在真空度很高的真空环境内，只要很少的气体就会大大降低真空的绝缘性能。

一般采用的限流电阻为水阻，在一段50厘米长、直径5厘米左右的水管中灌入普通自来水，电阻值大约为500KΩ。优点是功率大，不易发热，但液体容易渗漏。我们采用了400KΩ的200W功率线绕电阻，使用多年来效果良好。

2.5 每年要进行一次额外的参数测量和转动机构润滑

3 使用

3.1 安装

1）电容替换应该选用原电容相同的型号，如果要更换为其他厂家其他型号的电容，应该充分论证，与厂家进行联系，收集厂家的专业建议。

2）在安装时，电容一侧必须进行非钢性安装，电容一侧固定在底座上，但另一侧要使用具有变形能力的铜皮进行连接。以避免过度的外部的安装力作用在电容上，虽然不会立即损坏电容，但电容在长期的应力下工作，寿命会大大降低，甚至数百小时就漏气击穿。

3）对于可调电容，还要特别注意转动机构的竖直状态，不能在转动时产生偏心的力矩，应该是在一个平面上圆周运动。所以对于传动机构要保证水平。

4）在安装时要注意不要污染电容陶瓷面，搬运电容时手要清洁干净，必要时戴手套。

3.2 使用

电容应该在额定电压、电流、频率、环境下使用，不适宜的条件会降低电容的使用寿命，甚至很快损坏电容。

3.2.1 额定电压主要有以下两种

峰值测试电压：是指在最大50/60Hz频率下，加于电容两极一分钟而不会引起内部或外部损坏的电压；

峰值射频工作电压：是指在最大峰值射频下，可以连续加于电容两极的电压。通常它是峰值测试电压的60%，因此可以提供足够的安全系数。

为了达到更好的工作性能，COMET建议直流射频时的峰值工作电压不应超过额定峰值工作电压。为了达到更好的效果，在工程实践时，直流电压不应超过峰值测试电压的25%甚至20%。

3.2.2 额定电流

通过计算，得到如上图所示曲线图，最大电流起始于左下角，呈上升直线。随着频率增大，一直升到最高点。这点最大电流取决于最大功率，并且包含损耗，不再受限于峰值工作电压。在图中，这些点是一些上面提到的上升直线和下降直线的交叉点，它们跟电容的不同冷却方式有关。请注意，图上所示的电流上限于电压最高的电容型号有关，其重要性仅限于图上左边区域，在这个区域电流上限取决于最大工作电压。

3.2.3 电容值

额定电容值大于50 pF的固定电容的电容值公差应该在±5%以内，额定电容值小于50 pF的固定电容的电容值公差应该在±10%以内。

可调电容的额定电容值范围是电容值可以保证的最小范围，如果以电容值曲线的低电容值线性范围的结束端作为参考点，电容值曲线精度的公差应该控制在±10%以内。

3.2.4 温度

尽管真空电容的损耗很低，但由于电流升高及频率增大，可调电容的波纹管内以及电极片之间还是会存在功率损耗

波纹管温度是跟可调电容平均寿命密切相关的一个因素，COMET公司在说明书中指出，其生产的真空电容可以在不超过125℃（电容表面任何一处的温度）的情况下持续使用。当需要增加额定电流时，必须使用附加冷却以达到更好的工作环境。

任何安装有法兰的真空电容都可以通过外加强制空气冷却来降低温度，提高额定电流。在一些极端环境，需要使用强制水冷的真空电容，如果对波纹管使用水冷却，电容就可以实现更高的额定电流。

3.2.5 海拔

在高海拔环境下使用的设备，必须考虑周围大气压力，因为在大气压力降低的条件下，空气中自由电子增多，相同厚度的空气的耐压强度会降低，最终陶瓷封装外部产生的打火可能性会增加。

4 结论

通过以上科学合理的测试、保管、使用，能大大提高水冷电容的使用寿命，一般都能超过20000小时，并且水冷电容能在工作频率高、大功率的极端条件下可靠工作，500KW功率的发射机的高末调谐电容均为水冷电容，150KW功率的发射机的高末初级调谐电容也改造为水冷电容，原来自然风冷电容使用寿命小于8000小时，1年换一只，增加了维护人员的劳动强度。现在改造为水冷电容后，4—5年才需要更换一只，提升了安全播出的完成率。为顺利完成安全播出工作打下了良好的硬件基础。

参考文献：

[1] COMET公司. COMET真空电容应用手册.

[2] 郭宝玺. 大功率新型短波发射机射放技术[M].北京： 新闻出版广电总局无线局出版，1996.

[3] 黄晓兵. TBH-522型150kW短波发射机维护手册[M]. 北京： 新闻出版广电总局无线局出版，2005.