高頻設(shè)備耐壓測試認識誤區(qū)的探討

趙勇

摘 要：大功率中短波廣播發(fā)射設(shè)備中的真空器件，如：電子管、真空電容等在采購入庫和上機使用前都需要進行耐壓測試，正確的測試方法和測試結(jié)論對廣播設(shè)備的運行維護具有很重要的參考價值。該文詳細介紹了大功率廣播發(fā)射機上所使用的真空器件進行高壓耐壓測試的原理和作用，運用靜電場理論論述了高頻電場的電場分布及試驗得出結(jié)論數(shù)據(jù)；針對人們存在的高頻設(shè)備耐壓測試的認識誤區(qū)進行了研討分析，對通過試驗總結(jié)所得的正確的高頻設(shè)備耐壓測試方法進行了闡述。

關(guān)鍵詞：高斯定理 電位移通量 耐壓測試 高頻設(shè)備

中圖分類號：TM83 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（c）-0198-03

1 高頻設(shè)備耐壓測試的原理與作用

高頻設(shè)備耐壓測試的基本原理：把一個高于正常工作的電壓加在被測高頻設(shè)備的絕緣體上，并持續(xù)一段規(guī)定的時間，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會產(chǎn)生很小的漏電流。如果一個被測設(shè)備絕緣體在規(guī)定的時間內(nèi)，其漏電電流保持在規(guī)定的范圍內(nèi)，就可以確定這個被測設(shè)備能夠在正常的運行條件下安全運行，否則就認定這個被測設(shè)備耐壓不足。

一般，大功率中短波廣播發(fā)射設(shè)備，如：電子管、真空電容等入庫和上機前都需要進行耐壓測試，測試通過后才能入庫或安裝到設(shè)備上使用，這樣可以防止設(shè)備在工作的過程中出現(xiàn)高頻打火的故障，從而造成維護不周的停播事故。這里進行的高壓耐壓測試有兩個目的：一是測試設(shè)備的最高耐壓值；二是使用較高的測試電壓迫使被測高頻設(shè)備上的毛刺尖端放電，在放電的過程中燒掉毛刺的頂部，從而提高設(shè)備的最大高壓耐壓值。

2 高頻設(shè)備耐壓測試的認識誤區(qū)

使用什么樣的測試信號對被測設(shè)備進行耐壓測試才能得到正確的測試結(jié)果呢？

如果用與被測設(shè)備實際使用的頻率基本一致的信號進行耐壓測試那么得到的測試結(jié)果一定是真實的。而實際上，由于跟實際使用頻率相近的高頻耐壓測試設(shè)備的開發(fā)難度大，生產(chǎn)成本高，所以實際工作中還是廣泛使用直流或工頻信號對被測設(shè)備進行高壓耐壓測試。

人們在被測設(shè)備耐壓測試時，往往會自然而然地給內(nèi)導體加上直流高壓信號，外導體接地進行測量。因為這樣不要對外導體做絕緣處理。這樣所得到的被測設(shè)備的耐壓值，即使被測設(shè)備在實際工作環(huán)境下的工作電壓低于這個數(shù)值，仍然會出現(xiàn)設(shè)備嚴重打火的情況，因此就可能質(zhì)凝測試設(shè)備的可靠性和測試結(jié)果的正確性。而被測設(shè)備實際的工作信號與測試信號之間的區(qū)別就是測試信號的頻率，所以甚至還可能得出“用工頻或直流進行測試得到的測試結(jié)果與被測設(shè)備實際最大工作耐壓表現(xiàn)出入較大，只有用跟被測設(shè)備實際工作使用的頻率相一致的信號進行耐壓測試才能得到正確的測試結(jié)果。”的錯誤結(jié)論。

為什么會得出上述錯誤結(jié)論呢？以下我們先來分析一下高頻設(shè)備內(nèi)部電場分布。

3 高頻設(shè)備內(nèi)部電場分布的理論分析

在實際工作中，需要進行耐壓測試的設(shè)備都是真空電子管、真空電容（含可調(diào)電容和不可調(diào)電容）和射頻諧波濾波器等等。這些設(shè)備具有一個共同的結(jié)構(gòu)特點，即被測兩極是同軸的，一個是內(nèi)部導體，一個是外部導體，如圖1所示為共軸直圓柱形薄筒的側(cè)視圖，a為內(nèi)導體，b為外導體，它們都是以O(shè)為圓心，半徑分別為R1、R2的共軸直圓柱形薄筒。區(qū)間I和區(qū)間III充滿相對介電常量為的各向同性均勻介質(zhì)，區(qū)間II真空。內(nèi)導休單位長度上的電量為q1，外導體單位長度上的電量為q2，在區(qū)間II有某一點位M，它距圓心o的半徑為r。在分析之前我們先對高頻電場的幾個內(nèi)部參量進行定義。

3.1 電介質(zhì)的影響及電位移矢量

電介質(zhì)就是絕緣體，理想的電介質(zhì)由于內(nèi)部沒有可自由移動的電荷，而不能導電。但把電介質(zhì)放到電場中，要受電場影響，同時也要影響電場，電介質(zhì)對電場的影響可由實驗觀察出來。兩均勻帶等量異號電荷的金屬板。設(shè)板間為空氣（近似于真空）時，測得板間的場強值為E0；如保持兩板間距離和板上電荷不變，在板間充滿各向同性的均與電介質(zhì)時，測得板間的場強值為E。實驗表明，電介質(zhì)中的場強是真空中場強的分之一倍，即。

是一個大于1的純數(shù)，他的大小隨電介質(zhì)的種類和狀態(tài)而變，稱為電介質(zhì)的相對介電常數(shù)。并把真空的介電常數(shù)與的乘機稱為電介質(zhì)的介電常數(shù)，用表示。

真空中的相對介電常數(shù)為1。

即點電荷在電介質(zhì)中的場強減小了，而且在不同的介質(zhì)中，場強的值是不同的。為簡化對場的描述和便于計算，我們引入一個輔助量D，稱為電位移矢量，并定義①即在各向同性的均勻電介質(zhì)中，某點的電位移矢量的值等于該點的場強與電介質(zhì)介電常數(shù)的乘積，方向與場強的方向相同。引入電位移矢量后，點電荷電場的電位移在不同介質(zhì)或真空中都有相同的表達式。可見電位移矢量只與自由電荷q的分布有關(guān)，而與電介質(zhì)無關(guān)。電位移矢量的單位是C/m2。

3.2 電位移線

類似于用電力線描述電場中場強E的分布，引入電位移線描述電位線D的分布。電位移線時這樣的一系列曲線：電位移線上任一點的切線方向表示該點電位移D的方向：與D垂直的單位面積上通過電位移線的數(shù)目，等于該點電位移D的值。

若在兩“無限大”帶等量導號電荷的平行平板之間，插入一塊與兩帶電板平行的電介質(zhì)板，在介質(zhì)板外的真空中，在介質(zhì)板內(nèi)，方向都是垂直于版面，在真空中與在介質(zhì)中的大小是不同的。根據(jù)①式可知，在板外的真空中D的大小為，在介質(zhì)板中D的大小為，所以畫出的D線起于正自由電荷止于負自由電荷與中間有否介質(zhì)無關(guān)。

3.3 電位移通量

通過電場中任一給定面積的電位移線數(shù)，稱為通過該面的電位移通量，或電通量，以表示。

對于均勻電場，電位移線是一系列均勻分布的平行線。在電場中設(shè)想一平面S（如圖2所示），其法向單位矢量n與電位移D成角，顯然通過平面S和的電位移線數(shù)是一樣的。由于電場中某點電位移D的大小等于該點附近垂于D方向的單位面上通過的電位移線數(shù)。所以通過S平面的電位移線數(shù)或電通量為，

若為不均勻電場，且給定面S是一個有限大小的曲面。這時可先把這個曲面分割成許多面元ds，在每個面元ds處的電場可認為是均勻的。因此通過ds的電通量為：

dd（設(shè)表示為S法向單位矢量）

上式求積分可得通過整個曲面的電通量，即：dd

若在電場中取一個閉合曲面S，根據(jù)同樣的計算方法，可計算出通過這個閉合曲面的電通量為：dS。

3.4 高斯定理

高斯從通過一個閉合曲面的電位移通量的概念出發(fā)，提出了電位移通量的高斯定理，表述如下：靜電場內(nèi)通過任一給定的閉合曲面的電位移通量，等于這個閉合曲面所包圍的自由電荷的代數(shù)和，與閉合曲面外的電荷無關(guān)。即：d，閉合曲面S常稱為高斯面。

3.5 高頻設(shè)備內(nèi)部電場計算

不考慮同軸直柱形薄筒的邊沿因素，用高斯定理求各處的電場強度，可取高斯面為半徑可變的同軸圓柱面，其薄筒的長度取單位長度1，則用電位移矢量形式的高斯定理，只要求高斯面所包圍的自由電荷（內(nèi)導休單位長度上的電量為q1，外導體單位長度上的電量為q2）。

因為I區(qū)中整個高斯面所包含的電量為零，所以其電場也為零；

II區(qū)中某點M（如圖1所示），假設(shè)它的電場強度為E，則：

d

代入q1可得：（真空中=1） （1）

同理可求得III區(qū)的電場強度為：

如果q1=-q2，則可得知III區(qū)的電場強度為零。

如果內(nèi)外導體接在電壓u的電源上（如圖1所示），則：

解得： （2）

將式（2）代入式（1）得：（3）

將r分別用R1、R2代入可以推算出內(nèi)導體外表面的電場強度或外導體內(nèi)表面的電場強度有如下關(guān)系：

根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點，由公式（3）得到設(shè)備內(nèi)部的電場分布如圖3所示，圖中內(nèi)導體的外表面和外導體的內(nèi)表面的電場分布有差別。內(nèi)導體的外表面或外導體的內(nèi)表面上總的電力線的數(shù)量一致，電力線的密度是代表電場強弱的。

高頻打火的是因為圍繞帶正電核的原子核高速運動的電子受到外部強電場的作用，脫離原子核的束縛和相異電極相碰的過程。因為電子是帶負電的粒子，它在電場中的受力方向與電場方向相反，只有逆著電場的方向才能被電場力吸引而發(fā)生位移。否則，即便是電子脫離原子核的勢力范圍，電場力也會把它吸引回去。

而且相同場形的電場，電壓與電場強度成正比，因此，內(nèi)導體外表面的最大耐壓電壓Un和外導體內(nèi)表面的最大耐壓電壓Un有如下關(guān)系：

通過以上分析，我們知道了高頻設(shè)備內(nèi)電場的分布以及各參量的比例關(guān)系。知道了得出第二節(jié)錯誤結(jié)論是因為對高頻打火原因以及對被測試設(shè)備內(nèi)部的電場分布情況理解不透徹造成的。其實用方法1得到的測試數(shù)值遠遠大于被測設(shè)備實際應用的最大耐壓。根據(jù)前面的理論分析，一般是內(nèi)導體外表面的耐壓比外導體內(nèi)表面的耐壓低，所以內(nèi)導體外表面比外導體內(nèi)表面更容易打火，其實這樣測試的結(jié)果是外導體的內(nèi)表面的最大耐壓值，而不是內(nèi)導體外表面的最大耐壓值。

不同的測試方法會得到不同的測試數(shù)據(jù)，但最終的結(jié)論都是要一致的。所以不管用什么頻率的測試信號對設(shè)備進行耐壓測試，也應該得到一致的測試結(jié)論。當然設(shè)備在實際工作中會發(fā)熱，溫度升高了，電子從原子核逃逸所需要的電場強度相應的也減小了，這樣也助長了錯誤結(jié)論的得出。

4 高頻設(shè)備耐壓測試的正確方法

在工作中，設(shè)備耐壓測試的信號往往是直流或工頻信號，根據(jù)上面的分析可知，不管是給設(shè)備的內(nèi)導體還是外導體進行耐壓測試，有效的測試信號應該是負極性的信號。因此得到正確的直流耐壓測試方法是。

首先，要把被測設(shè)備與大地零電位用絕緣材料隔離（如果不把外導體與大地用絕緣材料隔開，加在外導體上的正電壓就直接通地）。將內(nèi)導體接地，外導體上加正電壓，測試內(nèi)導體表面的最大耐壓值。

其次，用電源的正極接被測設(shè)備內(nèi)導體，將被測設(shè)備外導體接地，對設(shè)備的外導體內(nèi)表面進行耐壓測試。

最后，比較兩次的測試結(jié)果，其中的最小值就是設(shè)備的最大耐壓值。而這個最小值其實就是內(nèi)導體外表面的最大耐壓值，如果測試值不是這個結(jié)果，則需要對被測設(shè)備重新進行耐壓測試。

在實際工作中，也常常使用工頻信號對被測設(shè)備進行耐壓測試，由于測試信號是雙極性的，所以得到的測試結(jié)果與使用負極性信號進行測試時的結(jié)果一致。用這種方法對被測設(shè)備進行耐壓測試，可直接把外導體接地，工頻高壓測試信號加到內(nèi)導體上，這樣測試出來的結(jié)果就是內(nèi)導體外表面的最大耐壓值。

5 結(jié)語

實際工作中，測試的結(jié)論與設(shè)備實際使用的結(jié)果還是有一定的區(qū)別，這個區(qū)別是由于設(shè)備工作時自身發(fā)熱引起的，導致電子的逸出功降低，從而使設(shè)備的高壓耐壓值略低于使用儀器進行測量的數(shù)值，所以要對測試數(shù)值做適當?shù)男拚?/p>

綜上所述，無論用什么形式的測試信號對設(shè)備進行耐壓測試都可以得到被測設(shè)備的最大耐壓數(shù)值，雖然測試的方法不同，但最終的結(jié)論一致。

參考文獻

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