高頻設(shè)備耐壓測(cè)試認(rèn)識(shí)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(gòu)入庫(kù)和上機(jī)使用前都需要進(jìn)行耐壓測(cè)試，正確的測(cè)試方法和測(cè)試結(jié)論對(duì)廣播設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)具有很重要的參考價(jià)值。該文詳細(xì)介紹了大功率廣播發(fā)射機(jī)上所使用的真空器件進(jìn)行高壓耐壓測(cè)試的原理和作用，運(yùn)用靜電場(chǎng)理論論述了高頻電場(chǎng)的電場(chǎng)分布及試驗(yàn)得出結(jié)論數(shù)據(jù)；針對(duì)人們存在的高頻設(shè)備耐壓測(cè)試的認(rèn)識(shí)誤區(qū)進(jìn)行了研討分析，對(duì)通過(guò)試驗(yàn)總結(jié)所得的正確的高頻設(shè)備耐壓測(cè)試方法進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：高斯定理 電位移通量 耐壓測(cè)試 高頻設(shè)備

中圖分類號(hào)：TM83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）02（c）-0198-03

1 高頻設(shè)備耐壓測(cè)試的原理與作用

高頻設(shè)備耐壓測(cè)試的基本原理：把一個(gè)高于正常工作的電壓加在被測(cè)高頻設(shè)備的絕緣體上，并持續(xù)一段規(guī)定的時(shí)間，如果其間的絕緣性足夠好，加在上面的電壓就只會(huì)產(chǎn)生很小的漏電流。如果一個(gè)被測(cè)設(shè)備絕緣體在規(guī)定的時(shí)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(gè)被測(cè)設(shè)備能夠在正常的運(yùn)行條件下安全運(yùn)行，否則就認(rèn)定這個(gè)被測(cè)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(kù)和上機(jī)前都需要進(jìn)行耐壓測(cè)試，測(cè)試通過(guò)后才能入庫(kù)或安裝到設(shè)備上使用，這樣可以防止設(shè)備在工作的過(guò)程中出現(xiàn)高頻打火的故障，從而造成維護(hù)不周的停播事故。這里進(jìn)行的高壓耐壓測(cè)試有兩個(gè)目的：一是測(cè)試設(shè)備的最高耐壓值；二是使用較高的測(cè)試電壓迫使被測(cè)高頻設(shè)備上的毛刺尖端放電，在放電的過(guò)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(cè)試的認(rèn)識(shí)誤區(qū)

使用什么樣的測(cè)試信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行耐壓測(cè)試才能得到正確的測(cè)試結(jié)果呢？

如果用與被測(cè)設(shè)備實(shí)際使用的頻率基本一致的信號(hào)進(jìn)行耐壓測(cè)試那么得到的測(cè)試結(jié)果一定是真實(shí)的。而實(shí)際上，由于跟實(shí)際使用頻率相近的高頻耐壓測(cè)試設(shè)備的開(kāi)發(fā)難度大，生產(chǎn)成本高，所以實(shí)際工作中還是廣泛使用直流或工頻信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行高壓耐壓測(cè)試。

人們?cè)诒粶y(cè)設(shè)備耐壓測(cè)試時(shí)，往往會(huì)自然而然地給內(nèi)導(dǎo)體加上直流高壓信號(hào)，外導(dǎo)體接地進(jìn)行測(cè)量。因?yàn)檫@樣不要對(duì)外導(dǎo)體做絕緣處理。這樣所得到的被測(cè)設(shè)備的耐壓值，即使被測(cè)設(shè)備在實(shí)際工作環(huán)境下的工作電壓低于這個(gè)數(shù)值，仍然會(huì)出現(xiàn)設(shè)備嚴(yán)重打火的情況，因此就可能質(zhì)凝測(cè)試設(shè)備的可靠性和測(cè)試結(jié)果的正確性。而被測(cè)設(shè)備實(shí)際的工作信號(hào)與測(cè)試信號(hào)之間的區(qū)別就是測(cè)試信號(hào)的頻率，所以甚至還可能得出“用工頻或直流進(jìn)行測(cè)試得到的測(cè)試結(jié)果與被測(cè)設(shè)備實(shí)際最大工作耐壓表現(xiàn)出入較大，只有用跟被測(cè)設(shè)備實(shí)際工作使用的頻率相一致的信號(hào)進(jìn)行耐壓測(cè)試才能得到正確的測(cè)試結(jié)果?！钡腻e(cuò)誤結(jié)論。

為什么會(huì)得出上述錯(cuò)誤結(jié)論呢？以下我們先來(lái)分析一下高頻設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)分布。

3 高頻設(shè)備內(nèi)部電場(chǎng)分布的理論分析

在實(shí)際工作中，需要進(jìn)行耐壓測(cè)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(gè)共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，即被測(cè)兩極是同軸的，一個(gè)是內(nèi)部導(dǎo)體，一個(gè)是外部導(dǎo)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(dǎo)體，b為外導(dǎo)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(duì)介電常量為的各向同性均勻介質(zhì)，區(qū)間II真空。內(nèi)導(dǎo)休單位長(zhǎng)度上的電量為q1，外導(dǎo)體單位長(zhǎng)度上的電量為q2，在區(qū)間II有某一點(diǎn)位M，它距圓心o的半徑為r。在分析之前我們先對(duì)高頻電場(chǎng)的幾個(gè)內(nèi)部參量進(jìn)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(méi)有可自由移動(dòng)的電荷，而不能導(dǎo)電。但把電介質(zhì)放到電場(chǎng)中，要受電場(chǎng)影響，同時(shí)也要影響電場(chǎng)，電介質(zhì)對(duì)電場(chǎng)的影響可由實(shí)驗(yàn)觀察出來(lái)。兩均勻帶等量異號(hào)電荷的金屬板。設(shè)板間為空氣（近似于真空）時(shí)，測(cè)得板間的場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，測(cè)得板間的場(chǎng)強(qiáng)值為E。實(shí)驗(yàn)表明，電介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)是真空中場(chǎng)強(qiáng)的分之一倍，即。

是一個(gè)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(duì)介電常數(shù)。并把真空的介電常數(shù)與的乘機(jī)稱為電介質(zhì)的介電常數(shù)，用表示。

真空中的相對(duì)介電常數(shù)為1。

即點(diǎn)電荷在電介質(zhì)中的場(chǎng)強(qiáng)減小了，而且在不同的介質(zhì)中，場(chǎng)強(qiáng)的值是不同的。為簡(jiǎn)化對(duì)場(chǎng)的描述和便于計(jì)算，我們引入一個(gè)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(diǎn)的電位移矢量的值等于該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)與電介質(zhì)介電常數(shù)的乘積，方向與場(chǎng)強(qiáng)的方向相同。引入電位移矢量后，點(diǎn)電荷電場(chǎng)的電位移在不同介質(zhì)或真空中都有相同的表達(dá)式?？梢?jiàn)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(wú)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(chǎng)中場(chǎng)強(qiáng)E的分布，引入電位移線描述電位線D的分布。電位移線時(shí)這樣的一系列曲線：電位移線上任一點(diǎn)的切線方向表示該點(diǎn)電位移D的方向：與D垂直的單位面積上通過(guò)電位移線的數(shù)目，等于該點(diǎn)電位移D的值。

若在兩“無(wú)限大”帶等量導(dǎo)號(hào)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(fù)自由電荷與中間有否介質(zhì)無(wú)關(guān)。

3.3 電位移通量

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

對(duì)于均勻電場(chǎng)，電位移線是一系列均勻分布的平行線。在電場(chǎng)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(guò)平面S和的電位移線數(shù)是一樣的。由于電場(chǎng)中某點(diǎn)電位移D的大小等于該點(diǎn)附近垂于D方向的單位面上通過(guò)的電位移線數(shù)。所以通過(guò)S平面的電位移線數(shù)或電通量為，

若為不均勻電場(chǎng)，且給定面S是一個(gè)有限大小的曲面。這時(shí)可先把這個(gè)曲面分割成許多面元ds，在每個(gè)面元ds處的電場(chǎng)可認(rèn)為是均勻的。因此通過(guò)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(guò)整個(gè)曲面的電通量，即：dd

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

3.4 高斯定理

高斯從通過(guò)一個(gè)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(chǎng)內(nèi)通過(guò)任一給定的閉合曲面的電位移通量，等于這個(gè)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(wú)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(chǎng)計(jì)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(chǎng)強(qiáng)度，可取高斯面為半徑可變的同軸圓柱面，其薄筒的長(zhǎng)度取單位長(zhǎng)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(dǎo)休單位長(zhǎng)度上的電量為q1，外導(dǎo)體單位長(zhǎng)度上的電量為q2）。

因?yàn)镮區(qū)中整個(gè)高斯面所包含的電量為零，所以其電場(chǎng)也為零；

II區(qū)中某點(diǎn)M（如圖1所示），假設(shè)它的電場(chǎng)強(qiáng)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(chǎng)強(qiáng)度為：

如果q1=-q2，則可得知III區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度為零。

如果內(nèi)外導(dǎo)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(dǎo)體外表面的電場(chǎng)強(qiáng)度或外導(dǎo)體內(nèi)表面的電場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：

根據(jù)設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，由公式（3）得到設(shè)備內(nèi)部的電場(chǎng)分布如圖3所示，圖中內(nèi)導(dǎo)體的外表面和外導(dǎo)體的內(nèi)表面的電場(chǎng)分布有差別。內(nèi)導(dǎo)體的外表面或外導(dǎo)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(chǎng)強(qiáng)弱的。

高頻打火的是因?yàn)閲@帶正電核的原子核高速運(yùn)動(dòng)的電子受到外部強(qiáng)電場(chǎng)的作用，脫離原子核的束縛和相異電極相碰的過(guò)程。因?yàn)殡娮邮菐ж?fù)電的粒子，它在電場(chǎng)中的受力方向與電場(chǎng)方向相反，只有逆著電場(chǎng)的方向才能被電場(chǎng)力吸引而發(fā)生位移。否則，即便是電子脫離原子核的勢(shì)力范圍，電場(chǎng)力也會(huì)把它吸引回去。

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

通過(guò)以上分析，我們知道了高頻設(shè)備內(nèi)電場(chǎng)的分布以及各參量的比例關(guān)系。知道了得出第二節(jié)錯(cuò)誤結(jié)論是因?yàn)閷?duì)高頻打火原因以及對(duì)被測(cè)試設(shè)備內(nèi)部的電場(chǎng)分布情況理解不透徹造成的。其實(shí)用方法1得到的測(cè)試數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于被測(cè)設(shè)備實(shí)際應(yīng)用的最大耐壓。根據(jù)前面的理論分析，一般是內(nèi)導(dǎo)體外表面的耐壓比外導(dǎo)體內(nèi)表面的耐壓低，所以內(nèi)導(dǎo)體外表面比外導(dǎo)體內(nèi)表面更容易打火，其實(shí)這樣測(cè)試的結(jié)果是外導(dǎo)體的內(nèi)表面的最大耐壓值，而不是內(nèi)導(dǎo)體外表面的最大耐壓值。

不同的測(cè)試方法會(huì)得到不同的測(cè)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(cè)試信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行耐壓測(cè)試，也應(yīng)該得到一致的測(cè)試結(jié)論。當(dāng)然設(shè)備在實(shí)際工作中會(huì)發(fā)熱，溫度升高了，電子從原子核逃逸所需要的電場(chǎng)強(qiáng)度相應(yīng)的也減小了，這樣也助長(zhǎng)了錯(cuò)誤結(jié)論的得出。

4 高頻設(shè)備耐壓測(cè)試的正確方法

在工作中，設(shè)備耐壓測(cè)試的信號(hào)往往是直流或工頻信號(hào)，根據(jù)上面的分析可知，不管是給設(shè)備的內(nèi)導(dǎo)體還是外導(dǎo)體進(jìn)行耐壓測(cè)試，有效的測(cè)試信號(hào)應(yīng)該是負(fù)極性的信號(hào)。因此得到正確的直流耐壓測(cè)試方法是。

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

其次，用電源的正極接被測(cè)設(shè)備內(nèi)導(dǎo)體，將被測(cè)設(shè)備外導(dǎo)體接地，對(duì)設(shè)備的外導(dǎo)體內(nèi)表面進(jìn)行耐壓測(cè)試。

最后，比較兩次的測(cè)試結(jié)果，其中的最小值就是設(shè)備的最大耐壓值。而這個(gè)最小值其實(shí)就是內(nèi)導(dǎo)體外表面的最大耐壓值，如果測(cè)試值不是這個(gè)結(jié)果，則需要對(duì)被測(cè)設(shè)備重新進(jìn)行耐壓測(cè)試。

在實(shí)際工作中，也常常使用工頻信號(hào)對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行耐壓測(cè)試，由于測(cè)試信號(hào)是雙極性的，所以得到的測(cè)試結(jié)果與使用負(fù)極性信號(hào)進(jìn)行測(cè)試時(shí)的結(jié)果一致。用這種方法對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行耐壓測(cè)試，可直接把外導(dǎo)體接地，工頻高壓測(cè)試信號(hào)加到內(nèi)導(dǎo)體上，這樣測(cè)試出來(lái)的結(jié)果就是內(nèi)導(dǎo)體外表面的最大耐壓值。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)際工作中，測(cè)試的結(jié)論與設(shè)備實(shí)際使用的結(jié)果還是有一定的區(qū)別，這個(gè)區(qū)別是由于設(shè)備工作時(shí)自身發(fā)熱引起的，導(dǎo)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(jìn)行測(cè)量的數(shù)值，所以要對(duì)測(cè)試數(shù)值做適當(dāng)?shù)男拚?/p>

綜上所述，無(wú)論用什么形式的測(cè)試信號(hào)對(duì)設(shè)備進(jìn)行耐壓測(cè)試都可以得到被測(cè)設(shè)備的最大耐壓數(shù)值，雖然測(cè)試的方法不同，但最終的結(jié)論一致。

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