真空电容器（精选七篇）
真空电容器 篇1
真空陶瓷电容器诞生于上世纪60年代，由于其独特的技术优点，如今仍然广泛使用在大功率中短波发射机上，用于调谐、匹配、滤波、隔直流和中和等。陶瓷真空电容器价格昂贵，维护使用技术要求高，如果按照正确的方法存储、使用以及维护，就会表现出长寿命、高稳定的优点，不仅可以降低维护费用，而且还有利于发射机稳定工作。因此，深入了解其技术性能特点，研究其失效原因，采取正确应对方法，保管好、维护好、使用好真空电容器具有重要意义。
2 陶瓷真空电容器的结构及高频特性分析
陶瓷真空电容器是以高导无氧铜为电极组，以10-7Torr（托）以下的高真空为介质的电容器。与其他介质电容器相比，具有耐高压、体积小、高频损耗低、性能稳定可靠等特点。其独到之处有以下几点：最高额定电压值可达几百kV；如果采用特殊的水冷却结构，射频电流可达上kA；对于给定的电容量和额定电压值，真空电容器所占空间最小；具有很宽的容量调节范围，可由几个pF到几千pF，最大容量和最小容量比值高达150:1，是用于宽调谐范围的理想器件；能承受瞬时的过电压，具有较强的过电压自愈能力；工作在高海拔地区而性能不降低等。
2.1 陶瓷真空电容器的结构
图1为典型的Jennings（美国）陶瓷真空电容器结构，其它厂家的产品结构与此相似。两个同轴圆柱形高导无氧铜电极封装在真空陶瓷壳内，可动极固定在滑动轴上，另一个是固定端。可伸缩的金属波纹管附在套筒型轴承上，以便在改变电容量时保持真空度。通过转动调节螺杆来改变电容器的容量。
图1中各部件为：（1）电容量调节螺杆、（2）旋转罩、（3）套筒型轴承、（4）使可调电极移动的活动轴、（5）高真空介质、（6）陶瓷封装、（7）厚铜板、（8）起始电容微调螺钉、（9）厚铜安装面、（10）使可调电极在真空中移动的长寿命波纹管、（11）同轴圆柱形可移动的法兰盘结构。
2.2 高频等效电路
陶瓷真空可变电容器的高频等效电路, 如图2所示。C为电容, Ls为电容器的自感量, 主要由波纹管引起, r代表造成电容器有功功率的铜损和各种介质损耗的等效电阻, 图3为高频等效电路的电压矢量图。由于r通常在5-20mΩ之间, 远小于XLs和XC, 故Ur可忽略不计, 电容两端的高频电压。可见, 由于波纹管的存在造成了电容两端电压的升高, 这对电容器的安全是不利的, 并且频率越高, 影响越大。
2.3 固有谐振频率
如图2所示，当XLs=XC时，等效电路发生串联谐振，总阻抗Z出现最小值且等于r，对应的频率f0称为真空电容器的固有谐振频率。
设电路总阻抗为Z，相位角为φ|，则：
当电路谐振时，φ为0，则：
图4所示为相位角φ随频率变化的曲线。由图4可以看出, 当f<f0时, φ|<0, 电路呈容性;当f>f0时, φ|>0, 电路呈感性, 此时电容已经变为电感了。
图5为jennings公司提供的电容量与自感量及固有谐振频率的典型数据曲线。从图5可以看出，当电容量由100pF-1000-pF变化时，相应的自感量大约由16nH-19nH变化，固有谐振频率f0则由125MHz-36MHz变化。当载波频率低时，发射机需要较大的电容量；当载波频率高时，需要较小的电容量。对于2.3MHz-26.1MHz的短波广播频段，在频率低端和高端，固有谐振频率f0均数倍于载波频率，一般不会影响电容器的正常使用。
2.4 Q值
谐振电路的Q值等于谐振电路中储存的能量与每个周期内消耗能量值比的2π倍。Q值的高低代表着谐振电路储能效率的高低。设Ws为电感和电容器中存储的总能量，Wr为r在高频电流一个周期里消耗的能量，W0为谐振时的角频率，则：
由于r非常小，所以真空电容器的Q值很高，一般在1000-5000。r的大小对于确定电容器的冷却方式有特殊意义。
2.5 电容器的并联
为了提高真空电容在使用中的可靠性，常并联使用。图6为其并联使用时的等效电路，图中，Lc为引线电感。图7为jennings公司提供的两个CVEP-2000陶瓷真空电容器，采用低引线电感方式并联时，电容量与固有谐振频率的关系，可以看出，由于Lc的引入，其固有谐振频率f0略低于单个电容的固有谐振频率。
3 陶瓷真空电容器失效分析
失效是指产品丧失规定的功能。陶瓷真空电容器失效主要包括以下几种情况：
(1）陶瓷真空电容器在发射机允许的频率、功率、外电等条件下，不能稳定工作。
(2）在个别频点上不能稳定工作。
(3）电容器功能正常，但由于使用不当造成功能丧失。
(4）由于存储、使用的环境应力（温度、湿度、灰尘等）造成功能丧失。
真空电容的失效分为存储中的失效和使用过程中的失效两种情况。存储中的失效常表现为真空度降低、耐压值降低、泄漏电流过大；使用中失效又分为突发性失效和渐变性失效两种情况。突发性失效常发生在发射机较长时间停机后，重新开机时不能完成正常调谐和匹配，多表现为电容漏气；渐变性失效的最初表现为发射机过荷保护，并且功率越高，调幅度越大过荷越频繁。高末输出回路使用的真空电容器渐变性失效常表现为高末阴流过荷或驻波比过大等，渐变性失效的后期发射机过荷非常频繁，即使降低输出功率，也难以维持稳定工作，渐变性失效故障多表现为真空度下降、耐压降低等。
3.1 失效模式分析
所谓失效模式，是指产品失效的表现形式，一般是指能被观察到的一种失效现象，研究失效现象的目的是为了找出失效的原因。真空电容器的失效模式一般表现在如下几个方面：
(1）漏气：漏气后，陶瓷真空电容器内外压力平衡，活动轴在波纹管的张力作用下向上凸起，用手可以上下移动活动轴，如图8所示。
(2）内部打火：在瞬间的异常高压下，电容内部耐压薄弱点发生击穿，造成不可恢复的损伤，如图9所示。
(3）绝缘瓷体裂纹：在过大的机械应力、异常高温、环境温度的急剧变化等情况下很容易发生，如图10所示。
(4）局部过热：主要是异常的高频电流引起，如图11所示。
(5）内部电极变形：同心圆电极组在制造和使用过程中均有可能造成铜板变形，如图12所示。
(6）耐压降低：由于环境应力、过载工作、使用不当或长期存放等原因引起真空度降低。电容器在使用初期功率较低时正常，功率增大或加调幅后出现过荷、打火。
(7）两组电极短路：由于内部打火，造成固定电极组和动电极组变形短路。
(8）个别频点不能稳定工作：在很窄的频段内不能稳定工作，其余工作频段均能稳定工作。
(9）传动丝扣滑丝：传动杆丝扣（包括螺母丝扣）局部滑丝。
(10）使用不当：真空电容器本身正常，由于安装不正确或起始容量值设置不对以及人工调谐、调载操作不熟练等原因引起。
3.2 失效机理分析
失效机理是指引起失效的物理、化学变化等内在的原因。分析失效机理是为寻求元器件失效的实质原因。
(1）机械应力与蠕变：真空电容器内部击穿电压的大小，主要取决于电容极板间空隙大小。由于电极是由铜板退火而制成的，所以变得很软，再加上两极间的距离通常只有几个mm，所以意外的磕碰、撞击、摔落等都有可能引起内部形变，造成不可修复的损伤，轻者耐压减低，重者可能造成陶瓷破裂，电容漏气而报废。
金属在一定温度和应力下会发生明显的蠕变现象，产生不可恢复的形变，随着时间的积累，蠕变进入加速阶段时，将发生蠕变断裂。如果陶瓷真空电容器安装方法不正确，就有可能产生过大的应力，再加上长时间在高温作用，就容易引起金属变形，甚至发生漏气。
(2）波纹管疲劳：由于波纹管承受一定的应力，并不停地作往返运动，容易产生金属疲劳而漏气。应力越大、反复运动次数越多，疲劳速度越快。金属的疲劳在后期具有突发性，容易导致突发性真空电容失效。
(3）过压
(1) 驻波比过大引起的过压：由于电路问题、恶劣天气或馈线落鸟等因素，常导致高频功率传输线路不匹配，电路将产生反射电压，反射电压和入射电压同相位时将同相叠加。一般大功率短波发射机允许的驻波比（VSWR）为2:1。
设发射机输出网络某点入射电压瞬时值为u入，反射电压瞬时值为u反，则：
将VSWR=2代入（5）式，可得：（u入+u反）=1.33u入。设此点载波状态下入射电压有效值为U0，当调制度m=1时，
（注：为m=1时入射电压的峰峰值）。可见，当电压驻波比为2时，电路所要承受的最高瞬时电压等于载波入射电压有效值的3.76倍。
(2) 波纹管引起的过压：如2.2节所述，高频状态下，由于波纹管的影响，使得电容器两端的高频电压。在低频段时，影响较小；随着频率的升高，影响变大。
(4）寄生振荡
正常情况下，发射机的输出槽路可以等效为一个LCR并联等效电路。由于正常工作的谐振回路的Q值不是很高，所以流过电容的高频电流值能够控制在安全值以内。然而，在发射机内部存在着各种模式的寄生振荡，即低频振荡、同频振荡或高频振荡。任何形式的振荡，槽路都可以等效为串联或并联谐振电路。串联谐振时，电容和电感两端的高频电压等于总电压的Q倍；并联谐振时，支路电流等于总电流的Q倍（Q值较大时）。由于寄生槽路的Q值较高，所以易产生异常高压和异常大电流。同时，由于寄生振荡的高频功率不能有效地传送出去，通常都消耗在发射机内部，所以，寄生振荡易造成器件损坏。
当电感器件和电容器件同时出现在同一个回路里时，便会发生谐振现象。图13为短波发射机输出槽路在考虑真空电容器波纹管电感和隔直电容器引线电感的情况下的等效电路。在图13中，有三个谐振回路：
(1) f0所在的谐振回路为发射机正常的工作频率谐振回路，由并联调谐电容C11和C12（包括波纹管电感LS11和LS12）、第一π电感L1和调载电容C2（包括波纹管电感LS 2和L2电感反射之阻抗）等组成。
(2) f1和f2为两个寄生的超高频谐振网络，其中，f1为寄生π网络，它由起始电容C0（包括电子管输出电容C出和屏极对地分布电容Cd）、隔直电容CK及其引线电感LK以及并联调谐电容C11和C12（包括波纹管电感LS11和LS12）和第一π电感L1反射之阻抗等组成，由于该网络谐振频率阻抗高，通过反馈而形成超高频寄生振荡网络。
(3) f2由并联调谐电容C11和C12及其波纹管电感LS11和LS12构成超高频寄生谐振回路。
在发射机槽路中，所形成的超高频寄生网络对真空电容器的使用是十分不利的，必须要采取相应的防振措施。
(5）冷却不足：陶瓷真空电容器的冷却方式有自然对流冷却、强迫空气冷却和循环水冷却三种。电容器的正常工作电流是在保证正常的冷却条件下实现的，一旦冷却效率降低或冷却不均匀，电容器就会因过热而缩短寿命。
(6）外部打火：特别是陶瓷与金属（可伐）封接处的打火，容易造成漏气。
(7）润滑缺失：真空可变电容器在高温下工作，润滑油脂容易失效，造成传动螺杆的螺纹过度磨损而滑丝。
(8）环境应力：在温度、湿度、灰尘、有害气体、微生物等环境因素的综合影响下，电容器的外壳金属部分容易锈蚀，尤其是淘瓷与金属（可伐）焊缝薄弱部分的锈蚀，易造成器件的慢性漏气。同时，由于电容器内部除气不彻底，还会在贮存过程中缓慢释放气体，使器件内真空度降低。
3.3 失效对策建议
失效对策是指防止失效的具体措施，是失效分析的目的。
(1）加强库存管理
(1) 存储环境保障：库房应保持洁净，相对湿度小于80%，不能有腐蚀金属的挥发性气体，室温应大于0℃。真空电容器在存储期间要垂直放置，并使电容量处在较大容量位置，以便使波纹管处于自然状态。真空电容器最好存储在原包装箱内，如果要拿出存放，应放置在密闭良好的塑料袋内，并放置干燥剂。
(2) 入库验收打压：按照要求的电压进行交直流打压，先交流，后直流。打压时要特别注意国产电容和进口电容标称电压数值的差异。进口电容器一般标称电压为峰值试验电压，国产电容器标称值为峰值工作电压，两者相差1.4倍。另一点要注意的是，由于真空电容器在制造过程中，工艺控制的几何误差或表面缺陷（毛刺），使得可变真空电容器在不同的电容量位置时，两电极之间相对最小距离或耐压数值不同，会出现在某一位置时耐压值不合格的情况。这种缺陷在正常使用时不易发现，当电容量使用到这一特殊位置时才会暴露。所以，打压验收时应在电容量大小不同的位置进行。严格的打压测试可以在暗室内进行，以便观察打火现象。
(2）确保良好的冷却效果：要定期维护冷却系统，在更换电容器后要正确恢复冷却系统，使用强迫风冷时，要将吹风管位置对准冷却部位；使用水冷时，要防止装错进出水管，更要避免播音中水管脱落或破裂，造成意外事故，关机时一定要保证足够的冷却时间。
(3）确保发射机的保护灵敏度
(1) 冷却系统保护：冷却系统出现问题，冷却效率下降，将直接导致电容器件额定功率下降，对电容寿命影响很大。因此，发射机对冷却系统设有水流、水压、水温、风压等严格的监视保护措施。严禁随意短路保护接点，对保护电路的性能和保护值要定期校验。
(2) 快速保护：当电路由于某种原因，真空电容器瞬间失效（打火）或超负荷工作时，正常的冷却系统已不能确保器件安全，因此，发射机设有打火检测、快速驻波比保护、过流保护等措施，通过封锁射频功率或关断高压等方式对器件进行保护，保护电路要定期校验。
(3) 放电球保护：当真空电容器两端电压超过额定值时，通过放电球放电来保护。放电球的距离要符合要求，定期校验。
(4）防振线路完好：为防止寄生振荡，发射机设计有防振电路，一是要经常注意检查中和电路等防振线路；二是要确保所有防振元件完好，特别是防振电阻易变值，要经常检测，及时更换。
(5）加强维护：定期（每年度夏大检）清洁、润滑传动丝杆，检查调整伺服系统，确保转动灵活，确保电子限位和机械限位装置安全可靠，防止销钉、顶丝等松动、脱落；定期清洁灰尘，及时打磨打火点。
(6）正确安装
(1) 减小机械应力：当电容器的螺丝孔和连接铜板孔位置不正时，要用锉刀修正孔位，不允许强行安装，否则，会因应力过大而缩短使用寿命；紧螺丝时，要在对角线位置均匀而缓慢旋紧，不要用力过猛或拧得过死，以防止滑丝或法兰盘变形；对进口电容器的安装还要注意固定螺丝的制式是公制还是英制。
(2) 正确预置初始电容量：电容器安装时，初始位置的确定通常是由容量最小位置向回旋转一定角度，各发射机厂家要求略有差异。当用国产电容器代替进口电容器时，最好用测量初始电容量的方法决定向回旋转的圈数。当电容器并联使用时，不同品牌不要混用，两只电容器的起始容量要严格一致（用表测），否则会造成功率分配不均。此外，要保证随动电位器初始位置正确。
(7）正确操作：短波发射机换频、紧急代播或开新频率时，经常会手动调谐。操作不熟练时，会有较大的失谐和失配现象，如果发射机不稳定，还有可能出现寄生振荡，威胁器件安全。另外，要尽量避免真空电容器不必要的转动，以及尽量缩短转动的行程，以延长波纹管的寿命。开新频率后，要及时测量电容器温度。
(8）避免人为事故：任何时候，都要轻拿轻放，避免磕、碰、摔等。
(9）示温贴片：在电容器表面粘贴示温纸，以便及时观察温度，发现问题。
4 故障诊断
由于同时存在着失谐、失配、寄生振荡等潜在因素，使得陶瓷真空电容器在发射机上因使用的位置不同，故障现象也各有不同，即使同一位置，因损坏的程度不同，故障现象差别也会很大。同一故障现象，可能有多种原因，因此，此类故障的判断难度比较大，再加上更换器件需要的时间较长，一旦判断失误，会大大延长停播时间。本文介绍的故障诊断方法，是笔者多年维护经验的总结，既有普遍性，也有特殊性，需要综合运用。
(1）观察法
(1) 观察电容器内部打火颜色：众所周知，低气压气体电离后，会发出各种不同颜色的光。从发白光起，随着气压的降低，依次是紫红、玫瑰红、粉红、兰白，当气压到10-3Torr（托）以下时，就完全无光了。而真空电容器的气压在10-7Torr（托）以下，因此正常工作的电容器是不会发生低气压辉光放电现象的。因此，可以利用这一特性通过观察器件打火时的颜色来判断真空度。若发射机输出很小的功率，整个电容器发红光或粉红光（像灯笼一样），则此只电容器肯定是漏气了。对于耐压降低的电容器，可以用高调幅冲击的方法做可靠性检查，一般情况下，耐压不够的电容器内部会打火发光。
(2) 观察伺服系统转动情况：真空电容器一旦漏气失去真空，内外气压平衡后，其活动轴会向上凸起；有时，由于电容内部打火可以造成两组电极短路焊死。当以上情况发生时，仔细观察，会发现伺服系统电机在转速、转动声音等方面都将有异常现象，转速很快或很慢都不正常。完全漏气时，拿掉电容旋转罩可以看见凸起的轴。
(3) 观察电容器的外观：主要看陶瓷表面有无裂痕、变色以及严重打火痕迹等。
(2）手感法
(1) 手摸温度：当真空电容器真空度降低、内部打火或击穿时，高频损耗大，电容器会发热。可关掉高压，用手摸（或用点温计测温），有故障的温度很高。
(2) 手转电容：用于进一步确定故障电容器。对于怀疑的电容器，可以拆掉伺服装置，用手转动电容器旋转轴，调节电容量，通过感知转动力矩大小来判断好坏。
(3）表值分析法
此法是快速定位故障点的辅助方法，还需其他方法配合。有时电容器真空度降低后，发射机既不打火，也不过荷，只是开机调谐不正常。对特殊位置的真空电容器可以通过手动调谐，仔细观察调谐过程表值变化来辅助定位故障点，可以提高判断速度。
以下实例是笔者曾维护过的R IZ SW100kW短波发射机高末调谐电容C1、调载电容C2漏气时的判断方法，供参考。图14为该机高末槽路原理图。
在第一π电感L1和第二π电感L2正常的情况下：
(1) 高末调谐电容C1漏气后，主要表现为高末槽路严重失谐；自动调谐时，高前调谐完毕，高末屏流表打倒头，帘栅流很小；减小激励，倒手动调谐，高末屏流很大，调C1、C2时，表值均没有明显变化。
(2) 高末调载电容C2漏气后，主要表现为高阻抗失配；自动调谐时，高前调谐完毕，高末屏流很小，帘栅流打表；减小激励，倒手动调谐，调C1时，能找到调谐点，即屏流最小点或帘栅流最大点，并且在调谐点表现出高阻抗，调C2时，表值没有明显变化。
(4）电路隔离法
此法适用于DX-600的90°相移网络。DX-600中波发射机，三个PB单元加上合成器共使用了十几只真空电容器，而且无法直接观察到，故障判断难度大。图15为DX-600并机网络原理图。
90°网络具有四分之一波长特性，即：输入阻抗和输出阻抗具有反相特性。下面实例是在维护过程中，遇到C1耐压不够时的判断方法。
故障现象：低功率200kW或400kW（并机）时工作正常，高功率600kW时，三个PB频繁出现网络驻波比保护故障。我们用甩PB的方法确定故障范围，分别甩掉PB2或PB3, 400kW工作时，故障依旧；当甩掉PB1，由PB2和PB3并机400kW工作时，故障消失。故障点C1的确定：正常情况下，PB1脱机后，C1被模式开关K1短路接地，电感L被接地，电感L与电容C2形成并联谐振网络，从B点向PB1看去，阻抗将变得无穷大。由此可知，只有C1耐压不够，且PB1脱机时，才能把将由电容C1引起的故障点甩掉，因为此时C1两端电压为零。
(5）打压法
(1) 摇表：方法较简单，适用于电容内部短路或绝缘下降很大。正常电容器用2500V兆欧表测绝缘电阻，一般在104MΩ以上。
(2) 打高压：对于线路复杂，位置特殊，难以观察，现象不明显的真空电容故障，有时要根据大概判断的范围对电容器进行打压测试。打压时不必把电容器拆下，但要把高压端接线拆除。
5 结束语
由以上分析可知，陶瓷真空电容器对存储、使用、维护的全过程都有严格的质量要求，只要按照正确的方法维护和使用，其性能和可靠性是令人满意的，对提高设备可靠性，降低维护成本的潜在效益是巨大的。
参考文献
[1]赵凯华, 陈熙谋.电磁学.高等教育出版社.
[2]李松荣, 张银贵等.发射管的使用和维护.国防工业出版社.
[3]师国洪等.质量控制与可靠性工程基础.
[4]苏振华, 张立雄.真空电子器件工作和非工作可靠性的探讨.电子产品可靠性与环境试验, 2000年6月第三期.
真空电容器 篇2
1 陶瓷真空电容器的结构及高频特性分析
陶瓷真空电容器是以高导无氧铜为电极组, 以10-7托以下高真空为介质的电容器。具有耐高压、体积小、高频损耗低、性能稳定可靠等特点。其特有之处有以下几点。
额定电压:由于真空的高绝缘强度, 加之防尘污染, 防潮等特性, 使对于一定尺寸和容量来说真空电容器具有大的额定电压值。高的可达几十万伏。
损耗小, 额定电流大:由于电容器采用真空介质和低损耗的绝缘外壳及无氧铜电极结构, 在一般对流冷却情况下, 即使在很高的频率下, 也能通过很大的射频电流。如果采用特殊水冷却结构, 射频电流可达上千安培。
节省空间:对于给定的电容量和额定电压值真空电容器所占空间最小。
调节范围宽:最大容量和最小容量比值高达150∶1, 可由几个皮法到几千皮法, 成为用于宽调谐范围的理想元件。
对过电压有自愈能力:真空电容器能承受瞬时的过电压, 而对其他电容器来说, 将会造成永久性破坏。
高海拔工作能力:真空密封可以使真空电容器工作在高海拔地区而不致使其特性降低。
1.1 陶瓷真空电容器的结构
图1所示为Jennings (美国) 陶瓷真空电容器结构, 其它厂家的产品结构与此相似。两个同轴圆柱形高导无氧铜电极封装在真空陶瓷壳内, 可动极固定在活动轴上, 另一个是固定端。可伸缩的金属波纹管附在套筒型轴承上, 以便在改变电容量时保持真空度。通过转动螺杆来改变电容器容量。
图1中陶瓷真空电容器结构名称: (1) 电容量调节螺杆; (2) 旋转罩; (3) 套筒型轴承; (4) 使可调电极移动的活动轴; (5) 高真空介质; (6) 陶瓷封装; (7) 厚铜板; (8) 起始电容微调螺钉; (9) 厚铜安装面; (10) 使可调电极在真空中移动的长寿命波纹管; (11) 同轴圆柱形可移动的法兰盘结构。
1.2 高频等效电路
陶瓷真空可变电容器的高频等效电路如图2所示。C为电容, Ls为电容器的自感量, 主要由波纹管引起, r代表造成电容器有功功率的铜损和各种介质损耗的等效电阻。图3为高频等效电路的电压矢量图。由于r通常在5mΩ~20mΩ之间, 远小于XLs和XC, 故Ur忽略不计, 电容两端的高频电压UC≈U+USL。可见, 由于波纹管的存在造成了电容两端电压的升高, 这对电容器的安全是不利的, 并且频率越高, 影响越大。
1.3 固有谐振频率
如图2所示, 当XLs=XC时, 等效电路发生串联谐振, 总阻抗Z出现最小值且等于r, 对应的频率f0称为真空电容器的固有谐振频率。设电路总阻抗为Z, 相位角为ϕ, 则:
当电路谐振时, ϕ为0, 则:
图4所示为相位角ϕ随频率变化的曲线。可以看出, 当f
图5所示为jennings公司提供的电容量与自感量及固有谐振频率的典型数据。从图中可以看出, 当电容量由100pF~1000pF变化时, 相应的自感量大约在16nH~19nH之间变化, 固有谐振频率则f0在125MHz~36MHz之间变化。当载波频率低时, 发射机需要较大的电容量;当载波频率高时, 需要较小的电容量。对于2.3MHz~26.1MHz的短波广播频段, 在频率低端和高端, 固有谐振频率f0均数倍于载波频率, 一般不会影响电容器的正常使用。
1.4 品质因数 (Q值)
谐振电路的Q值等于谐振电路中储存的能量与每个周期内消耗能量值比的2π倍。Q值的高低代表着谐振电路储能效率的高低。设SW为电感和电容器件中存储的总能量, rW为r在高频电流一个周期里消耗的能量, 0ω为谐振时的角频率, 则:
由于r非常小, 所以真空电容器的Q值很高, 一般在1000~5000。r的大小对确定电容器的冷却方式有特殊意义。
1.5 电容器的并联
为了提高真空电容在使用中的可靠性, 常并联使用。图6为其并联使用时的等效电路。图中CL为引线电感。图7所示为jennings公司提供的两个CVEP-2000陶瓷真空电容器, 采用低引线电感方式并联时, 电容量与固有谐振频率的关系。进一步分析可知, 由于CL的引入, 导致其固有谐振频率f0略低于单个电容的固有谐振频率。
2 陶瓷真空电容器失效分析
真空电容的失效分为存储中的失效和使用过程中的失效两种情况。存储中的失效常表现为真空度降低, 耐压值降低, 泄漏电流过大。使用中失效又分为突发性失效和渐变性失效两种情况。突发性失效常发生在发射机较长时间停机后, 重新开机时不能完成正常调谐和匹配, 多表现为电容漏气。渐变性失效的最初表现为发射机过荷保护, 并且功率越高, 调幅度越大过荷越频繁。渐变性失效的后期发射机过荷非常频繁, 即使降低输出功率, 也难以维持稳定工作。渐变性故障多表现为真空度下降, 耐压降低。
陶瓷真空电容器失效主要包括以下几种情况: (1) 陶瓷真空电容器在发射机允许的频率、功率、外电等条件下, 不能稳定工作; (2) 在个别频点上不能稳定工作; (3) 电容器功能正常, 但由于使用不当造成功能丧失; (4) 由于存储、使用的环境应力 (温度、湿度、灰尘等) 造成的功能丧失。
2.1 陶瓷真空电容器的失效模式
所谓失效模式, 是指产品失效的表现形式, 一般指能被观察到的一种失效现象。研究失效现象的目的是为了找出失效的原因。
(1) 漏气:漏气后陶瓷真空电容器内外压力平衡, 活动轴在波纹管的张力作用下向上凸起, 用手可以上下移动活动轴就可以摸到。
(2) 内部打火:在瞬间的异常高压下, 电容内部耐压薄弱点发生击穿, 造成不可恢复的损伤。
(3) 绝缘瓷体裂纹:在过大的机械应力、异常高温、环境温度的急剧变化等情况下发生。
(4) 局部过热:主要是异常的高频电流引起。
(5) 内部电极变形:同心圆电极组在制造和使用过程中均有可能造成铜板变形。
(6) 耐压降低:由于环境应力、过载工作、使用不当或长期存放等原因引起真空度降低。调谐初期功率较低时正常, 功率增大或加调幅后过荷、打火。
(7) 两组电极短路:由于内部打火, 造成固定电极组和动电极组变形短路。
(8) 个别频点不能稳定工作:在很窄的频段内不能稳定工作, 其余工作频段均能稳定工作。
(9) 传动丝扣滑丝:传动杆丝扣 (包括螺母丝扣) 局部滑丝。
(10) 使用不当:真空电容器本身正常, 由于安装不正确或起始容量值设置不对, 以及人工调谐调载操作不熟练等原因引起。
2.2 失效机理分析
失效机理是指引起失效的物理、化学变化等内在的原因。分析失效机理是寻求元器件失效的实质原因。
(1) 机械应力与蠕变:真空电容器内部击穿电压主要取决于电容极板间空隙大小。由于电极是由铜板退火而成的, 所以变得很软, 再加上两极间的距离通常只有几个毫米, 所以意外的磕碰、撞击、摔落等都有可能引起内部形变, 造成不可修复的损伤, 轻者耐压减低, 重者可能造成陶瓷破裂, 电容漏气而报废。
金属在一定温度和应力下会发生明显的蠕变现象, 产生不可恢复的形变, 随着时间的积累, 蠕变进入加速阶段而发生蠕变断裂。如果陶瓷真空电容器安装方法不正确, 就有可能产生过大的应力, 再加上长时间的高温作用, 就容易引起金属变形, 甚至发生漏气。
(2) 波纹管疲劳:由于波纹管承受一定的应力, 并不停的作往返运动, 容易产生金属疲劳而漏气。应力越大、反复运动次数越多, 疲劳速度越快。金属的疲劳在后期具有突发性, 容易导致突发性真空电容失效。
(3) 过压”驻波比过大引起的过压, 由于电路问题、恶劣天气或馈线落鸟等因素, 常导致高频功率传输线路不匹配, 电路将产生反射电压, 反射电压和入射电压同相位时将同相叠加。一般大功率短波发射机允许的VSWR为2:1。设发射机输出网络某点入射电压瞬时值为u入, 反射电压瞬时值为u反, 则:
将VSWR=2代入 (5) 式, 可得:。设此点载波状态下入射电压有效值为U0, 当调制度m=1时, 可见, 当电压驻波比为2时, 电路所要承受的最高瞬时电压等于载波入射电压有效值的3.76倍。
(4) 寄生振荡“正常情况下, 发射机的输出槽路可以等效为一个LCR并联等效电路。由于正常工作的谐振回路的Q值不是很高, 所以流过电容的高频电流值能够控制在安全值以内。然而, 在发射机内部存在着各种模式的寄生振荡, 即低频振荡、同频振荡和高频振荡。任何形式的振荡槽路都可以等效为串联或并联谐振电路。串联谐振时, 电容和电感两端的高频电压等于总电压的Q倍。并联谐振时, 支路电流等于总电流的Q倍 (Q值较大时) 。由于寄生槽路的Q值较高, 所以易产生异常高压和异常电流。同时, 由于寄生振荡的高频功率不能有效传输到天线, 消耗在发射机内部。所以, 寄生振荡易造成器件损坏。
(5) 冷却不足:陶瓷真空电容器的冷却方式有自然对流冷却、强迫空气冷却和循环水冷却三种。电容器的正常工作电流是在保证正常的冷却条件下实现的, 一旦冷却效率降低或冷却不均匀, 电容器就会因过热而缩短寿命。
(6) 外部打火:特别是陶瓷与金属封接处的打火, 容易造成漏气。
(7) 润滑缺失:真空可变电容器在高温下工作, 润滑油脂容易失效, 造成传动螺杆的螺纹过度磨损而滑丝。
(8) 环境应力:在温度、湿度、灰尘、有害气体、微生物等环境因素的综合影响下, 电容器的外壳金属部分容易锈蚀。尤其是淘瓷与金属焊缝薄弱部分的锈蚀, 易造成器件的慢性漏气。同时, 器件内零部件由于除气不彻底, 还会在贮存过程中缓慢释放气体, 使器件内真空度降低。
2.3 防止失效的应对措施
(1) 加强库存管理:存储环境保障:库房应干净, 相对湿度小于80%, 不能有腐蚀金属的挥发性气体, 室温应大于5度。真空电容器在存储期间要垂直放置, 并使电容量处在较大容量位置, 以便使波纹管处于自然状态。真空电容器最好存储在原包装箱内, 如果要拿出存放, 应放置在密闭良好的塑料袋内, 并放置干燥剂。
入库验收打压:按照要求的电压进行交直流打压, 先交流, 后直流。打压时要特别注意国产电容和进口电容标称电压数值的差异。进口电容器一般标称电压为峰值试验电压, 国产电容器标称值为峰值工作电压, 两者相差1.4倍。例如, 峰值试验电压为30kV的进口电容器CVFP-1000-30S, 对应的国产电容型号为CKTB1000/21/215, 其峰值工作电压为21kV。另一点要注意的是, 由于真空电容器在制造过程中工艺控制的几何误差或表面缺陷 (毛刺) , 使得可变真空电容器在不同的电容量位置时, 两电极之间相对最小距离或耐压值不同, 会出现在某一位置时耐压值不合格的情况。这种缺陷在正常使用时不易发现, 当电容量使用到这一特殊位置时才会暴露。所以, 打压验收时应在电容量大小不同的位置进行。严格的打压测试可以在暗室进行, 以便观察打火现象。
(2) 确保良好的冷却效果定期维护冷却系统。在更换电容器后要正确恢复冷却系统, 强迫风冷的要将吹风管位置对准冷却部位, 水冷的要防止装错进出水管, 更要避免播音中水管脱落或破裂, 造成意外事故。关机时一定要保证足够的冷却时间。
(3) 确保发射机保护灵敏。
冷却系统保护:冷却系统出现问题, 冷却效率下降, 将直接导致器件额定功率下降, 对器件寿命影响很大。因此, 发射机对冷却系统设有水流、水压、水温、风压等严格的监视保护措施。严禁随意短路保护接点, 对保护电路的性能和保护值要定期校验。
快速保护:当真空电容器瞬间失效 (打火) 或超负荷工作时, 正常的冷却系统已不能确保器件安全。因此, 发射机设有打火检测、快速驻波比保护、过流保护等措施, 通过封锁射频功率或关断高压等方式对器件进行保护。保护电路要定期校验。
放电球保护:当真空电容器两端电压超过额定值时, 通过放电球放电来保护。放电球的距离要符合要求, 定期校验。
(4) 防振线路完好”一是要视情检查中和电路, 二是要确保所有防振元件完好, 特别是防振电阻易变值, 要经常检测, 及时更换。
(5) 加强维护:定期 (每年度夏大检) 清洁、润滑传动丝杆, 检查调整伺服系统, 确保转动灵活, 确保电子限位和机械限位装置安全可靠, 防止销钉、顶丝等松动、脱落。
(6) 正确安装:减小机械应力, 当电容器的螺丝孔和连接铜板孔位置不正时, 要用锉刀修正孔位, 不要强行安装, 否则, 会因应力过大而缩短使用寿命。考虑到热膨胀的影响, 电容器至少有一端用软连接, 以减小机械应力。紧螺丝时, 要在对角线位置均匀而缓慢旋紧, 不要用力过猛或拧的过死, 以防止滑丝或法兰盘变形。对进口电容器的安装还要注意固定螺丝的制式是公制还是英制。
正确预置初始电容量:电容器安装时初始位置通常是由容量最小位置向回旋转一定角度, 各发射机厂家要求略有差异。当电容器并联使用时, 不同品牌不要混用, 两只电容器的起始容量要严格一致, 否则会造成功率分配不均。此外, 要保证保护装置能正常使用。
(7) 正确操作:短波发射机换频、紧急代播或开新频率时, 经常会手动调谐, 会有较大的失谐和失配现象, 如果发射机不稳定, 可能出现寄生振荡, 威胁器件安全。另外, 要尽量避免真空电容器不必要的转动, 以及尽量缩短转动的行程, 以延长波纹管的寿命。
(8) 避免人为事故:任何时候, 都要轻拿轻放, 避免磕、碰、摔等。
(9) 示温贴片:在电容器表面粘贴示温纸, 以便及时发现问题。
3 结语
陶瓷真空电容器对存储、使用、维护的全过程都有严格的质量要求, 只要维护技术人员按照正确的方法维护和使用, 陶瓷真空电容器的性能才能得到最大程度的发挥, 对提高设备可靠性, 降低维护成本的潜在效益是巨大的。
参考文献
[1]李松荣, 张银贵, 等.发射管的使用和维护[M].国防工业出版社.
[2]师国洪, 等.质量控制与可靠性工程基础[M].
[3]陈德泽.寄生电感对屏极槽路电容的危害及其解决办法.
大容积容器真空氦质谱检漏技术研究 篇3
关键词：氦质谱检漏,容器,漏率
1 前言
氦质谱检漏法是根据质谱分析的原理, 以氦气作为探测对象, 对各种需要密封的容器的漏隙进行快速定位和定量检测的理想方法。氦质谱检漏作为一种高灵敏度的检漏手段, 已广泛用于科学研究和制造业中。根据被检容器所处的压力状态, 检漏的方法可分为真空检漏法和压力检漏法[1]。大容积容器的特点是体积大、放气多、工作要求苛刻, 这使大容积容器检漏较为复杂而困难。应用氦质谱检漏技术对各类焊缝焊接质量的检测和各种小部件的检漏相对较为成熟, 但针对大容积容器检漏没有统一的规范, 一般是实验人员根据经验进行判断。
本文简单分析了大容积容器负压检漏的一般工况及检漏系统灵敏度的影响因素, 给出了实际漏率的确定方法。
2 大容积容器负压检漏的工况
氦质谱检漏仪内部 (以ZLS-26D型为例) 只带有一个小型的抽气机组, 其与被检系统相连的节流阀全开导通一般也仅数升/秒左右。所以只有当被检件的体积较小时, 可以方便的直接接到质谱检漏仪上抽真空检漏。当被检件的体积在几升以上时, 若只用检漏仪的抽气机组来抽, 一般是抽不到所需的真空度的;或即使长时间的抽气, 勉强达到了质谱仪的工作压强, 这时检漏反应时间太长 (几十秒以上) , 实际上难以进行检漏。这样, 大容积容器的负压氦质谱检漏就必须用一个抽速较大的抽气机组先把大容器抽至适合检漏仪工作的真空度。
大容容积器负压检漏一般使用的氦质谱检漏系统如图1。它通常有一个外接的抽真空机组。现对大容器负压检漏工作状态分析一下, 设大容器的体积为V, 高真空泵通过高真空阀对大容器的抽速为S, 则大容器内压强从P1抽到P2所需的时间t为下式所决定[1]:
其中, 因数K是由抽真空跨越的压强范围和漏放气的情况所决定的。式 (1) 表明抽气时间t正比于V/S和log (P1/P2) 。V/S项称作该系统的抽气时间常数τ, 它决定了容器真空度提高一个数量级所需的时间量级。
3 外接抽气机组的选配及对检漏系统灵敏度的影响分析
外接抽气机组主要是根据被检容器的体积及其放气量决定的。一般来说, 对于体积小于10升的容器, 外接一个带分流阀的机械泵就可以检漏了。本文主要讨论容积在1～10升范围内容器的检漏。检漏时, 外接抽气机组将对实际检漏的灵敏度和响应时间有一定的影响。以图1所示的系统为例, 具体分析如下:
(1) 合适的抽气机组能把大容器的真空度提高2～3个数量级, 因而在同样的漏孔和喷吹氦压条件下, 由于漏孔内外压差增大, 则漏入的氦量也将成数量级的增加, 从而使大容器内的氦分压浓度提高。较小的漏孔就可使大容器内的氦浓度达到检漏仪的最小可检浓度, 也就是说, 整个系统的最小可检漏孔被减小了, 即实际检漏灵敏度提高了。
同时抽气机组能大大的减小检漏的反应时间。这是因为喷吹检漏的反应时间, 是由氦气通过漏孔的时间常数、大容器的抽空时间常数 (V/S) 、前级管道时间常数以及检漏仪的时间常数等决定。其中V/S是主要项。抽气机组的抽速S0常较分流阀前抽速S1和检漏仪节流阀的通导S2大二个数量级, 从而可大大降低大容器的抽空时间常数, 减小检漏反应时间。
(2) 外接抽气机组将容器抽至适合检漏的高真空, 从而可提高大容器检漏系统的灵敏度。但与此同时, 外接抽气机组的分流作用将降低从大容器流向检漏仪的气流量, 在其它条件不变的情况下, 将降低质谱室的工作压强。
设图1大容器的总流气量为Q, 则由于外接抽气机组S1和仪器S2的并联分流, 使大容器流向质谱仪的气流量Q2为
大容器流向外接抽气机组的气流量Q1为,
设质谱室抽速为Se, 则质谱室的工作压强
由此可见, 质谱室的气流量与工作压强均较无分流时降低了。说明质谱室中的氦分压降低系数为。也就是说, 检漏灵敏度有一定的降低。为了减小这个降低作用, 检漏操作时, 在保证质谱室的工作压强下, 应尽量关小分流阀以减小S1, 开打节流阀以增大S2, 以获得较好的实际检漏的有效灵敏度。
4 实际漏率的测定
大容器实际漏率的测定需要在其上安装经过标定的标准漏孔, 数量根据容器结构确定, 如图1所示。然后应用比较法来测定所检出的漏孔的漏率。具体方法如下:当检漏仪检出大容器上的漏孔后, 在保持一切工作条件 (节流阀和分流阀的开启程度) 不变的前提下, 分别对标准漏孔和实际漏孔施以同样的喷氦方式, 记录检漏仪的输出信号。设标准漏孔的输出信号变化量为ΔNO, 其对一个大气压空气的漏率为QO;而在同一检漏状态下关闭标准漏孔阀门后的实际漏孔的输出信号的变化量为ΔN, 则实际漏孔的漏率Q可通过下式计算:
要注意标准漏孔的位置与实际检出漏孔的位置应靠近或相当;如果位置较远, 则要分析由此引起的误差。
5 总结
氦质谱检漏技术适对于大型容器或试件的检漏还存在许多难题, 但通过实践、总结、再实践可以找到一套适合被检容器的检漏规范和方案。此外, 检漏方法多种多样, 实际应用时, 要根据具体工况选择合适的检漏方案。
参考文献
大功率发射机真空电容管理及维护 篇4
一、真空电容结构原理
真空电容在长波、中波、短波、超短波发射机上,以及高频高压设备中,作为调谐、耦合、滤波、中和、隔直流等元件使用。真空电容按结构划分主要有二种:一是固定电容,二是可变电容。固定电容的两个电极的位置固定不变,容量不可调整,如图二。可变真空电容两个电极中的一个电极位置是可调的。活动电极连接在可伸缩的波纹管上,通过螺杆调节波纹管的伸缩,带动与它连接的活动电极上下移动,改变两个电极间的相对面积,从而起到了可以调节容量的作用,如图三。
二、真空电容管理
引起真空电容损坏的原因主要有以下3 个方面:1.运输、搬运过程中真空电容瓷质外壳部分开裂或者生产时封装不严会造成真空电容漏气,使用时耐压值降低,容易造成内部闪络、打火等问题。存放在库中的真空电容,由于慢性漏气和内部各极释放气体,存放时间越长,真空度也会下降。2.可变真空电容的寿命基本由波纹管的寿命决定,而波纹管伸缩达到一定次数就会老化断裂,使电容达不到应有的耐压值。3.长时间使用的可变真空电容,调节杆的润滑油会变得干燥,带动其调节的电机负荷变大,严重时会转不动,不能完成调谐或者烧毁电机。针对真空电容结构特点及损耗原因,我们应从以下几个方面做好管理工作:
(一)建立完善的管理制度
真空电容是特殊器件,也很贵重。因此要对其规范使用和管理,就必须建立有效且适合的制度,对真空器件从领取入库到最后报废中的每一个环节都应进行规定和说明。
(二)有专门的技术人员进行管理
要选择熟悉真空器件使用和维护的技术人员对真空电容进行管理,定期统计及更新管理资料。
(三)建立真空电容档案
做好每个真空电容资料的记录和保管工作,量化真空电容的需求,合理安排库存,尽量缩短存放时间。要注重每个真空电容使用与维护资料的整理存档,包括出厂合格证、质量保证书、使用卡片、试验记录、使用时间、停用日期、累计使用时间及使用位置等信息,并细分为备用真空电容的管理及在用真空电容的管理两个部分进行。另外,再统一建立一个记录表,可以详细记录入库、测试等情况和数据。真空电容使用卡片做到一件一卡,记录表可作汇总,这样能够保证真空器件所用相关信息都有记录可查,如图四。
(四)符合要求的专用库房
储存真空电容的专用仓库应干燥无尘、防潮、防震,库内不得存放易燃、易爆、易挥发、带腐蚀性的化学物品。室内必须设置抽湿机等防潮设备及温、湿度传感器等温控设备,以保持室内干燥和温度的要求。库房内相对温度应保持在摄氏+5℃至35℃之间,相对湿度应不大于70%。真空电容可用较厚的塑料密封袋存放,里面可以加些袋装干燥剂防潮,但干燥剂要注意定期更换。
(五)真空电容的搬运
真空电容外表的铜以及内部的电极都经过了退火处理,因而是比较软的,外力过大或强烈震动就会变形,电极间距变化造成耐压值降低,因此,真空电容在运输、搬动、拆装和存放过程中,要多加小心,轻拿轻放,减少震动。对于可变真空电容,要将容量顺时针调整到最小再返回2-3 圈,这样波纹管连接活动电极的总长度最小,横向受力影响最小,利于搬运。
(六)真空电容的检验
真空电容入库前,首先进行外观检查,主要观察表面不能有裂缝和机械损伤;其次检查真空电容内部不能有活动响声;再则,按真空电容交货验收标准和要求进行各项检测和试验。真空电容器检测试验仪器:用兆欧表进行绝缘测试,用交流高压实验器和直流高压实验器进行耐压测试,用电容表测量电容的容值。以上所有测量的参数必须记入在相应的卡片和该真空器件的档案中。
测量可变真空电容时应顺时针转动电容,直至转不动为止,此时电容量最小;再逆时针旋转电容,直至调节杆松动,此时电容量最大。在这个过程中分别用电容表测量电容量的最小值与最大值。在容值最大值时,用2500V摇表进行测试是否符合要求,并按要求可进行交流和直流高压测试,以进一步检查电气性能。
库存真空器件还要定期进行电气参数检查和耐压试验,一般间隔每3-6个月,可根据发射机播音时间和重要播音期等作统一安排和调整。
三、真空电容的高压试验
高压试验在真空电容维护中是非常重要的。它不仅可以鉴别电容是否漏气,还可以消除电容毛刺;有助于改善真空度;提高电极间的绝缘性能和耐压性能,有助于延长管子的储存寿命,保证真空电容上机能安全工作。
高压测试俗称“打压”。打压分为交流打压和直流打压两种。打压应本着“先交流,后直流”的原则进行,这样有利于直流打压得到小而稳定的漏电流。打压测试时,可变真空电容必须要在最大容量处进行,最后记录打压结果、泄漏电流等。针对打压的步骤和方法应制作真空电容试验操作卡片。
应该注意的是国产电容国标型号中所标示的电压值为射频峰值电压,例如可变真空电容CKTB2000/10/200A,其中10表示为射频峰值电压,即10KV,而国标规定试验电压是标称的1.4 倍,即14KV,但是大多是电压表为有效值读数,故交流打压的电压值就是10KV。直流打压按照峰值试验电压14KV的60%,约9KV进行。另外,进口电容根据厂家不同标注的电压值可能有不同含义,千万不要超过标称电压值,以免打坏电容。例如COMET电容CVMA-650FW/50-ABEF,其中50为峰值测试电压50KV,是交流试验电压能达到的最大电压,直流试验电压的最大值为60%的峰值测试电压,并称为峰值工作电压。
四、发射机在用真空电容的维护及检修
(一)良好工作状态对真空电容的重要性
真空电容的工作电压远低于它的额定承受电压,有一定的富余量,机器正常工作时是不会超过它的额定电压的。当机器长时间的过功率、过调幅就有可能引起自激振荡,产生异常高压。当这种异常高压高于电容的额定电压时,造成真空电容的闪络或极间打火、电容的内部打火等,易导致真空器件损坏。所以机器必须处于良好的工作状态下,才不致损坏真空电容。
(二)在用真空电容的停机检修
真空器件使用在高压、高频、高温环境下,极易吸附空气中的灰尘,另外因更换器件或检修等其它原因弄脏陶瓷表面,极易造成耐压降低、爬电、吱火等现象,这会降低其耐压值。停机检修时先用电吹风对表面进行清洁除尘,再用工业酒精对表面及裸露部位进行清洁。
在用真空电容的检测主要以关机后的摸温、测温来判断电容工作情况。摸温需要经验,不很准确;可以用点温枪来测量,可以直接读出温度数值;还可以用温度试纸(测温贴片)来测量。温度试纸贴于被测物表面,有超温现象相应的数值变色,以此来显示和记录温度数值。
在检修中要重点检查与真空器件的连接部分有无螺丝松动、压接不紧,变色过热等问题。检查可调真空电容及其调谐组建的转动是否灵活。
(三)真空电容的更换
待更换的真空电容应进行使用前的测试。更换时必须做到拆卸、安装之前,摇测、打压后都必须进行放电。更换安装电容时,必须戴上洁净的白布手套,防止用手直接触及电容外壳。安装时要将备份电容容量调成与原机电容容值相等(可事先制作经过准确测量的在用可调真空电容的容值标签,贴在相应电容旁边,以便更换电容时快速进行调整)。
五、真空电容故障的应急处理
在做好真空电容维护的基础上,应建立详细的真空电容故障处理应急预案,包含人员组织、备份准备、工具准备及车辆组织等方面,才能有条不紊而又快速有效地处理好故障。
另外,可以考虑对部分复杂电路的真空电容进行热备份。如我台天线调配室调配网络的真空电容,装机时因单个电容耐压值无法达到设计要求,经常有吱火现象,造成发射机不稳定。后来改变设计,采用4个电容两个并联再互相串联的形式安装才解决了问题。但是改造带来了新的问题,4个电容若有一个故障时,不容易判断出故障电容,并且更换电容操作复杂,这些都延长了故障处理时间。目前我台为该处电容安装了热备份,需要时只需改变一下铜馈管的连接线路,即可恢复播音,大大减少了发射机停机处理故障的时间。
六、结语
真空电容器 篇5
近几年,真空绝热深冷压力容器市场需求旺盛,生产厂家越来越多,用于贮运的真空绝热深冷压力容器也越来越多,尽管不同的厂家对于该类容器的设计制造有所不同,但其基本结构大致一样。本文将简单介绍真空绝热深冷压力容器的基本结构及设计制造的工艺要点,以帮助更多的人了解真空绝热深冷压力容器。
1 真空绝热深冷压力容器的基本构造
真空深冷绝热压力容器一般由内容器、外壳、真空绝热层、内容器与外壳间支撑装置以及管路附件装置构成。
1.1 内容器
用于盛装深冷液体,主体材料一般为奥氏体不锈钢(其中用于盛装液态二氧化碳的主体材料使用的是低温压力容器用低合金板,如16Mn DR板)[3]。
(1)对于工艺人孔的设置,深冷容器允许不设置检查孔及人孔,但实际大部分制造厂家为了提高制造质量及检查精度,还是设置了工艺人孔[4]。
(2)对于内容器相关附件,进液部分设置上进液喷头(立式罐)、防冲管、喷淋管(卧式罐)以保证冷液均匀进入;下进液分布或搅拌器(一般仅LNG需要),以防止LNG分层;出液设置防涡器,以防止涡旋型蒸发和保护机械型抽液设备的使用安全;采用引管穿壁接头、凸缘(即单双面管接头)以避免薄壁管与较厚的壳壁直接相焊,从而改善了结构的焊接性能。
1.2 外壳
用于密封维持真空绝热层真空以及运输安装,主体材料一般为碳素钢或低合金钢。外壳上的重要结构是防爆装置、抽真空和侧真空装置以及从内容器引出管路的固定。管路固定通常采用不锈钢制的平封头、椭圆封头、管帽或大直径不锈钢管等,以保证流通低温液、气时管路不与外壳直接接触,避免外壳被冻裂。
1.3 真空绝热夹层
用于保持内容器低温状态,主要包括绝热材料、吸附材料及吸附装置等[1]。
1.4 内外容器间的支撑结构
常用的有拉带带支腿式(大型立式罐)、径向直撑带支腿式(小型立式罐)以及前后下支柱加前后上压柱式(用于卧式罐)[2]。
1.5 管路系统
包括进出液管,增压器进液、出气管,安全泄放与放气管,液位计引管,满液指示管(溢流管、最高液位直观取信管),分类阀门,压力表,液位计,抽真空装置,测真空装置,阻火器以及静电接地端子(一般贮运易燃介质的容器设置)。
2 真空绝热深冷压力容器的设计制造工艺要点
2.1 内容器设计制造工艺要点
(1)内容器设计中应重视其从环境温度冷却到操作温度过程中在支承点处承受的温差载荷以及由于内容器、管道及外壳之间不同的热膨胀引起的管道反作用力,并分别考虑下列工况:
(1)进液冷却过程:内容器热状态,管道系统冷状态,外壳热状态;
(2)充装及卸料过程:内容器、管道系统均是冷状态,外壳热状态;
(3)储存过程:内容器冷状态,管道系统热状态,外壳热状态。
(2)操作时,压力急剧波动引起的冲击载荷及液体进入内容器时,液体冲击引起的作用力。
(3)由内容器引出的管路系统应加管接头过渡,这是因为管道与壳壁厚度一般相差较大,两者直接相焊不易保证焊接质量,管道所受应力也较大。
(4)壳体的圆度与直线度应尽可能控制在最小范围内,因为罐体夹层空间小(现在的珍珠岩或珠光砂绝热罐夹层空间一般为240mm左右,铝箔缠绕罐的夹层空间可为140mm左右,而大型的深冷槽车夹层空间只有60mm左右),如果不控制圆度与直线度,对套合将造成很大的困难。
2.2 外壳的结构设计要点
(1)外压筒体计算长度一般取决于加强圈的惯性矩,因此为减重,外壳一般设置密集低矮型加强圈。近年来,在低温槽车的制造中,为扩大内容器有效容积,而又不使外壳外部尺寸超过汽车相关标准要求,有的厂家使用了外加强圈,效果也很好(例如张家港圣达因公司生产的55.6m3低温运输半挂车)。
(2)夹层伸出的管道引自低温端的内容器,而外壳材料一般为碳钢或低合金钢,外壳难以承受管壁低温,一般应设不锈钢过渡连接,使低温管壁与外壳之间有足够的热阻,以防碳钢或低合金钢外壳材料承受深冷载荷,且应充分考虑温度补偿。主要应用以下结构:
(1)弯管柔性补偿,即在管道与外壳间加不锈钢板、大直径管、管帽或者平封头(椭圆封头)过渡。
(2)直管穿出时设波纹管补偿(此结构不常用)。
(3)对于夹层抽真空流道,一般采取将真空吸口延伸至绝热材料内部(甚至设置多个延伸吸口)的措施,以降低绝热材料对抽真空产生的流阻。
(4)防爆装置开启压力应能够防止内容器失稳,且不超过0.5bar;泄放面积应不小于0.34mm2/L内容器容积,且任何情况下不必超过5000mm2。[4]
2.3 内容器与外壳、支撑连接的设计要点[2]
内容器与外壳之间支撑连接件,既要满足承载强度、刚度的要求,又要有高的热阻,防止产生隔热性能差的热桥。
制造中常用的各种结构如下:
(1)用柔性构件吊、拉内容器,使其悬置于外壳中心,比如吊带、压带、拉带组成支撑连接系统。其优点是只承受拉力,故受力状态简单明确,易于计算掌握,可以充分利用夹层空间,加大构件长度,从而加长热桥,且不必担心失稳。其缺点是由于全截面承受拉应力,安全系数不能低,且构件材料多为不锈钢,设备自重大,成本高,且因柔性吊、拉构件要充分利用夹层空间,致使内、外容器套合时施工难度大,不易控制位置尺寸。高真空多层绝热结构夹层空间狭小,这种结构基本无法使用。
(2)两端封头处采用固定支撑件,其优点是支撑点只有两个,结构简单,热桥少。其缺点是支撑件要抗弯、剪、拉、压,应力状态不好,单位截面积承载能力低,一般只应用于小容器。但据相关资料显示,法国制造的40英尺液氢罐箱就采用这种结构。
(3)用于立式容器的下支腿加横拉带结构。下支腿承受工作状态载荷,横拉带承受卧置运输时的空罐运输载荷,其优点是承受工作状态载荷的下支腿长度易于掌握,需要时加热阻构件也易于设置,设计自由度较大,横拉带只承受卧置运输时的空罐运输载荷,承载面不大,热阻较大,结构简单,热桥少,内、外容器套合时施工容易。其缺点是下支腿承压,需考虑轴向压应力和横拉带失稳的联合承载能力,致使热桥加长时截面积也随之加大,抵消了通过加长热桥来加大热阻的效果,往往需要设置辅助热阻构件。目前这种结构在立式罐中应用最广。
(4)用于卧式容器的前后下支柱加前后上压柱结构,前(滑动端)下支柱、上压柱承压,后(固定端)下支柱、上压柱承压、剪、弯联合载荷。其优点是结构简单,内外容器套合时施工容易,适应性好,适用于包括夹层之间狭小的高真空多层绝热容器在内的多种结构。其缺点是,支撑柱直线连接外壳,热桥短,需要选用热阻大的材料制造该类构件,而热阻大的材料往往是非金属,不得不设计辅助结构以防焊接热可能对非金属的伤害;外壳上开孔封焊点多,不利于防泄漏控制;支点处壳体上局部应力大,需要加补偿结构。目前在卧式容器中此种结构应用最广。
2.4 管路系统的特殊要求[2]
(1)管路中设置气封液结构。在设计制造中,为加大热阻我们常有意加长管道长度。如果这些管道中不存在液体,那么导热的仅仅是管壁;如果存在液体,那么就存在严重的多的液体导热。两者区别是巨大的,对容器的隔热性能影响巨大,设置气封液结构就是为了防止管道中存有液体存在而发生液体导热的现象。
(2)液位计气相管要尽量提高上连管末口,因为深冷液面不平静(尤其是装卸过程),要使其远离液面从而避免可能的液体冲击,确保取得稳定的气相压力。而液相管要设置气封液结构,并且此处的气封液结构要尽量靠近内容器器壁设置(即液相最低点),以避免管中气液共存,界面不清造成液位计量不准。
(3)为满足预冷操作要求,应设置喷淋管结构,喷淋头上喷淋孔的通过总面积应不小于喷淋管截面积。喷淋头上喷孔的布置与出口角度应使得充液时内容器能被均匀冷却。
(4)深冷容器应严格控制充满率,以避免容器遭受液体膨胀压力。目前深冷容器产品一般均设置溢流口,以准确控制充满率。
(5)为满足设计排液速率与增压速率的要求,应附带自增压汽化器,其汽化量应能满足设计需要。
2.5 工艺过程的清洁与干燥
(1)与深冷液体、真空接触的零部件应清洁、干燥,与深冷液体接触的表面如不干燥,在低温操作下可能导致冰堵(不清洁则将污染储存的低温液体)。与真空接触的零部件(特别是绝热材料)如不清洁与干燥,将导致真空难以建立和维持,油和水是真空的致命杀手。
(2)试验、发货封口用的氮气要求无油、干燥,一般要求含油量≤7mg/m3,露点≤-40℃,纯度:99.998%,含湿:≤1.5ppm-v/v,含氧:≤3ppm-v/v;氦检漏用氦气要求纯度:99.995%,含湿:≤1.5ppm-v/v,含氧:≤1.0 ppm-v/v。
(3)与富氧环境接触的零部件应与氧相溶,无油,清洁,干燥。这其中应注意的是,不仅是储存氧的容器才处于富氧环境,当储存温度低于-183℃的液体时,由于氧沸点的低温作用,其零部件表面可能“捕获”空气中的氧而形成富氧环境。
2.6 吸附材料的工艺安全[1]
(1)吸附材料的再生工艺是为了确保其清洁与干燥。
(2)富氧环境下不宜使用活性炭等与氧不相容的材料做吸附剂。
(3)吸氢类吸附剂目前国内外普遍使用PDO,但应注意不宜大量集中放置,一般2克一包分散布置,以防吸氢生热过量导致PDO起火事故的发生。这点普遍被忽视。
3 结束语
通过本文的介绍,希望能引起深冷容器制造业界的工程技术人员的共鸣,抛砖引玉,以期与同行业的专家探讨,获取更多的实践知识,进一步提高自己。同时,使更多的深冷容器的使用者能更简单明了地认识深冷容器的基本结构及使用中应注意的问题,提高该类容器在使用过程中的安全性。
摘要：本文主要对真空绝热深冷压力容器的基本结构及制造过程中的设计工艺要点进行了简单明了的介绍,以使更多人能够了解其结构以及制造中的设计工艺要点。
关键词：真空绝热深冷压力容器,基本结构,设计工艺要点
参考文献
[1]达道安.真空设计手册(第三版)[M].北京:国防工业出版社,2004.
[2]徐成海,张世伟,谢元华,等.真空低温技术与设备(第2版)[M].北京:冶金工业出版社,2007.
[3]JB/T9072-1999.固定式真空粉末绝热低温液体储槽[S].北京:机械工业部机械标准化研究所,1999.
真空电容器 篇6
真空度是衡量移动式压力容器安全使用性能的重要参数之一,在TSG_R7001-2013《压力容器定期检验规则》有如下规定:第二十四条,真空绝热压力容器除进行外部宏观检验外,还应当进行以下补充检验:夹层上装有真空测试装置的,检验夹层的真空度;A2.11真空度检测对真空绝热罐体罐车,还需要按照本规则第二十四条的要求对夹层的真空度进行检验或者测量,按照表A-2的规定进行处理。
目前由于国内各个移动式压力容器生产厂家制造技术、制造工艺各不相同,所以在真空规管的保护装置结构的设计上是不尽相同、各有特点。当前国内各大厂家生产的移动式低温绝热压力容器的结构大体相同,均为后操作箱门式结构,真空规管测量装置均在后操作箱门内的罐体后封头处。统计近十年在用的移动式低温绝热压力容器,可发现国内使用的真空规管为DV-5或者DV-6的金属密封热偶真空规管接头。
1 真空规管保护装置的结构
移动式低温绝热压力容器在装卸过程当中,由于液体自身温度为-196℃并且液体汽化过程吸热,易使操作箱内管路外表面结霜结冰。操作箱内长期处于湿度较大的环境中,容易使真空规管锈蚀失效,故现根据保护装置的防雨防锈防撞功能分为如下结构:
1.1 盖帽式结构
封头外侧的规管整体由一盖帽遮住,盖帽由螺钉或自身螺纹连接,规管管头部分由一橡胶帽包裹,或者规管管头部分无遮盖空置在盖帽内,如图1所示。盖帽式结构将真空规管整体结构密封一空间内,作用为挡风遮雨防碰撞。
1.2 套筒式结构
封头外侧的规管整体由一套筒套住,规管管头部分由一橡胶帽包裹,或者规管管头部分无遮盖空置在套筒内,如图2所示。套筒式结在真空规管轴向方向上将其裹住,作用为防风、防雨、防碰撞。
1.3 框罩式结构
封头外侧的规管由框罩罩住,框罩上有连接规管管头的测量口,如图3所示。框罩式结构在规管正面和两侧面形成一保护框罩,其作用为防止规管碰撞。
1.4 自结构式
自结构式仅有规管整体本身机构,无任何遮挡结构,规管管头分由一橡胶帽包裹或者无。
2 真空规管检验概况
2.1 四种结构装置的优缺点
盖帽式结构,将真空规管结构独处于一防风防雨的空间内,外加橡胶帽的配套使用,使得真空规管结构得到良好的保护。在检验过程中,盖帽式结构的真空规管都有这个良好的外观,并且规管的性能影响微小,罐体的真空度都可从真空规管处测量而得,从而真实反映罐体的使用性能。检验中也发现随着制造技术的改进,盖帽式结构也在逐步改进,早期的钢制盖帽已由现在的塑料制盖帽替代。钢制盖帽在长期使用后,容易产生螺钉锈蚀在螺孔中的现象,如此拆卸不易外加钢制盖帽自身重量较重而显得笨重,逐渐被塑料制盖帽所替代。
套筒式结构对真空规管整体结构在防风防雨防碰撞上有着有效的保护,但是由于套筒一头开口使得规管空置于空气之中,时间长久真空规管管头易锈蚀使规管失效,如此无法测得罐体的真空度,从而不能真实的反映罐体使用性能。检验过程中,发现如有橡胶帽将规管管头裹住,对规管的保护作用是显著增加的。框罩式结构由于自身结构限制,对真空规管结构无法起到防风防雨之用,仅仅起到防碰撞之用。由于规管也是空置于空气之中,时间长久后规管管头容易锈蚀而失效,同样无法真实地反映罐体的使用性能。检验过程中,发现框罩的测量口偏离规管轴向正位,使得框罩遮挡真空规管无法测得真空度值,由此可见在装配过程中对框罩精准定位尤为重要。
自结构式真空规管结构,由于整体空置于空气中,无丝毫防雨水防碰撞装置,规管容易短时间内锈蚀而失效,从而无法真实反映罐体的使用性能。检验过程中发现真空规管装置失效,不仅仅来自于规管的管头的锈蚀,也来自于规管管身的锈蚀。
2.2 四种结构装置使用情况的总结
检验过程中,发现四种结构装置对真空规管的保护作用,依次为盖帽式结构、套筒式结构、框罩式结构和自结构式。套筒式结构的保护作用仅次于盖帽式结构,而框罩式结构和自结构式最容易使真空规管装置失效,橡胶帽的保护作用也是显而易见。有橡胶帽的真空规管的保护效果,明显优于无橡胶帽真空规管。
3 结束语
真空规管装置,作为测量移动式低温绝热压力容器真空度重要装置之一,在制造过程中,对于保护装置的设计应同时达到保护规管和不影响规管使用的要求。如上述的盖帽式结构和套筒式结构,并且配合橡胶帽的使用,就可以起到优良保护作用。在移动式低温绝热压力容器的使用过程中,也应对真空规管保护装置定期检查。如保护装置失效或者保护不足时,可采取塑料纸包扎等措施实施弥补,如此可使真空规管装置达到标准规定的服役寿命。
摘要：移动式低温绝热压力容器,定期检验时衡量该容器的安全性能的一参数为真空度,真空度通过真空记在真空规管处测量得出,而在检验工程中发现真空规管由于锈蚀、损坏、装置结构不规则而导致真空度无法测量,从而影响对容器使用性能的评价。文章就上述问题对真空规管保护装置结构进行一些探讨。
关键词：移动式,低温绝热,压力容器,真空规管,保护装置
参考文献
[1]压力容器定期检验规则[S].TSGR7001-2013.
[2]压力容器[S].GB150-2011.
[3]低温液体汽车罐车[S].JB/T4783-2007.
[4]橡胶密封真空规管接头[S].JB/T8105.1-1999.
[5]金属密封真空规管接头[S].JB/T8105.2-1999.
真空电容器 篇7
BIRTV2015展会期间, 本刊记者有幸采访了COMET集团首席执行官Ronald Fehlmann先生和真空电容事业部总经理Michael Kammerer先生, 深入了解了COMET集团的先进生产技术和倾听客户心声的服务理念。
广播:COMET在华业务的根基和长远支撑
记者:COMET在中国的主要产品有哪些?分布在哪些领域?市场发展情况如何?
Ronald Fehlmann:我们99%的产品出口其他国家, 对我们来说, 中国是非常重要的市场, 我们的三种核心技术, X射线产品、射频功率产品和电子束, 全部都进入了中国市场。COMET在全球共有14个直属分支机构, 其中中国有两个分支, 这说明了我们对中国市场的重视。
COMET在华业务有很长的历史, 广播一直是我们重要的市场, 是我们的根基, 并将一直是我们在华业务的长远支撑。还有一个比较大的市场是半导体设备市场, 这块市场我们投入的精力非常大, 目前的发展也非常好, 已经成为COMET业务的主要部分。
大约十五年前, 我们开始了与中国广播发射台的合作, 为各个发射台站提供短波发射机所必须的真空电容, 这是我们的拳头产品。经过这十五年的风雨同舟, 我们非常荣幸地成为无线电台管理局的首选供应商, 我们对此万分骄傲。
记者:COMET的真空电容产品的市场占有率如何?
Michael Kammerer:我们和全球知名的短波发射机设备厂商都有合作, 为他们提供高质量、低功耗、安全可靠的真空电容, 在短波发射机真空电容市场上, 我们占到了60%以上的份额。
倾听:主动了解客户的真实需求
记者:COMET的客户理念是怎样的?有哪些措施来服务客户?
Ronald Fehlmann:我们坚信, 与客户近距离是支持客户的关键, 并且能够最大程度地帮助客户成功。基于此理念, 我们在全球最重要的地方都设立了COMET直属分支机构。例如, 在COMET上海分公司, 我们有高等专业人才和最新的检测设备, 一旦客户提出或遇到问题, 我们马上就能够提供足够的支持。我们深信, 与客户近距离是为用户提供支持并帮助用户成功的关键。这也是为什么我们会在全世界最重要的地方都设有直属分支机构。对COMET来说, 近距离不光表示地理位置近, 更表示我们就在用户身边倾听。
Michael Kammerer:我们不仅仅是卖产品给客户, 我们还要和客户交流, 为客户着想。了解客户需要什么, 怎样才能做得更好, 帮助客户成功, 才能给我们自己带来成功。
记者:COMET力求与客户增进交流, 具体是怎样做的?
Michael Kammerer:我们经常拜访用户, 几乎每个无线局的发射台站我们都拜访过。另外, 我们曾在2009年与用户一同举办过技术研讨会, 60多位来自无线电台管理局各台站的技术和管理人员参加了这个研讨会, 一起讨论交流真空电容的存储、使用、检测和维护。通过交流。我们可以更加了解客户的真实需求, 研讨会对双方的帮助都很大。
改进:为用户提供更多的价值
记者:前面提到, 在短波发射机真空电容市场上, COMET占到了60%以上的份额, COMET凭借什么优势占据了如此高的份额?
Ronald Fehlmann:我们一直不停地改进我们的产品, 致力于用最新的技术生产和提供最高质量的真空电容, 使其寿命更长、驱动更快、功率密度更大。当然, 最重要的是增加产品的可靠性, 为此, 我们的可靠性实验室不停运转。我们就是凭借高质量、高可靠性的产品, 为用户提供更多价值。
记者:在广播领域, 除了真空电容器方面, COMET还有哪些针对客户需求的改进?
Ronald Fehlmann:我们深知COMET在保障播音方面的角色和责任, 基于市场和应用的要求, 加上我们从客户学来的知识, 我们研发了高效的水冷系统和超长寿命的调谐系统, 这将大大延长真空电容的使用寿命, 进而为高功率发射机长期稳定运行提供有力的保证。
合作:携手开拓共赢未来
记者:COMET在中国市场拓展是怎样具体实施的?