高频设备耐压测试认识误区的探讨

赵勇

摘 要：大功率中短波广播发射设备中的真空器件，如：电子管、真空电容等在采购入库和上机使用前都需要进行耐压测试，正确的测试方法和测试结论对广播设备的运行维护具有很重要的参考价值。该文详细介绍了大功率广播发射机上所使用的真空器件进行高压耐压测试的原理和作用，运用静电场理论论述了高频电场的电场分布及试验得出结论数据；针对人们存在的高频设备耐压测试的认识误区进行了研讨分析，对通过试验总结所得的正确的高频设备耐压测试方法进行了阐述。

关键词：高斯定理 电位移通量 耐压测试 高频设备

中图分类号：TM83 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（c）-0198-03

1 高频设备耐压测试的原理与作用

高频设备耐压测试的基本原理：把一个高于正常工作的电压加在被测高频设备的绝缘体上，并持续一段规定的时间，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产生很小的漏电流。如果一个被测设备绝缘体在规定的时间内，其漏电电流保持在规定的范围内，就可以确定这个被测设备能够在正常的运行条件下安全运行，否则就认定这个被测设备耐压不足。

一般，大功率中短波广播发射设备，如：电子管、真空电容等入库和上机前都需要进行耐压测试，测试通过后才能入库或安装到设备上使用，这样可以防止设备在工作的过程中出现高频打火的故障，从而造成维护不周的停播事故。这里进行的高压耐压测试有两个目的：一是测试设备的最高耐压值；二是使用较高的测试电压迫使被测高频设备上的毛刺尖端放电，在放电的过程中烧掉毛刺的顶部，从而提高设备的最大高压耐压值。

2 高频设备耐压测试的认识误区

使用什么样的测试信号对被测设备进行耐压测试才能得到正确的测试结果呢？

如果用与被测设备实际使用的频率基本一致的信号进行耐压测试那么得到的测试结果一定是真实的。而实际上，由于跟实际使用频率相近的高频耐压测试设备的开发难度大，生产成本高，所以实际工作中还是广泛使用直流或工频信号对被测设备进行高压耐压测试。

人们在被测设备耐压测试时，往往会自然而然地给内导体加上直流高压信号，外导体接地进行测量。因为这样不要对外导体做绝缘处理。这样所得到的被测设备的耐压值，即使被测设备在实际工作环境下的工作电压低于这个数值，仍然会出现设备严重打火的情况，因此就可能质凝测试设备的可靠性和测试结果的正确性。而被测设备实际的工作信号与测试信号之间的区别就是测试信号的频率，所以甚至还可能得出“用工频或直流进行测试得到的测试结果与被测设备实际最大工作耐压表现出入较大，只有用跟被测设备实际工作使用的频率相一致的信号进行耐压测试才能得到正确的测试结果。”的错误结论。

为什么会得出上述错误结论呢？以下我们先来分析一下高频设备内部电场分布。

3 高频设备内部电场分布的理论分析

在实际工作中，需要进行耐压测试的设备都是真空电子管、真空电容（含可调电容和不可调电容）和射频谐波滤波器等等。这些设备具有一个共同的结构特点，即被测两极是同轴的，一个是内部导体，一个是外部导體，如图1所示为共轴直圆柱形薄筒的侧视图，a为内导体，b为外导体，它们都是以O为圆心，半径分别为R1、R2的共轴直圆柱形薄筒。区间I和区间III充满相对介电常量为的各向同性均匀介质，区间II真空。内导休单位长度上的电量为q1，外导体单位长度上的电量为q2，在区间II有某一点位M，它距圆心o的半径为r。在分析之前我们先对高频电场的几个内部参量进行定义。

3.1 电介质的影响及电位移矢量

电介质就是绝缘体，理想的电介质由于内部没有可自由移动的电荷，而不能导电。但把电介质放到电场中，要受电场影响，同时也要影响电场，电介质对电场的影响可由实验观察出来。两均匀带等量异号电荷的金属板。设板间为空气（近似于真空）时，测得板间的场强值为E0；如保持两板间距离和板上电荷不变，在板间充满各向同性的均与电介质时，测得板间的场强值为E。实验表明，电介质中的场强是真空中场强的分之一倍，即。

是一个大于1的纯数，他的大小随电介质的种类和状态而变，称为电介质的相对介电常数。并把真空的介电常数与的乘机称为电介质的介电常数，用表示。

真空中的相对介电常数为1。

即点电荷在电介质中的场强减小了，而且在不同的介质中，场强的值是不同的。为简化对场的描述和便于计算，我们引入一个辅助量D，称为电位移矢量，并定义①即在各向同性的均匀电介质中，某点的电位移矢量的值等于该点的场强与电介质介电常数的乘积，方向与场强的方向相同。引入电位移矢量后，点电荷电场的电位移在不同介质或真空中都有相同的表达式。可见电位移矢量只与自由电荷q的分布有关，而与电介质无关。电位移矢量的单位是C/m2。

3.2 电位移线

类似于用电力线描述电场中场强E的分布，引入电位移线描述电位线D的分布。电位移线时这样的一系列曲线：电位移线上任一点的切线方向表示该点电位移D的方向：与D垂直的单位面积上通过电位移线的数目，等于该点电位移D的值。

若在两“无限大”带等量导号电荷的平行平板之间，插入一块与两带电板平行的电介质板，在介质板外的真空中，在介质板内，方向都是垂直于版面，在真空中与在介质中的大小是不同的。根据①式可知，在板外的真空中D的大小为，在介质板中D的大小为，所以画出的D线起于正自由电荷止于负自由电荷与中间有否介质无关。

3.3 电位移通量

通过电场中任一给定面积的电位移线数，称为通过该面的电位移通量，或电通量，以表示。

对于均匀电场，电位移线是一系列均匀分布的平行线。在电场中设想一平面S（如图2所示），其法向单位矢量n与电位移D成角，显然通过平面S和的电位移线数是一样的。由于电场中某点电位移D的大小等于该点附近垂于D方向的单位面上通过的电位移线数。所以通过S平面的电位移线数或电通量为，

若为不均匀电场，且给定面S是一个有限大小的曲面。这时可先把这个曲面分割成许多面元ds，在每个面元ds处的电场可认为是均匀的。因此通过ds的电通量为：

dd（设表示为S法向单位矢量）

上式求积分可得通过整个曲面的电通量，即：dd

若在电场中取一个闭合曲面S，根据同样的计算方法，可计算出通过这个闭合曲面的电通量为：dS。

3.4 高斯定理

高斯从通过一个闭合曲面的电位移通量的概念出发，提出了电位移通量的高斯定理，表述如下：静电场内通过任一给定的闭合曲面的电位移通量，等于这个闭合曲面所包围的自由电荷的代数和，与闭合曲面外的电荷无关。即：d，闭合曲面S常称为高斯面。

3.5 高频设备内部电场计算

不考虑同轴直柱形薄筒的边沿因素，用高斯定理求各处的电场强度，可取高斯面为半径可变的同轴圆柱面，其薄筒的长度取单位长度1，则用电位移矢量形式的高斯定理，只要求高斯面所包围的自由电荷（内导休单位长度上的电量为q1，外导体单位长度上的电量为q2）。

因为I区中整个高斯面所包含的电量为零，所以其电场也为零；

II区中某点M（如图1所示），假设它的电场强度为E，则：

d

代入q1可得：（真空中=1） （1）

同理可求得III区的电场强度为：

如果q1=-q2，则可得知III区的电场强度为零。

如果内外导体接在电压u的电源上（如图1所示），则：

解得： （2）

将式（2）代入式（1）得：（3）

将r分别用R1、R2代入可以推算出内导体外表面的电场强度或外导体内表面的电场强度有如下关系：

根据设备的结构特点，由公式（3）得到设备内部的电场分布如图3所示，图中内导体的外表面和外导体的内表面的电场分布有差别。内导体的外表面或外导体的内表面上总的电力线的数量一致，电力线的密度是代表电场强弱的。

高频打火的是因为围绕带正电核的原子核高速运动的电子受到外部强电场的作用，脱离原子核的束缚和相异电极相碰的过程。因为电子是带负电的粒子，它在电场中的受力方向与电场方向相反，只有逆着电场的方向才能被电场力吸引而发生位移。否则，即便是电子脱离原子核的势力范围，电场力也会把它吸引回去。

而且相同场形的电场，电压与电场强度成正比，因此，内导体外表面的最大耐压电压Un和外导体内表面的最大耐压电压Un有如下关系：

通过以上分析，我们知道了高频设备内电场的分布以及各参量的比例关系。知道了得出第二节错误结论是因为对高频打火原因以及对被测试设备内部的电场分布情况理解不透彻造成的。其实用方法1得到的测试数值远远大于被测设备实际应用的最大耐压。根据前面的理论分析，一般是內导体外表面的耐压比外导体内表面的耐压低，所以内导体外表面比外导体内表面更容易打火，其实这样测试的结果是外导体的内表面的最大耐压值，而不是内导体外表面的最大耐压值。

不同的测试方法会得到不同的测试数据，但最终的结论都是要一致的。所以不管用什么频率的测试信号对设备进行耐压测试，也应该得到一致的测试结论。当然设备在实际工作中会发热，温度升高了，电子从原子核逃逸所需要的电场强度相应的也减小了，这样也助长了错误结论的得出。

4 高频设备耐压测试的正确方法

在工作中，设备耐压测试的信号往往是直流或工频信号，根据上面的分析可知，不管是给设备的内导体还是外导体进行耐压测试，有效的测试信号应该是负极性的信号。因此得到正确的直流耐压测试方法是。

首先，要把被测设备与大地零电位用绝缘材料隔离（如果不把外导体与大地用绝缘材料隔开，加在外导体上的正电压就直接通地）。将内导体接地，外导体上加正电压，测试内导体表面的最大耐压值。

其次，用电源的正极接被测设备内导体，将被测设备外导体接地，对设备的外导体内表面进行耐压测试。

最后，比较两次的测试结果，其中的最小值就是设备的最大耐压值。而这个最小值其实就是内导体外表面的最大耐压值，如果测试值不是这个结果，则需要对被测设备重新进行耐压测试。

在实际工作中，也常常使用工频信号对被测设备进行耐压测试，由于测试信号是双极性的，所以得到的测试结果与使用负极性信号进行测试时的结果一致。用这种方法对被测设备进行耐压测试，可直接把外导体接地，工频高压测试信号加到内导体上，这样测试出来的结果就是内导体外表面的最大耐压值。

5 结语

实际工作中，测试的结论与设备实际使用的结果还是有一定的区别，这个区别是由于设备工作时自身发热引起的，导致电子的逸出功降低，从而使设备的高压耐压值略低于使用仪器进行测量的数值，所以要对测试数值做适当的修正。

综上所述，无论用什么形式的测试信号对设备进行耐压测试都可以得到被测设备的最大耐压数值，虽然测试的方法不同，但最终的结论一致。

参考文献

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