CINRAD/CD型天氣雷達(dá)匯流環(huán)故障剖析

武孔亮，鄒書(shū)平，吳勁松，龔雪鵬，蒙居正

(1. 貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700;2. 貴州省氣象局，貴州 貴陽(yáng)550002)

1 引言

畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)自建成并投入運(yùn)行以來(lái)，在各類強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、預(yù)警監(jiān)測(cè)及人工影響天氣等工作中發(fā)揮了巨大的作用，同時(shí)也大大地提高了對(duì)災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)防能力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。為更好的保障雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，統(tǒng)計(jì)分析畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)自運(yùn)行以來(lái)的所有故障情況，有約60%的故障出現(xiàn)在天線部分，而在天線系統(tǒng)故障中，匯流環(huán)故障率占50%，可見(jiàn)匯流環(huán)故障嚴(yán)重影響了雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行的可用性，甚至錯(cuò)過(guò)了對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的有效監(jiān)測(cè)。本文主要從匯流環(huán)功能方面入手，剖析匯流環(huán)故障的影響及分析方法。

2 匯流環(huán)的功能概述

2.1 匯流環(huán)功能概述

CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)匯流環(huán)(圖1)的整體功能是將雷達(dá)系統(tǒng)一端的所有信號(hào)等值地傳送到轉(zhuǎn)動(dòng)著的另一端，可稱之為信號(hào)傳送關(guān)節(jié)。

圖中圓柱體部分為“定子”，是固定在匯流環(huán)托盤和天線轉(zhuǎn)動(dòng)連接筒之間的，而矩形框內(nèi)環(huán)為相互間隔開(kāi)的24 道導(dǎo)電金屬槽“轉(zhuǎn)子”，槽內(nèi)主要為銅質(zhì)金屬，表面鍍有良好導(dǎo)電性和高硬度的鉑金，各導(dǎo)電槽間由高硬度的耐磨塑料隔開(kāi)，相互間絕緣，物理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 匯流環(huán)實(shí)物結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 匯流環(huán)導(dǎo)電槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 匯流環(huán)接觸阻抗解釋

CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)匯流環(huán)的導(dǎo)電槽共24“軌道”，供匯流環(huán)電刷在其軌道內(nèi)平滑地相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)行，正常接觸時(shí)其間相對(duì)理論阻抗值是0 Ω，當(dāng)接觸不良時(shí)，視電刷與軌道槽間開(kāi)路，理論阻抗值為∞，但這種理論值是建立在電刷與導(dǎo)電槽間相對(duì)速度為0°/s 的基礎(chǔ)上的;實(shí)際工作中，電刷與導(dǎo)電槽間是相對(duì)運(yùn)動(dòng)著的，有一個(gè)約為6°/s 的相對(duì)速度，在這個(gè)速度基礎(chǔ)之上，當(dāng)電刷或軌道槽磨損過(guò)度接觸不良時(shí)，測(cè)量電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值不會(huì)出現(xiàn)∞的情況，而是在0 Ω 以上波動(dòng)變化的可讀的振蕩阻值。圖3 為畢節(jié)雷達(dá)一次匯流環(huán)故障后用三用表測(cè)量某一電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值結(jié)果圖。

圖3 阻值對(duì)比圖

從圖中可以看出，在某些方位電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值是波動(dòng)變化著的，說(shuō)明接觸不好，而某些方位阻值為0 Ω，說(shuō)明接觸是良好的。

由于此次故障測(cè)量的是圖2 中的第3 道間阻抗值，所以表現(xiàn)在終端故障為:在方位210°～300°之間俯仰精度能正常鎖定，并且精度誤差小于0.1，而在其他方位上，俯仰精度不能正常鎖定，雷達(dá)系統(tǒng)不能正常完成體掃。

3 匯流環(huán)故障剖析

CINRAD/CD 型天氣雷達(dá)匯流環(huán)傳送的主要信號(hào)有俯仰同步機(jī)信號(hào)、俯仰測(cè)速信號(hào)、俯仰驅(qū)動(dòng)輸出、激磁電壓、俯仰角保護(hù)信號(hào)以及部分相應(yīng)成對(duì)的屏蔽信號(hào)。要實(shí)現(xiàn)所有信號(hào)的等值傳送，匯流環(huán)電刷和導(dǎo)電槽間必須有良好的觸點(diǎn)接觸，出現(xiàn)任一導(dǎo)電槽(除圖2 中掛起備用的8、9、10 導(dǎo)電槽)與電刷接觸不良情況均視為匯流環(huán)故障，但不一定都會(huì)影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，下面分類別進(jìn)行深入剖析。

3.1 俯仰同步機(jī)信號(hào)類接觸故障

俯仰同步機(jī)信號(hào)相關(guān)觸點(diǎn)接觸不良。此類故障對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)體掃是致命的，嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。由于同步機(jī)輸出3個(gè)成比例的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)［4］E1、E2、E3分別經(jīng)匯流環(huán)中2、3、11 導(dǎo)電槽(圖2)控制俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)接觸不良時(shí)，電刷與導(dǎo)電槽間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)阻抗Rx，而Rx的值是一個(gè)在0 Ω 以上波動(dòng)的可讀阻值，類似于圖3 的粗曲線，這個(gè)阻抗Rx勢(shì)必會(huì)分掉部分感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，因各方位阻抗值不是固定的，導(dǎo)致俯仰發(fā)送器端接收到的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)變?yōu)?

式中Ix1、Ix2、Ix3分別假設(shè)為流經(jīng)匯流環(huán)中11、2、3 軌道槽(圖2)的電流，Rx1、Rx2、Rx3為其接觸不良時(shí)所測(cè)阻值。

因Ix1、Ix2、Ix3的值是固定的，由上式可以得出:即使俯仰同步機(jī)正常，即輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E1、E2、E3是成比例的，但由于Rx1、Rx2、Rx3是波動(dòng)的，即俯仰發(fā)送器的控制信號(hào)Ex1、Ex2、Ex3也是波動(dòng)的，導(dǎo)致電機(jī)不能穩(wěn)定于某一固定仰角，這時(shí)若在PPI 掃描方式時(shí)，終端表象為俯仰角的運(yùn)行仰角在命令角附近不停的擺動(dòng)，不能正常鎖定于命令仰角。

3.2 俯仰測(cè)速信號(hào)類接觸故障

俯仰測(cè)速信號(hào)相關(guān)觸點(diǎn)接觸不良，這種情況一般不影響雷達(dá)系統(tǒng)PPI 掃描，但若做RHI 掃描時(shí)，表現(xiàn)為仰角變化率不均勻。因?yàn)闇y(cè)速電機(jī)的輸出電壓Um正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度［4］ω，

式中Km為比例常數(shù)。

測(cè)速電機(jī)輸出的電壓Um須流經(jīng)匯流環(huán)中15、18 導(dǎo)電槽(圖2)去控制俯仰的轉(zhuǎn)速，故因俯仰測(cè)速信號(hào)導(dǎo)電槽接觸不良時(shí)而產(chǎn)生的阻抗Rx會(huì)分掉部分電壓，由于Rx的不確定值導(dǎo)致俯仰電機(jī)端的測(cè)速信號(hào)是一個(gè)波動(dòng)的值，由公式(1)得出此時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度:

式中Ix假設(shè)為流過(guò)匯流環(huán)中的15 或18 導(dǎo)電槽(圖2)的電流。由此可見(jiàn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度是不均勻的。

3.3 俯仰驅(qū)動(dòng)輸出接觸故障

俯仰驅(qū)動(dòng)輸出的相關(guān)觸點(diǎn)接觸不良好，此時(shí)俯仰電機(jī)端的驅(qū)動(dòng)電壓由原來(lái)的相對(duì)穩(wěn)定電壓變成無(wú)規(guī)律振蕩的電壓，這里引出俯仰電機(jī)的機(jī)械特性方程［4］:

式中MΩ為俯仰電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，CM為俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，φ 為俯仰電機(jī)的磁通量，Ua和Ra是以俯仰電機(jī)為負(fù)載的回路中的總電壓和內(nèi)阻。

由公式(4)可知，振蕩的俯仰驅(qū)動(dòng)輸出電壓會(huì)影響到電機(jī)中的回路電壓的振蕩，導(dǎo)致電機(jī)的機(jī)械特性異常，即使電機(jī)的調(diào)節(jié)特性使其能正常運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)天線的轉(zhuǎn)動(dòng)，但是長(zhǎng)期不穩(wěn)定的機(jī)械特性將會(huì)最終導(dǎo)致俯仰電機(jī)故障，使雷達(dá)系統(tǒng)俯仰不受控，最終致使天線系統(tǒng)故障。

3.4 激磁電壓接觸故障

由于穩(wěn)定的110 V 激磁電壓流經(jīng)匯流環(huán)中的12、13 導(dǎo)電槽到俯仰發(fā)送器，當(dāng)觸點(diǎn)接觸不良時(shí)產(chǎn)生的振蕩阻抗分掉部分電壓后，激磁電壓不再穩(wěn)定，長(zhǎng)期不穩(wěn)定的激磁電壓作用于俯仰發(fā)送器將致其故障，出現(xiàn)俯仰精度不能正常鎖定或者俯仰不受控等故障現(xiàn)象。

3.5 俯仰角保護(hù)信號(hào)接觸故障

俯仰角保護(hù)信號(hào)相關(guān)觸點(diǎn)接觸不良時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)終端會(huì)不確定地報(bào)俯仰－2°或俯仰90°故障，這是由于俯仰角保護(hù)信號(hào)經(jīng)匯流環(huán)中的5、6 導(dǎo)電槽后作用于保護(hù)開(kāi)關(guān)，當(dāng)經(jīng)接觸不良好產(chǎn)生的振蕩阻抗分掉部分電壓后，引起－2°保護(hù)開(kāi)關(guān)或者90°保護(hù)開(kāi)關(guān)閉合報(bào)相關(guān)故障，而天線運(yùn)行實(shí)際俯仰角未到－2°或90°。

4 匯流環(huán)故障檢測(cè)方法

根據(jù)新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)需要的相關(guān)規(guī)定，CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)主要采用降水觀測(cè)模式2(VCP21)，其完成一次體掃觀測(cè)時(shí)間約為6 min。但當(dāng)匯流環(huán)出現(xiàn)故障時(shí)，要么出現(xiàn)每次體掃時(shí)間相對(duì)不固定，要么出現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)無(wú)法正常完成體掃等等，在排除其它故障因素的情況下，定位于匯流環(huán)引起的相關(guān)故障必須仔細(xì)檢查匯流環(huán)中的電刷與導(dǎo)電槽的接觸情況。

4.1 匯流環(huán)接觸阻抗檢測(cè)方法

通常情況下，出現(xiàn)天線系統(tǒng)故障時(shí)，一般考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)故障、天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)械故障、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)故障等幾大類，但是往往會(huì)忽略由于各系統(tǒng)間傳輸線路短路、斷路、接觸不良好等情況引起的故障，這就不得不考慮匯流環(huán)這個(gè)關(guān)鍵“信號(hào)中轉(zhuǎn)站”，故這里主要說(shuō)明匯流環(huán)部分檢測(cè)方法。

在完全排除其他部分故障的情況下，根據(jù)匯流環(huán)功能及故障現(xiàn)象，可以初步定位匯流環(huán)中某些導(dǎo)電槽接觸不良，進(jìn)而用萬(wàn)用表檢測(cè)這些導(dǎo)電槽與電刷間的阻抗值，具體方法為:在天線系統(tǒng)部分完全斷電的前提下，人為推動(dòng)天線轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)速度盡量接近于正常體掃時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)速度，然后將萬(wàn)用表一只表筆接觸匯流環(huán)導(dǎo)電槽，另一只表筆接觸匯流環(huán)電刷，檢測(cè)導(dǎo)電槽與電刷間阻值，若出現(xiàn)萬(wàn)用表指針有讀數(shù)且讀數(shù)不為0 Ω 時(shí)，判定導(dǎo)電槽與電刷間接觸不良好，這時(shí)候讀取并記錄各方位阻值，可以進(jìn)一步判斷匯流環(huán)導(dǎo)電槽或者電刷的磨損情況。

4.2 檢測(cè)注意事項(xiàng)

4.2.1 根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識(shí)得知，檢測(cè)阻抗值、電容值、電感值等大部分無(wú)源器件在電路中相關(guān)數(shù)值時(shí)，必須斷掉外加電源，若有外加電源時(shí)，會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果不準(zhǔn)確或損壞器件等，所以在檢測(cè)匯流環(huán)導(dǎo)電槽與電刷間阻抗值時(shí)，必須完全斷開(kāi)雷達(dá)系統(tǒng)電源。

4.2.2 根據(jù)導(dǎo)電槽與電刷間接觸特點(diǎn)得知，每個(gè)電刷必須位于相應(yīng)的導(dǎo)電槽正中央，否則導(dǎo)電槽將會(huì)與絕緣隔離塑料相摩擦引起接觸不良好，檢測(cè)出不真實(shí)的測(cè)量結(jié)果。

4.2.3 本檢測(cè)方法中一定要注意的是天線是轉(zhuǎn)動(dòng)的，且只能在斷電前提下人力推動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，才能檢測(cè)出正確的結(jié)果。

5 小結(jié)

該文著重介紹匯流環(huán)整體功能，深入剖析匯流環(huán)各軌道槽的作用及其故障影響，得出匯流環(huán)故障檢測(cè)方法。在CINRAD/CD 型天氣雷達(dá)系統(tǒng)天線部分故障的維護(hù)維修過(guò)程中，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)保障工作人員具有一定的參考和指導(dǎo)作用。

［1］李明元. CINRAD－CD 雷達(dá)匯流環(huán)故障分析與排除［J］.貴州氣象，2010，34(3).

［2］吳勁松，胡永松，武孔亮. CINRAD/CD 天氣雷達(dá)天線控制故障的分析與排除［J］. 氣象水文海洋儀器，2012，12(4).

［3］鄒書(shū)平，武孔亮，羅京義，等. 雷達(dá)個(gè)例資料整編批處理技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用［J］. 氣象科技，2012，40(4).

［4］焦中生，沈超玲，張?jiān)? 氣象雷達(dá)原理［M］. 北京:氣象出版社.