深圳ADWR氣象雷達(dá)高壓電源控保模塊電路故障檢測與分析

摘 要：發(fā)射機(jī)在ADWR多普勒氣象雷達(dá)中是比較常出現(xiàn)一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等惡劣天氣下或者人為操作不當(dāng)時(shí)更容易出現(xiàn)。文章所闡述的高壓電源控保模塊電路故障便為一次UPS放電時(shí)雷達(dá)的非正常關(guān)機(jī)導(dǎo)致的。文章首先對ADWR多普勒氣象雷達(dá)發(fā)射機(jī)的高壓電源分機(jī)作簡要介紹并對其中的高壓控保護(hù)電路進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明。并針對該模塊電路故障的分析檢測進(jìn)行了闡述與總結(jié)。希望文章能對使用ADWR多普勒氣象雷達(dá)的兄弟單位在以后的運(yùn)維工作中，提供相關(guān)的借鑒與參考。

關(guān)鍵詞：高壓電源控保模塊；高壓電源分機(jī)；故障檢測

1 概述

高壓電源分機(jī)為ADWR雷達(dá)發(fā)射機(jī)的重要組成部分，其在充電觸發(fā)脈沖的控制下，向固態(tài)調(diào)制器的儲能元件（PFN）提供充電電源，并最終進(jìn)入速調(diào)管進(jìn)行發(fā)射脈沖功率放大。因而從ADWR雷達(dá)發(fā)射脈沖的機(jī)制來講，高壓電源分機(jī)則可以稱為是發(fā)射機(jī)正常工作的基石。此外采用了回掃充電技術(shù)提高了高壓電源分機(jī)，從而保證發(fā)射功率的穩(wěn)定性。

在高壓電源分機(jī)內(nèi)部，高壓控保模塊電路由高壓故障判斷電路、高壓充電控制信號產(chǎn)生電路組成。顧名思義，高壓故障判斷電路其主要作用為高壓故障信號的判斷、指示及故障連鎖等。高壓充電控制信號產(chǎn)生電路則為在高壓充電定時(shí)信號的控制下產(chǎn)生高壓充電信號并送往高壓隔離驅(qū)動(dòng)電路。由此可知，當(dāng)高壓控保模塊電路故障時(shí)，高壓電源分機(jī)將無法正常工作，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)射機(jī)故障。

2 高壓電源分機(jī)簡述

高壓電源分機(jī)的作用為在充電觸發(fā)脈沖控制下，向固態(tài)調(diào)制器的儲能組件（PFN）提供充電電源。

2.1 簡介

高壓電源分機(jī)為ADWR雷達(dá)發(fā)射分機(jī)的固態(tài)調(diào)制器提供其所需的直流高壓。其主要參數(shù)為：

輸入電源 三相380V 單相220V

充電周期 <650μs

充電電壓 5000V

穩(wěn)定度 0.01%

可進(jìn)行變寬充電，最高工作頻率1300Hz

2.2 特性

多普勒天氣雷達(dá)中一般要求脈寬和重復(fù)頻率有較大的適用范圍，以利于提高分辨率和速度測量范圍。ADWR 雷達(dá)重復(fù)頻率范圍較寬，為250～1300Hz 可調(diào)。為達(dá)到寬重復(fù)頻率范圍的要求，該雷達(dá)發(fā)射分系統(tǒng)的高壓電源采用了回掃充電技術(shù)，其充電過程是對充電電感和人工線交替進(jìn)行的，采用開關(guān)電源對充電電感進(jìn)行等時(shí)間充電，既能保證充電精度，又確保了發(fā)射能量不隨重復(fù)頻率的變化而改變，從而滿足了寬重復(fù)頻率范圍的要求。采用回掃充電技術(shù)提高了高壓電源的穩(wěn)定度，從而保證了發(fā)射功率的穩(wěn)定性。

2.3 組成

高壓電源分機(jī)由電源濾波器Z1、三相整流V1、軟啟動(dòng)控制電路、電流、電壓取樣電路、變換器電路、儲能變壓器T1、高壓隔離驅(qū)動(dòng)電路A1、高壓控保電路等組成，組成框圖如圖1所示。

3 高壓控保電路

高壓控保模塊電路由高壓故障判斷電路、高壓充電控制信號產(chǎn)生電路組成。高壓故障判斷電路其主要作用為高壓故障信號的判斷、指示、故障連鎖及復(fù)位信號通過光耦解除故障自鎖狀態(tài)等。高壓充電控制信號產(chǎn)生電路則為在高壓充電定時(shí)信號的控制下產(chǎn)生高壓充電信號并送往高壓隔離驅(qū)動(dòng)電路。高壓控保電路工作原理框圖如圖3所示。

3.1 高壓故障判斷電路

如圖4所示（可放大）隔離驅(qū)動(dòng)電路輸出的IGBT1 保護(hù)信號和IGBT2 保護(hù)信號進(jìn)入高壓控保電路后經(jīng)D1A和D1B（CD4098）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形送入負(fù)或門D2B（CD4082），D2B（CD4082） 是四輸入端正與門，但整形輸出的IGBT 保護(hù)信號低電平有效，對于低電平有效的信號（負(fù)邏輯）D2B 相當(dāng)于或門，兩個(gè)IGBT 保護(hù)信號中的任何一個(gè)為低電平時(shí)即可通過負(fù)或門D2B 去觸發(fā)故障自鎖電路D3（CD4012），D3 的輸出分為兩路，一路經(jīng)三極管V9（3DK104D）驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管V8（BT314057，紅色）進(jìn)行故障指示，經(jīng)三極管V10（3DK104D）驅(qū)動(dòng)去發(fā)射監(jiān)控分機(jī)。另一路去高壓充電控制信號產(chǎn)生電路進(jìn)行故障連鎖。復(fù)位信號經(jīng)光耦V11（H11L1）隔離后送到故障自鎖電路，解除其故障自鎖狀態(tài)。

3.2 高壓充電控制信號產(chǎn)生電路

如圖4，高壓充電定時(shí)信號經(jīng)光耦V7（H11L1）隔離后，受繼電器K1、K2 控制分為兩路。繼電器K1 和K2 在充電時(shí)間選擇信號的控制下一個(gè)吸合、一個(gè)斷開，吸合的繼電器接點(diǎn)將高壓充電定時(shí)信號選通，送入整形電路D5A 或D6A（CD4098，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器），再送入最大充電時(shí)間定時(shí)電路D5B 或D6B（CD4098，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）。D5B 或D6B 輸出的正方波起始時(shí)間對應(yīng)于高壓充電開始的時(shí)間，正方波寬度對應(yīng)的時(shí)間就是最大充電寬度。繼電器K1、K2 選中其中一個(gè)正方波送往門控電路D4（CD4011）。送往門控電路D4 的還有一個(gè)高壓充電停止控制信號，現(xiàn)介紹高壓充電停止控制信號的產(chǎn)生。充電電流取樣信號在繼電器K1、K2控制下選通對應(yīng)的電阻R46（1.1KΩ）或R47（360Ω），電阻R46 或R47 上的電壓即對應(yīng)于不同充電時(shí)間情況下，充電電流取樣信號產(chǎn)生的電壓。該電壓送往比較器N1（LM311A），比較器N1 的另一個(gè)輸入端接基準(zhǔn)電壓?；鶞?zhǔn)電壓由帶恒溫控制的精密基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源V13（LM399）提供，基準(zhǔn)電壓值為6.9V，穩(wěn)定度達(dá)10-6，這個(gè)基準(zhǔn)電壓對應(yīng)于充電電流的預(yù)定值。當(dāng)高壓充電電流達(dá)到預(yù)定值時(shí)比較器N1 輸出低電平，整形單穩(wěn)電路D7A（CD4098）輸出低電平，送往門控電路D4 作為高壓充電停止控制信號。高壓充電控制信號在故障連鎖電路D2A（CD4082）中受高壓故障的連鎖控制，如無故障，高壓充電控制信號經(jīng)三極管V15（3DK104D）構(gòu)成的跟隨器送往高壓隔離驅(qū)動(dòng)電路。

高壓充電控制信號產(chǎn)生電路與故障連鎖控制電路如圖5。

4 故障檢測與分析

4.1 故障現(xiàn)象及初步分析

故障現(xiàn)象為終端報(bào)回掃電源故障，雷達(dá)整機(jī)發(fā)射功率為0kw，無回波數(shù)據(jù)。至十三樓機(jī)房檢查，在發(fā)射機(jī)柜I單元的發(fā)射監(jiān)控分機(jī)的控制指示面板中顯示：1.6個(gè)狀態(tài)指示信號（ 即冷卻、低壓、準(zhǔn)加、高壓，寬脈沖和窄脈沖）準(zhǔn)加和高壓指示燈不亮；2.10個(gè)故障指示信號燈中高壓故障指示燈亮?？紤]到此次故障發(fā)生時(shí)間為本雷達(dá)冬季停機(jī)維護(hù)期間，天氣良好，未有雷雨，臺風(fēng)等惡劣天氣影響。于是我們首先嘗試在發(fā)射監(jiān)控板上取得本地控制狀態(tài)下，按下復(fù)位按鈕（S5）看故障告警是否消除。但結(jié)果為重新再加低壓后，低壓綠色指示燈亮，準(zhǔn)加綠色指示燈不亮的情況下，高壓故障信號紅色指示燈亮。然后再拆開發(fā)射機(jī)柜I各部件的擋板，發(fā)現(xiàn)其機(jī)柜上部的配電分機(jī)的三只空氣開關(guān)（即冷卻開關(guān)、磁場開關(guān)、高壓開關(guān)）均閉合沒有脫扣，即高壓故障紅色指示燈亮并不是由于空氣開關(guān)脫口引起，故障有待進(jìn)一步檢測與分析。

4.2 故障初判

根據(jù)以上的初步分析，我們可以得出以下幾點(diǎn)：（1）發(fā)射監(jiān)控分機(jī)控制指示面板中本地控制按鈕的復(fù)位按鈕（S5）無法使發(fā)射機(jī)恢復(fù)正常狀態(tài)；（2）發(fā)射機(jī)柜I單元頂部的三只空氣開關(guān)均為脫扣；（3）發(fā)射機(jī)內(nèi)部各部分及之間連接線此前已做過相應(yīng)檢測，且功率開關(guān)元件（此元件為容易損耗，尤其在雷雨等惡劣天氣下）已全新更換，再次測試也無異常，短路的高壓線也再次確認(rèn)無短路，連接正常。在此基礎(chǔ)上，我們繼而拆開發(fā)射機(jī)柜I單元中部發(fā)射高壓電源分機(jī)部分的外擋板，檢查發(fā)現(xiàn)此時(shí)高壓控保板紅色故障指示燈未亮。在前面我們根據(jù)高壓控保模塊電路的敘述知道，高壓電源控保模塊電路的作用之一便是復(fù)位信號通過光耦（V11（H11L1））隔離送到該電路模塊中的故障自鎖電路以解除故障自鎖狀態(tài)。而我們多次嘗試通過復(fù)位按鈕（S5）以求解除故障自鎖，都未能成功，按道理此時(shí)高壓控保板的紅色故障指示燈應(yīng)亮起。但事實(shí)上，并未亮起。于是通過以上檢測與分析，我們認(rèn)為高壓電源的高壓控保模塊是異常的，需進(jìn)一步檢測該模塊。

4.3 故障確定

如圖2所示的高壓電源分機(jī)電路圖，其中的虛框部分即為圖4所示的高壓控保模塊電路圖，我們用萬用表對高壓變壓器T2的初級即1、2端測得其兩端電壓為220V，為正常值。在此前提下，我們再分別測試未拆下高壓控保板和拆下高壓控保板時(shí)高壓變壓器T2的次級即3、4端和5、6端的電壓。理論上拆下與未拆下高壓控保板時(shí)，高壓變壓器T2的次級3、4端和5、6端的電壓應(yīng)不變，都應(yīng)為+15V。而事實(shí)情況是，未拆下高壓控保板時(shí)測得3、4端電壓為+9 V，5、6端為 V+21；拆下高壓控保板后，3、4端為15V，5、6端為15V；

4.4 故障解決

通過以上檢測與分析，我們可以基本確定為高壓電源分機(jī)的高壓控保模塊出現(xiàn)故障，在重新更換上由廠家寄過來的高壓控保板備件后，重新加低壓，未出現(xiàn)高壓故障告警，并在20分鐘左右后得到準(zhǔn)加信號，加高壓，OK，正常，發(fā)射機(jī)工作正常。

4.5 后續(xù)工作

在完成以上工作后，雖然發(fā)射機(jī)能正常工作，但我們也發(fā)現(xiàn)此時(shí)發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于出廠標(biāo)稱的250KW，只有100KW左右。查看高壓控保板的發(fā)射功率調(diào)節(jié)旋鈕，發(fā)現(xiàn)其指針指到2的位置。為不對發(fā)射機(jī)尤其是其內(nèi)部的高壓部分造成未知的耗損，下一步我們需要做的是在斷開高壓的前提下，逐步順時(shí)針旋轉(zhuǎn)功率調(diào)節(jié)旋鈕，一開始以0.5為步進(jìn)的調(diào)節(jié)到200KW左右，然后再以0.2為步進(jìn)慢慢旋轉(zhuǎn)直至發(fā)射功率達(dá)到標(biāo)稱值250KW左右，此過程需要耐心的等待與細(xì)心的觀察。

4.6 故障原因分析

此次出現(xiàn)的故障較為不易察覺，且故障前，并無出現(xiàn)雷雨大風(fēng)等極端天氣?？梢姶斯收辖^非為惡劣天氣造成高壓電源內(nèi)部短路等導(dǎo)的。為此我們對拆卸下來的高壓控保板進(jìn)行再一次的仔細(xì)檢查，查看電阻、電容等并無燒焦、霉斷、漏液、炸裂等明顯的損壞現(xiàn)象。在再次對大功率三端穩(wěn)壓器7915（N3）進(jìn)行了輸出電壓檢測時(shí)，發(fā)現(xiàn)其輸出電壓只有-9V，更換該大功率三端穩(wěn)壓器7915，重新上機(jī)測試，加高壓正常。一個(gè)正常情況下的雷達(dá)開關(guān)機(jī)掃描為什么會燒壞一個(gè)大功率三端穩(wěn)壓器呢，似乎不會。通過同值班人員溝通得知，在故障的前一天，雷達(dá)的UPS進(jìn)行過一次放電，而在放電前，由于疏忽，處于加高壓狀態(tài)的雷達(dá)直接被斷電。正是由于此次的非正常關(guān)機(jī)導(dǎo)致高壓控保板內(nèi)部元件的燒壞。

5 結(jié)束語

發(fā)射機(jī)在ADWR多普勒氣象雷達(dá)中是比較常出現(xiàn)一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等惡劣天氣下或者人為操作不當(dāng)時(shí)更容易出現(xiàn)。由于備件的缺失導(dǎo)致，此次雷達(dá)的修復(fù)時(shí)間耗費(fèi)了5天。一方面我們有必要繼續(xù)加強(qiáng)對雷達(dá)正確開關(guān)機(jī)步驟進(jìn)行深入學(xué)習(xí)，尤其是加強(qiáng)在對雷達(dá)UPS放電前的關(guān)機(jī)意識；另一方面我們需要認(rèn)識到備件的充足對縮短故障排除時(shí)間加快雷達(dá)恢復(fù)正常運(yùn)行的必要性與重要性。