濱州CINRAD/SC型雷達幾次非典型故障案例分析

谷山青，何瑞琦，韓亞靜，陳慶亮

（1．濱州市氣象局，山東 濱州 256612；2．山東省氣象局大探中心，濟南 250031）

濱州CINRAD/SC型雷達幾次非典型故障案例分析

谷山青1，何瑞琦1，韓亞靜1，陳慶亮2

（1．濱州市氣象局，山東 濱州 256612；2．山東省氣象局大探中心，濟南 250031）

2010—2014年間濱州CINRAD/SC型雷達在升級換型前出現(xiàn)了幾次非典型故障，在故障的排查過程中，通過采用觀察法、電阻電壓測量法、屏蔽報警或保護電路法、替換法、空載法等監(jiān)測手段及利用關鍵點理論參數(shù)和波形圖像等方法，判斷故障原因、定位及排除故障，為CINRAD/SC型天氣雷達的運行保障工作積累一些經(jīng)驗和方法，以期將天氣雷達的運行保障工作做到更好。

CINRAD/SC雷達；非典型故障；發(fā)射系統(tǒng)；信號處理系統(tǒng)

引言

隨著新一代天氣雷達網(wǎng)建設步伐的不斷加快，越來越多的雷達投入業(yè)務運行，雷達系統(tǒng)保障技術成為發(fā)揮其效益的根本保證[1]。國內同行在技術保障方面，已經(jīng)積累了相當?shù)慕?jīng)驗。魏玉鵬等通過對天伺系統(tǒng)故障的分析，給出了一些在維修過程中行之有效的方法[2]；劉娟等針對發(fā)射系統(tǒng)故障作了分析總結[3]。文章對2010—2014年間濱州CINRAD/SC（簡稱SC）型雷達出現(xiàn)的幾次故障進行了分析總結，將SC型雷達不常見的故障，歸類為“非典型”故障，以區(qū)別于同型號雷達高故障率的“典型”故障（伺服系統(tǒng)的故障均為該型號雷達的典型故障，故而不在此文討論之列）。通過對這些非典型故障案例的回顧，希望能夠更好地掌握多普勒天氣雷達的性能特點，為今后雷達系統(tǒng)的維護保障工作積累經(jīng)驗。

1 概述

濱州SC型雷達是全國地市級氣象局的第一部S波段多普勒天氣雷達，2000年7月投入業(yè)務試運行，2014年9月停止業(yè)務運行，運行時間超過14年。濱州SC型雷達經(jīng)過多年連續(xù)運行，可用性和可靠性逐漸下降，且與不斷更新批次的同型號雷達在結構設計、電路設計、接口兼容性、所用模塊、器件等方面存在很大差異，維修難度異常大。

SC型雷達運行的最后時間里（2010—2014年），共發(fā)生故障17次。其中2010年為故障次數(shù)最少年份，僅發(fā)生故障1次；2011年為故障次數(shù)最多年份，達到了8次。17次故障中，發(fā)射系統(tǒng)故障8次，占總故障次數(shù)的47.1%；伺服系統(tǒng)和天線故障3次，占總故障次數(shù)的17.6%；信號處理系統(tǒng)故障3次，監(jiān)控系統(tǒng)故障1次，配電系統(tǒng)故障1次，接收系統(tǒng)故障1次。

2 發(fā)射系統(tǒng)的故障

發(fā)射機由調制系統(tǒng)、高頻系統(tǒng)和風冷系統(tǒng)三個部分組成。在所有8次發(fā)射系統(tǒng)的故障中，有5次位于調制系統(tǒng)，1次位于高頻系統(tǒng)，2次位于風冷系統(tǒng)。值得一提的是，這些故障都具有重復發(fā)生率較高的特點。下面對這幾次故障進行詳細分析。

2.1 調制系統(tǒng)的故障

2.1.1 PLC誤判的風機故障

PLC（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）以可編程邏輯控制器為核心，輔以外圍指示、轉換電路，實現(xiàn)對發(fā)射機工作的程序控制，并監(jiān)測發(fā)射機的工作狀態(tài)（圖1）[4-5]。

圖1 發(fā)射監(jiān)控框圖

2010年1月26日、2010年6月28日、2012年5月16日和2014年6月4日，出現(xiàn)的4次故障的故障現(xiàn)象均為：雷達系統(tǒng)報“發(fā)射系統(tǒng)故障”，高低壓被強行拉斷電源；“手動、本控”狀態(tài)下開低壓，風壓開關吸合失敗，短時內低壓電源再次被系統(tǒng)關斷。

檢查發(fā)現(xiàn)，風冷系統(tǒng)上、下兩個風機運轉正常；風冷系統(tǒng)供電電源各路輸出正常；磁場電源正常。啟動低壓保護模式的原因之一是：當風機故障，則風壓減小，風壓開關因承受的風壓減小而斷開，發(fā)射監(jiān)控PLC由此判斷風機故障，立即關斷高、低壓電源。因此依次檢查風機和風壓開關的狀態(tài)。風機正常，風壓開關扇葉靈敏且沒有被折斷，但仍然更換了新的風壓開關。然而，這步操作并沒有將故障排除，開啟低壓后約1分鐘，系統(tǒng)再次關斷低壓電源。

分析認為，故障點并不位于風壓開關，通過檢查發(fā)現(xiàn)，PLC各路輸入、輸出值均在正常范圍內，證明PLC狀態(tài)正常。故而懷疑發(fā)射監(jiān)控PLC周圍存在電磁干擾。為證明上述診斷結論是否正確，采用屏蔽報警電路法，將PLC上風機故障Ⅰ和Ⅱ、缺相故障Ⅰ和Ⅱ的電纜拔下，并做好絕緣處理。再次開機，高、低壓電源正常。由此證實了發(fā)射監(jiān)控PLC周圍存在電磁干擾，致其誤判“風機故障”或“風機缺相”，使得雷達系統(tǒng)進入低壓保護狀態(tài)，強制關斷高、低壓電源。

具體的處理方法如下：恢復風機故障Ⅰ和Ⅱ、缺相故障Ⅰ和Ⅱ的電纜連接方式，利用4組16個并聯(lián)的電解電容組成濾波組件，分別連接在風機故障Ⅰ和Ⅱ、缺相故障Ⅰ和Ⅱ與公共端COM之間，以期濾除PLC周圍的電磁干擾，消除或減少電磁干擾對發(fā)射監(jiān)控的影響，達到排除故障的目的。

該故障的處理方法具有不確定性，當室內存在某種不確定的干擾，同時不能被該臨時搭建的濾波組件濾除時，PLC仍誤判“風機故障”、“風機缺相”，并使系統(tǒng)進入低壓保護模式。為了盡量減少這種故障的出現(xiàn)，年維護時需要更換新的濾波組件。

2.1.2 PLC誤判的燈絲欠流

2014年7月24日，系統(tǒng)報“發(fā)射故障”、“燈絲欠流”，高、低壓電源被強行關斷。觀察燈絲電壓、燈絲電流值正常；燈絲電源分機內部的延時繼電器和轉換繼電器工作正常。關閉系統(tǒng)電源，確認系統(tǒng)放電結束后，故障復位，“燈絲欠流”的故障報警清空，高低壓電源可以正常開啟。由此判斷，燈絲電源分機沒有發(fā)生故障，采用2.1.1維修思路，證實故障點仍然位于調制系統(tǒng)的發(fā)射監(jiān)控PLC。PLC誤判燈絲電源欠流，導致系統(tǒng)進入保護狀態(tài)不能正常工作。處理方法同上。

2.2 高頻系統(tǒng)的故障

2014年2月11日，雷達系統(tǒng)報“高壓過流”。故障復位后，提示“注電流過流”。在診斷過程中首先要判斷該報警信息的真實性。采用屏蔽保護電路法，利用導線將“注電流過流保護電路”的輸入端和輸出端短接來屏蔽保護電路。先設置系統(tǒng)重復頻率為300Hz，在“本控、手動”狀態(tài)下開高壓，立即觀察到注電流快速上升，同時調制機柜內有異常響動，關閉高壓。這個過程證明了“注電流過流”是真實的，而不是發(fā)射監(jiān)控PLC的誤判，速調管確實無法正常工作。

與生產(chǎn)廠家的技術人員進行電話會商，對方懷疑為速調管老化，需要更換。濱州雷達更換速調管的時間是2009年5月，服役期間高壓運行了3萬6千余小時，且退役前性能尚可；該故障發(fā)生時正在服役的速調管僅運行了2萬8千余小時，且此次速調管“性能下降”具有突發(fā)性，臺站技術保障人員對廠家提議更換速調管保留意見。

利用示波器檢查束電壓脈沖（簡稱束壓）波形圖像，發(fā)現(xiàn)-60000V束壓波形嚴重變形（圖2a）。

圖2 故障時束電壓脈沖波形（a）、正常工作時束電壓脈沖和高頻脈沖波形（b）

廠家與速調管研究所會診時，就速調管是否已經(jīng)老化的問題產(chǎn)生意見分歧，最終提出如下的解決方案：采用替換法，用2009年退役的舊速調管替換當時正在使用的速調管，開高壓觀察束壓和高頻脈沖包絡，以判斷速調管是否老化。

替換速調管后，觀察到的-60000V束壓波形仍然是嚴重變形。這個結果證明故障原因并不是速調管老化。但在更換速調管的過程中，卻發(fā)現(xiàn)另一個本應該立即引起高度重視的情況——脈沖變壓器側視窗的橡膠密封圈嚴重腐爛，變壓器油滲漏，油位高度有所下降。但廠家技術員認為當時的油位高度仍然能夠滿足速調管的工作條件，所以沒有引起足夠的重視。直到替換速調管后，維修工作沒有更進一步進展的時候，才懷疑是脈沖變壓器油箱油位過低。將脈沖變壓器油加注至標準油位，開高壓后，觀察到了正常的-60000V束壓波形圖像（圖2b）。

此次故障的原因是脈沖變壓器漏油，大大削弱了變壓器油對速調管陰極的絕緣、散熱和消弧作用，導致速調管注電流過流，系統(tǒng)啟動注電流過流報警以保障設備的安全。該故障是SC型雷達中很不常見的故障之一，維修過程中走了一點彎路。

2.3 風冷系統(tǒng)的故障

2.3.1 風壓開關故障

2010年12月31日，雷達系統(tǒng)自動關閉高、低壓電源。檢查發(fā)現(xiàn)風壓開關的風壓感應片老化折斷，因此系統(tǒng)啟動了風機保護系統(tǒng)，導致系統(tǒng)強行關斷高、低壓電源。更換風壓開關，故障排除。

2.3.2 風冷系統(tǒng)開關電源故障

2011年1月3日，雷達系統(tǒng)自動關閉高、低壓電源。

檢修時發(fā)現(xiàn)風壓開關正常，但風冷系統(tǒng)的風機不能正常運轉，這將導致速調管溫度偏高，系統(tǒng)啟動保護電路，自動關閉高、低壓電源。進一步監(jiān)測風機，并沒有發(fā)現(xiàn)異常；采用電阻電壓測量法，依次監(jiān)測風機缺相保護電路板上的運算器三路輸入、輸出對地的電壓值，發(fā)現(xiàn)輸出對地電壓為0V，+12V電源端無輸入，說明風冷系統(tǒng)開關電源+12V電壓輸出不正常。檢查風冷系統(tǒng)開關電源，發(fā)現(xiàn)電源保險絲熔斷，更換保險絲，再開低壓，保險絲再次熔斷。采用空載法：將風機缺相保護電路板上連接+12V電壓的導線斷開，使開關電源處于空載狀態(tài)，更換電源保險絲，重新開低壓，開關電源有明顯打火現(xiàn)象，由此判斷為開關電源內部有短路。更換開關電源后故障排除。

3 信號處理系統(tǒng)的故障

2010—2014年信號處理系統(tǒng)共發(fā)生故障3次，均為RVP7（數(shù)字中頻接收機和信號處理器）不能建立通訊連接，雷達無法運行。為保證RVP7的正常運行，采用了常年加電，盡量減少維護次數(shù)的被動方式。

4 監(jiān)測控制分機的故障

2014年7月14日，雷達系統(tǒng)報“監(jiān)控通訊故障”，終端監(jiān)視界面所有系統(tǒng)狀態(tài)指示燈均轉為紅色，提示系統(tǒng)多部件發(fā)生故障。多個系統(tǒng)同時故障的概率幾乎為零，唯一的可能就是監(jiān)測控制系統(tǒng)本身出現(xiàn)故障。查看雷達主機房內，高、低壓系統(tǒng)運行正常，但伺服驅動電壓為零，監(jiān)測控制系統(tǒng)運行狀態(tài)指示燈滅。重啟監(jiān)測控制分機失敗，繼續(xù)排查發(fā)現(xiàn)電源風扇故障。更換了專用AT電源后，監(jiān)測控制信號、天線角碼信號恢復正常，故障排除。

5 結語

2010—2014年間濱州CINRAD/SC型雷達出現(xiàn)的故障，多數(shù)是因器件老化造成的，且具有重復發(fā)生率較高的特點。因與同型號雷達在結構設計、電路設計、接口兼容性、所用模塊、器件等方面存在的巨大差異，致使維修難度大、維修周期長。

發(fā)射監(jiān)控PLC誤判低壓或高壓故障的案例實屬罕見，更說明了解和掌握雷達系統(tǒng)的結構和工作原理、關鍵部位的信號流程等，對技術保障人員的重要性；在脈沖變壓器油位下降造成速調管注電流過流的案例中，如果不是及時改正維修思路，恐怕還要走更大的彎路；在上述的故障排除過程中，使用了多種檢測手段，如觀察法、電阻電壓測量法、屏蔽報警或保護電路法、替換法、空載法、關鍵點波形法等。

另外，為了保障天氣雷達資料的可用性和連續(xù)性，必須有組織、有計劃地對正常運行的雷達開展預防性維護，理解和掌握各項定標檢查的原理和意義，定期對重要參數(shù)進行標定檢查，并記錄在冊。每次故障維修過程，要做到維修過程中有記錄、故障排除后有總結，只有這樣，才能將天氣雷達的運行保障工作做到更好。

[1]何炳文，高玉春，施吉生，等.常德多普勒天氣雷達一次綜合故障的診斷與維修[J].氣象科技，2008，36（5）：653-656.

[2]魏玉鵬，王慶華，呂學梅.CINRAD/SC天氣雷達伺服系統(tǒng)故障分析與排除[J].山東氣象，2006，26（1）：45-46.

[3]劉娟，鄭偉，謝鍵，等.CINRAD/SC天氣雷達發(fā)射機故障綜合分析與檢修[J].成都信息工程學院學報，2011，26（1）：86-90.

[4]成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司.CINRAD/SC型天氣雷達技術說明書[G].成都：成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，2001：144.

[5]成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司.CINRAD/SC型天氣雷達電原理圖冊[G].成都：成都中電錦江信息產(chǎn)業(yè)有限公司，2001：146.

TN956

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：1005-0582（2016）04-0043-04

10.19513/j.cnki.issn1005-0582.2016.04.009

2016-03-04

谷山青（1983—），女，青海海東人，本科，工程師，主要從事天氣預報和雷達保障工作。