陽極脈沖變壓器損壞的原因分析和解決方法

馮愛莉

摘 要：DSC單芯多功能測井儀包含中子氧活化、中子壽命、自然伽馬、CCL、溫度和壓力測井儀。一次下井可以完成井溫、壓力、自然伽馬、CCL、遠/近俘獲Σ及各種條件下的流量參數(shù)測量。僅中子氧活化測井在河南油田東部市場每年有100多井次的工作量，是測井公司主要的施工項目之一，其原理是通過對中子活化伽馬射線時間譜的測量來反映油管內(nèi)、環(huán)形空間、套管內(nèi)外水的流動狀況，通過解析時間譜計算出水流速度、進而計算水流量。本文對井下儀器電路原理進行了介紹，對2006年到2010年五年間該儀器的陽極脈沖變壓器損壞的原因進行了分析（共17只），針對這一多發(fā)故障提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：氧活化；離子源電路；陽極脈沖變壓器；TVS二極管

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.170

1 儀器的構(gòu)成

儀器由便攜式地面系統(tǒng)和井下儀器組成。地面系統(tǒng)包含主機/數(shù)據(jù)采集處理及電源/打印機兩個箱體。井下儀器由溫度/壓力/伽馬/CCL的遙測短接、上中子發(fā)生器短接、采集短接、和下中子發(fā)生器短接共四大部分組成。

陽極脈沖變壓器是采集短接中離子源控制電路的組件，其作用是將90V脈沖信號變成1800V脈沖信號、通過開關(guān)模塊分別給上、下中子發(fā)生器陽極供電。

2 井下儀器簡介

遙測短接是儀器的核心，其功能是與地面儀器通訊，接受命令并上傳數(shù)據(jù)；與其他短節(jié)通訊，傳遞命令并接受數(shù)據(jù)；實現(xiàn)溫度、壓力、CCL、自然伽馬的信號采集；提供90V直流穩(wěn)壓電源。采集短接的功能：產(chǎn)生中子發(fā)生器工作所需的燈絲電流和陽極脈沖；定時序?qū)?個伽瑪探頭信號進行采集計數(shù)；遙傳短節(jié)來的地面命令，按命令改變工作模式；短節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過串行口上傳至遙傳短節(jié)。發(fā)生器短節(jié)功能是根據(jù)命令加減靶壓（0-110KV），使靶壓穩(wěn)定在所需大小。當(dāng)靶壓到一定值，燈絲電流正常，在來陽極脈沖時，中子管就打出中子。

儀器命令及數(shù)據(jù)信息均以脈沖編碼（PCM）形式在測井電纜上傳送，屬半雙工通訊。井下儀器每隔50mS發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令，稱一幀，每秒傳20幀。

井下儀器內(nèi)部通信是由井下儀器各個單片機通過串行口或并行口互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。

3 陽極脈沖變壓器（T2）相關(guān)電路的作用

電路功能介紹（見上圖）。C17、R1構(gòu)成微分電路，將NB1的正脈沖轉(zhuǎn)化為負(fù)脈沖。R2、VT7構(gòu)成脈沖放大電路，將-5V負(fù)脈沖放大為-15V負(fù)脈沖。R3、R4、C19、C18、U1、C3、R5構(gòu)成脈沖整形電路。對放大后的-15V脈沖整形、使其為+15V標(biāo)準(zhǔn)方波。L2、C5構(gòu)成抗干擾電路。防止振蕩電路對90V穩(wěn)壓電路的干擾。VT1、C4、陽極變壓器T2的初級（1、2腳）構(gòu)成震蕩電路。+15V脈沖讓VT1導(dǎo)通或截止、使通過陽極變壓器T2的初級加載的90V直流電壓變?yōu)?0V脈沖信號。

陽極脈沖變壓器T2的初級（1、2腳）90V脈沖經(jīng)陽極變壓器耦合、在次級（5、6腳）輸出1800V脈沖。

開關(guān)模塊功能：開關(guān)模塊NBD控制端是和1800V脈沖有90度相位差、NBD脈沖上升沿通過開關(guān)模塊內(nèi)部控制電路使陽極高壓1800V脈沖下降沿快速導(dǎo)通、這樣可以使陽極高壓1800V脈沖無拖尾現(xiàn)象、避免了發(fā)生器產(chǎn)額拖尾、影響計算值。

R30、VD5、R6、VD4陽極變壓器T2的次級（3、4腳）產(chǎn)生陽極電壓狀態(tài)碼Vam輸入到單片機IU3最終反饋到地面系統(tǒng)。

R10、R11、R12、C7、C8、U2A 及R13、R16構(gòu)成陽極電路采樣電路。將采樣電壓通過IU3的17腳Vin輸入單片機比較、計算最終將陽極電流Ia反饋到地面系統(tǒng)。

U4、VD14、R26和U5、VD15、R27上下中子發(fā)生器選擇電路。由地面系統(tǒng)下發(fā)的命令、最終通過離子源控制電路的單片機IU314腳和13腳來選擇上、下中子發(fā)生器哪個工作。

4 陽極脈沖變壓器損壞的原因分析

4.1 原因分析

（1）匝間擊穿：經(jīng)過對陽極脈沖變壓器的拆解、我們發(fā)現(xiàn)漆包線層間絕緣膠帶有損傷、屬于產(chǎn)品制造過程中的瑕疵，發(fā)生過一例。（2）外層磨損：由于儀器的外徑是43mm、內(nèi)徑僅32mm，且內(nèi)部元器件多，而陽極脈沖變壓器的尺寸較大，在儀器維保時很容易和外管接觸造成變壓器絕緣層磨損。我們用ZC-7型絕緣電阻表測量了有磨損的變壓器，其耐壓值在1600V～2000V之間，遠小于額定值2500V。（3）陽極脈沖變壓器輸出瞬間電壓過高：變壓器輸出電壓是90V，但在我們的實際測量中發(fā)現(xiàn)，儀器工作中陽極脈沖電壓瞬態(tài)干擾經(jīng)常可以達到2700V。（4）變壓器引線處焊點問題：在廠家儀器裝配或儀器維修時由于人工操作容易造成變壓器引線處焊點處理不好導(dǎo)致絕緣下降。

4.2 降低陽極脈沖變壓器損壞的措施

（1）外層絕緣處理：對外層磨損的問題，我們將變壓器外層絕緣層材料更換成3M公司生產(chǎn)的高溫聚胺脂膠帶。其特點是耐磨、耐高壓，用2500V絕緣電阻表對單層試驗多次均未擊穿。（2）增加保護電路：經(jīng)過我們分析發(fā)現(xiàn)陽極電壓明顯存在瞬態(tài)干擾，其特點作用時間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大、破壞性很大。經(jīng)和廠家協(xié)作，我們在陽極電壓輸出端加接4只450V的TVS管、使電壓鉗位在1800V。（見圖2）。TVS二極管是一種在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效能的電路保護器件，當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時，它能以極高的速度（最高達10-12次方秒）使其阻抗驟然降低，同時吸收一個大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個預(yù)定的數(shù)值上，確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。（3）引線絕緣處理：對陽極變壓器初、次級引線的焊點全部進行重新焊接和絕緣處理。

2011年底我們對4只采集短接采取以上措施后，至今僅損壞一只陽極脈沖變壓器，大幅度降低儀器了的故障率。

參考文獻：

[1]西安奧華電子.DSC單芯多功能測井儀維修手冊[K].2006：26-30.

[2]www.datasheet5.com元器件參數(shù)查詢.