CINRAD/SAD天氣雷達(dá)發(fā)射機(jī)故障的處理和原因分析

巫喬，郭澤勇，朱永兵，董根銘

（1.韶關(guān)市氣象局，廣東韶關(guān) 512026；2.陽(yáng)江市氣象局，廣東陽(yáng)江 529500）

在新一代天氣雷達(dá)的故障維修實(shí)例中，發(fā)射機(jī)故障占較大比重，由于CNIRAD/SA單偏振雷達(dá)在升級(jí)為CNIRAD/SAD雙線(xiàn)偏振雷達(dá)后，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)全部組件換新并重新布線(xiàn)，單偏振發(fā)射機(jī)較雙偏振發(fā)射機(jī)基本線(xiàn)路差異較小，因此可供雙線(xiàn)偏振雷達(dá)參考學(xué)習(xí)的發(fā)射機(jī)資料比較多［1-4］。針對(duì)發(fā)射機(jī)故障，羅鳴等［5］、楊傳鳳等［6］、陳利芳等［7］分別對(duì)開(kāi)關(guān)組件故障、發(fā)射機(jī)整流故障、發(fā)射機(jī)高壓故障及調(diào)制器組件故障等典型故障的排除作了經(jīng)驗(yàn)介紹；吳少峰等［8］對(duì)雷達(dá)主要測(cè)試儀表的使用方法做了詳細(xì)介紹，旨在積累經(jīng)驗(yàn)達(dá)到快速排除故障的目的。

韶關(guān)雙線(xiàn)偏振多普勒天氣雷達(dá)于2016年1月完成大修和升級(jí)改造工作，至今4年的運(yùn)行過(guò)程中，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)2次故障，均為打火引起，本研究介紹2020年韶關(guān)雙線(xiàn)偏振雷達(dá)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)打火故障的維護(hù)過(guò)程，保障人員根據(jù)故障特征和相關(guān)原理，從不同角度分析報(bào)警原因，采用測(cè)量法、替換法和直觀法等，多次處理并觀察，最終定位故障點(diǎn)為真空開(kāi)關(guān)，因其性能下降，內(nèi)部真空度變差，導(dǎo)致打火而引起瞬間電流突變，觸發(fā)報(bào)警。本研究旨在為雙偏振雷達(dá)保障提供技術(shù)支持。

1 故障描述和分析

2020年2月起，雷達(dá)正常工作時(shí)，多次出現(xiàn)RDA上蜂鳴器報(bào)警，保障人員到機(jī)房進(jìn)行查看時(shí)，雷達(dá)報(bào)警消除，系統(tǒng)恢復(fù)正常運(yùn)行狀態(tài)。保障人員打開(kāi)發(fā)射機(jī)顯示面板，占空比超限故障燈或反峰電流故障燈亮起，查看報(bào)警日志，雷達(dá)報(bào)警占空比超限或反峰過(guò)流故障，在發(fā)射機(jī)循環(huán)20 s后報(bào)警自動(dòng)清除，雷達(dá)運(yùn)行恢復(fù)正常。報(bào)警信息如表1所示。

表1 故障報(bào)警信息

2 故障報(bào)警原因

占空比計(jì)算公式為

其中，D為占空比（%）；τ為脈沖寬度（μs）；PRT為脈沖重復(fù)周期（μs）；PRF為脈沖重復(fù)頻率（Hz）［9］。

PRF和充電觸發(fā)、放電觸發(fā)、燈絲中間同步、后校平觸發(fā)、高頻起始觸發(fā)、射頻驅(qū)動(dòng)觸發(fā)相關(guān)，在一個(gè)重復(fù)頻率周期內(nèi)，這幾個(gè)觸發(fā)命令都會(huì)出現(xiàn)一次且僅有一次，無(wú)論哪個(gè)觸發(fā)在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)多于一次時(shí)，就會(huì)報(bào)警PRF LIMIT，即報(bào)警“占空比超限”。

在調(diào)制器內(nèi)有4個(gè)反峰二極管，是發(fā)射機(jī)在放電時(shí)保護(hù)人工線(xiàn)、真空開(kāi)關(guān)等器件。反峰二極管正向?qū)?，反向截止，在人工線(xiàn)放電時(shí)刻，人工線(xiàn)存儲(chǔ)能量將由脈沖變壓器初級(jí)轉(zhuǎn)化到次級(jí)。如果脈沖變壓器內(nèi)阻與人工線(xiàn)內(nèi)阻不匹配，將導(dǎo)致脈沖變壓器初級(jí)殘留多余能量，無(wú)法轉(zhuǎn)化到次級(jí)，使得反峰二極管的導(dǎo)通電流變大，最終生成反峰電流故障報(bào)警。反峰過(guò)流報(bào)警取樣來(lái)自于在調(diào)制器內(nèi)部貫穿式互感器T2對(duì)放電變壓器的反峰電流采樣，采樣后輸出的電平送到觸發(fā)器控制板和基準(zhǔn)電平比較，超限時(shí)生成告警觸發(fā)輸出。

3 故障分析和處理步驟

3.1 故障分析和處理之一

根據(jù)報(bào)警信息和維修經(jīng)驗(yàn)，保障人員推測(cè)該次故障現(xiàn)象是由于干擾信號(hào)引起，從充電和放電觸發(fā)信號(hào)開(kāi)始排查。保障人員首先檢查信號(hào)處理器發(fā)出的充電和放電觸發(fā)控制信號(hào)，測(cè)量4A11接收機(jī)I/O接口板測(cè)試點(diǎn)充電觸發(fā)和放電觸發(fā)信號(hào)，排針的檢測(cè)信號(hào)內(nèi)容如表2所示。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，信號(hào)處理器發(fā)出的充電觸發(fā)和放電觸發(fā)信號(hào)均正常。

表2 4A11接口板引腳釋義

保障人員再檢測(cè)發(fā)射機(jī)部分，這是整機(jī)雷達(dá)中元器件最多、信號(hào)流程最復(fù)雜的系統(tǒng)［10］。參照發(fā)射機(jī)工裝線(xiàn)纜圖紙，測(cè)量發(fā)射機(jī)充電和放電的相關(guān)組件：檢測(cè)開(kāi)關(guān)組件的充電觸發(fā)（ZP1是充電觸發(fā)信號(hào)，ZP6是信號(hào)地），和檢測(cè)觸發(fā)器放電觸發(fā)（ZP4是輸出放電觸發(fā)，ZP1是信號(hào)地），觀察到充、放電觸發(fā)均正常。充電觸發(fā)信號(hào)和放電觸發(fā)信號(hào)波形分別如圖1所示。

圖1 充電觸發(fā)，RDA控制程序發(fā)出（a）和放電觸發(fā)，為調(diào)制器提供負(fù)200 V觸發(fā)脈沖（b）

根據(jù)報(bào)警現(xiàn)象分析，保障人員仍然懷疑是由于充電和放電觸發(fā)信號(hào)不穩(wěn)定或受到干擾引起報(bào)警。這兩路觸發(fā)信號(hào)是由主控板控制并分發(fā)給相關(guān)組件，故在測(cè)試后，更換開(kāi)關(guān)組件和觸發(fā)器組件內(nèi)的兩個(gè)差分芯片（DS26LS33MJ/833），同時(shí)更換主控板，報(bào)警消除，雷達(dá)正常運(yùn)行，待觀察。

3.2 故障分析和處理之二

若又出現(xiàn)相同的報(bào)警現(xiàn)象，表明故障仍未排除。保障人員將人工線(xiàn)電壓從4 600 V降低到4 500 V，觀察后發(fā)現(xiàn)報(bào)警依舊存在。保障人員故懷疑報(bào)警由調(diào)制器內(nèi)部原因引起，申請(qǐng)更換調(diào)制器內(nèi)部組件：可控硅10個(gè)、放電管5個(gè)、反峰管4個(gè)（參數(shù)見(jiàn)表3），由臺(tái)站保障人員更換后，待觀察。

表3 發(fā)射機(jī)—調(diào)制器二極管及可控硅參數(shù)

3.3 故障分析和處理之三

報(bào)警仍然存在，臺(tái)站再次更換主控板，并調(diào)整反峰過(guò)流比較電壓，即報(bào)警門(mén)限。根據(jù)觸發(fā)器電路圖紙，首先測(cè)量觸發(fā)器ZP2反峰電流取樣，約為4 V，拔出開(kāi)關(guān)組件高壓部分，用延長(zhǎng)線(xiàn)將觸發(fā)器接出并打開(kāi)面板，找到觸發(fā)器控制板上相對(duì)應(yīng)的芯片（U14）和調(diào)整電阻（RP3），U14的三腳為反峰比較參考電壓，測(cè)量值為5 V，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻RP3，將反峰比較電壓調(diào)整到6.5 V。為濾除干擾，保障人員還在觸發(fā)器控制板的D5（BZX85C20）的兩端加上電容103 pf，待觀察。

3.4 故障分析和處理之四

報(bào)警仍然存在，只是報(bào)警頻率降低，由平均1 d 1次變?yōu)? d 1次。結(jié)合之前的保障處理情況分析，認(rèn)為此報(bào)警是由真實(shí)打火引起，因打火比較輕微，故在調(diào)高報(bào)警門(mén)限后，報(bào)警頻率上有所下降，但未找到報(bào)警真實(shí)故障點(diǎn)。

保障人員再整體總結(jié)分析幾次的維修過(guò)程和報(bào)警日志，發(fā)現(xiàn)報(bào)警時(shí)間集中在雷達(dá)工作的高仰角（高脈沖重復(fù)頻率）時(shí)段，切換到本控或手動(dòng)模式，發(fā)射高脈沖重復(fù)頻率（1 282 Hz），并長(zhǎng)時(shí)間加高壓觀察，在運(yùn)行一段時(shí)間后，發(fā)射機(jī)報(bào)占空比超限故障，高壓斷。保障人員打開(kāi)調(diào)制器面板和觸發(fā)器面板，仔細(xì)檢查調(diào)制器、觸發(fā)器和油箱接口等高壓位置，未發(fā)現(xiàn)異常。再次發(fā)射高脈沖重復(fù)頻率（1 282 Hz），發(fā)射機(jī)運(yùn)行幾分鐘后，報(bào)警復(fù)現(xiàn)，同時(shí)保障人員觀察到調(diào)制器內(nèi)部真空開(kāi)關(guān)處有打火閃光現(xiàn)象，故判斷真空開(kāi)關(guān)故障可能性比較大，更換真空開(kāi)關(guān)，運(yùn)行一個(gè)月無(wú)報(bào)警，確認(rèn)故障排除。

4 結(jié)論

1）由于真空開(kāi)關(guān)老化、性能下降，造成高壓打火，導(dǎo)致占空比超限或反峰過(guò)流故障報(bào)警，維護(hù)人員根據(jù)雷達(dá)故障現(xiàn)象和終端報(bào)警信息，分析報(bào)警原因，分別從信號(hào)處理器、充電開(kāi)關(guān)組件控制器、放電觸發(fā)控制器、主控板和調(diào)制器等組件分別檢查、測(cè)試，采用測(cè)量法、替換法和排除法，結(jié)合關(guān)鍵點(diǎn)波形測(cè)試，并仔細(xì)觀察，最終確定打火點(diǎn)，排除故障。

2）真空開(kāi)關(guān)主要作用是控制將-6 120 V的高壓脈沖信號(hào)送入寬/窄人工線(xiàn)（人工脈沖形成網(wǎng)絡(luò)），以實(shí)現(xiàn)對(duì)不同人工線(xiàn)充能，并在放電觸發(fā)的控制下將儲(chǔ)存的能量輸出給高壓脈沖變壓器，最終產(chǎn)生速調(diào)管所需的-68 kV束脈沖電壓。真空開(kāi)關(guān)工作時(shí)內(nèi)部通過(guò)電流和電壓均極高，良好的真空度能夠防止其內(nèi)部不同觸點(diǎn)之間保持足夠高的隔離電壓，其對(duì)真空度的要求比較高。當(dāng)真空開(kāi)關(guān)性能下降后，其內(nèi)部真空度變差，在高脈沖重復(fù)頻率時(shí)通過(guò)的電流較低重復(fù)頻率更大，內(nèi)部隔離度不足將導(dǎo)致打火而引起瞬間電流突變，觸發(fā)報(bào)警。

發(fā)射機(jī)系統(tǒng)組成部件復(fù)雜多樣，工作電路多涉及高壓，故障定位對(duì)臺(tái)站技術(shù)保障人員來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)難點(diǎn)。本研究所描述的高壓元器件性能下降引起的偶爾打火，更加難以查找原因，要求技術(shù)保障人員熟悉報(bào)警原理和相關(guān)信號(hào)流程，對(duì)故障現(xiàn)象、報(bào)警信息及監(jiān)控信息進(jìn)行綜合分析和處理，才能排除故障。