柵控行波管發(fā)射機打火故障分析及抗打火措施

段 平

柵控行波管發(fā)射機打火故障分析及抗打火措施

段 平

（中國電子科技集團(tuán)公司第二十研究所，西安 710068）

發(fā)射機是雷達(dá)系統(tǒng)的重要分機，其故障率約占雷達(dá)系統(tǒng)故障率的50%，而發(fā)射機打火故障又占發(fā)射機故障率的85%以上。因此發(fā)射機故障率的高低直接影響著雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性。針對某型雷達(dá)發(fā)射機發(fā)生打火故障的機理進(jìn)行了分析，針對性地采取了抗打火報護(hù)措施，使得發(fā)射機故障率明顯下降。

行波管；發(fā)射機；打火

0 引言

某型雷達(dá)采用全相參主振放大式發(fā)射機，選用風(fēng)冷柵控耦合腔行波管作為發(fā)射機的末級放大管，其主要參數(shù)為：

1）陰極電壓-24 kV；

2）輸出功率：15 kW；

3）增益：44 dB；

4）占空比：3%；

5）相對帶寬：10%。

發(fā)射機按電路功能劃分為以下七個模塊：

1）監(jiān)控模塊；

2）微波源模塊；

3）低壓電源模塊（為監(jiān)控和微波源模塊供電）；

4）行放模塊；

5）調(diào)制器模塊（產(chǎn)生行波管所需的燈絲電源、柵極負(fù)偏壓電源及柵極調(diào)制脈沖）；

6）高壓整流濾波模塊；

7）高壓變換器模塊（同高壓整流濾波模塊相配合，產(chǎn)生行波管所需的陰極電源和收集極電源）。

發(fā)射機原理框圖如圖1所示。

該發(fā)射機樣機研制成功后隨雷達(dá)整機進(jìn)行了數(shù)年的總站調(diào)試及外場試驗，其間因行波管老化、高壓電源至調(diào)制器模塊外部引線絕緣破損等原因，發(fā)生過數(shù)次打火故障，但均未發(fā)生監(jiān)控模塊、調(diào)制器模塊、高壓電源損壞的嚴(yán)重故障，由此可以說明該發(fā)射機設(shè)計和樣機研制是成功的。但在首批小批量試制過程中，共發(fā)生過五次大的打火故障：

1）調(diào)制器模塊隔高壓變壓器擊穿打火故障；

2）高壓整流濾波模塊低溫打火故障（高壓電源絕緣油處理及灌注工藝不穩(wěn)定造成的）；

3）高壓變壓器散熱不良造成變壓器初級線包燒毀故障；

4）因高壓打火造成監(jiān)控模塊的高壓電壓電流采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器損壞故障；

5）因高壓打火造成高壓電源輸出限流電阻損壞故障。

本文針對行波管發(fā)射機的這幾次故障做了逐一分析。

目前柵控行波管發(fā)射機廣泛使用于雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)中，本文系統(tǒng)分析了此類行波管發(fā)射機的打火現(xiàn)象及具體的解決措施，為此類大功率行波管發(fā)射機的工作可靠性提供了很好的借鑒作用。

1 故障現(xiàn)象、分析定位及解決措施

1.1 調(diào)制器模塊隔高壓變壓器擊穿打火故障

發(fā)射機常溫調(diào)試過程中發(fā)生打火，聲音很大。打火后檢查發(fā)射機各模塊，發(fā)現(xiàn)除調(diào)制器外其余部分均正常。仔細(xì)檢查調(diào)制器模塊發(fā)現(xiàn)一隔高壓變壓器高電位端有細(xì)小裂紋，造成該變壓器絕緣強度下降。對該變壓器打耐壓檢查中發(fā)現(xiàn)，原本能承受 30 kV耐壓的變壓器在高壓加到4 kV時對地電流急劇增加，絕緣強度嚴(yán)重下降，造成高壓電源加不上。

調(diào)制器采用浮動板調(diào)制器，部分電路懸浮在行波管陰極高電位上。行波管所需的燈絲電源、柵極負(fù)偏壓電源和柵極調(diào)制脈沖電源，通過高頻隔離變壓器送至浮動板。該變壓器采用環(huán)形超微晶磁芯，繞組選用高溫漆包線繞制。變壓器采用環(huán)氧樹脂整體灌封工藝，用于提高初次級絕緣耐壓強度。

由于調(diào)制器浮動板直接懸浮在行波管陰極高電位上，因此無論是高壓電源自身打火還是行波管陰極對地打火或者是調(diào)制器高電位對地打火，只能造成高壓對地短路，高壓降低，而不可能引起高壓升高。因此隔高壓變壓器初次級擊穿的原因只能是變壓器自身絕緣強度下降，是高壓打火的原因，而不是高壓打火的結(jié)果。

對此變壓器進(jìn)行X光掃描和逐層解剖發(fā)現(xiàn)，變壓器高電位端細(xì)小裂紋附近有一根次級引出線距環(huán)氧灌封外表距離僅有3 mm，此引出線設(shè)計圖紙要求環(huán)氧灌封厚度大于8 mm，可斷定此次變壓器擊穿就是由于絕緣距離變短造成。針對此問題，用X光掃描方法觀察了同批次的其他變壓器，發(fā)現(xiàn)引出線距環(huán)氧灌封外表面的實際距離偏差較大。為避免距離偏差較大的問題，采用二次灌封工藝手段，將變壓器初、次級繞組先進(jìn)行一次灌注，然后采用專用模具將引出線固定好再進(jìn)行整體灌注，這樣各個部分的絕緣距離可得到有效控制，達(dá)到設(shè)計要求。

此項改進(jìn)后，經(jīng)過多次試驗驗證，隔離變壓器擊穿問題得到徹底解決。

1.2 高壓整流濾波模塊低溫打火故障

發(fā)射機試驗時，在低溫-10 ℃保溫8小時第一次加高壓，高壓啟動過程中發(fā)現(xiàn)高壓打火，打火聲音很大，在高低溫箱外可聽見。打火后檢查發(fā)射機各模塊，發(fā)現(xiàn)除高壓電源外，其余各模塊均正常。脫開行波管和調(diào)制器模塊，更換高壓整流器模塊單獨加高壓正常，故將故障定位于高壓整流器模塊。

高壓電源采用全橋準(zhǔn)諧振脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）體制，變換器主開關(guān)采用絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模塊。采用四倍壓整流，減輕高壓變壓器的設(shè)計難度。采用串聯(lián)供電方式對行波管供電，在陰極電源中取一部分供行波管收集極。取陰極電壓作為反饋取樣送脈寬調(diào)制PWM控制器，通過PWM的調(diào)寬功能實現(xiàn)兩組電源的閉環(huán)穩(wěn)壓控制。為減小體積、加強散熱、增加絕緣強度、提高可靠性，將高壓電源分為兩個模塊：高壓整流濾波模塊和高壓變換器模塊。其中電源的高壓部分高壓整流濾波模塊（包括高壓變壓器、整流器、濾波器、分壓器）設(shè)計成密封油侵式；電源低壓的部分高壓變換器模塊設(shè)計成風(fēng)冷式。

將高壓整流器模塊打開檢查，發(fā)現(xiàn)高壓輸出濾波電容擊穿，檢查絕緣油發(fā)現(xiàn)擊穿電壓下降嚴(yán)重（小于25 kV/2.54 mm）。檢查該批次高壓整流器模塊灌注工藝記錄，發(fā)現(xiàn)該批次絕緣油在未經(jīng)處理時的耐壓較低，而處理工藝和時間未加長，處理后耐壓達(dá)到原設(shè)計要求（大于35 kV/2.54 mm）。

高壓電容外形為長方體，引出端在長方體的窄面隔開。設(shè)計固定高壓電容時認(rèn)為高電位在引出端，低電位在后部，因此在電容器后部與機殼間留的間隙較近（約20 mm），且直接用金屬卡固定在機殼。咨詢?yōu)V波電容生產(chǎn)廠家，認(rèn)為原設(shè)計對高壓電容的電位分布理解有誤，其高電位端應(yīng)該在電容器長方體的寬面。

針對以上兩處缺陷，首先更改了高壓電容的固定方式。將電容采用絕緣材料固定在環(huán)氧板上，增大電容器后部與機殼的間隙（約30 mm）。增加對絕緣油的干燥、脫水處理時間及處理后的耐壓等級，使得處理后的耐壓大于45 kV/2.54 mm。

此項改進(jìn)后，經(jīng)過多次高低溫試驗驗證，高壓整流濾波模塊低溫打火故障問題得到徹底解決。

1.3 高壓變壓器散熱不良造成初級線包燒毀故障

發(fā)射機連續(xù)最大占空比（3%）工作約5小時發(fā)生高壓電源打火故障。打火后檢查發(fā)射機各模塊，發(fā)現(xiàn)除高壓整流器模塊外，其余各模塊均正常。打開高壓整流器模塊檢查發(fā)現(xiàn)高壓變壓器初級線包燒毀，初、次級間的5層聚四氟乙烯薄膜燒融，倍壓整流二極管和電容各擊穿一個。

解剖高壓變壓器發(fā)現(xiàn)，變壓器初級線圈包裹在變壓器鐵芯與次級線圈之間，因為考慮初次級絕緣，在初級線圈外緊密包裹了5層聚四氟乙烯薄，次級線圈緊密繞制在初級線圈外，初次級線包之間和初級線圈與鐵芯之間未留間隙。初級線圈自身的熱量很難散出，再加上變壓器鐵芯的發(fā)熱直接傳導(dǎo)至初線圈，長期大占空比工作造成熱量積累將初級線圈燒毀。

針對此缺陷，首先在鐵芯和初級線圈之間及初次級線圈之間增加油隙，提高初級線圈的散熱能力。其次增大初級線徑降低變壓器銅損，并且將漆包線溫度等級由130℃提高至180℃，提高漆包線的耐溫強度。最后針對雷達(dá)使用的中頻逆變電源參數(shù)，重新設(shè)計高壓變壓器繞制參數(shù)，減少次級匝數(shù)、降低變比，提高高壓電源總體效率，減小發(fā)熱量（樣機最初供電采用400 Hz變頻機組供電，波形失真大，交流波形平頂嚴(yán)重，整流后的電壓較低。此后采用中頻逆變電源供電，波形失真小，幾乎沒有平頂，整流后的電壓較高）。

此項改進(jìn)后，經(jīng)過多次高低溫試驗驗證，高壓變壓器散熱不良造成初級線包燒毀故障問題得到徹底解決。

1.4 高壓電源輸出限流電阻因高壓打火損壞故障

綜合分析認(rèn)為此次故障是行波管低溫打火，高壓電源負(fù)載接近短路，高壓輸出電容瞬間釋放較高能量將高壓電源輸出限流電阻燒毀造成。

該電阻結(jié)構(gòu)為管狀陶瓷表面被覆金屬氧化膜導(dǎo)電材料，導(dǎo)電材料很薄，耐受瞬態(tài)高能量有限。發(fā)射機正常工作時該電阻兩端最大脈沖電壓為500 V左右，功率為75 W左右。發(fā)生高壓電源負(fù)載打火時，該電阻兩端最大脈沖電壓為23 kV左右，承受瞬態(tài)能量為248 J。如果該電阻阻值不均勻，在電阻大的位置將會出現(xiàn)電壓過高和能量過大，造成局部過熱開路。

為徹底消除此電阻隱患，將此電阻改為氧化鋅體電阻。電阻導(dǎo)電材料為實心體電阻，采用金屬氧化物和陶瓷材料混合在高溫下燒結(jié)而成的實芯電阻。

耐受能量為800 J/cm3×30 cm3＝24 000 J。

此項改進(jìn)后，經(jīng)歷多次行波管打火和高壓電源短路試驗，未發(fā)生電阻開路，高壓電源輸出限流電阻打火損壞故障問題得到徹底解決。

1.5 監(jiān)控模塊高壓電壓電流采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7864BS-1）因高壓打火損壞故障

發(fā)射機監(jiān)控模塊以PC/104工控機為核心，輔以由可編程電路（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和模數(shù)轉(zhuǎn)換器等組成的I/O模塊和數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。高壓電壓取樣采用精密電阻分壓取樣；行波管陰極電流及收集極電流取樣采用無源脈沖互感器完成，對高壓打火、干擾有較強的抑制能力。原理框圖如圖2所示。

監(jiān)控模塊內(nèi)部均為＋5 V供電集成電路，其擊穿電壓均在＋5 V～＋20 V之間。監(jiān)控模塊與發(fā)射機其他電路共地，發(fā)生高壓打火時會在發(fā)射機地線上產(chǎn)生較高浪涌電壓，并且在直流電源上也會感應(yīng)較高的尖峰電壓，對集成電路造成擊穿或損傷。在發(fā)射機的數(shù)次打火故障時，曾發(fā)生高壓電壓電流采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換器損壞故障。經(jīng)對失效的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（AD7864BS-1）進(jìn)行分析，認(rèn)為是從外界引入異常電應(yīng)力造成模擬地端、模擬取樣輸入端、模擬電源端之間的保護(hù)二極管過壓擊穿，最終形成大電流過流燒毀失效。

針對以上分析，采用在監(jiān)控模塊的＋5 V電源和地之間及模數(shù)轉(zhuǎn)換器模擬取樣輸入端和地之間并聯(lián)瞬態(tài)電壓抑制器（Transient Voltage Suppressor，TVS）保護(hù)，吸收高壓打火時產(chǎn)生的浪涌電壓，保護(hù)監(jiān)控模塊內(nèi)低壓集成電路；減小高壓回路接地電阻，降低高壓打火對其他電路的沖擊。

此項改進(jìn)后，經(jīng)歷多次行波管打火和高壓打火，監(jiān)控模塊工作正常，未發(fā)現(xiàn)器件損壞，大大提高了監(jiān)控模塊的抗打火能力。

2 故障驗證情況

為驗證以上故障分析定位及糾正措施的有效性，擬制了《改進(jìn)型雷達(dá)發(fā)射機故障歸零驗證試驗方案》。根據(jù)驗證試驗方案分別進(jìn)行了常溫八小時試驗、高低溫工作試驗和寬帶振動試驗。驗證試驗結(jié)論如下：

1）在發(fā)射機最大2.5%占空比條件下，進(jìn)行嚴(yán)格考核驗證，驗證試驗中發(fā)射機工作正常，發(fā)射機技術(shù)指標(biāo)均符合指標(biāo)要求；

2）所有發(fā)射機故障均已完成驗證、歸零；

3）將所有的糾正措施落實到圖紙及相關(guān)技術(shù)協(xié)議中，落實到后續(xù)產(chǎn)品的生產(chǎn)中；

經(jīng)過試驗驗證，證明前期故障分析、定位準(zhǔn)確，所采取的糾正措施可行、有效，徹底地解決了發(fā)射機存在的問題。

3 結(jié)論

發(fā)射機是雷達(dá)系統(tǒng)的重要分機，由于其高壓、大功率的電路特點，故障率相比雷達(dá)系統(tǒng)其他分機而言一直較高。打火故障又會引起很多關(guān)聯(lián)故障，造成發(fā)射機其他部分器件損壞。因此對于發(fā)射機的每一次打火故障都應(yīng)該仔細(xì)分析，找出原因，采取相應(yīng)的解決措施，逐步降低故障率，提高可靠性。該發(fā)射機經(jīng)過以上歸零措施后，在后續(xù)的生產(chǎn)、調(diào)試過程中一直穩(wěn)定可靠工作，在雷達(dá)系統(tǒng)的可靠性鑒定試驗中做到了零故障通過。

[1] 丁鷺飛，耿富錄，陳建春. 雷達(dá)原理[M]. 5版，北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] Merrill Skolnik. 雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M]. 3版，北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[3] 阿米爾?齊亞約，何塞?皮內(nèi)達(dá). 低功耗高分辨率的AD轉(zhuǎn)換器[M]. 宋婷婷，譯. 北京：機械工業(yè)出版社，2018.

[4] 劉興華. 220 kV以下變壓器故障檢測典型案例分析與處理[M]. 北京：中國電力出版社，2018.

[5] 周長鎖，史德明，孫慶楠. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)——原理?算例?實例[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2020.

Analysis of Ignition Failure of Grid-Controlled TWT Transmitter and Anti-Ignition Measures

DUAN Ping

The transmitter is a key part of the radar system, and its failure rate accounts for about 50% of the failure rate of the radar system, while the ignition failure of the transmitter accounts for more than 85% of the failure rate of the transmitter. Therefore, the level of transmitter failure rate directly affects the reliability of the radar system. Aiming at the ignition failure of a certain type of radar transmitter, the mechanism of the failure, and puts forward anti ignition protection measures is analyzed, which significantly reduces the failure rate of the transmitter.

Traveling-Wave Tube; Transmitter; Ignition

TN124

A

1674-7976-(2022)-03-230-05

2022-03-03。

段平（1969.01—），河北保定人，工程師，主要研究方向為雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)。