銅仁CINRAD/CD天氣雷達(dá)一次疑難故障處理與分析

摘要：新一代天氣雷達(dá)作為降水系統(tǒng)的主要探測(cè)手段，在短臨天氣預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警、人工影響天氣、社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)等方面具有極其重要的作用，而雷達(dá)故障則會(huì)極大影響雷達(dá)的業(yè)務(wù)應(yīng)用，因此雷達(dá)的運(yùn)行保障至關(guān)重要。本文介紹了銅仁CINRAD/CD新一代天氣雷達(dá)基本情況及雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)工作原理，并以發(fā)射系統(tǒng)的一次疑難故障處理為例，從3次故障處理過程進(jìn)行分析總結(jié)得出：根據(jù)雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)原理，按照雷達(dá)常規(guī)故障處理流程從故障細(xì)節(jié)入手，能夠快速、有效地完成故障排除。

關(guān)鍵詞：天氣雷達(dá)；發(fā)射系統(tǒng)；故障；排除

銅仁CINRAD/CD新一代天氣雷于2012年9月建成并投入業(yè)務(wù)試運(yùn)行，為714CDN全相參脈沖多普勒天氣雷達(dá)（以下簡(jiǎn)稱銅仁天氣雷達(dá)），位于貴州銅仁市碧江區(qū)川硐鎮(zhèn)楊石坡頂，站址海拔757 m，2013年通過中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心組織的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，2014年納入中國(guó)氣象局業(yè)務(wù)考核，汛期24 h連續(xù)觀測(cè)，非汛期10～15 h連續(xù)觀測(cè)，遇有重大天氣過程時(shí)連續(xù)觀測(cè)，直至天氣過程結(jié)束或移出雷達(dá)有效探測(cè)范圍，運(yùn)行至今已近12年，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間近80 000 h，目前尚未進(jìn)行過大修升級(jí)。

自2012年9月銅仁天氣雷達(dá)運(yùn)行以來，以其穩(wěn)定和可靠的業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)，成功監(jiān)測(cè)了銅仁市及湖南西南部的各種重大災(zāi)害性天氣過程，獲得了大量寶貴的氣象數(shù)據(jù)，充分發(fā)揮了雷達(dá)效益。因此，保障雷達(dá)運(yùn)行的關(guān)鍵因素，雷達(dá)機(jī)務(wù)保障工作就十分重要，同時(shí)對(duì)保障人員的能力也提出了更高的要求。本文詳細(xì)介紹了故障的處理過程、故障原因，總結(jié)了此次故障處理過程中的診斷、分析方法，借此積累工作經(jīng)驗(yàn)，也希望對(duì)其他同型號(hào)臺(tái)站有一定的借鑒和參考。

1 雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)組成及原理

1.1 發(fā)射系統(tǒng)組成

發(fā)射系統(tǒng)由調(diào)制機(jī)柜和高頻機(jī)柜等組成，發(fā)射機(jī)為固態(tài)功放和單注脈沖速調(diào)管級(jí)聯(lián)而成的主振放大式發(fā)射機(jī)。其主要部件有功放分機(jī)、整流分機(jī)、速調(diào)管、充電控制分機(jī)等等，組成圖如圖1所示[1]。

1.2 發(fā)射機(jī)原理

發(fā)射機(jī)將來自接收分系統(tǒng)頻率綜合器的高頻激勵(lì)脈沖信號(hào)，經(jīng)固態(tài)功放放大，送至脈沖速調(diào)管進(jìn)一步放大成滿足發(fā)射要求的大功率高頻發(fā)射脈沖信號(hào)，經(jīng)饋線送往天線向空中輻射。發(fā)射機(jī)調(diào)制器使用串聯(lián)可控硅做調(diào)制開關(guān)的線調(diào)制器。其電源采用回掃充電電源，低壓開啟，在監(jiān)控分系統(tǒng)的充電觸發(fā)脈沖控制下，經(jīng)充電二極管對(duì)調(diào)制器中的人工線（PEN）進(jìn)行充電；人工線充滿電后，在信號(hào)處理器送來的放電觸發(fā)脈沖控制下，經(jīng)觸發(fā)產(chǎn)生器電路整形、展寬后，輸出到可控硅（SCR）調(diào)制分機(jī)，使8只串聯(lián)可控硅調(diào)制開關(guān)導(dǎo)通，PEN存儲(chǔ)的能量通過SCR調(diào)制開關(guān)、脈沖變壓器的初級(jí)放電，經(jīng)脈沖變壓器的初級(jí)形成調(diào)制脈沖信號(hào)，升壓后，在脈沖變壓器次級(jí)雙繞組則獲得高壓負(fù)脈沖作為調(diào)制脈沖加至速調(diào)管陰極。多腔體速調(diào)管在脈沖持續(xù)期間，內(nèi)部電子注同軸直流磁場(chǎng)工作，對(duì)電子注進(jìn)行速度及密度調(diào)制，進(jìn)行功率放大自功放分機(jī)的高頻激勵(lì)脈沖信號(hào)，從而輸出大功率高頻發(fā)射脈沖信號(hào)，由饋線傳至天線向空間輻射[2-7]。

2 故障現(xiàn)象

2021年10月—2022年6月雷達(dá)出現(xiàn)多次掉高壓故障，前期雷達(dá)掉高壓通常一次遠(yuǎn)程重啟就能恢復(fù)，到后期則需要多次加高壓才能成功，且高壓加上的時(shí)間毫無規(guī)律性，其中2021年12月1日維護(hù)期間和2022年

3月15日廠家巡檢期間及2022年6月16日雷達(dá)周維護(hù)時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)到故障現(xiàn)象全過程，雷達(dá)高壓?jiǎn)?dòng)成功3 s左右，調(diào)高壓，并反復(fù)啟動(dòng)高壓，現(xiàn)場(chǎng)指示燈無報(bào)警，采集監(jiān)控分機(jī)上“雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集”軟件無報(bào)警，機(jī)柜內(nèi)部發(fā)出“呲咚，呲咚”聲響，聲響間隔3 s左右，整流電壓表及高功率電流指針來回?cái)[動(dòng)。

3 故障處理過程

3.1 處理過程一

2021年12月1日年維護(hù)期間（雷達(dá)年維護(hù)通常由省級(jí)技術(shù)人員開展），年維護(hù)參數(shù)標(biāo)定結(jié)束，在現(xiàn)場(chǎng)通過采集監(jiān)控分機(jī)上“雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控和采集”軟件遙控啟動(dòng)雷達(dá)過程時(shí)發(fā)現(xiàn)高壓無法加上。故障第一時(shí)間，進(jìn)入機(jī)房嘗試通過“本空”方式進(jìn)行雷達(dá)啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)首先按流程斷開電源，檢查機(jī)柜各線路板及元器件有無明顯燒毀、擊穿等現(xiàn)象，聞?dòng)袩o燒焦味，確認(rèn)正常。其次通過“本控”重啟雷達(dá)，觀察低壓?jiǎn)?dòng)過程中有無異常，15 min后“準(zhǔn)加”燈亮起，說明雷達(dá)低壓部分正常。再次接通高壓，出現(xiàn)故障，查看各機(jī)柜控制面板，除整流電壓儀表及高功率電流指針來回?cái)[動(dòng)外，其余儀表數(shù)據(jù)正常，且無報(bào)警提示。年維護(hù)人員根據(jù)以往類似故障情況，判斷為調(diào)制機(jī)柜中充電控制分機(jī)內(nèi)充電控制板故障，在更換充電控制板（JL3.226.010MX）后，雷達(dá)高壓正常啟動(dòng)，回波正常。其后偶爾出現(xiàn)掉高壓現(xiàn)象，能夠遠(yuǎn)程重啟進(jìn)行恢復(fù)。

3.2 處理過程二

2022年3月15日廠家巡檢過程中，僅做完天線方位水平校正，啟動(dòng)雷達(dá)，“準(zhǔn)加”燈亮，接通雷達(dá)高壓，高壓無法持續(xù)，故障現(xiàn)象與2021年12月1日一致。斷開高壓和電源，檢查調(diào)制機(jī)柜內(nèi)各分機(jī)無明顯故障點(diǎn)位。廠家結(jié)合之前的處理情況，初步判斷充電控制板可能損壞或接觸不良，拔出充電控制板，將充電控制分機(jī)內(nèi)卡槽清理干凈，更換新的充電控制板后，故障現(xiàn)象仍存在，排除充電控制板的問題。故障點(diǎn)無法確定時(shí)，廠家結(jié)合類似故障案例及故障現(xiàn)象，對(duì)充電控制分機(jī)工作狀態(tài)進(jìn)行進(jìn)一步排查。首先，排查輸入信號(hào)，使用示波器對(duì)充電控制分機(jī)的輸入充電觸發(fā)脈沖信號(hào)進(jìn)行檢查，觸發(fā)信號(hào)正常。其次，排查IGBT驅(qū)動(dòng)信號(hào)，將整流分機(jī)輸入三相電源的插頭XP201取下，將充電控制分機(jī)底板上的狀態(tài)開關(guān)SA1由“工作”打至“檢查”狀態(tài)，發(fā)射系統(tǒng)本控開高壓，將雷達(dá)置于“假高壓”狀態(tài)下，1μs時(shí)，在IGBT上，將示波器探頭正端接“G”端，示波器負(fù)端接“E”端，測(cè)得IGBT驅(qū)動(dòng)波形，IGBT驅(qū)動(dòng)脈沖寬度228μs，驅(qū)動(dòng)波形正常，IGBT測(cè)試結(jié)束，將插頭XP201接好，SA1從“檢查”打至“工作”狀態(tài)。在重新開啟高壓準(zhǔn)備再次觀察故障現(xiàn)象時(shí)，接通高壓，“呲咚，呲咚”的聲響反復(fù)出現(xiàn)幾次后，雷達(dá)加高壓成功，并且在接下來的巡檢參數(shù)標(biāo)定過程中未出現(xiàn)故障，雷達(dá)工作參數(shù)也處于正常狀態(tài)。后續(xù)工作中出現(xiàn)掉高壓也能通過遠(yuǎn)程復(fù)位重啟恢復(fù)，直到2022年6月。

3.3 處理過程三

2022年6月16日在雷達(dá)進(jìn)行周維護(hù)后，啟動(dòng)雷達(dá)時(shí)相同的故障再次出現(xiàn)，多次斷電重啟雷達(dá)無法排除故障。結(jié)合前兩次的排查情況，決定摒棄以前的維修案例，從發(fā)射系統(tǒng)原理及信號(hào)流程出發(fā)，從故障現(xiàn)象的細(xì)節(jié)入手，按照由外到內(nèi)、先低壓再高壓的雷達(dá)故障處理流程，去排除故障。雖然前兩次處理已基本確認(rèn)雷達(dá)低壓部分無故障，但由于雷達(dá)故障時(shí)間跨度較長(zhǎng)，為了能夠安全、徹底排除故障，接下來仍按照常規(guī)故障處理流程一步步進(jìn)行排查。

（1）對(duì)外觀、氣味等直接異常進(jìn)行檢查，打開各機(jī)柜通過氣味和觀察機(jī)柜內(nèi)部有無明顯故障點(diǎn)，無明顯異常。

（2）打開各機(jī)柜門，通過本控開啟雷達(dá)，低壓開啟后調(diào)制機(jī)柜各指示面板正常，等待15 min后，“準(zhǔn)加”燈亮起，確認(rèn)低壓部分無故障。

（3）開啟高壓，再次觀測(cè)故障現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)故障現(xiàn)象中有個(gè)明顯的細(xì)節(jié)，即異常聲響和整流分機(jī)電壓表指針來回?cái)[動(dòng)，而前兩次的處理時(shí)都忽略了這個(gè)細(xì)節(jié)，未從此方面進(jìn)行排查。此次從細(xì)節(jié)入手，進(jìn)行故障排除。整流分機(jī)電壓表指針來回?cái)[動(dòng)的原因可分為2種，第1種為整流分機(jī)內(nèi)部故障器件故障，導(dǎo)致直流電壓無法穩(wěn)定輸出；第2種為整流分機(jī)外下一級(jí)分機(jī)故障，引起整流分機(jī)電壓無法穩(wěn)定輸出；而導(dǎo)致異常聲響來源較多，此次借助“聽診器”依次對(duì)各分機(jī)進(jìn)行檢查。

（4）本控開啟高壓，按照發(fā)射系統(tǒng)組成依次對(duì)各分機(jī)進(jìn)行異常聲源“聽診”，可以確認(rèn)異常聲響為整流分機(jī)內(nèi)部發(fā)出，再結(jié)合整流電壓無法穩(wěn)定輸出，接下來對(duì)整流分機(jī)內(nèi)部進(jìn)行排查。

（5）根據(jù)整流分機(jī)器件組成及工作電路原理圖，能發(fā)出此異響的只有交流接觸器（KM1）或者因延時(shí)繼電器（K1）、繼電器（K2）故障引起交流接觸器（KM1）發(fā)出聲響，此時(shí)使用排除法一一更換，優(yōu)先更換交流接觸器，更換后，啟動(dòng)雷達(dá)，故障未排除；繼續(xù)更換延時(shí)繼電器（K1）后，啟動(dòng)雷達(dá)，故障仍無法排除；更換繼電器（K2）后，高壓正常啟動(dòng)，異響消失，整流電壓表指針穩(wěn)定在510V位置及高功率電流穩(wěn)定在4.1A，其余機(jī)柜儀表也都處于正常狀態(tài)，回波正常，后續(xù)運(yùn)行中也未再出現(xiàn)此類故障現(xiàn)象，雷達(dá)故障排除。

4 故障分析

整流分機(jī)主要工作原理通過三相橋堆U1對(duì)輸入的50 Hz、380 V交流電輸出為濾波電容進(jìn)行限流充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到510 V后，延時(shí)繼電器K1延時(shí)約5 s吸合，繼電器K2動(dòng)作并自鎖，交流接觸器KM1通過K2觸點(diǎn)動(dòng)作，同時(shí)K2將K1斷開，為充電控制分機(jī)提供穩(wěn)定的510 V直流電；其次KM1其常開觸電11、12和21、22閉合，送出軟啟動(dòng)信號(hào)。由于繼電器（K2）長(zhǎng)期處于高壓工作環(huán)境中，器件老化，其觸點(diǎn)無法持續(xù)吸合，造成KM1的觸點(diǎn)吸合時(shí)斷斷續(xù)續(xù)，同時(shí)發(fā)出異響；KM1觸點(diǎn)吸合時(shí)直流高壓及軟啟動(dòng)控制信號(hào)給到充電控制分機(jī)，發(fā)射機(jī)開始高壓工作；觸點(diǎn)斷開，掉高壓，而當(dāng)充電電壓達(dá)到510 V時(shí)又會(huì)給出吸合動(dòng)作，所以造成雷達(dá)高壓反復(fù)啟動(dòng)，并發(fā)出異響。

5 結(jié)語

由充電控制分機(jī)的原理及類似案例可知，造成此類故障現(xiàn)象的最大可能為充電控制分機(jī)故障，因此前2次故障處理主要集中排除充電控制分機(jī)，而后續(xù)雷達(dá)高壓的恢復(fù)也存在巧合成分，再加上監(jiān)控系統(tǒng)無報(bào)警信息且元器件老化這類“隱蔽性”較強(qiáng)故障通常較難診斷，最終導(dǎo)致故障排除時(shí)間跨度較長(zhǎng)。當(dāng)雷達(dá)相同故障反復(fù)出現(xiàn)時(shí)，從雷達(dá)工作原理和故障細(xì)節(jié)入手一步步進(jìn)行排除，是較為行之有效的方法；同時(shí)在處理雷達(dá)發(fā)射系統(tǒng)故障時(shí)應(yīng)遵循先低壓再高壓的檢查原則，優(yōu)先保障操作安全；再次遇到此類多個(gè)器件相互串聯(lián)作用引起的故障時(shí)，在不確定某一器件損壞且備件充足的情況下，一次性對(duì)相互作用的器件全部進(jìn)行更換，可以節(jié)省不少故障排除時(shí)間，供參考。

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