CINRAD/SAD天气雷达发射机故障的处理和原因分析

巫乔，郭泽勇，朱永兵，董根铭

（1.韶关市气象局，广东韶关 512026；2.阳江市气象局，广东阳江 529500）

在新一代天气雷达的故障维修实例中，发射机故障占较大比重，由于CNIRAD/SA单偏振雷达在升级为CNIRAD/SAD双线偏振雷达后，发射机系统全部组件换新并重新布线，单偏振发射机较双偏振发射机基本线路差异较小，因此可供双线偏振雷达参考学习的发射机资料比较多［1-4］。针对发射机故障，罗鸣等［5］、杨传凤等［6］、陈利芳等［7］分别对开关组件故障、发射机整流故障、发射机高压故障及调制器组件故障等典型故障的排除作了经验介绍；吴少峰等［8］对雷达主要测试仪表的使用方法做了详细介绍，旨在积累经验达到快速排除故障的目的。

韶关双线偏振多普勒天气雷达于2016年1月完成大修和升级改造工作，至今4年的运行过程中，发射机系统出现2次故障，均为打火引起，本研究介绍2020年韶关双线偏振雷达发射机系统打火故障的维护过程，保障人员根据故障特征和相关原理，从不同角度分析报警原因，采用测量法、替换法和直观法等，多次处理并观察，最终定位故障点为真空开关，因其性能下降，内部真空度变差，导致打火而引起瞬间电流突变，触发报警。本研究旨在为双偏振雷达保障提供技术支持。

1 故障描述和分析

2020年2月起，雷达正常工作时，多次出现RDA上蜂鸣器报警，保障人员到机房进行查看时，雷达报警消除，系统恢复正常运行状态。保障人员打开发射机显示面板，占空比超限故障灯或反峰电流故障灯亮起，查看报警日志，雷达报警占空比超限或反峰过流故障，在发射机循环20 s后报警自动清除，雷达运行恢复正常。报警信息如表1所示。

表1 故障报警信息

2 故障报警原因

占空比计算公式为

其中，D为占空比（%）；τ为脉冲宽度（μs）；PRT为脉冲重复周期（μs）；PRF为脉冲重复频率（Hz）［9］。

PRF和充电触发、放电触发、灯丝中间同步、后校平触发、高频起始触发、射频驱动触发相关，在一个重复频率周期内，这几个触发命令都会出现一次且仅有一次，无论哪个触发在一个周期内出现多于一次时，就会报警PRF LIMIT，即报警“占空比超限”。

在调制器内有4个反峰二极管，是发射机在放电时保护人工线、真空开关等器件。反峰二极管正向导通，反向截止，在人工线放电时刻，人工线存储能量将由脉冲变压器初级转化到次级。如果脉冲变压器内阻与人工线内阻不匹配，将导致脉冲变压器初级残留多余能量，无法转化到次级，使得反峰二极管的导通电流变大，最终生成反峰电流故障报警。反峰过流报警取样来自于在调制器内部贯穿式互感器T2对放电变压器的反峰电流采样，采样后输出的电平送到触发器控制板和基准电平比较，超限时生成告警触发输出。

3 故障分析和处理步骤

3.1 故障分析和处理之一

根据报警信息和维修经验，保障人员推测该次故障现象是由于干扰信号引起，从充电和放电触发信号开始排查。保障人员首先检查信号处理器发出的充电和放电触发控制信号，测量4A11接收机I/O接口板测试点充电触发和放电触发信号，排针的检测信号内容如表2所示。经过检测，信号处理器发出的充电触发和放电触发信号均正常。

表2 4A11接口板引脚释义

保障人员再检测发射机部分，这是整机雷达中元器件最多、信号流程最复杂的系统［10］。参照发射机工装线缆图纸，测量发射机充电和放电的相关组件：检测开关组件的充电触发（ZP1是充电触发信号，ZP6是信号地），和检测触发器放电触发（ZP4是输出放电触发，ZP1是信号地），观察到充、放电触发均正常。充电触发信号和放电触发信号波形分别如图1所示。

图1 充电触发，RDA控制程序发出（a）和放电触发，为调制器提供负200 V触发脉冲（b）

根据报警现象分析，保障人员仍然怀疑是由于充电和放电触发信号不稳定或受到干扰引起报警。这两路触发信号是由主控板控制并分发给相关组件，故在测试后，更换开关组件和触发器组件内的两个差分芯片（DS26LS33MJ/833），同时更换主控板，报警消除，雷达正常运行，待观察。

3.2 故障分析和处理之二

若又出现相同的报警现象，表明故障仍未排除。保障人员将人工线电压从4 600 V降低到4 500 V，观察后发现报警依旧存在。保障人员故怀疑报警由调制器内部原因引起，申请更换调制器内部组件：可控硅10个、放电管5个、反峰管4个（参数见表3），由台站保障人员更换后，待观察。

表3 发射机—调制器二极管及可控硅参数

3.3 故障分析和处理之三

报警仍然存在，台站再次更换主控板，并调整反峰过流比较电压，即报警门限。根据触发器电路图纸，首先测量触发器ZP2反峰电流取样，约为4 V，拔出开关组件高压部分，用延长线将触发器接出并打开面板，找到触发器控制板上相对应的芯片（U14）和调整电阻（RP3），U14的三脚为反峰比较参考电压，测量值为5 V，调节可调电阻RP3，将反峰比较电压调整到6.5 V。为滤除干扰，保障人员还在触发器控制板的D5（BZX85C20）的两端加上电容103 pf，待观察。

3.4 故障分析和处理之四

报警仍然存在，只是报警频率降低，由平均1 d 1次变为3 d 1次。结合之前的保障处理情况分析，认为此报警是由真实打火引起，因打火比较轻微，故在调高报警门限后，报警频率上有所下降，但未找到报警真实故障点。

保障人员再整体总结分析几次的维修过程和报警日志，发现报警时间集中在雷达工作的高仰角（高脉冲重复频率）时段，切换到本控或手动模式，发射高脉冲重复频率（1 282 Hz），并长时间加高压观察，在运行一段时间后，发射机报占空比超限故障，高压断。保障人员打开调制器面板和触发器面板，仔细检查调制器、触发器和油箱接口等高压位置，未发现异常。再次发射高脉冲重复频率（1 282 Hz），发射机运行几分钟后，报警复现，同时保障人员观察到调制器内部真空开关处有打火闪光现象，故判断真空开关故障可能性比较大，更换真空开关，运行一个月无报警，确认故障排除。

4 结论

1）由于真空开关老化、性能下降，造成高压打火，导致占空比超限或反峰过流故障报警，维护人员根据雷达故障现象和终端报警信息，分析报警原因，分别从信号处理器、充电开关组件控制器、放电触发控制器、主控板和调制器等组件分别检查、测试，采用测量法、替换法和排除法，结合关键点波形测试，并仔细观察，最终确定打火点，排除故障。

2）真空开关主要作用是控制将-6 120 V的高压脉冲信号送入宽/窄人工线（人工脉冲形成网络），以实现对不同人工线充能，并在放电触发的控制下将储存的能量输出给高压脉冲变压器，最终产生速调管所需的-68 kV束脉冲电压。真空开关工作时内部通过电流和电压均极高，良好的真空度能够防止其内部不同触点之间保持足够高的隔离电压，其对真空度的要求比较高。当真空开关性能下降后，其内部真空度变差，在高脉冲重复频率时通过的电流较低重复频率更大，内部隔离度不足将导致打火而引起瞬间电流突变，触发报警。

发射机系统组成部件复杂多样，工作电路多涉及高压，故障定位对台站技术保障人员来说一直是一个难点。本研究所描述的高压元器件性能下降引起的偶尔打火，更加难以查找原因，要求技术保障人员熟悉报警原理和相关信号流程，对故障现象、报警信息及监控信息进行综合分析和处理，才能排除故障。