铜仁CINRAD/CD天气雷达一次疑难故障处理与分析

摘要：新一代天气雷达作为降水系统的主要探测手段，在短临天气预报、灾害性天气监测预警、人工影响天气、社会经济建设等方面具有极其重要的作用，而雷达故障则会极大影响雷达的业务应用，因此雷达的运行保障至关重要。本文介绍了铜仁CINRAD/CD新一代天气雷达基本情况及雷达发射系统工作原理，并以发射系统的一次疑难故障处理为例，从3次故障处理过程进行分析总结得出：根据雷达发射系统原理，按照雷达常规故障处理流程从故障细节入手，能够快速、有效地完成故障排除。

关键词：天气雷达；发射系统；故障；排除

铜仁CINRAD/CD新一代天气雷于2012年9月建成并投入业务试运行，为714CDN全相参脉冲多普勒天气雷达（以下简称铜仁天气雷达），位于贵州铜仁市碧江区川硐镇杨石坡顶，站址海拔757 m，2013年通过中国气象局气象探测中心组织的现场测试，2014年纳入中国气象局业务考核，汛期24 h连续观测，非汛期10～15 h连续观测，遇有重大天气过程时连续观测，直至天气过程结束或移出雷达有效探测范围，运行至今已近12年，累计运行时间近80 000 h，目前尚未进行过大修升级。

自2012年9月铜仁天气雷达运行以来，以其稳定和可靠的业务运行状态，成功监测了铜仁市及湖南西南部的各种重大灾害性天气过程，获得了大量宝贵的气象数据，充分发挥了雷达效益。因此，保障雷达运行的关键因素，雷达机务保障工作就十分重要，同时对保障人员的能力也提出了更高的要求。本文详细介绍了故障的处理过程、故障原因，总结了此次故障处理过程中的诊断、分析方法，借此积累工作经验，也希望对其他同型号台站有一定的借鉴和参考。

1 雷达发射系统组成及原理

1.1 发射系统组成

发射系统由调制机柜和高频机柜等组成，发射机为固态功放和单注脉冲速调管级联而成的主振放大式发射机。其主要部件有功放分机、整流分机、速调管、充电控制分机等等，组成图如图1所示[1]。

1.2 发射机原理

发射机将来自接收分系统频率综合器的高频激励脉冲信号，经固态功放放大，送至脉冲速调管进一步放大成满足发射要求的大功率高频发射脉冲信号，经馈线送往天线向空中辐射。发射机调制器使用串联可控硅做调制开关的线调制器。其电源采用回扫充电电源，低压开启，在监控分系统的充电触发脉冲控制下，经充电二极管对调制器中的人工线（PEN）进行充电；人工线充满电后，在信号处理器送来的放电触发脉冲控制下，经触发产生器电路整形、展宽后，输出到可控硅（SCR）调制分机，使8只串联可控硅调制开关导通，PEN存储的能量通过SCR调制开关、脉冲变压器的初级放电，经脉冲变压器的初级形成调制脉冲信号，升压后，在脉冲变压器次级双绕组则获得高压负脉冲作为调制脉冲加至速调管阴极。多腔体速调管在脉冲持续期间，内部电子注同轴直流磁场工作，对电子注进行速度及密度调制，进行功率放大自功放分机的高频激励脉冲信号，从而输出大功率高频发射脉冲信号，由馈线传至天线向空间辐射[2-7]。

2 故障现象

2021年10月—2022年6月雷达出现多次掉高压故障，前期雷达掉高压通常一次远程重启就能恢复，到后期则需要多次加高压才能成功，且高压加上的时间毫无规律性，其中2021年12月1日维护期间和2022年

3月15日厂家巡检期间及2022年6月16日雷达周维护时在现场观测到故障现象全过程，雷达高压启动成功3 s左右，调高压，并反复启动高压，现场指示灯无报警，采集监控分机上“雷达实时监控和采集”软件无报警，机柜内部发出“呲咚，呲咚”声响，声响间隔3 s左右，整流电压表及高功率电流指针来回摆动。

3 故障处理过程

3.1 处理过程一

2021年12月1日年维护期间（雷达年维护通常由省级技术人员开展），年维护参数标定结束，在现场通过采集监控分机上“雷达实时监控和采集”软件遥控启动雷达过程时发现高压无法加上。故障第一时间，进入机房尝试通过“本空”方式进行雷达启动，启动时首先按流程断开电源，检查机柜各线路板及元器件有无明显烧毁、击穿等现象，闻有无烧焦味，确认正常。其次通过“本控”重启雷达，观察低压启动过程中有无异常，15 min后“准加”灯亮起，说明雷达低压部分正常。再次接通高压，出现故障，查看各机柜控制面板，除整流电压仪表及高功率电流指针来回摆动外，其余仪表数据正常，且无报警提示。年维护人员根据以往类似故障情况，判断为调制机柜中充电控制分机内充电控制板故障，在更换充电控制板（JL3.226.010MX）后，雷达高压正常启动，回波正常。其后偶尔出现掉高压现象，能够远程重启进行恢复。

3.2 处理过程二

2022年3月15日厂家巡检过程中，仅做完天线方位水平校正，启动雷达，“准加”灯亮，接通雷达高压，高压无法持续，故障现象与2021年12月1日一致。断开高压和电源，检查调制机柜内各分机无明显故障点位。厂家结合之前的处理情况，初步判断充电控制板可能损坏或接触不良，拔出充电控制板，将充电控制分机内卡槽清理干净，更换新的充电控制板后，故障现象仍存在，排除充电控制板的问题。故障点无法确定时，厂家结合类似故障案例及故障现象，对充电控制分机工作状态进行进一步排查。首先，排查输入信号，使用示波器对充电控制分机的输入充电触发脉冲信号进行检查，触发信号正常。其次，排查IGBT驱动信号，将整流分机输入三相电源的插头XP201取下，将充电控制分机底板上的状态开关SA1由“工作”打至“检查”状态，发射系统本控开高压，将雷达置于“假高压”状态下，1μs时，在IGBT上，将示波器探头正端接“G”端，示波器负端接“E”端，测得IGBT驱动波形，IGBT驱动脉冲宽度228μs，驱动波形正常，IGBT测试结束，将插头XP201接好，SA1从“检查”打至“工作”状态。在重新开启高压准备再次观察故障现象时，接通高压，“呲咚，呲咚”的声响反复出现几次后，雷达加高压成功，并且在接下来的巡检参数标定过程中未出现故障，雷达工作参数也处于正常状态。后续工作中出现掉高压也能通过远程复位重启恢复，直到2022年6月。

3.3 处理过程三

2022年6月16日在雷达进行周维护后，启动雷达时相同的故障再次出现，多次断电重启雷达无法排除故障。结合前两次的排查情况，决定摒弃以前的维修案例，从发射系统原理及信号流程出发，从故障现象的细节入手，按照由外到内、先低压再高压的雷达故障处理流程，去排除故障。虽然前两次处理已基本确认雷达低压部分无故障，但由于雷达故障时间跨度较长，为了能够安全、彻底排除故障，接下来仍按照常规故障处理流程一步步进行排查。

（1）对外观、气味等直接异常进行检查，打开各机柜通过气味和观察机柜内部有无明显故障点，无明显异常。

（2）打开各机柜门，通过本控开启雷达，低压开启后调制机柜各指示面板正常，等待15 min后，“准加”灯亮起，确认低压部分无故障。

（3）开启高压，再次观测故障现象，发现故障现象中有个明显的细节，即异常声响和整流分机电压表指针来回摆动，而前两次的处理时都忽略了这个细节，未从此方面进行排查。此次从细节入手，进行故障排除。整流分机电压表指针来回摆动的原因可分为2种，第1种为整流分机内部故障器件故障，导致直流电压无法稳定输出；第2种为整流分机外下一级分机故障，引起整流分机电压无法稳定输出；而导致异常声响来源较多，此次借助“听诊器”依次对各分机进行检查。

（4）本控开启高压，按照发射系统组成依次对各分机进行异常声源“听诊”，可以确认异常声响为整流分机内部发出，再结合整流电压无法稳定输出，接下来对整流分机内部进行排查。

（5）根据整流分机器件组成及工作电路原理图，能发出此异响的只有交流接触器（KM1）或者因延时继电器（K1）、继电器（K2）故障引起交流接触器（KM1）发出声响，此时使用排除法一一更换，优先更换交流接触器，更换后，启动雷达，故障未排除；继续更换延时继电器（K1）后，启动雷达，故障仍无法排除；更换继电器（K2）后，高压正常启动，异响消失，整流电压表指针稳定在510V位置及高功率电流稳定在4.1A，其余机柜仪表也都处于正常状态，回波正常，后续运行中也未再出现此类故障现象，雷达故障排除。

4 故障分析

整流分机主要工作原理通过三相桥堆U1对输入的50 Hz、380 V交流电输出为滤波电容进行限流充电，当充电电压达到510 V后，延时继电器K1延时约5 s吸合，继电器K2动作并自锁，交流接触器KM1通过K2触点动作，同时K2将K1断开，为充电控制分机提供稳定的510 V直流电；其次KM1其常开触电11、12和21、22闭合，送出软启动信号。由于继电器（K2）长期处于高压工作环境中，器件老化，其触点无法持续吸合，造成KM1的触点吸合时断断续续，同时发出异响；KM1触点吸合时直流高压及软启动控制信号给到充电控制分机，发射机开始高压工作；触点断开，掉高压，而当充电电压达到510 V时又会给出吸合动作，所以造成雷达高压反复启动，并发出异响。

5 结语

由充电控制分机的原理及类似案例可知，造成此类故障现象的最大可能为充电控制分机故障，因此前2次故障处理主要集中排除充电控制分机，而后续雷达高压的恢复也存在巧合成分，再加上监控系统无报警信息且元器件老化这类“隐蔽性”较强故障通常较难诊断，最终导致故障排除时间跨度较长。当雷达相同故障反复出现时，从雷达工作原理和故障细节入手一步步进行排除，是较为行之有效的方法；同时在处理雷达发射系统故障时应遵循先低压再高压的检查原则，优先保障操作安全；再次遇到此类多个器件相互串联作用引起的故障时，在不确定某一器件损坏且备件充足的情况下，一次性对相互作用的器件全部进行更换，可以节省不少故障排除时间，供参考。

参考文献

[1] 桂永刚，陈超，杨恩波，等.铜仁CINRAD/CD天气雷达发射系统故障实例解析[J].气候变化研究快报，2024，13（4）：775-779.

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[3] 毕明林，于跃，姚维华等，CINRAD/CD型雷达发射系统故障实例分析[J].气象水文海洋仪器，2016（3）：117-120.

[4] 毛文，蒋小平，郑伟.714CDN天气雷达特征性故障的技术分析[J].高原山地气象研究，2010，30（3）：85-86.

[5] 雷登林，田程，钟健.CINRAD/CD天气雷达发射系统故障解析[J].贵州气象，2012，36（4）：55-57.

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