深圳ADWR氣象雷達高壓電源控保模塊電路故障檢測與分析

摘 要：發(fā)射機在ADWR多普勒氣象雷達中是比較常出現(xiàn)一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等惡劣天氣下或者人為操作不當時更容易出現(xiàn)。文章所闡述的高壓電源控保模塊電路故障便為一次UPS放電時雷達的非正常關機導致的。文章首先對ADWR多普勒氣象雷達發(fā)射機的高壓電源分機作簡要介紹并對其中的高壓控保護電路進行了較為詳細的說明。并針對該模塊電路故障的分析檢測進行了闡述與總結。希望文章能對使用ADWR多普勒氣象雷達的兄弟單位在以后的運維工作中，提供相關的借鑒與參考。

關鍵詞：高壓電源控保模塊；高壓電源分機；故障檢測

1 概述

高壓電源分機為ADWR雷達發(fā)射機的重要組成部分，其在充電觸發(fā)脈沖的控制下，向固態(tài)調制器的儲能元件（PFN）提供充電電源，并最終進入速調管進行發(fā)射脈沖功率放大。因而從ADWR雷達發(fā)射脈沖的機制來講，高壓電源分機則可以稱為是發(fā)射機正常工作的基石。此外采用了回掃充電技術提高了高壓電源分機，從而保證發(fā)射功率的穩(wěn)定性。

在高壓電源分機內部，高壓控保模塊電路由高壓故障判斷電路、高壓充電控制信號產生電路組成。顧名思義，高壓故障判斷電路其主要作用為高壓故障信號的判斷、指示及故障連鎖等。高壓充電控制信號產生電路則為在高壓充電定時信號的控制下產生高壓充電信號并送往高壓隔離驅動電路。由此可知，當高壓控保模塊電路故障時，高壓電源分機將無法正常工作，進而導致發(fā)射機故障。

2 高壓電源分機簡述

高壓電源分機的作用為在充電觸發(fā)脈沖控制下，向固態(tài)調制器的儲能組件（PFN）提供充電電源。

2.1 簡介

高壓電源分機為ADWR雷達發(fā)射分機的固態(tài)調制器提供其所需的直流高壓。其主要參數(shù)為：

輸入電源 三相380V 單相220V

充電周期 <650μs

充電電壓 5000V

穩(wěn)定度 0.01%

可進行變寬充電，最高工作頻率1300Hz

2.2 特性

多普勒天氣雷達中一般要求脈寬和重復頻率有較大的適用范圍，以利于提高分辨率和速度測量范圍。ADWR 雷達重復頻率范圍較寬，為250～1300Hz 可調。為達到寬重復頻率范圍的要求，該雷達發(fā)射分系統(tǒng)的高壓電源采用了回掃充電技術，其充電過程是對充電電感和人工線交替進行的，采用開關電源對充電電感進行等時間充電，既能保證充電精度，又確保了發(fā)射能量不隨重復頻率的變化而改變，從而滿足了寬重復頻率范圍的要求。采用回掃充電技術提高了高壓電源的穩(wěn)定度，從而保證了發(fā)射功率的穩(wěn)定性。

2.3 組成

高壓電源分機由電源濾波器Z1、三相整流V1、軟啟動控制電路、電流、電壓取樣電路、變換器電路、儲能變壓器T1、高壓隔離驅動電路A1、高壓控保電路等組成，組成框圖如圖1所示。

3 高壓控保電路

高壓控保模塊電路由高壓故障判斷電路、高壓充電控制信號產生電路組成。高壓故障判斷電路其主要作用為高壓故障信號的判斷、指示、故障連鎖及復位信號通過光耦解除故障自鎖狀態(tài)等。高壓充電控制信號產生電路則為在高壓充電定時信號的控制下產生高壓充電信號并送往高壓隔離驅動電路。高壓控保電路工作原理框圖如圖3所示。

3.1 高壓故障判斷電路

如圖4所示（可放大）隔離驅動電路輸出的IGBT1 保護信號和IGBT2 保護信號進入高壓控保電路后經D1A和D1B（CD4098）單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器整形送入負或門D2B（CD4082），D2B（CD4082） 是四輸入端正與門，但整形輸出的IGBT 保護信號低電平有效，對于低電平有效的信號（負邏輯）D2B 相當于或門，兩個IGBT 保護信號中的任何一個為低電平時即可通過負或門D2B 去觸發(fā)故障自鎖電路D3（CD4012），D3 的輸出分為兩路，一路經三極管V9（3DK104D）驅動發(fā)光二極管V8（BT314057，紅色）進行故障指示，經三極管V10（3DK104D）驅動去發(fā)射監(jiān)控分機。另一路去高壓充電控制信號產生電路進行故障連鎖。復位信號經光耦V11（H11L1）隔離后送到故障自鎖電路，解除其故障自鎖狀態(tài)。

3.2 高壓充電控制信號產生電路

如圖4，高壓充電定時信號經光耦V7（H11L1）隔離后，受繼電器K1、K2 控制分為兩路。繼電器K1 和K2 在充電時間選擇信號的控制下一個吸合、一個斷開，吸合的繼電器接點將高壓充電定時信號選通，送入整形電路D5A 或D6A（CD4098，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器），再送入最大充電時間定時電路D5B 或D6B（CD4098，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器）。D5B 或D6B 輸出的正方波起始時間對應于高壓充電開始的時間，正方波寬度對應的時間就是最大充電寬度。繼電器K1、K2 選中其中一個正方波送往門控電路D4（CD4011）。送往門控電路D4 的還有一個高壓充電停止控制信號，現(xiàn)介紹高壓充電停止控制信號的產生。充電電流取樣信號在繼電器K1、K2控制下選通對應的電阻R46（1.1KΩ）或R47（360Ω），電阻R46 或R47 上的電壓即對應于不同充電時間情況下，充電電流取樣信號產生的電壓。該電壓送往比較器N1（LM311A），比較器N1 的另一個輸入端接基準電壓。基準電壓由帶恒溫控制的精密基準穩(wěn)壓電源V13（LM399）提供，基準電壓值為6.9V，穩(wěn)定度達10-6，這個基準電壓對應于充電電流的預定值。當高壓充電電流達到預定值時比較器N1 輸出低電平，整形單穩(wěn)電路D7A（CD4098）輸出低電平，送往門控電路D4 作為高壓充電停止控制信號。高壓充電控制信號在故障連鎖電路D2A（CD4082）中受高壓故障的連鎖控制，如無故障，高壓充電控制信號經三極管V15（3DK104D）構成的跟隨器送往高壓隔離驅動電路。

高壓充電控制信號產生電路與故障連鎖控制電路如圖5。

4 故障檢測與分析

4.1 故障現(xiàn)象及初步分析

故障現(xiàn)象為終端報回掃電源故障，雷達整機發(fā)射功率為0kw，無回波數(shù)據(jù)。至十三樓機房檢查，在發(fā)射機柜I單元的發(fā)射監(jiān)控分機的控制指示面板中顯示：1.6個狀態(tài)指示信號（ 即冷卻、低壓、準加、高壓，寬脈沖和窄脈沖）準加和高壓指示燈不亮；2.10個故障指示信號燈中高壓故障指示燈亮。考慮到此次故障發(fā)生時間為本雷達冬季停機維護期間，天氣良好，未有雷雨，臺風等惡劣天氣影響。于是我們首先嘗試在發(fā)射監(jiān)控板上取得本地控制狀態(tài)下，按下復位按鈕（S5）看故障告警是否消除。但結果為重新再加低壓后，低壓綠色指示燈亮，準加綠色指示燈不亮的情況下，高壓故障信號紅色指示燈亮。然后再拆開發(fā)射機柜I各部件的擋板，發(fā)現(xiàn)其機柜上部的配電分機的三只空氣開關（即冷卻開關、磁場開關、高壓開關）均閉合沒有脫扣，即高壓故障紅色指示燈亮并不是由于空氣開關脫口引起，故障有待進一步檢測與分析。

4.2 故障初判

根據(jù)以上的初步分析，我們可以得出以下幾點：（1）發(fā)射監(jiān)控分機控制指示面板中本地控制按鈕的復位按鈕（S5）無法使發(fā)射機恢復正常狀態(tài)；（2）發(fā)射機柜I單元頂部的三只空氣開關均為脫扣；（3）發(fā)射機內部各部分及之間連接線此前已做過相應檢測，且功率開關元件（此元件為容易損耗，尤其在雷雨等惡劣天氣下）已全新更換，再次測試也無異常，短路的高壓線也再次確認無短路，連接正常。在此基礎上，我們繼而拆開發(fā)射機柜I單元中部發(fā)射高壓電源分機部分的外擋板，檢查發(fā)現(xiàn)此時高壓控保板紅色故障指示燈未亮。在前面我們根據(jù)高壓控保模塊電路的敘述知道，高壓電源控保模塊電路的作用之一便是復位信號通過光耦（V11（H11L1））隔離送到該電路模塊中的故障自鎖電路以解除故障自鎖狀態(tài)。而我們多次嘗試通過復位按鈕（S5）以求解除故障自鎖，都未能成功，按道理此時高壓控保板的紅色故障指示燈應亮起。但事實上，并未亮起。于是通過以上檢測與分析，我們認為高壓電源的高壓控保模塊是異常的，需進一步檢測該模塊。

4.3 故障確定

如圖2所示的高壓電源分機電路圖，其中的虛框部分即為圖4所示的高壓控保模塊電路圖，我們用萬用表對高壓變壓器T2的初級即1、2端測得其兩端電壓為220V，為正常值。在此前提下，我們再分別測試未拆下高壓控保板和拆下高壓控保板時高壓變壓器T2的次級即3、4端和5、6端的電壓。理論上拆下與未拆下高壓控保板時，高壓變壓器T2的次級3、4端和5、6端的電壓應不變，都應為+15V。而事實情況是，未拆下高壓控保板時測得3、4端電壓為+9 V，5、6端為 V+21；拆下高壓控保板后，3、4端為15V，5、6端為15V；

4.4 故障解決

通過以上檢測與分析，我們可以基本確定為高壓電源分機的高壓控保模塊出現(xiàn)故障，在重新更換上由廠家寄過來的高壓控保板備件后，重新加低壓，未出現(xiàn)高壓故障告警，并在20分鐘左右后得到準加信號，加高壓，OK，正常，發(fā)射機工作正常。

4.5 后續(xù)工作

在完成以上工作后，雖然發(fā)射機能正常工作，但我們也發(fā)現(xiàn)此時發(fā)射功率遠遠低于出廠標稱的250KW，只有100KW左右。查看高壓控保板的發(fā)射功率調節(jié)旋鈕，發(fā)現(xiàn)其指針指到2的位置。為不對發(fā)射機尤其是其內部的高壓部分造成未知的耗損，下一步我們需要做的是在斷開高壓的前提下，逐步順時針旋轉功率調節(jié)旋鈕，一開始以0.5為步進的調節(jié)到200KW左右，然后再以0.2為步進慢慢旋轉直至發(fā)射功率達到標稱值250KW左右，此過程需要耐心的等待與細心的觀察。

4.6 故障原因分析

此次出現(xiàn)的故障較為不易察覺，且故障前，并無出現(xiàn)雷雨大風等極端天氣。可見此故障絕非為惡劣天氣造成高壓電源內部短路等導的。為此我們對拆卸下來的高壓控保板進行再一次的仔細檢查，查看電阻、電容等并無燒焦、霉斷、漏液、炸裂等明顯的損壞現(xiàn)象。在再次對大功率三端穩(wěn)壓器7915（N3）進行了輸出電壓檢測時，發(fā)現(xiàn)其輸出電壓只有-9V，更換該大功率三端穩(wěn)壓器7915，重新上機測試，加高壓正常。一個正常情況下的雷達開關機掃描為什么會燒壞一個大功率三端穩(wěn)壓器呢，似乎不會。通過同值班人員溝通得知，在故障的前一天，雷達的UPS進行過一次放電，而在放電前，由于疏忽，處于加高壓狀態(tài)的雷達直接被斷電。正是由于此次的非正常關機導致高壓控保板內部元件的燒壞。

5 結束語

發(fā)射機在ADWR多普勒氣象雷達中是比較常出現(xiàn)一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等惡劣天氣下或者人為操作不當時更容易出現(xiàn)。由于備件的缺失導致，此次雷達的修復時間耗費了5天。一方面我們有必要繼續(xù)加強對雷達正確開關機步驟進行深入學習，尤其是加強在對雷達UPS放電前的關機意識；另一方面我們需要認識到備件的充足對縮短故障排除時間加快雷達恢復正常運行的必要性與重要性。