深圳ADWR气象雷达高压电源控保模块电路故障检测与分析

摘 要：发射机在ADWR多普勒气象雷达中是比较常出现一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等恶劣天气下或者人为操作不当时更容易出现。文章所阐述的高压电源控保模块电路故障便为一次UPS放电时雷达的非正常关机导致的。文章首先对ADWR多普勒气象雷达发射机的高压电源分机作简要介绍并对其中的高压控保护电路进行了较为详细的说明。并针对该模块电路故障的分析检测进行了阐述与总结。希望文章能对使用ADWR多普勒气象雷达的兄弟单位在以后的运维工作中，提供相关的借鉴与参考。

关键词：高压电源控保模块；高压电源分机；故障检测

1 概述

高压电源分机为ADWR雷达发射机的重要组成部分，其在充电触发脉冲的控制下，向固态调制器的储能元件（PFN）提供充电电源，并最终进入速调管进行发射脉冲功率放大。因而从ADWR雷达发射脉冲的机制来讲，高压电源分机则可以称为是发射机正常工作的基石。此外采用了回扫充电技术提高了高压电源分机，从而保证发射功率的稳定性。

在高压电源分机内部，高压控保模块电路由高压故障判断电路、高压充电控制信号产生电路组成。顾名思义，高压故障判断电路其主要作用为高压故障信号的判断、指示及故障连锁等。高压充电控制信号产生电路则为在高压充电定时信号的控制下产生高压充电信号并送往高压隔离驱动电路。由此可知，当高压控保模块电路故障时，高压电源分机将无法正常工作，进而导致发射机故障。

2 高压电源分机简述

高压电源分机的作用为在充电触发脉冲控制下，向固态调制器的储能组件（PFN）提供充电电源。

2.1 简介

高压电源分机为ADWR雷达发射分机的固态调制器提供其所需的直流高压。其主要参数为：

输入电源 三相380V 单相220V

充电周期 <650μs

充电电压 5000V

稳定度 0.01%

可进行变宽充电，最高工作频率1300Hz

2.2 特性

多普勒天气雷达中一般要求脉宽和重复频率有较大的适用范围，以利于提高分辨率和速度测量范围。ADWR 雷达重复频率范围较宽，为250～1300Hz 可调。为达到宽重复频率范围的要求，该雷达发射分系统的高压电源采用了回扫充电技术，其充电过程是对充电电感和人工线交替进行的，采用开关电源对充电电感进行等时间充电，既能保证充电精度，又确保了发射能量不随重复频率的变化而改变，从而满足了宽重复频率范围的要求。采用回扫充电技术提高了高压电源的稳定度，从而保证了发射功率的稳定性。

2.3 组成

高压电源分机由电源滤波器Z1、三相整流V1、软启动控制电路、电流、电压取样电路、变换器电路、储能变压器T1、高压隔离驱动电路A1、高压控保电路等组成，组成框图如图1所示。

3 高压控保电路

高压控保模块电路由高压故障判断电路、高压充电控制信号产生电路组成。高压故障判断电路其主要作用为高压故障信号的判断、指示、故障连锁及复位信号通过光耦解除故障自锁状态等。高压充电控制信号产生电路则为在高压充电定时信号的控制下产生高压充电信号并送往高压隔离驱动电路。高压控保电路工作原理框图如图3所示。

3.1 高压故障判断电路

如图4所示（可放大）隔离驱动电路输出的IGBT1 保护信号和IGBT2 保护信号进入高压控保电路后经D1A和D1B（CD4098）单稳态触发器整形送入负或门D2B（CD4082），D2B（CD4082） 是四输入端正与门，但整形输出的IGBT 保护信号低电平有效，对于低电平有效的信号（负逻辑）D2B 相当于或门，两个IGBT 保护信号中的任何一个为低电平时即可通过负或门D2B 去触发故障自锁电路D3（CD4012），D3 的输出分为两路，一路经三极管V9（3DK104D）驱动发光二极管V8（BT314057，红色）进行故障指示，经三极管V10（3DK104D）驱动去发射监控分机。另一路去高压充电控制信号产生电路进行故障连锁。复位信号经光耦V11（H11L1）隔离后送到故障自锁电路，解除其故障自锁状态。

3.2 高压充电控制信号产生电路

如图4，高压充电定时信号经光耦V7（H11L1）隔离后，受继电器K1、K2 控制分为两路。继电器K1 和K2 在充电时间选择信号的控制下一个吸合、一个断开，吸合的继电器接点将高压充电定时信号选通，送入整形电路D5A 或D6A（CD4098，单稳态触发器），再送入最大充电时间定时电路D5B 或D6B（CD4098，单稳态触发器）。D5B 或D6B 输出的正方波起始时间对应于高压充电开始的时间，正方波宽度对应的时间就是最大充电宽度。继电器K1、K2 选中其中一个正方波送往门控电路D4（CD4011）。送往门控电路D4 的还有一个高压充电停止控制信号，现介绍高压充电停止控制信号的产生。充电电流取样信号在继电器K1、K2控制下选通对应的电阻R46（1.1KΩ）或R47（360Ω），电阻R46 或R47 上的电压即对应于不同充电时间情况下，充电电流取样信号产生的电压。该电压送往比较器N1（LM311A），比较器N1 的另一个输入端接基准电压。基准电压由带恒温控制的精密基准稳压电源V13（LM399）提供，基准电压值为6.9V，稳定度达10-6，这个基准电压对应于充电电流的预定值。当高压充电电流达到预定值时比较器N1 输出低电平，整形单稳电路D7A（CD4098）输出低电平，送往门控电路D4 作为高压充电停止控制信号。高压充电控制信号在故障连锁电路D2A（CD4082）中受高压故障的连锁控制，如无故障，高压充电控制信号经三极管V15（3DK104D）构成的跟随器送往高压隔离驱动电路。

高压充电控制信号产生电路与故障连锁控制电路如图5。

4 故障检测与分析

4.1 故障现象及初步分析

故障现象为终端报回扫电源故障，雷达整机发射功率为0kw，无回波数据。至十三楼机房检查，在发射机柜I单元的发射监控分机的控制指示面板中显示：1.6个状态指示信号（ 即冷却、低压、准加、高压，宽脉冲和窄脉冲）准加和高压指示灯不亮；2.10个故障指示信号灯中高压故障指示灯亮。考虑到此次故障发生时间为本雷达冬季停机维护期间，天气良好，未有雷雨，台风等恶劣天气影响。于是我们首先尝试在发射监控板上取得本地控制状态下，按下复位按钮（S5）看故障告警是否消除。但结果为重新再加低压后，低压绿色指示灯亮，准加绿色指示灯不亮的情况下，高压故障信号红色指示灯亮。然后再拆开发射机柜I各部件的挡板，发现其机柜上部的配电分机的三只空气开关（即冷却开关、磁场开关、高压开关）均闭合没有脱扣，即高压故障红色指示灯亮并不是由于空气开关脱口引起，故障有待进一步检测与分析。

4.2 故障初判

根据以上的初步分析，我们可以得出以下几点：（1）发射监控分机控制指示面板中本地控制按钮的复位按钮（S5）无法使发射机恢复正常状态；（2）发射机柜I单元顶部的三只空气开关均为脱扣；（3）发射机内部各部分及之间连接线此前已做过相应检测，且功率开关元件（此元件为容易损耗，尤其在雷雨等恶劣天气下）已全新更换，再次测试也无异常，短路的高压线也再次确认无短路，连接正常。在此基础上，我们继而拆开发射机柜I单元中部发射高压电源分机部分的外挡板，检查发现此时高压控保板红色故障指示灯未亮。在前面我们根据高压控保模块电路的叙述知道，高压电源控保模块电路的作用之一便是复位信号通过光耦（V11（H11L1））隔离送到该电路模块中的故障自锁电路以解除故障自锁状态。而我们多次尝试通过复位按钮（S5）以求解除故障自锁，都未能成功，按道理此时高压控保板的红色故障指示灯应亮起。但事实上，并未亮起。于是通过以上检测与分析，我们认为高压电源的高压控保模块是异常的，需进一步检测该模块。

4.3 故障确定

如图2所示的高压电源分机电路图，其中的虚框部分即为图4所示的高压控保模块电路图，我们用万用表对高压变压器T2的初级即1、2端测得其两端电压为220V，为正常值。在此前提下，我们再分别测试未拆下高压控保板和拆下高压控保板时高压变压器T2的次级即3、4端和5、6端的电压。理论上拆下与未拆下高压控保板时，高压变压器T2的次级3、4端和5、6端的电压应不变，都应为+15V。而事实情况是，未拆下高压控保板时测得3、4端电压为+9 V，5、6端为 V+21；拆下高压控保板后，3、4端为15V，5、6端为15V；

4.4 故障解决

通过以上检测与分析，我们可以基本确定为高压电源分机的高压控保模块出现故障，在重新更换上由厂家寄过来的高压控保板备件后，重新加低压，未出现高压故障告警，并在20分钟左右后得到准加信号，加高压，OK，正常，发射机工作正常。

4.5 后续工作

在完成以上工作后，虽然发射机能正常工作，但我们也发现此时发射功率远远低于出厂标称的250KW，只有100KW左右。查看高压控保板的发射功率调节旋钮，发现其指针指到2的位置。为不对发射机尤其是其内部的高压部分造成未知的耗损，下一步我们需要做的是在断开高压的前提下，逐步顺时针旋转功率调节旋钮，一开始以0.5为步进的调节到200KW左右，然后再以0.2为步进慢慢旋转直至发射功率达到标称值250KW左右，此过程需要耐心的等待与细心的观察。

4.6 故障原因分析

此次出现的故障较为不易察觉，且故障前，并无出现雷雨大风等极端天气。可见此故障绝非为恶劣天气造成高压电源内部短路等导的。为此我们对拆卸下来的高压控保板进行再一次的仔细检查，查看电阻、电容等并无烧焦、霉断、漏液、炸裂等明显的损坏现象。在再次对大功率三端稳压器7915（N3）进行了输出电压检测时，发现其输出电压只有-9V，更换该大功率三端稳压器7915，重新上机测试，加高压正常。一个正常情况下的雷达开关机扫描为什么会烧坏一个大功率三端稳压器呢，似乎不会。通过同值班人员沟通得知，在故障的前一天，雷达的UPS进行过一次放电，而在放电前，由于疏忽，处于加高压状态的雷达直接被断电。正是由于此次的非正常关机导致高压控保板内部元件的烧坏。

5 结束语

发射机在ADWR多普勒气象雷达中是比较常出现一些大小故障的部分，尤其是在雷雨等恶劣天气下或者人为操作不当时更容易出现。由于备件的缺失导致，此次雷达的修复时间耗费了5天。一方面我们有必要继续加强对雷达正确开关机步骤进行深入学习，尤其是加强在对雷达UPS放电前的关机意识；另一方面我们需要认识到备件的充足对缩短故障排除时间加快雷达恢复正常运行的必要性与重要性。