建阳新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)速调管故障分析

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建阳新一代多普勒天气雷达(CINRAD/SA)速调管故障分析

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建阳新一代多普勒天气雷达速调管故障是全国CINRAD/SA雷达速调管自然老化的第一例。该文简要分析了与速调管老化故障相关的信号流程，并对速调管测试处理、更换过程进行了具体说明，对其他台站速调管老化故障的维修工作具有一定的参考意义。

新一代天气雷达 速调管 故障

0 引言

建阳新一代多普勒天气雷达（以下简称建阳雷达）是全国气象系统第二部CINRAD/SA雷达，同时也是国产小批量生产的第一部CINRAD/SA雷达。建阳雷达1999年安装调试，2001年3月通过现场测试验收，对福建省台风、强降水等防灾减灾气象服务发挥了重大作用，尤其是福建北部系统降水监测起到了先头兵的作用。建阳雷达2008年12月1日出现速调管故障，其高压运行时间累计达到5万h之多，是全国CINRAD/SA型雷达速调管出现自然老化的第一例，现对整个故障现象、分析测试及处理过程进行简要分析总结，以供大家参考。

1 故障现象

2008年12月1日，建阳雷达出现故障报警：灯丝电源电压/电流故障，发射机无法工作，故障复位后灯丝电流（27.4A）维持正常2～3s后，灯丝电压、电流出现报警，重新启动也无法正常运行。

2 故障分析处理

从发射机信号流程入手。如图1所示，速调管V1灯丝电流和电压是通过灯丝电源PS1经变压器耦合产生的。灯丝电源PS1输出的灯丝电压（35VAC，8A），经灯丝中间变压器T4（240VAC，1A），加至高压脉冲变压器T1次级双绕组的两个低压端，经脉冲变压器次级绕组，接至灯丝电压器T3，T3次级接至速调管灯丝，为速调管提供灯丝电压及电流（6VAC，27A）。PS1向监控电路输出5路信号，其中一路信号IMETERSMP为灯丝电流输出采样信号，该信号经标校电位器调整后输入到灯丝电流表M1显示，M1同时向故障显示板A1输出FILIHI-信号，用于灯丝电流故障指示。

根据上述分析，故障原因可能包括灯丝电源故障、测量接口板报警电路故障、油箱组件故障或速调管故障，须逐一分析排除。

图1 灯丝采样信号流程框图

2.1 灯丝电源和报警电路检查测试

首先检查保险丝组件N3灯丝的保险管，用万用表测试没有发现故障。将灯丝电源拔出，检查灯丝电源内部保险丝没有损坏，灯丝组件交流380V供电正常，电源板也没有发现任何打火现象。将灯丝电源装好，开发射机低压，出现灯丝电源电压、电流报警。

去掉测量接口板与灯丝电流报警相关的光耦芯片，灯丝电流能维持在27.4A大约 1min，出现灯丝电压报警；继续去掉灯丝组件的过/欠压芯片N4、N5，亦即去掉所有灯丝电流、电流报警，用示波器对灯丝电压测试点油箱接口E2、E3进行测试，测得灯丝电压波形基本正常，但峰－峰值只有50V左右，远远小于峰－峰值240V；发射机控制面板灯丝电压指示为1.4V，远低于正常的5.5V。

从油箱接口E2、E3处断开灯丝电源输出，用示波器开路测试灯丝电压，灯丝电压峰－峰值很快上升到600V以上，灯丝电流指示为0A。

用600W电烙铁作为假负载，接在灯丝输出E3、E2，灯丝电流（27.4A）正常，灯丝电压峰－峰值达到80V左右，调节灯丝电流，灯丝电压也随着调节变化，灯丝控制正常；用150W电烙铁做假负载，灯丝电流指示和示波器测得的电压峰－峰值都正常，电流调节正常。

更换备份灯丝电源，故障现象和测试结果不变。

2.2 更换油箱组件

更换新的油箱组件，故障现象依旧，说明油箱接口也是正常的。相关测试、检查说明油箱接口E2、E3以前，均工作正常，灯丝电源正常，故障原因在负载。

2.3 速调管工作原理

速调管是一种线性电子注器件：电子从阴极到收集极成直线运动；外加电场、外加磁场、及电子注三者平行。

CINRAD/SA发射机采用六腔速调管，在其阴极与收集极间的直线上排列着六个谐振腔，最靠近阴极的为第一腔，最靠近收集极的为第六腔，其谐振频率分别机械可调。

呈现在高压脉冲变压器3A7T1次级的60～65kV束电压脉冲，加在速调管收集极与阴极之间，收集极接地电位，阴极接负脉冲高压，如图2所示。束脉冲在收集极和阴极间建立起强电埸，这使得由阴极发射出来的电子由阴极向收集极作加速运动，获得逐渐增强的动能，形成束流。图2中，虚线表示束流的流向，束流流向与电子运动方向相反。

图2 速调管与束流

2.4 更换速调管

最后更换速调管，用示波器开路对E2、E3进行测试，测得灯丝电压波形正常，峰－峰值达到260V，发射机控制面板灯丝电压指示为7.0V，灯丝电流27.4A正常。将灯丝电压调整到5.5V，调整灯丝电压波形峰－峰值达到240V。灯丝电压波形如图3所示。

图3 灯丝电压波形图

2.5 更换速调管步骤

更换速调管前，先将油箱后面连接传感器的电线拆除，拆除油箱与调制器的高压连接电缆等，拆除速调管上部风道连接口，拆除波导口连接处弯波导，连接油箱导轨，将油箱推出，松开紧固螺丝。用葫芦将速调管缓慢吊起来，直至完全离开聚焦线圈，然后放置在专用推车上拿开。将新的速调管放置在推车上，用葫芦将速调管缓慢掉起来，慢慢放入到油箱中，用螺丝加固好，然后推入油箱到最初位置，连接相关电缆，连接波导口弯波导，连接速调管上部风道口。

2.6 速调管调试步骤方法

首先将速调管6个腔体全部归零（旋至最左端），根据速调管出厂测试参数，按照技术参数分别将6个腔体调整好；在速调管输入端连接小功率计，测试速调管输入功率，调整可变衰减器，使速调管的输入功率为2W（速调管铭牌标准注入功率）。开发射机高压，从发射机耦合端口连接示波器（衰减10dB），测试发射脉冲包络，将速调管6个腔体进行微调，使发射机包络到最佳。调整脉冲包络为1.57μs，用小功率计测试发射机峰值功率，调整人工线电压使发射机峰值功率大于650kW，人工线电压约为4300～4600V。

3 结束语

CINRAD/SA速调管使用寿命比较长，价格也非常昂贵，一般情况下不容易损坏，在故障判断上应根据信号流程，先从其他部件入手。首先检查灯丝电源和报警监控电路，其次检查油箱组件，逐一分析测试排除，最后定位为速调管故障。

[1] 中国新一代多普勒天气雷达CINRAD WSR-98D 用户手册（上、中、下）.北京: 敏视达雷达有限公司, 2004.

[2] Operations and Maintenance Instructions Transmitter System. NWS EHB 6-511，Revision No. 2.