武孔亮，鄒書平，吳勁松，龔雪鵬，蒙居正

(1. 貴州省畢節(jié)市氣象局，貴州 畢節(jié) 551700;2. 貴州省氣象局，貴州 貴陽550002)

1 引言

畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)自建成并投入運行以來，在各類強(qiáng)對流天氣的預(yù)測預(yù)報、預(yù)警監(jiān)測及人工影響天氣等工作中發(fā)揮了巨大的作用，同時也大大地提高了對災(zāi)害性天氣的監(jiān)測和預(yù)防能力，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。為更好的保障雷達(dá)系統(tǒng)的正常運行，統(tǒng)計分析畢節(jié)新一代天氣雷達(dá)系統(tǒng)自運行以來的所有故障情況，有約60%的故障出現(xiàn)在天線部分，而在天線系統(tǒng)故障中，匯流環(huán)故障率占50%，可見匯流環(huán)故障嚴(yán)重影響了雷達(dá)系統(tǒng)運行的可用性，甚至錯過了對強(qiáng)對流天氣過程的有效監(jiān)測。本文主要從匯流環(huán)功能方面入手，剖析匯流環(huán)故障的影響及分析方法。

2 匯流環(huán)的功能概述

2.1 匯流環(huán)功能概述

CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)匯流環(huán)(圖1)的整體功能是將雷達(dá)系統(tǒng)一端的所有信號等值地傳送到轉(zhuǎn)動著的另一端，可稱之為信號傳送關(guān)節(jié)。

圖中圓柱體部分為“定子”，是固定在匯流環(huán)托盤和天線轉(zhuǎn)動連接筒之間的，而矩形框內(nèi)環(huán)為相互間隔開的24 道導(dǎo)電金屬槽“轉(zhuǎn)子”，槽內(nèi)主要為銅質(zhì)金屬，表面鍍有良好導(dǎo)電性和高硬度的鉑金，各導(dǎo)電槽間由高硬度的耐磨塑料隔開，相互間絕緣，物理結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖1 匯流環(huán)實物結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 匯流環(huán)導(dǎo)電槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 匯流環(huán)接觸阻抗解釋

CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)匯流環(huán)的導(dǎo)電槽共24“軌道”，供匯流環(huán)電刷在其軌道內(nèi)平滑地相對轉(zhuǎn)動運行，正常接觸時其間相對理論阻抗值是0 Ω，當(dāng)接觸不良時，視電刷與軌道槽間開路，理論阻抗值為∞，但這種理論值是建立在電刷與導(dǎo)電槽間相對速度為0°/s 的基礎(chǔ)上的;實際工作中，電刷與導(dǎo)電槽間是相對運動著的，有一個約為6°/s 的相對速度，在這個速度基礎(chǔ)之上，當(dāng)電刷或軌道槽磨損過度接觸不良時，測量電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值不會出現(xiàn)∞的情況，而是在0 Ω 以上波動變化的可讀的振蕩阻值。圖3 為畢節(jié)雷達(dá)一次匯流環(huán)故障后用三用表測量某一電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值結(jié)果圖。

圖3 阻值對比圖

從圖中可以看出，在某些方位電刷與導(dǎo)電槽間阻抗值是波動變化著的，說明接觸不好，而某些方位阻值為0 Ω，說明接觸是良好的。

由于此次故障測量的是圖2 中的第3 道間阻抗值，所以表現(xiàn)在終端故障為:在方位210°～300°之間俯仰精度能正常鎖定，并且精度誤差小于0.1，而在其他方位上，俯仰精度不能正常鎖定，雷達(dá)系統(tǒng)不能正常完成體掃。

3 匯流環(huán)故障剖析

CINRAD/CD 型天氣雷達(dá)匯流環(huán)傳送的主要信號有俯仰同步機(jī)信號、俯仰測速信號、俯仰驅(qū)動輸出、激磁電壓、俯仰角保護(hù)信號以及部分相應(yīng)成對的屏蔽信號。要實現(xiàn)所有信號的等值傳送，匯流環(huán)電刷和導(dǎo)電槽間必須有良好的觸點接觸，出現(xiàn)任一導(dǎo)電槽(除圖2 中掛起備用的8、9、10 導(dǎo)電槽)與電刷接觸不良情況均視為匯流環(huán)故障，但不一定都會影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常運行，下面分類別進(jìn)行深入剖析。

3.1 俯仰同步機(jī)信號類接觸故障

俯仰同步機(jī)信號相關(guān)觸點接觸不良。此類故障對于雷達(dá)系統(tǒng)體掃是致命的，嚴(yán)重影響雷達(dá)系統(tǒng)的正常運行。由于同步機(jī)輸出3個成比例的感應(yīng)電動勢［4］E1、E2、E3分別經(jīng)匯流環(huán)中2、3、11 導(dǎo)電槽(圖2)控制俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)動。當(dāng)接觸不良時，電刷與導(dǎo)電槽間會產(chǎn)生一個阻抗Rx，而Rx的值是一個在0 Ω 以上波動的可讀阻值，類似于圖3 的粗曲線，這個阻抗Rx勢必會分掉部分感應(yīng)電動勢，因各方位阻抗值不是固定的，導(dǎo)致俯仰發(fā)送器端接收到的感應(yīng)電動勢變?yōu)?

式中Ix1、Ix2、Ix3分別假設(shè)為流經(jīng)匯流環(huán)中11、2、3 軌道槽(圖2)的電流，Rx1、Rx2、Rx3為其接觸不良時所測阻值。

因Ix1、Ix2、Ix3的值是固定的，由上式可以得出:即使俯仰同步機(jī)正常，即輸出感應(yīng)電動勢E1、E2、E3是成比例的，但由于Rx1、Rx2、Rx3是波動的，即俯仰發(fā)送器的控制信號Ex1、Ex2、Ex3也是波動的，導(dǎo)致電機(jī)不能穩(wěn)定于某一固定仰角，這時若在PPI 掃描方式時，終端表象為俯仰角的運行仰角在命令角附近不停的擺動，不能正常鎖定于命令仰角。

3.2 俯仰測速信號類接觸故障

俯仰測速信號相關(guān)觸點接觸不良，這種情況一般不影響雷達(dá)系統(tǒng)PPI 掃描，但若做RHI 掃描時，表現(xiàn)為仰角變化率不均勻。因為測速電機(jī)的輸出電壓Um正比于電機(jī)轉(zhuǎn)動的角速度［4］ω，

式中Km為比例常數(shù)。

測速電機(jī)輸出的電壓Um須流經(jīng)匯流環(huán)中15、18 導(dǎo)電槽(圖2)去控制俯仰的轉(zhuǎn)速，故因俯仰測速信號導(dǎo)電槽接觸不良時而產(chǎn)生的阻抗Rx會分掉部分電壓，由于Rx的不確定值導(dǎo)致俯仰電機(jī)端的測速信號是一個波動的值，由公式(1)得出此時的電機(jī)轉(zhuǎn)動速度:

式中Ix假設(shè)為流過匯流環(huán)中的15 或18 導(dǎo)電槽(圖2)的電流。由此可見電機(jī)的轉(zhuǎn)動速度是不均勻的。

3.3 俯仰驅(qū)動輸出接觸故障

俯仰驅(qū)動輸出的相關(guān)觸點接觸不良好，此時俯仰電機(jī)端的驅(qū)動電壓由原來的相對穩(wěn)定電壓變成無規(guī)律振蕩的電壓，這里引出俯仰電機(jī)的機(jī)械特性方程［4］:

式中MΩ為俯仰電機(jī)的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，CM為俯仰電機(jī)的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，φ 為俯仰電機(jī)的磁通量，Ua和Ra是以俯仰電機(jī)為負(fù)載的回路中的總電壓和內(nèi)阻。

由公式(4)可知，振蕩的俯仰驅(qū)動輸出電壓會影響到電機(jī)中的回路電壓的振蕩，導(dǎo)致電機(jī)的機(jī)械特性異常，即使電機(jī)的調(diào)節(jié)特性使其能正常運轉(zhuǎn)帶動天線的轉(zhuǎn)動，但是長期不穩(wěn)定的機(jī)械特性將會最終導(dǎo)致俯仰電機(jī)故障，使雷達(dá)系統(tǒng)俯仰不受控，最終致使天線系統(tǒng)故障。

3.4 激磁電壓接觸故障

由于穩(wěn)定的110 V 激磁電壓流經(jīng)匯流環(huán)中的12、13 導(dǎo)電槽到俯仰發(fā)送器，當(dāng)觸點接觸不良時產(chǎn)生的振蕩阻抗分掉部分電壓后，激磁電壓不再穩(wěn)定，長期不穩(wěn)定的激磁電壓作用于俯仰發(fā)送器將致其故障，出現(xiàn)俯仰精度不能正常鎖定或者俯仰不受控等故障現(xiàn)象。

3.5 俯仰角保護(hù)信號接觸故障

俯仰角保護(hù)信號相關(guān)觸點接觸不良時，雷達(dá)系統(tǒng)終端會不確定地報俯仰－2°或俯仰90°故障，這是由于俯仰角保護(hù)信號經(jīng)匯流環(huán)中的5、6 導(dǎo)電槽后作用于保護(hù)開關(guān)，當(dāng)經(jīng)接觸不良好產(chǎn)生的振蕩阻抗分掉部分電壓后，引起－2°保護(hù)開關(guān)或者90°保護(hù)開關(guān)閉合報相關(guān)故障，而天線運行實際俯仰角未到－2°或90°。

4 匯流環(huán)故障檢測方法

根據(jù)新一代天氣雷達(dá)業(yè)務(wù)需要的相關(guān)規(guī)定，CINRAD/CD 型雷達(dá)系統(tǒng)主要采用降水觀測模式2(VCP21)，其完成一次體掃觀測時間約為6 min。但當(dāng)匯流環(huán)出現(xiàn)故障時，要么出現(xiàn)每次體掃時間相對不固定，要么出現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)無法正常完成體掃等等，在排除其它故障因素的情況下，定位于匯流環(huán)引起的相關(guān)故障必須仔細(xì)檢查匯流環(huán)中的電刷與導(dǎo)電槽的接觸情況。

4.1 匯流環(huán)接觸阻抗檢測方法

通常情況下，出現(xiàn)天線系統(tǒng)故障時，一般考慮驅(qū)動電機(jī)故障、天線系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺機(jī)械故障、伺服驅(qū)動系統(tǒng)故障等幾大類，但是往往會忽略由于各系統(tǒng)間傳輸線路短路、斷路、接觸不良好等情況引起的故障，這就不得不考慮匯流環(huán)這個關(guān)鍵“信號中轉(zhuǎn)站”，故這里主要說明匯流環(huán)部分檢測方法。

在完全排除其他部分故障的情況下，根據(jù)匯流環(huán)功能及故障現(xiàn)象，可以初步定位匯流環(huán)中某些導(dǎo)電槽接觸不良，進(jìn)而用萬用表檢測這些導(dǎo)電槽與電刷間的阻抗值，具體方法為:在天線系統(tǒng)部分完全斷電的前提下，人為推動天線轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度盡量接近于正常體掃時轉(zhuǎn)動速度，然后將萬用表一只表筆接觸匯流環(huán)導(dǎo)電槽，另一只表筆接觸匯流環(huán)電刷，檢測導(dǎo)電槽與電刷間阻值，若出現(xiàn)萬用表指針有讀數(shù)且讀數(shù)不為0 Ω 時，判定導(dǎo)電槽與電刷間接觸不良好，這時候讀取并記錄各方位阻值，可以進(jìn)一步判斷匯流環(huán)導(dǎo)電槽或者電刷的磨損情況。

4.2 檢測注意事項

4.2.1 根據(jù)電路分析基礎(chǔ)知識得知，檢測阻抗值、電容值、電感值等大部分無源器件在電路中相關(guān)數(shù)值時，必須斷掉外加電源，若有外加電源時，會出現(xiàn)檢測結(jié)果不準(zhǔn)確或損壞器件等，所以在檢測匯流環(huán)導(dǎo)電槽與電刷間阻抗值時，必須完全斷開雷達(dá)系統(tǒng)電源。

4.2.2 根據(jù)導(dǎo)電槽與電刷間接觸特點得知，每個電刷必須位于相應(yīng)的導(dǎo)電槽正中央，否則導(dǎo)電槽將會與絕緣隔離塑料相摩擦引起接觸不良好，檢測出不真實的測量結(jié)果。

4.2.3 本檢測方法中一定要注意的是天線是轉(zhuǎn)動的，且只能在斷電前提下人力推動其轉(zhuǎn)動，才能檢測出正確的結(jié)果。

5 小結(jié)

該文著重介紹匯流環(huán)整體功能，深入剖析匯流環(huán)各軌道槽的作用及其故障影響，得出匯流環(huán)故障檢測方法。在CINRAD/CD 型天氣雷達(dá)系統(tǒng)天線部分故障的維護(hù)維修過程中，對雷達(dá)系統(tǒng)保障工作人員具有一定的參考和指導(dǎo)作用。

［1］李明元. CINRAD－CD 雷達(dá)匯流環(huán)故障分析與排除［J］.貴州氣象，2010，34(3).

［2］吳勁松，胡永松，武孔亮. CINRAD/CD 天氣雷達(dá)天線控制故障的分析與排除［J］. 氣象水文海洋儀器，2012，12(4).

［3］鄒書平，武孔亮，羅京義，等. 雷達(dá)個例資料整編批處理技術(shù)與業(yè)務(wù)應(yīng)用［J］. 氣象科技，2012，40(4).

［4］焦中生，沈超玲，張云. 氣象雷達(dá)原理［M］. 北京:氣象出版社.