CINRAD/CD型天气雷达汇流环故障剖析

武孔亮，邹书平，吴劲松，龚雪鹏，蒙居正

(1. 贵州省毕节市气象局，贵州 毕节 551700;2. 贵州省气象局，贵州 贵阳550002)

1 引言

毕节新一代天气雷达系统自建成并投入运行以来，在各类强对流天气的预测预报、预警监测及人工影响天气等工作中发挥了巨大的作用，同时也大大地提高了对灾害性天气的监测和预防能力，取得了良好的经济和社会效益。为更好的保障雷达系统的正常运行，统计分析毕节新一代天气雷达系统自运行以来的所有故障情况，有约60%的故障出现在天线部分，而在天线系统故障中，汇流环故障率占50%，可见汇流环故障严重影响了雷达系统运行的可用性，甚至错过了对强对流天气过程的有效监测。本文主要从汇流环功能方面入手，剖析汇流环故障的影响及分析方法。

2 汇流环的功能概述

2.1 汇流环功能概述

CINRAD/CD 型雷达系统汇流环(图1)的整体功能是将雷达系统一端的所有信号等值地传送到转动着的另一端，可称之为信号传送关节。

图中圆柱体部分为“定子”，是固定在汇流环托盘和天线转动连接筒之间的，而矩形框内环为相互间隔开的24 道导电金属槽“转子”，槽内主要为铜质金属，表面镀有良好导电性和高硬度的铂金，各导电槽间由高硬度的耐磨塑料隔开，相互间绝缘，物理结构示意图如图2。

图1 汇流环实物结构示意图

图2 汇流环导电槽结构示意图

2.2 汇流环接触阻抗解释

CINRAD/CD 型雷达系统汇流环的导电槽共24“轨道”，供汇流环电刷在其轨道内平滑地相对转动运行，正常接触时其间相对理论阻抗值是0 Ω，当接触不良时，视电刷与轨道槽间开路，理论阻抗值为∞，但这种理论值是建立在电刷与导电槽间相对速度为0°/s 的基础上的;实际工作中，电刷与导电槽间是相对运动着的，有一个约为6°/s 的相对速度，在这个速度基础之上，当电刷或轨道槽磨损过度接触不良时，测量电刷与导电槽间阻抗值不会出现∞的情况，而是在0 Ω 以上波动变化的可读的振荡阻值。图3 为毕节雷达一次汇流环故障后用三用表测量某一电刷与导电槽间阻抗值结果图。

图3 阻值对比图

从图中可以看出，在某些方位电刷与导电槽间阻抗值是波动变化着的，说明接触不好，而某些方位阻值为0 Ω，说明接触是良好的。

由于此次故障测量的是图2 中的第3 道间阻抗值，所以表现在终端故障为:在方位210°～300°之间俯仰精度能正常锁定，并且精度误差小于0.1，而在其他方位上，俯仰精度不能正常锁定，雷达系统不能正常完成体扫。

3 汇流环故障剖析

CINRAD/CD 型天气雷达汇流环传送的主要信号有俯仰同步机信号、俯仰测速信号、俯仰驱动输出、激磁电压、俯仰角保护信号以及部分相应成对的屏蔽信号。要实现所有信号的等值传送，汇流环电刷和导电槽间必须有良好的触点接触，出现任一导电槽(除图2 中挂起备用的8、9、10 导电槽)与电刷接触不良情况均视为汇流环故障，但不一定都会影响雷达系统的正常运行，下面分类别进行深入剖析。

3.1 俯仰同步机信号类接触故障

俯仰同步机信号相关触点接触不良。此类故障对于雷达系统体扫是致命的，严重影响雷达系统的正常运行。由于同步机输出3个成比例的感应电动势［4］E1、E2、E3分别经汇流环中2、3、11 导电槽(图2)控制俯仰电机的转动。当接触不良时，电刷与导电槽间会产生一个阻抗Rx，而Rx的值是一个在0 Ω 以上波动的可读阻值，类似于图3 的粗曲线，这个阻抗Rx势必会分掉部分感应电动势，因各方位阻抗值不是固定的，导致俯仰发送器端接收到的感应电动势变为:

式中Ix1、Ix2、Ix3分别假设为流经汇流环中11、2、3 轨道槽(图2)的电流，Rx1、Rx2、Rx3为其接触不良时所测阻值。

因Ix1、Ix2、Ix3的值是固定的，由上式可以得出:即使俯仰同步机正常，即输出感应电动势E1、E2、E3是成比例的，但由于Rx1、Rx2、Rx3是波动的，即俯仰发送器的控制信号Ex1、Ex2、Ex3也是波动的，导致电机不能稳定于某一固定仰角，这时若在PPI 扫描方式时，终端表象为俯仰角的运行仰角在命令角附近不停的摆动，不能正常锁定于命令仰角。

3.2 俯仰测速信号类接触故障

俯仰测速信号相关触点接触不良，这种情况一般不影响雷达系统PPI 扫描，但若做RHI 扫描时，表现为仰角变化率不均匀。因为测速电机的输出电压Um正比于电机转动的角速度［4］ω，

式中Km为比例常数。

测速电机输出的电压Um须流经汇流环中15、18 导电槽(图2)去控制俯仰的转速，故因俯仰测速信号导电槽接触不良时而产生的阻抗Rx会分掉部分电压，由于Rx的不确定值导致俯仰电机端的测速信号是一个波动的值，由公式(1)得出此时的电机转动速度:

式中Ix假设为流过汇流环中的15 或18 导电槽(图2)的电流。由此可见电机的转动速度是不均匀的。

3.3 俯仰驱动输出接触故障

俯仰驱动输出的相关触点接触不良好，此时俯仰电机端的驱动电压由原来的相对稳定电压变成无规律振荡的电压，这里引出俯仰电机的机械特性方程［4］:

式中MΩ为俯仰电机的堵转转矩，CM为俯仰电机的转矩常数，φ 为俯仰电机的磁通量，Ua和Ra是以俯仰电机为负载的回路中的总电压和内阻。

由公式(4)可知，振荡的俯仰驱动输出电压会影响到电机中的回路电压的振荡，导致电机的机械特性异常，即使电机的调节特性使其能正常运转带动天线的转动，但是长期不稳定的机械特性将会最终导致俯仰电机故障，使雷达系统俯仰不受控，最终致使天线系统故障。

3.4 激磁电压接触故障

由于稳定的110 V 激磁电压流经汇流环中的12、13 导电槽到俯仰发送器，当触点接触不良时产生的振荡阻抗分掉部分电压后，激磁电压不再稳定，长期不稳定的激磁电压作用于俯仰发送器将致其故障，出现俯仰精度不能正常锁定或者俯仰不受控等故障现象。

3.5 俯仰角保护信号接触故障

俯仰角保护信号相关触点接触不良时，雷达系统终端会不确定地报俯仰－2°或俯仰90°故障，这是由于俯仰角保护信号经汇流环中的5、6 导电槽后作用于保护开关，当经接触不良好产生的振荡阻抗分掉部分电压后，引起－2°保护开关或者90°保护开关闭合报相关故障，而天线运行实际俯仰角未到－2°或90°。

4 汇流环故障检测方法

根据新一代天气雷达业务需要的相关规定，CINRAD/CD 型雷达系统主要采用降水观测模式2(VCP21)，其完成一次体扫观测时间约为6 min。但当汇流环出现故障时，要么出现每次体扫时间相对不固定，要么出现雷达系统无法正常完成体扫等等，在排除其它故障因素的情况下，定位于汇流环引起的相关故障必须仔细检查汇流环中的电刷与导电槽的接触情况。

4.1 汇流环接触阻抗检测方法

通常情况下，出现天线系统故障时，一般考虑驱动电机故障、天线系统转台机械故障、伺服驱动系统故障等几大类，但是往往会忽略由于各系统间传输线路短路、断路、接触不良好等情况引起的故障，这就不得不考虑汇流环这个关键“信号中转站”，故这里主要说明汇流环部分检测方法。

在完全排除其他部分故障的情况下，根据汇流环功能及故障现象，可以初步定位汇流环中某些导电槽接触不良，进而用万用表检测这些导电槽与电刷间的阻抗值，具体方法为:在天线系统部分完全断电的前提下，人为推动天线转动，转动速度尽量接近于正常体扫时转动速度，然后将万用表一只表笔接触汇流环导电槽，另一只表笔接触汇流环电刷，检测导电槽与电刷间阻值，若出现万用表指针有读数且读数不为0 Ω 时，判定导电槽与电刷间接触不良好，这时候读取并记录各方位阻值，可以进一步判断汇流环导电槽或者电刷的磨损情况。

4.2 检测注意事项

4.2.1 根据电路分析基础知识得知，检测阻抗值、电容值、电感值等大部分无源器件在电路中相关数值时，必须断掉外加电源，若有外加电源时，会出现检测结果不准确或损坏器件等，所以在检测汇流环导电槽与电刷间阻抗值时，必须完全断开雷达系统电源。

4.2.2 根据导电槽与电刷间接触特点得知，每个电刷必须位于相应的导电槽正中央，否则导电槽将会与绝缘隔离塑料相摩擦引起接触不良好，检测出不真实的测量结果。

4.2.3 本检测方法中一定要注意的是天线是转动的，且只能在断电前提下人力推动其转动，才能检测出正确的结果。

5 小结

该文着重介绍汇流环整体功能，深入剖析汇流环各轨道槽的作用及其故障影响，得出汇流环故障检测方法。在CINRAD/CD 型天气雷达系统天线部分故障的维护维修过程中，对雷达系统保障工作人员具有一定的参考和指导作用。

［1］李明元. CINRAD－CD 雷达汇流环故障分析与排除［J］.贵州气象，2010，34(3).

［2］吴劲松，胡永松，武孔亮. CINRAD/CD 天气雷达天线控制故障的分析与排除［J］. 气象水文海洋仪器，2012，12(4).

［3］邹书平，武孔亮，罗京义，等. 雷达个例资料整编批处理技术与业务应用［J］. 气象科技，2012，40(4).

［4］焦中生，沈超玲，张云. 气象雷达原理［M］. 北京:气象出版社.