發射機高壓打火典型故障的工程分析與排除驗證方法

沈春元

(海軍駐南京地區雷達系統軍事代表室，南京 210003)

0 引言

高壓功率放大技術廣泛應用于具有高功率發射要求的雷達等設備中，由于其高壓、高功率特性要求，在發射機的研制與生產過程中較常出現設備故障，而最為常見的故障是高壓打火故障。

高壓打火故障危害大，故障后原因排查難度高，且難以復現和故障歸零。雖可能暫時排除了故障，但因未能根本解決問題而在后續會重現類似故障。為此，針對雷達發射機工程研制中的典型高壓打火故障現象，結合故障查找與排除的工程實踐，對發射機高壓打火典型故障的工程分析及其排除應用方法進行了系統的分析與探討，以期進一步明確分析和解決高壓打火故障的技術思路與工程途徑［1-2］。

1 典型發射機高壓電路設計特點及其高壓打火故障特征現象

1.1 典型發射機高壓電路設計特點

采用柵控行波管的高壓大功率發射機，其高壓電路主要涉及柵控行波管、高壓電源電路和高壓絕緣板電路(主要是限流電阻和柵極調制器）。其高壓電源與柵控行波管等的基本電連接原理為:高壓電源輸出的高壓通過高壓絕緣子、高壓線、第一個限流電阻、第二個限流電阻、保險絲、第三個限流電阻等至高電位調制器及行波管陰極。在工程應用中限流電阻和保險絲可安裝在高壓絕緣板背面，高電位調制器安裝在高壓絕緣板的正面。

典型高壓電源到行波管電連接和高壓絕緣板背面的工程安裝設計如圖1和圖2。

圖1 高壓電源到行波管電連接圖

圖2 調制器底板高壓安裝位置示意圖

1.2 典型高壓打火故障特征現象

針對圖1、圖1所示的發射機，其典型高壓打火故障現象一般可分為兩個層次級:一是跳高壓，顯示“過流”故障，能聽到明顯的聲音，復位后能重新開機加高壓;二是跳高壓，顯示“過流”“高壓”等故障，打火聲音響脆，損壞低壓電路器件，復位后無法加上高壓。

出現高壓打火故障現象的主要階段是發射機長期不開機后開機工作或在濕熱環境條件下工作。

2 故障排查與分析

2.1 故障排查

針對發射機高壓打火故障現象多樣、高壓擊穿打火故障會出項“自愈特性”(擊穿后，暫時恢復正常）使得故障難以復現等特點，對發射機高壓打火故障可根據發射電路原理及高壓部件的物理位置，采用分層逐步排查法。基于圖1、圖2所示的發射機，其高壓打火故障排查與分析方法主要有行波管打火可能性的排查、行波管打火可能性的排查、高壓絕緣板限流電阻部位打火可能性的排查和高壓電源高壓組件打火可能性的排查。

2.1.1 行波管打火可能性的排查

行波管打火相當于行波管陰極對地擊穿短路。為了保護電路，在排查故障時采用在打火回路中串聯了3個限流電阻和串聯了1個保險絲，這樣將行波管打火電流降到使打火能量不會很大，同時保險絲也能取到一定的保護作用，打火時基本不會損壞低壓電路器件，有時會燒毀保險絲。這與第一級的打火故障現象有些類似，但與第二級打火現象不相符合。我們開始也懷疑到行波管，多次監視行波管的工作電流，打火時未觀察到行波管電流有特別的異常之處;又幾次更換行波管，但打火故常仍偶有發生，因此可以排除行波管打火問題的可能性。

2.1.2 高電位調制器打火可能性的排查

高電位調制器的公共參考電位就是行波管陰極。高電位調制器安裝在高壓絕緣板的正面，其上任一部位或器件對地電位打火均帶來發射機打火。高電位調制器的高壓經過多限流電阻引入，與行波管一樣，打火能量不會很大，打火聲音也不會大。經檢查，高電位調制器上任意一點對地的距離超過12 cm，不太可能發生擊穿，也未觀測到打火痕跡，而且高電位調制器上的電路從未被打火燒毀。所以，高電位調制器上打火的可能性不大。

2.1.3 高壓絕緣板限流電阻部位打火可能性的排查

高壓絕緣板上有3個串聯限流電阻和1個保險絲，有多處高壓點:第1個限流電阻輸入端(圖2中a點）、第1個限流電阻輸出端(圖2中d 點）、第2個限流電阻輸入處(圖2中f 點）、第2個限流電阻輸出端及保險絲(圖2中c 點）、第2個限流電阻輸入端(圖2中b 點）和第2個限流電阻輸出端(圖2中e 點）。下面分別進行分析:

(1）第3個限流電阻輸出端(圖2中e 點）

與發射管打火一樣，第3個限流電阻輸出端及浮動板電路打火要經過多個串聯的限流電阻和保險絲，打火電流減小約135A，打火聲音小，經常會燒保險絲，與行波管打火類似，不太會損壞低壓電路器件。再仔細觀察該點近處并無低壓點，難以構成打火通路，因此可以排除該處打火可能性。

(2）第3個限流電阻輸入端和第2個限流電阻輸出端及保險絲(圖2中b、c 點）

這兩處打火回路要經過兩個串聯的限流電阻及保險絲，打火電流約200 A(27 kV/136 Ω），打火能量不是很大，因而打火聲音小，一般不太會損壞低壓電路器件。這與第一級打火現象比較相符，而且b、c 點與低電位的金屬導軌間距只有5 cm，容易形成放電通路。仔細觀察后發現，b、c 點所對應的導軌附近還隱約可見打火黑點，所以第一級打火可能由b 點或c 點對導軌擊穿引起。

(3）第2個限流電阻輸入端和第1 一個限流電阻輸出端(圖2中d、f 點）

這兩處打火回路只經過一個限流電阻，打火電流約400 A(27 kV/68 Ω），打火能量較大，因而打火聲音也較大，可能損壞低壓電路器件，與第二級打火現象有相符之處。不過，該處未發現打火痕跡，且其部位遠離低壓端(離最近的低壓端有12 cm 以上的間距），所以打火的可能性不大。

(4）第1個限流電阻輸入端(圖2中a 點）

該處高壓直接來自高壓電源，打火相當于直接短路高壓電源，打火能量相當大(如果高壓電源內阻小，瞬間電流可達幾千安培）因而打火聲音很響，可能損壞低壓電路器件。與第二級打火現象相符，雖未發現打火痕跡，但該處與低壓端(金屬導軌）間距僅5 cm。所以，第二級打火可能由a 點對金屬導軌擊穿造成。

2.1.4 高壓電源高壓組件打火可能性的排查

高壓組件通過高壓絕緣子輸出高壓。如果高壓組件打火短路，相當于將27 kV的高壓電源直接短路，打火能量非常大，常會損壞低壓器件，與第二級打火燒壞電路現象有些類似。高壓組件可能發生在組件內部或組件外部絕緣子部位。高壓組件內部打火通常因為內部安裝問題、變壓器油質問題、高壓電容耐壓不夠等因素造成。打火時聲音沉悶，不會發出響脆聲音，故高壓組件內部打火可能性不大。高壓組件絕緣子自身耐壓能力一般非常強，絕緣子“葫蘆串”式的結構外形也加大了高低壓間的爬電距離，如果不是特別臟的話，該部位不太會發生打火。

根據上述分析，由于圖2中高壓點a、高壓點b、高壓點c與機柜金屬導軌(低電位）都通過高壓絕緣板安裝在一體，且其間距離較近(約5 cm），當絕緣板比較臟時，容易發生擊穿打火。這幾個部位打火與前面所述的發射機兩級高壓打火現象都比較相符，故可以判斷發射機打火故障可能由于高低壓距離太近、絕緣板太臟引起。

3 理論分析與故障試驗驗證

3.1 理論分析

高壓工作時，高壓電位與低壓電位間形成電場，其間介質發生電離，當電壓增加并超過極限時，介質中電子被高電場拉出并在電場作用下形成電流，此時介質喪失絕緣性能，發生高壓打火。

從圖2中可以看出，由于高低壓電路同時安裝在絕緣板上，這樣高低壓之間實際有3 條“路”:絕緣介質、空氣、絕緣板上的污染物，見圖3。高低壓電路間的絕緣電阻為理想介質絕緣電阻、空氣絕緣電阻、“污染物介質”絕緣電阻并聯決定，三者數值均與距離成正比，并聯電阻主要取決于其中最小的電阻。

圖3 高低壓通路示意圖

理想介質絕緣電阻往往很大，耐壓能力特別強，選用的絕緣板耐壓指標為12 kV/mm。而正常空氣成分、正常大氣壓下，空氣耐壓指標約為2.5 kV/mm。但是，該性能會隨濕度增加、隨空氣中導電灰塵含量增加而下降，考慮室內機柜使用環境，一般按1 kV/mm設計。“污染物介質”絕緣能力取決于污染物成分及分量。污染物來自其所處的環境即空氣，由于高壓靜電吸附作用及灰塵堆積問題，絕緣板上的污染物密度一定大于空氣中雜質密度。所以，同樣間距的“污染物介質”的耐壓能力低于空氣耐壓能力。在密閉機柜潔凈環境中，“污染物介質”耐壓可以按0.5～0.7 kV/mm 設計，27 kV 高低壓間隔距離應該大于5.4 cm 才比較安全。可以看到，上述3 種介質中，“污染物介質”耐壓最低(污染物介質導電稱之為“爬電”，指電從污物中爬過）。所以，高壓耐壓設計時首先要考慮的就是污染物耐壓問題。

3.2 故障試驗驗證

為驗證分析，將新絕緣介質板(后稱“新介質板”）以及原裝機用的絕緣介質板(后稱“老介質板”）進行高壓耐壓試驗，試驗圖如圖4所示。圖4中高壓臺輸出高壓送絕緣板A、B兩點，測試A、B兩點間的耐壓能力及漏電流。如果A、B兩點間絕緣電阻減小，漏電流將會增加，通過電流感應器檢測并送示波器觀察其電流，電流感應比為:I(mA）=16 U(V）;擊穿時，A、B兩點形成通路，電流劇增，高壓臺儲能電容會發出巨大放大聲音，高壓臺跳高壓保護。

圖4 絕緣介質板耐壓/漏電流測試圖

3.2.1 新介質板5 cm 間距

用一塊新介質板，在5 cm 間距上加30 kV，聽不到打火拉弧聲音，測試回路電流波形見圖5。由圖可見，電流波形清晰，未見拉弧電流波形，絕緣特性良好。

圖5 新介質板5 cm 間距30 kV 漏電流波形

3.2.2 老介質板5 cm 間距

用受污染的老介質板，在5 cm 間距上加30 kV，聽到明顯打火拉弧聲音。測試回路電流波形見圖6，可以看到電流波形上有密集的拉弧電流茅草，平均幅度為0.5 V，相當于8 mA 漏電流，有些拉弧幅度相當高，超出6 V，說明拉弧電流已大于96 mA，介質板絕緣性能已經明顯下降。

3.2.3 老介質板10 cm 間距

用與上面完全相同的受污染的老介質板，在10 cm 間距上加30 kV 高壓，聽出輕微的拉弧聲音，測試回路電流波形見圖7，可以看到，圖中拉弧電流茅草大為下降，平均幅度約為0.2 V，相當于3.2 mA 漏電流，不再有大的拉弧電流了。

上述試驗證明:高低壓間距越大，耐壓能力越強;絕緣介質板上高低壓點間的污染物和水汽會降低耐壓能力。

圖6 老介質板5 cm 間距30 kV 漏電流波形

圖7 老介質板10 cm 間距30 kV 漏電流波形

綜上所述，為了保證高壓正常工作，一是要保證高壓部位的潔凈度，二是要提高高低壓間的間隔距離。

4 故障解決問題措施及故障排除結論意見

針對上述發射機高壓打火故障的排查、定位、分析與驗證，在工程實際中所采用的主要用針對性故障解決措施包括:

(1）提高循環通風裝置的設計要求，對其送風溫度、濕度、含塵量加以定量控制;定期清潔密閉風道;保證密閉機柜環境潔凈;

(2）清洗高壓部位，保證高低壓間環境潔凈，并制度化;

(3）修復被損壞電路，更換高壓組件和新介質板，防止打火損傷組件內部器件，保證介質板絕緣能力;

(4）將圖2中金屬導軌換成環氧導軌(該導軌已通過環境應力試驗，表明強度沒有問題）;更換后，高壓與機殼(地電位）最近距離增加到約10 cm，可以抗拒更惡劣的空氣環境。

采取的故障解決措施經工程實際應用后表明，在此類發射機研制中未再發現類似問題。

綜合上述發射機高壓打火問題的現象分析和理論分析并根據針對性的試驗驗證結果，可以得出按此方法進行發射機高壓打火故障的排查與排除，在工程實際中的應用基本結論性意見為:故障主要原因為高壓耐壓距離設計臨界，同時設計中對高壓使用環境的設計要求不足;本方法對此故障的定位準確，理論分析合理，解決措施可行。

5 結束語

為提高發射機的設計質量，提前避免和有效解決可能存在的輻射計高壓打火故障現象，應針對高壓大功率發射機的技術要求，進一步完善和規范高壓電路的設計研制方法，其主要要求為:

(1）針對發射機高壓部位耐壓要求，采用工程冗余設計技術，進行高壓安全的統一設計，特殊部位應加大冗余設計指標，明確并細化高壓部位的環境使用要求材料使用標準;

(2）加強結構工藝在高壓部位安全設計的力度，從材料選用、生產加工工藝到整機的結構設計和環境適應性等方面，不斷提高設計水平能力;

(3）加強方案和設計的驗證與評審，系統進行可靠性、維修性、安全性、保障性、環境適應性、可測試性的綜合設計，加強研制全過程的技術狀態控制。

［1］強伯涵，魏智.現代雷達發射機理論設計和實踐［M］.北京:國防工業出版社，1985.

［2］施圍，邱毓昌，張喬根.高電壓工程基礎［M］.北京:機械工業出版社，2006.6.