陽極脈沖變壓器損壞的原因分析和解決方法

馮愛莉

摘 要：DSC單芯多功能測井儀包含中子氧活化、中子壽命、自然伽馬、CCL、溫度和壓力測井儀。一次下井可以完成井溫、壓力、自然伽馬、CCL、遠(yuǎn)/近俘獲Σ及各種條件下的流量參數(shù)測量。僅中子氧活化測井在河南油田東部市場每年有100多井次的工作量，是測井公司主要的施工項(xiàng)目之一，其原理是通過對中子活化伽馬射線時(shí)間譜的測量來反映油管內(nèi)、環(huán)形空間、套管內(nèi)外水的流動(dòng)狀況，通過解析時(shí)間譜計(jì)算出水流速度、進(jìn)而計(jì)算水流量。本文對井下儀器電路原理進(jìn)行了介紹，對2006年到2010年五年間該儀器的陽極脈沖變壓器損壞的原因進(jìn)行了分析（共17只），針對這一多發(fā)故障提出了解決方案。

關(guān)鍵詞：氧活化；離子源電路；陽極脈沖變壓器；TVS二極管

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.04.170

1 儀器的構(gòu)成

儀器由便攜式地面系統(tǒng)和井下儀器組成。地面系統(tǒng)包含主機(jī)/數(shù)據(jù)采集處理及電源/打印機(jī)兩個(gè)箱體。井下儀器由溫度/壓力/伽馬/CCL的遙測短接、上中子發(fā)生器短接、采集短接、和下中子發(fā)生器短接共四大部分組成。

陽極脈沖變壓器是采集短接中離子源控制電路的組件，其作用是將90V脈沖信號變成1800V脈沖信號、通過開關(guān)模塊分別給上、下中子發(fā)生器陽極供電。

2 井下儀器簡介

遙測短接是儀器的核心，其功能是與地面儀器通訊，接受命令并上傳數(shù)據(jù)；與其他短節(jié)通訊，傳遞命令并接受數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)溫度、壓力、CCL、自然伽馬的信號采集；提供90V直流穩(wěn)壓電源。采集短接的功能：產(chǎn)生中子發(fā)生器工作所需的燈絲電流和陽極脈沖；定時(shí)序?qū)?個(gè)伽瑪探頭信號進(jìn)行采集計(jì)數(shù)；遙傳短節(jié)來的地面命令，按命令改變工作模式；短節(jié)內(nèi)的數(shù)據(jù)和狀態(tài)通過串行口上傳至遙傳短節(jié)。發(fā)生器短節(jié)功能是根據(jù)命令加減靶壓（0-110KV），使靶壓穩(wěn)定在所需大小。當(dāng)靶壓到一定值，燈絲電流正常，在來陽極脈沖時(shí)，中子管就打出中子。

儀器命令及數(shù)據(jù)信息均以脈沖編碼（PCM）形式在測井電纜上傳送，屬半雙工通訊。井下儀器每隔50mS發(fā)送一組數(shù)據(jù)并接收一次命令，稱一幀，每秒傳20幀。

井下儀器內(nèi)部通信是由井下儀器各個(gè)單片機(jī)通過串行口或并行口互相傳遞數(shù)據(jù)和命令的過程。

3 陽極脈沖變壓器（T2）相關(guān)電路的作用

電路功能介紹（見上圖）。C17、R1構(gòu)成微分電路，將NB1的正脈沖轉(zhuǎn)化為負(fù)脈沖。R2、VT7構(gòu)成脈沖放大電路，將-5V負(fù)脈沖放大為-15V負(fù)脈沖。R3、R4、C19、C18、U1、C3、R5構(gòu)成脈沖整形電路。對放大后的-15V脈沖整形、使其為+15V標(biāo)準(zhǔn)方波。L2、C5構(gòu)成抗干擾電路。防止振蕩電路對90V穩(wěn)壓電路的干擾。VT1、C4、陽極變壓器T2的初級（1、2腳）構(gòu)成震蕩電路。+15V脈沖讓VT1導(dǎo)通或截止、使通過陽極變壓器T2的初級加載的90V直流電壓變?yōu)?0V脈沖信號。

陽極脈沖變壓器T2的初級（1、2腳）90V脈沖經(jīng)陽極變壓器耦合、在次級（5、6腳）輸出1800V脈沖。

開關(guān)模塊功能：開關(guān)模塊NBD控制端是和1800V脈沖有90度相位差、NBD脈沖上升沿通過開關(guān)模塊內(nèi)部控制電路使陽極高壓1800V脈沖下降沿快速導(dǎo)通、這樣可以使陽極高壓1800V脈沖無拖尾現(xiàn)象、避免了發(fā)生器產(chǎn)額拖尾、影響計(jì)算值。

R30、VD5、R6、VD4陽極變壓器T2的次級（3、4腳）產(chǎn)生陽極電壓狀態(tài)碼Vam輸入到單片機(jī)IU3最終反饋到地面系統(tǒng)。

R10、R11、R12、C7、C8、U2A 及R13、R16構(gòu)成陽極電路采樣電路。將采樣電壓通過IU3的17腳Vin輸入單片機(jī)比較、計(jì)算最終將陽極電流Ia反饋到地面系統(tǒng)。

U4、VD14、R26和U5、VD15、R27上下中子發(fā)生器選擇電路。由地面系統(tǒng)下發(fā)的命令、最終通過離子源控制電路的單片機(jī)IU314腳和13腳來選擇上、下中子發(fā)生器哪個(gè)工作。

4 陽極脈沖變壓器損壞的原因分析

4.1 原因分析

（1）匝間擊穿：經(jīng)過對陽極脈沖變壓器的拆解、我們發(fā)現(xiàn)漆包線層間絕緣膠帶有損傷、屬于產(chǎn)品制造過程中的瑕疵，發(fā)生過一例。（2）外層磨損：由于儀器的外徑是43mm、內(nèi)徑僅32mm，且內(nèi)部元器件多，而陽極脈沖變壓器的尺寸較大，在儀器維保時(shí)很容易和外管接觸造成變壓器絕緣層磨損。我們用ZC-7型絕緣電阻表測量了有磨損的變壓器，其耐壓值在1600V～2000V之間，遠(yuǎn)小于額定值2500V。（3）陽極脈沖變壓器輸出瞬間電壓過高：變壓器輸出電壓是90V，但在我們的實(shí)際測量中發(fā)現(xiàn)，儀器工作中陽極脈沖電壓瞬態(tài)干擾經(jīng)常可以達(dá)到2700V。（4）變壓器引線處焊點(diǎn)問題：在廠家儀器裝配或儀器維修時(shí)由于人工操作容易造成變壓器引線處焊點(diǎn)處理不好導(dǎo)致絕緣下降。

4.2 降低陽極脈沖變壓器損壞的措施

（1）外層絕緣處理：對外層磨損的問題，我們將變壓器外層絕緣層材料更換成3M公司生產(chǎn)的高溫聚胺脂膠帶。其特點(diǎn)是耐磨、耐高壓，用2500V絕緣電阻表對單層試驗(yàn)多次均未擊穿。（2）增加保護(hù)電路：經(jīng)過我們分析發(fā)現(xiàn)陽極電壓明顯存在瞬態(tài)干擾，其特點(diǎn)作用時(shí)間極短，但電壓幅度高、瞬態(tài)能量大、破壞性很大。經(jīng)和廠家協(xié)作，我們在陽極電壓輸出端加接4只450V的TVS管、使電壓鉗位在1800V。（見圖2）。TVS二極管是一種在穩(wěn)壓管工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效能的電路保護(hù)器件，當(dāng)TVS管兩端經(jīng)受瞬間的高能量沖擊時(shí)，它能以極高的速度（最高達(dá)10-12次方秒）使其阻抗驟然降低，同時(shí)吸收一個(gè)大電流，將其兩端間的電壓箝位在一個(gè)預(yù)定的數(shù)值上，確保后面的電路元件免受瞬態(tài)高能量的沖擊而損壞。（3）引線絕緣處理：對陽極變壓器初、次級引線的焊點(diǎn)全部進(jìn)行重新焊接和絕緣處理。

2011年底我們對4只采集短接采取以上措施后，至今僅損壞一只陽極脈沖變壓器，大幅度降低儀器了的故障率。

參考文獻(xiàn)：

[1]西安奧華電子.DSC單芯多功能測井儀維修手冊[K].2006：26-30.

[2]www.datasheet5.com元器件參數(shù)查詢.