云南強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站的供電系統(tǒng)及主要設(shè)備故障檢修*

段建新，崔建文，楊黎薇

(云南省地震局，云南昆明650224)

云南強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站的供電系統(tǒng)及主要設(shè)備故障檢修*

段建新，崔建文，楊黎薇

(云南省地震局，云南昆明650224)

云南是我國(guó)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)分布較密集的地區(qū)，擁有強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站近300個(gè)，臺(tái)網(wǎng)年平均正常運(yùn)行率達(dá)99%以上。通過介紹云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)中臺(tái)站特殊的供電方式及其原理、供電設(shè)備、加速度計(jì)和強(qiáng)震動(dòng)記錄器常見故障及維修方法，以期對(duì)其它地區(qū)強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的維護(hù)有一定參考價(jià)值。

強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站;供電系統(tǒng);加速度計(jì);強(qiáng)震動(dòng)記錄器;設(shè)備故障檢修

0 引言

云南屬地震多發(fā)地區(qū)，布設(shè)了近300個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站。云南地域廣、地理環(huán)境特殊，氣候多樣，涵蓋了熱帶、溫帶和寒帶氣候，由于濕度大、溫差大、多雷電，以及布設(shè)于農(nóng)村地區(qū)的臺(tái)站交流供電不穩(wěn)等因素，導(dǎo)致臺(tái)站儀器設(shè)備極易出現(xiàn)故障，需要采取有效的措施保障臺(tái)網(wǎng)的正常運(yùn)行。

受地理?xiàng)l件的限制，云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站建設(shè)時(shí)，大部分臺(tái)站接地電阻不能滿足避雷接地的要求，按常規(guī)為臺(tái)站配備避雷設(shè)施，基本達(dá)不到期望的避雷效果。考慮到直擊雷在設(shè)備的雷電災(zāi)害中僅占很小的比例，而主要成災(zāi)原因是輸電線路引入雷。為解決避雷問題，臺(tái)站通過采用交直流隔離供電電源，將交流輸電線路與設(shè)備供電線路進(jìn)行物理隔斷的方式，避免了引入雷擊對(duì)電源后端觀測(cè)設(shè)備的危害。

云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站主要采用的是美國(guó)Kinemetrics公司和中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的記錄器和加速度計(jì)。儀器出現(xiàn)故障后，需要送北京、哈爾濱甚至美國(guó)修理，由于缺乏備用設(shè)備，一個(gè)故障臺(tái)要恢復(fù)觀測(cè)，常常需要15天以上。因此，提高臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行率，增強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)或者自行修復(fù)故障儀器的能力非常重要。現(xiàn)在的電子設(shè)備大多集成化、板件化，沒有專門的檢測(cè)設(shè)備，要確認(rèn)引起故障的元件很困難，但如果具備一定的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，再使用一些常用檢測(cè)設(shè)備，可自行修復(fù)部分故障設(shè)備，極大減少了儀器修復(fù)所耗的時(shí)間，提高臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行率。筆者在實(shí)踐中總結(jié)了一些加速度計(jì)產(chǎn)生故障的原因，摸索出儀器修復(fù)的一些經(jīng)驗(yàn)以供參考。

1 交直流隔離供電電源

云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站供電電源采用的是EA-T85型交直流隔離綜合電源。該電源采用純直流電瓶為后端設(shè)備供電，避免了交流浪涌及雜波對(duì)儀器設(shè)備的危害，而其最突出的特點(diǎn)是，由于直流供電系統(tǒng)與交流輸電系統(tǒng)是隔離的，避免了引入雷對(duì)電源后端設(shè)備的沖擊，極大地降低了雷電對(duì)臺(tái)站設(shè)備的危害。經(jīng)過近5年的運(yùn)行，該電源的設(shè)計(jì)達(dá)到了預(yù)期的效果。

1.1 設(shè)計(jì)思路及原理

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球有75%的雷電災(zāi)害來源于電網(wǎng)及通訊線路，其中絕大部分雷電災(zāi)害又來自于電網(wǎng) (李泰國(guó)，2003)。盡管目前避雷設(shè)備有很多種，但對(duì)接地有很高的要求，一般情況下，很難達(dá)到預(yù)期的避雷效果。因此，從電源設(shè)計(jì)方面來減少雷電的危害一直受到關(guān)注。

現(xiàn)代數(shù)字化觀測(cè)設(shè)備價(jià)格昂貴，交流電網(wǎng)的浪涌及雜波也常造成儀器故障，云南測(cè)震及前兆觀測(cè)臺(tái)站的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，其絕大部分的儀器故障來自于電源。因此，過濾交流電網(wǎng)的浪涌及雜波也是供電電源需要解決的主要問題。

為解決上述問題，筆者設(shè)計(jì)了EA-T85型交直流隔離綜合電源。該電源通過控制雙蓄電池交替對(duì)后端設(shè)備供純直流電，實(shí)現(xiàn)了交流電網(wǎng)與觀測(cè)系統(tǒng)的完全隔離，避免了雷擊、交流浪涌及雜波對(duì)觀測(cè)系統(tǒng)的危害。

在正常的工作狀態(tài)下，由該電源控制的兩個(gè)蓄電池總保持一個(gè)供電，另一個(gè)充電，結(jié)構(gòu)原理如圖1所示，其系統(tǒng)主要分為充電和供電兩個(gè)部分，充電環(huán)節(jié)包括交流變壓及整流電路、紅外接收管、紅外接收控制電路、直流充電電路、充電檢測(cè)控制電路、繼電器切換電路;供電部分為直流檢測(cè)電路及紅外發(fā)射管，兩個(gè)部分由繼電器切換電路及紅外對(duì)管進(jìn)行物理隔離。

當(dāng)直流檢測(cè)電路檢測(cè)到供電的蓄電池電壓低于下限電平時(shí)，紅外發(fā)射管向接收控制電路發(fā)信號(hào)，繼電器進(jìn)行切換，讓供電的蓄電池轉(zhuǎn)入充電狀態(tài)，而處于充電狀態(tài)的蓄電池轉(zhuǎn)入供電。

圖1 EA-T85型綜合電源設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 EA-T85 integrated power of AC-DC isolation

1.2 EA-T85型綜合電源常見故障維修

EA-T85型綜合電源雖然具有隔離雷擊的作用，但自身抗雷擊能力卻不強(qiáng)，雷雨季節(jié)，頻繁的雷電常常導(dǎo)致電源故障。最常見故障是過高的雷擊電壓導(dǎo)致變壓器燒毀，充電電路中的三端穩(wěn)壓塊及切換電路中的觸發(fā)器、六反相器集成塊損壞，電路板的印刷線路燒斷。但損壞的器件都是常用器件，成本很低且在市場(chǎng)上容易買到。

大部分故障可通過面板指示狀態(tài)來判斷。檢查故障時(shí)先斷開兩只蓄電池，打開電源開關(guān)，觀察電壓指示。兩個(gè)電壓表無電壓指示的原因一般是切換部分的繼電器接觸不好或電路板印刷線路燒斷。若其中一個(gè)電壓表指示大大偏離14.2 V，一般是穩(wěn)壓塊損壞。若電池供電指示中的手動(dòng)按鈕切換無反應(yīng)，正常情況下2個(gè)指示燈只有其中一個(gè)亮，若2個(gè)指示燈都亮或不亮，一般是三端穩(wěn)壓塊燒壞或切換電路中的集成塊損壞，具體情況可用萬用表來測(cè)量各點(diǎn)電壓來判斷。

2 強(qiáng)震動(dòng)儀器故障檢修

2.1 SLJ-100加速度計(jì)檢修

目前云南大部分強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站的加速度計(jì)是中國(guó)地震局工程力學(xué)研究所生產(chǎn)的SLJ-100型外置加速度計(jì)。由于云南氣候潮濕以及加速度計(jì)生產(chǎn)工藝存在不足，加速度計(jì)常出現(xiàn)內(nèi)部受潮導(dǎo)致電路板腐蝕、磁缸銹蝕等故障，主要表現(xiàn)為零點(diǎn)不穩(wěn)、漂移、自激、阻尼線圈不能自由擺動(dòng)等。

當(dāng)出現(xiàn)上述故障時(shí)，應(yīng)打開加速度計(jì)外殼，檢查電路板和磁缸是否腐蝕及銹蝕。如果電路板的腐蝕和磁缸銹蝕不嚴(yán)重，則可通過清理缸體的銹蝕來進(jìn)行修理。清理時(shí)，拆卸有故障的電路板及擺系，拆卸時(shí)要先焊阻尼線圈及電容擺系的引線，細(xì)心清除電路板上的氧化物及磁缸磁隙間的銹渣，通過清理，大部分因電路板和磁缸腐蝕及銹蝕的故障可排除。

若通過上述處理故障仍未排除，則需要通過測(cè)試儀器來檢查故障原因。圖2是加速度計(jì)的電路原理，該電路中采用了U1、U2兩片運(yùn)放集成塊。通電后用萬用表負(fù)極接地測(cè)量U1的4、11腳和U2的4、7腳均有±12 V電壓，若沒有電壓，需要檢查加速度計(jì)插座1、2腳對(duì)地是否有±12 V電壓，若有電壓則插座至電路板線路不通，需檢查原因;若電壓正常，則用示波器檢查，先看U1的1、7腳是否有Vpp約13V/50kHz的正弦波，如果沒有，大部分情況下是U1、Q1、Q2或者相關(guān)阻容元件損壞，或者是阻尼線圈開路，通過檢查相應(yīng)的元器件，更換損壞的元器件后即可修復(fù);若波形正?？赏ㄟ^信號(hào)發(fā)生器從擺的一組測(cè)試線圈送入1～10 Hz的正弦波，然后用示波器看U1的14腳是否有50 kHz的正弦波幅度隨輸入信號(hào)的頻率變化。若有，檢查U1的8腳及U2的3、6腳是否有1～10 Hz的正弦波信號(hào)，如果哪一級(jí)沒有信號(hào)請(qǐng)按上述步驟檢查相關(guān)元件是否損壞 (即U1、U2、Q1、Q2及相關(guān)阻容元件)。加速度計(jì)修好后可通過信號(hào)發(fā)生器送入1～80 Hz的正弦波、三角波、方波，然后用示波器觀察加速度計(jì)輸出波形的還原性及幅頻特性，輸出幅度調(diào)在Vpp為2 V以內(nèi) (圖3～5)，最后應(yīng)上振動(dòng)臺(tái)進(jìn)行標(biāo)定。

圖2 SLJ-100加速度計(jì)原理圖Fig.2 Schematic diagram of SLJ-100 accelerometer

2.2 強(qiáng)震動(dòng)記錄儀器的故障檢查

云南強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)站使用的記錄器大多為ETNA和K2，因此，這兩種儀器出現(xiàn)的故障相對(duì)較多。

ETNA記錄器主要由主板、前面板、GPS板、存儲(chǔ)板及IO接口組成，常出現(xiàn)故障為前面板、主板、GPS板損壞。主板故障一般表現(xiàn)為EVENT指示燈一直閃爍不停，電腦與儀器通信連接不上。當(dāng)面板RUN/FAULT指示燈不亮?xí)r，一般是電源故障，可先檢查記錄器電源插口A、B腳是否有14V電壓，儀器內(nèi)保險(xiǎn)管是否燒斷，再檢查前面板元器件是否有明顯燒壞。

圖3 信號(hào)發(fā)生器輸入加速度計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)波形Fig.3 Standard waveform showed by accelerometer when entering signal by signal generator

圖4 輸入2 Hz信號(hào)時(shí)的加速度計(jì)輸出波形Fig.4 Output waveform showed by accelerometer when entering signal of 2 Hz

K2記錄器主要由前面板、電源板、處理板、GPS板、存儲(chǔ)板、采集板及IO接口組成，常出現(xiàn)故障為死機(jī)，前面板、電源板、采集板、GPS板損壞。對(duì)于面板指示燈不亮的情況，有可能是K2記錄器死機(jī)現(xiàn)象，這時(shí)將儀器電源開關(guān)反復(fù)關(guān)啟來恢復(fù)。如不能恢復(fù)，則需檢查記錄器電源插口A、B腳是否有24V電壓，儀器內(nèi)保險(xiǎn)管是否燒斷，再檢查前面板元器件是否有明顯燒壞，交換電源板檢查。

圖5 輸入15Hz信號(hào)時(shí)的加速度計(jì)輸出波形Fig.5 Output waveform showed by accelerometer when entering signal of 15Hz

ETNA和K2記錄器采用的是多層大規(guī)模集成電路，要自己檢查、更換板件上的元器件基本上不可能，因此，這兩種儀器故障檢查一般在初步判定故障部位后，只能通過更換板件的方式進(jìn)行檢查。在使用一段時(shí)間后，兩種儀器出現(xiàn)的一個(gè)問題是，存儲(chǔ)卡無內(nèi)容顯示、也不能存入數(shù)據(jù)，一般情況下通過反復(fù)拔插存儲(chǔ)卡可恢復(fù)，否則表明存儲(chǔ)卡已損壞。ETNA和K2的電源適配器也是損壞率較高的部件，可在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上購買性能相同的產(chǎn)品替代。

3 結(jié)語

通過采用交直流全隔離供電的方式后，雖然供電電源多次遭遇雷擊而損壞，但在云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)運(yùn)行近5年的300多套強(qiáng)震動(dòng)儀還未有雷擊損壞的現(xiàn)象發(fā)生。相比于強(qiáng)震動(dòng)儀，電源設(shè)備從價(jià)值和維修難度上，較強(qiáng)震動(dòng)儀低很多，讓電源承受雷擊，將有效降低臺(tái)站的損失，并控制故障率。

由于制造工藝還存在不足，加速度計(jì)更多的故障是由密封缺陷，導(dǎo)致電路板和磁缸受潮腐蝕和銹蝕而引起。在腐蝕和銹蝕不嚴(yán)重的情況下，其檢修的關(guān)鍵清理腐蝕和銹蝕，這樣可解決大部分加速度計(jì)故障。對(duì)于檢修過的加速度計(jì)，一個(gè)必須的步驟是標(biāo)定加速度計(jì)，以了解檢修后加速度計(jì)的特性。

ETNA和K2強(qiáng)震動(dòng)記錄器的維修主要在于判斷故障位置，通過更換故障板件進(jìn)行維修，這樣可實(shí)現(xiàn)記錄器的現(xiàn)場(chǎng)檢修，而不必將整臺(tái)記錄器送修，可節(jié)約時(shí)間和成本。這些措施采取，有效保證了云南強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的正常運(yùn)行。

李泰國(guó).2003.建設(shè)安全技術(shù)與管理基礎(chǔ)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.

Trouble Shooting of Power Supply System and Main Equipment of Yunnan Strong Motion Observation Station

DUAN Jian-xin，CUI Jian-wen，YANG Li-wei
(Earthquake Administration of Yunnan Province，Kunming 650224，Yunnan，China)

There are more than 300 strong earthquake stations in Yunnan，where displayed a dense strong motion observation network in China.After observing for many years，the average annual normal operation rate of strong motion observation network have reached more than 99%.We introduce the special power supply mode and its working principles，power supply equipments of strong motion stations and the common troubles and maintenance method of accelerometers and strong motion recorders in strong motion seismic network in Yunnan.It could provide reference value for the maintenance of strong motion seismic network in the other areas.

strong motion stations;power supply system;accelerometer;strong motion recorder;equipment trouble shooting

P315.9

A

1000－0666(2012)03－0434－06

2012－02－06.