河源臺(tái)地電專用電源和外線路故障查修方法

陳智群， 劉吉平， 李 敬

(1. 廣東省地震局新豐江中心地震臺(tái)， 廣東 河源 517021； 2. 廣東省地震局， 廣東 廣州 510070）

0 引言

電阻率專用觀測(cè)電源和外線路是地電觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。 觀測(cè)電源由于長期工作于大電流高電壓狀態(tài)， 其故障率在整個(gè)觀測(cè)系統(tǒng)故障中占比最高； 外線路由于線路長、布線周圍環(huán)境復(fù)雜， 故障率也很高， 特別是采用四極對(duì)稱觀測(cè)方法的架空裸線， 常出現(xiàn)人為因素導(dǎo)致線路損壞或障礙物碰觸線路導(dǎo)致漏電等情況。 因此， 臺(tái)站一線觀測(cè)人員積累查修經(jīng)驗(yàn)， 在相關(guān)故障出現(xiàn)時(shí)能夠快速查明原因并及時(shí)修復(fù)， 對(duì)保障地電儀器觀測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行安全連續(xù)、 觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠等方面具有非常重要的意義。

廣東河源臺(tái)地電觀測(cè)儀器為C-ATS 數(shù)字地電儀， 其配套的觀測(cè)電源為P-C.ATS 穩(wěn)壓電源。 三道外線路分別為： 南北向（N27°E、997 m），東西向（N80°W、1032 m），東西向短測(cè)道（N80°W′、 54 m， 臺(tái)站院子內(nèi)深孔布極）， 均為4 mm2銅包鋼架空裸線， 采用對(duì)稱四極方法布極。

1 儀器基本工作原理

1.1 地電阻率觀測(cè)的基本原理

地電阻率觀測(cè)的物理量是地球介質(zhì)視電阻率ρs、 自然電位差Vsp及其隨時(shí)間的變化。 觀測(cè)方法一般采用對(duì)稱四極法， 觀測(cè)原理示意圖如圖1， 圖中E 為供電電源， K 為開關(guān)， A、B 為供電電極， M、 N 為測(cè)量極， O 為裝置中心。 觀測(cè)時(shí)供電電源E 通過A、 B 供電極向地下提供直流電， 測(cè)定供電電流強(qiáng)度I 和測(cè)量極M、 N 之間的人工電場(chǎng)電位差ΔV， 根據(jù)電阻率計(jì)算公式計(jì)算出ρs。 式中， K 為具有長度量綱的裝置系數(shù)， 其大小取決于A、 B、 M、 N 四個(gè)電極的相對(duì)位置[1]， K 的計(jì)算公式為：

上式中， AM、 AN、 BN、 BM 為相應(yīng)電極間的距離， 單位為m， ΔV 的單位為伏特， I 的單位為安培， ρs的單位為歐姆·米（Ω.m）， 當(dāng)裝置系統(tǒng)確定后， K 為一常數(shù)。

圖1 地電阻率觀測(cè)原理示意圖Fig.1 Diagram of earth resistivity observation principle

1.2 P-C.ATS 穩(wěn)壓電源工作原理

P-C.ATS 穩(wěn)壓電源是C-ATS 數(shù)字地電儀專用觀測(cè)電源， 其工作原理如圖2， 電源變壓器T 將交流220V 變?yōu)?00V 電壓后通過整流橋堆D 整流， 電容C1 等元件濾波后輸出2A、122 V 直流電。 圖中R3 是個(gè)大功率（50W、30Ω）可調(diào)電阻， 可以調(diào)整電源輸出電流的大小，是本電源中的一個(gè)關(guān)鍵元件。

圖2 C-ATS 地電儀專用電源電路原理圖Fig.2 Diagram of special power supply circuit principle of C-ATS

C-ATS 地電儀以間斷方式工作， 平時(shí)全系統(tǒng)均處于關(guān)閉狀態(tài)， 系統(tǒng)的啟動(dòng)由定時(shí)器控制[2]。 到了預(yù)置時(shí)間（整點(diǎn)， 時(shí)間可調(diào)）， 定時(shí)器將UPS 的逆變開關(guān)打開， 20 s 后再打開UPS的AC 輸出開關(guān)， 這時(shí)系統(tǒng)受電工作（P-C.ATS 電源K1 開關(guān)同時(shí)接通）， 計(jì)算機(jī)啟動(dòng)觀測(cè)程序控制地電儀按通道1： 南北向、 通道2： 東西向、 通道3： 東西向短測(cè)道的順序開始觀測(cè)。每通道各測(cè)5～10 組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值為小時(shí)值， 每組數(shù)據(jù)測(cè)量時(shí)由觀測(cè)程序及地電儀共同控制P-C.ATS 電源K2 開關(guān)的通斷： 接通K2 維持約4 s 向供電極A、 B 供電→電流表指示→地電儀檢測(cè)電流值及M、 N 間ΔV 值， 斷開K2→地電儀檢測(cè)測(cè)量極M、 N 間的自然電位差Vsp值， 這樣一組數(shù)據(jù)即完成觀測(cè)， 系統(tǒng)從啟動(dòng)到完成整個(gè)觀測(cè)用時(shí)大約4～6 min。 觀測(cè)過程中電源是否正?？梢杂蒔-C.ATS 前面板上的LED 指示燈及電流表直觀發(fā)現(xiàn)， 其它各功能開關(guān)、 接口見圖3。

圖3 C-ATS 地電儀專用電源前后面板圖Fig.3 Diagram of front and back panel of the special power supply of C-ATS

2 常用查修方法

2.1 直觀觀察判斷法

系統(tǒng)受電后， 觀察電源面板指示燈， LED1 亮則變壓器T 初級(jí)之前線路正常， 不亮則可能BX1 保險(xiǎn)管損壞， 可用3 A、 250 V 保險(xiǎn)管更換， 或者可能為15 腳串口接頭松動(dòng)導(dǎo)致開關(guān)控制信號(hào)不通。 LED2 亮則變壓器T 次級(jí)后線路已工作， 不亮則檢查BX2 保險(xiǎn)管（代換可用4 A、 250 V 保險(xiǎn)管）。 觀察電流表指針是否指示正常， 如果指針擺動(dòng)幅度過小過大或者維持時(shí)間過短， 則表明電源或者外線路存在異常。 判別電源還是外線路故障時(shí)， 可依觀測(cè)數(shù)據(jù)來判斷： 僅某測(cè)道電流異常可能為外線路故障。 所有測(cè)道電流均異常， 應(yīng)為電源故障。 可調(diào)電阻R3 由于被固定在電源盒上利用鋁質(zhì)機(jī)盒散熱， 自身功耗大， 非常容易損壞，平時(shí)檢查可用手試探機(jī)身相應(yīng)部位， 感覺微熱則工作正常， 過熱應(yīng)盡快關(guān)機(jī)檢查， 否則可能很快冒煙燒潰。

2.2 查外線路異常方法

在室內(nèi)用數(shù)字萬用表直流電壓（mv 或者2 V 左右）擋任意表筆先測(cè)電位差ΔVAB、 ΔVMN，再分別測(cè)A、 B、 M、 N 測(cè)線（注意斷開與儀器連接部分， 下同）與觀測(cè)室地之間的電位ΔVA、 ΔVB、 ΔVM、 ΔVN， 由于自然地面不均勻、 導(dǎo)電介質(zhì)各向異性[3]， 有:

若各測(cè)值穩(wěn)定， 可以判斷外線路正常； 如果測(cè)值時(shí)有時(shí)無， 則說明該線路接觸不良；如果測(cè)值一直在較大幅度內(nèi)變化無法穩(wěn)定， 可能該線路有漏電或受到干擾影響； 如果無測(cè)值顯示， 調(diào)大一擋位再測(cè)， 如依然沒有顯示， 則該線路可能斷線。 對(duì)接觸不良和斷線的線路可用兆歐表進(jìn)一步判斷， 方法是（以ZC11-2 型兆歐表為例）接線柱E 接觀測(cè)室地， 接線柱L 接待測(cè)線路， 有幾種情況： ①測(cè)值幾十兆歐(MΩ) 以上， 為斷線； ②測(cè)值0.5 MΩ左右， 為正常； ③表針在較小幅度擺動(dòng)不停， 為接觸不良； ④表針在較大幅度內(nèi)擺動(dòng)， 為線路斷， 可能斷線與地接觸了， 但斷線與地接觸良好時(shí)用此方法可能會(huì)誤判。 實(shí)測(cè)｜ΔVMN｜值與數(shù)據(jù)正常時(shí)的Vsp絕對(duì)值非常接近， 所以有經(jīng)驗(yàn)的值班員還可根據(jù)Vsp值的變化來判斷測(cè)量線路是否存在異常。

2.3 利用地電儀故障自動(dòng)診斷功能

C-ATS 數(shù)字地電儀的特點(diǎn)之一是設(shè)有故障自動(dòng)診斷和顯示系統(tǒng)， 它是通過計(jì)算機(jī)程序控制硬件來實(shí)現(xiàn)的。 其設(shè)計(jì)依據(jù)是： 不管儀器故障還是線路故障均會(huì)引起I、 ΔV、 Vsp值的較大變化， 最終導(dǎo)致ρs測(cè)值出現(xiàn)異常， 因此對(duì)I、 ΔV、 Vsp這三個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析判斷就可以確定故障種類及發(fā)生的部位， 判斷方法見表1：

表1 C-ATS 地電儀觀測(cè)故障判斷表Table 1 List of observation fault judgment of C-ATS

在表1 中可見各種故障情況下ΔV 值均為異常， 因此實(shí)際判斷時(shí)只需考慮I、 Vsp這兩個(gè)因素。 故障自動(dòng)診斷結(jié)果的顯示有兩種方式： ①觀測(cè)過程中數(shù)據(jù)出現(xiàn)非常明顯的異常進(jìn)而影響后續(xù)觀測(cè)， 則中斷觀測(cè)顯示相應(yīng)故障， 等候處理； 數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常但不影響后續(xù)觀測(cè)，則3個(gè)測(cè)道觀測(cè)完后顯示相應(yīng)故障， 等候處理； ②每天8 時(shí)觀測(cè)完成后對(duì)前一天測(cè)值進(jìn)行缺測(cè)或者超差的自動(dòng)判斷， 無故障則顯示 “OK”， 有則顯示相應(yīng)時(shí)間并等候觀測(cè)員查看處理， 并按故障表相應(yīng)代碼錄入觀測(cè)日志。 故障代碼見表2。

故障自動(dòng)診斷和顯示系統(tǒng)簡(jiǎn)單高效， 對(duì)明顯故障能夠作出正確判斷， 但對(duì)復(fù)雜故障或一些影響地電儀自身正常運(yùn)行的故障卻難于判斷準(zhǔn)確。

3 故障查修實(shí)例

3.1 故障查修實(shí)例一

表2 C-ATS 地電儀缺測(cè)故障表Table 2 List of lack measuring fault of C-ATS

2012年4月1日22 時(shí)南北向電阻率測(cè)值出現(xiàn)超過10%（由68.57 變?yōu)?8.12 Ω.m）的變化， Vsp測(cè)值正常， 故障自動(dòng)診斷顯示第一道AB 線斷線。 室內(nèi)斷開AB 線閘刀開關(guān)， 用兆歐表測(cè)A、 B 線路測(cè)值均＜1.0 MΩ， 再用萬用表測(cè)A 線路的ΔVA值是280 mv、 而ΔVB為-220～260 mv 之間變化， 判定南北向外線路B 故障。 2日8 時(shí)組織檢查線路， 發(fā)現(xiàn)南北測(cè)道B 電極線桿前約20m 處測(cè)線損斷， 斷線掉在附近的水塘里， 經(jīng)過搶修， 15 時(shí)恢復(fù)正常觀測(cè)。 分析認(rèn)為： 由于測(cè)線通過塘水與地構(gòu)成良好回路， 所以依然能夠觀測(cè)數(shù)據(jù)， 故用兆歐表難于作出正確判斷。

3.2 故障查修實(shí)例二

2012年7月22日15 時(shí)起南北向電阻率測(cè)值出現(xiàn)5%左右（由68.58 變?yōu)?1.83 Ω.m）的變化， Vsp測(cè)值小幅度波動(dòng)， 相應(yīng)測(cè)道I 值小幅增加， 故障自動(dòng)診斷顯示第一道AB 線斷線。 斷開MN 開關(guān)測(cè)M、 N 之間電位差｜ΔVMN｜為80.1 mv 與數(shù)據(jù)正常前Vsp值-79.4 mv 的絕對(duì)值接近且穩(wěn)定， 排除MN 測(cè)線異常。 因?yàn)榇饲耙欢螘r(shí)間以來， 南北測(cè)道B 測(cè)線附近有一大型房地產(chǎn)公司施工建設(shè)， 對(duì)線路造成較大影響。 檢查時(shí)直接對(duì)測(cè)線詳細(xì)巡查， 發(fā)現(xiàn)N 測(cè)量極線桿至其后一根線桿之間的B 供電測(cè)線掉落后被掛在一水泥柱上， 由于期間正直降雨天氣， 水泥柱距離N 測(cè)量極不足100 m， 觀測(cè)時(shí)漏電電流對(duì)N 極產(chǎn)生干擾致Vsp值小幅波動(dòng)，電阻率測(cè)值受到漏電影響則大幅度變化。 將測(cè)線從水泥柱上移開后， 測(cè)值恢復(fù)正常。

3.3 故障查修實(shí)例三

2012年9月7日6 時(shí)巡查觀測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)： P-C.ATS 電源面板LED1 亮、 電流表無指示、LED2 有暗淡亮光， 三測(cè)道觀測(cè)讀數(shù)I 值為0、 ρs值異常、 Vsp值正常， 觀測(cè)時(shí)三測(cè)道僅各測(cè)一組數(shù)據(jù)， 即顯示電源故障， 判定P-C.ATS 電源工作異常。 先用備用電源觀測(cè)， 儀器啟動(dòng)過程正常， 觀測(cè)過程正常。 打開故障電源機(jī)盒， 用手探摸R3 無溫?zé)岣校?證明該元件未工作。 仔細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)R3 靠近中心柱頭處有一圈電阻絲已燒斷， 將該處電阻絲用細(xì)號(hào)砂紙磨新再用錫絲焊接好試機(jī)很快冒煙燒斷。 該可調(diào)電阻臺(tái)站有幾個(gè)同樣燒壞的卻無新的備件， 當(dāng)?shù)厥袌?chǎng)難購買， 如何維修利用： 仔細(xì)觀察可調(diào)電阻， 纏繞在磁盤狀上的電阻絲應(yīng)為合金材料， 直接在燒斷處焊接難于焊牢， 焊點(diǎn)也容易在高溫下再次燒斷。 于是將燒斷處與另端相通的電阻絲拉到接線口焊牢， 中心柱頭對(duì)稱轉(zhuǎn)到另一邊， 中心抽頭與左邊接線改接到右邊，如圖4。 該方法實(shí)際上就是將圖2 中R3 的1、 2 接點(diǎn)對(duì)調(diào)， 由于電流主要通過中心抽頭，原斷絲這邊只起輔助分流作用， 所以維修后的可調(diào)電阻可正常使用。

圖4 可調(diào)電阻故障維修方法Fig.4 Maintenance method for adjustable resistance

檢查暫替觀測(cè)的備用電源， 發(fā)現(xiàn)外負(fù)載為負(fù)值， 這是電源中HN、 CH1（見圖2）兩條引線不慎接錯(cuò)導(dǎo)致。 C-ATS 地電儀設(shè)定每天8 時(shí)對(duì)外負(fù)載進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量， 它是由P-C.ATS電源輸出端的電壓測(cè)量裝置（分壓電路）， 即圖2 中電阻R5、 R6、 R7 及相應(yīng)的通道開關(guān)來完成的， 可見將HN、 CH1 接線弄錯(cuò)將導(dǎo)致檢測(cè)電壓錯(cuò)誤。

3.4 故障查修實(shí)例四

2012年12月23日16 時(shí)起南北向ρs值大幅度超差異常， Vsp值在-68.7～434.1 mv 之間波動(dòng)變化且非常不穩(wěn)定， I 值穩(wěn)定， 故障自動(dòng)診斷顯示第一道MN 線斷線。 室內(nèi)斷開MN 線路閘刀開關(guān)， 用兆歐表測(cè)M 測(cè)線數(shù)值在2～200 MΩ 之間擺動(dòng)， N 測(cè)線數(shù)值穩(wěn)定且＜1.0 MΩ，判定M 測(cè)線存在接觸不良。 檢查線路發(fā)現(xiàn)電極M 引線接觸不良， 處理后數(shù)據(jù)正常。

3.5 故障查修實(shí)例五

2013年1月7日10 時(shí)起東西向測(cè)道斷續(xù)出現(xiàn)ρs 值不穩(wěn)定， 測(cè)值上下變化超過1 Ω·m的現(xiàn)象， 故障出現(xiàn)時(shí)Vsp值異常， I 值基本穩(wěn)定。 多次觀察故障時(shí)并沒有出現(xiàn)故障自動(dòng)診斷的顯示， 室內(nèi)斷開相應(yīng)測(cè)道AB、 MN 線路閘刀開關(guān)測(cè)電位差｜ΔVAB｜、 ｜ΔVMN｜分別為13.5 mv 、21.5 mv， 測(cè)值穩(wěn)定， 而且｜ΔVMN｜測(cè)值與數(shù)據(jù)正常時(shí)Vsp絕對(duì)值接近， 判定外線路及電源均無異常。 遂對(duì)C-ATS 地電儀進(jìn)行檢查， 更換MN 插板后故障排除。 地電儀AB 及MN 通道的某些故障現(xiàn)象與電源或外線路故障有許多相似之處， 但是通過檢測(cè)和正確的判斷還是容易排查到故障點(diǎn)的。

4 結(jié)論

（1）本文總結(jié)的電源外線路檢查維修方法與特定儀器有關(guān)， 不同儀器可能其故障表現(xiàn)有自身特點(diǎn)， 因此故障查修方法僅供其它地電臺(tái)站參考。

（2）文章介紹的故障查修方法以簡(jiǎn)單高效為主， 對(duì)儀器標(biāo)定及漏電檢查沒有提及， 實(shí)際上儀器維修后按規(guī)范要求須做標(biāo)定檢查， 外線路漏電導(dǎo)致數(shù)據(jù)較長時(shí)間異常時(shí)要做漏電檢查。

（3）地電臺(tái)站工作人員掌握一定的故障排查維護(hù)經(jīng)驗(yàn)非常必要， 這對(duì)儀器的安全運(yùn)行，及其產(chǎn)出數(shù)據(jù)的可靠性和連續(xù)性都有積極意義。

[1] 中國地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司編. 地震電磁數(shù)字觀測(cè)技術(shù)[M]. 北京： 地震出版社， 2002.

[2] 柴劍勇， 葉春明， 吳名彬， 李小宏. 地電自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)國產(chǎn)化（C-ATS）研究[J]. 華南地震， 1991， 11（2）： 61-67.

[3] 何世根， 沈啟興編. 地電觀測(cè)技術(shù)[M] . 北京： 地震出版社， 2000.