河源台地电专用电源和外线路故障查修方法

陈智群， 刘吉平， 李 敬

(1. 广东省地震局新丰江中心地震台， 广东 河源 517021； 2. 广东省地震局， 广东 广州 510070）

0 引言

电阻率专用观测电源和外线路是地电观测系统的重要组成部分。 观测电源由于长期工作于大电流高电压状态， 其故障率在整个观测系统故障中占比最高； 外线路由于线路长、布线周围环境复杂， 故障率也很高， 特别是采用四极对称观测方法的架空裸线， 常出现人为因素导致线路损坏或障碍物碰触线路导致漏电等情况。 因此， 台站一线观测人员积累查修经验， 在相关故障出现时能够快速查明原因并及时修复， 对保障地电仪器观测系统运行安全连续、 观测数据可靠等方面具有非常重要的意义。

广东河源台地电观测仪器为C-ATS 数字地电仪， 其配套的观测电源为P-C.ATS 稳压电源。 三道外线路分别为： 南北向（N27°E、997 m），东西向（N80°W、1032 m），东西向短测道（N80°W′、 54 m， 台站院子内深孔布极）， 均为4 mm2铜包钢架空裸线， 采用对称四极方法布极。

1 仪器基本工作原理

1.1 地电阻率观测的基本原理

地电阻率观测的物理量是地球介质视电阻率ρs、 自然电位差Vsp及其随时间的变化。 观测方法一般采用对称四极法， 观测原理示意图如图1， 图中E 为供电电源， K 为开关， A、B 为供电电极， M、 N 为测量极， O 为装置中心。 观测时供电电源E 通过A、 B 供电极向地下提供直流电， 测定供电电流强度I 和测量极M、 N 之间的人工电场电位差ΔV， 根据电阻率计算公式计算出ρs。 式中， K 为具有长度量纲的装置系数， 其大小取决于A、 B、 M、 N 四个电极的相对位置[1]， K 的计算公式为：

上式中， AM、 AN、 BN、 BM 为相应电极间的距离， 单位为m， ΔV 的单位为伏特， I 的单位为安培， ρs的单位为欧姆·米（Ω.m）， 当装置系统确定后， K 为一常数。

图1 地电阻率观测原理示意图Fig.1 Diagram of earth resistivity observation principle

1.2 P-C.ATS 稳压电源工作原理

P-C.ATS 稳压电源是C-ATS 数字地电仪专用观测电源， 其工作原理如图2， 电源变压器T 将交流220V 变为100V 电压后通过整流桥堆D 整流， 电容C1 等元件滤波后输出2A、122 V 直流电。 图中R3 是个大功率（50W、30Ω）可调电阻， 可以调整电源输出电流的大小，是本电源中的一个关键元件。

图2 C-ATS 地电仪专用电源电路原理图Fig.2 Diagram of special power supply circuit principle of C-ATS

C-ATS 地电仪以间断方式工作， 平时全系统均处于关闭状态， 系统的启动由定时器控制[2]。 到了预置时间（整点， 时间可调）， 定时器将UPS 的逆变开关打开， 20 s 后再打开UPS的AC 输出开关， 这时系统受电工作（P-C.ATS 电源K1 开关同时接通）， 计算机启动观测程序控制地电仪按通道1： 南北向、 通道2： 东西向、 通道3： 东西向短测道的顺序开始观测。每通道各测5～10 组数据计算平均值为小时值， 每组数据测量时由观测程序及地电仪共同控制P-C.ATS 电源K2 开关的通断： 接通K2 维持约4 s 向供电极A、 B 供电→电流表指示→地电仪检测电流值及M、 N 间ΔV 值， 断开K2→地电仪检测测量极M、 N 间的自然电位差Vsp值， 这样一组数据即完成观测， 系统从启动到完成整个观测用时大约4～6 min。 观测过程中电源是否正常可以由P-C.ATS 前面板上的LED 指示灯及电流表直观发现， 其它各功能开关、 接口见图3。

图3 C-ATS 地电仪专用电源前后面板图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 直观观察判断法

系统受电后， 观察电源面板指示灯， LED1 亮则变压器T 初级之前线路正常， 不亮则可能BX1 保险管损坏， 可用3 A、 250 V 保险管更换， 或者可能为15 脚串口接头松动导致开关控制信号不通。 LED2 亮则变压器T 次级后线路已工作， 不亮则检查BX2 保险管（代换可用4 A、 250 V 保险管）。 观察电流表指针是否指示正常， 如果指针摆动幅度过小过大或者维持时间过短， 则表明电源或者外线路存在异常。 判别电源还是外线路故障时， 可依观测数据来判断： 仅某测道电流异常可能为外线路故障。 所有测道电流均异常， 应为电源故障。 可调电阻R3 由于被固定在电源盒上利用铝质机盒散热， 自身功耗大， 非常容易损坏，平时检查可用手试探机身相应部位， 感觉微热则工作正常， 过热应尽快关机检查， 否则可能很快冒烟烧溃。

2.2 查外线路异常方法

在室内用数字万用表直流电压（mv 或者2 V 左右）挡任意表笔先测电位差ΔVAB、 ΔVMN，再分别测A、 B、 M、 N 测线（注意断开与仪器连接部分， 下同）与观测室地之间的电位ΔVA、 ΔVB、 ΔVM、 ΔVN， 由于自然地面不均匀、 导电介质各向异性[3]， 有:

若各测值稳定， 可以判断外线路正常； 如果测值时有时无， 则说明该线路接触不良；如果测值一直在较大幅度内变化无法稳定， 可能该线路有漏电或受到干扰影响； 如果无测值显示， 调大一挡位再测， 如依然没有显示， 则该线路可能断线。 对接触不良和断线的线路可用兆欧表进一步判断， 方法是（以ZC11-2 型兆欧表为例）接线柱E 接观测室地， 接线柱L 接待测线路， 有几种情况： ①测值几十兆欧(MΩ) 以上， 为断线； ②测值0.5 MΩ左右， 为正常； ③表针在较小幅度摆动不停， 为接触不良； ④表针在较大幅度内摆动， 为线路断， 可能断线与地接触了， 但断线与地接触良好时用此方法可能会误判。 实测｜ΔVMN｜值与数据正常时的Vsp绝对值非常接近， 所以有经验的值班员还可根据Vsp值的变化来判断测量线路是否存在异常。

2.3 利用地电仪故障自动诊断功能

C-ATS 数字地电仪的特点之一是设有故障自动诊断和显示系统， 它是通过计算机程序控制硬件来实现的。 其设计依据是： 不管仪器故障还是线路故障均会引起I、 ΔV、 Vsp值的较大变化， 最终导致ρs测值出现异常， 因此对I、 ΔV、 Vsp这三个数据进行分析判断就可以确定故障种类及发生的部位， 判断方法见表1：

表1 C-ATS 地电仪观测故障判断表Table 1 List of observation fault judgment of C-ATS

在表1 中可见各种故障情况下ΔV 值均为异常， 因此实际判断时只需考虑I、 Vsp这两个因素。 故障自动诊断结果的显示有两种方式： ①观测过程中数据出现非常明显的异常进而影响后续观测， 则中断观测显示相应故障， 等候处理； 数据出现异常但不影响后续观测，则3个测道观测完后显示相应故障， 等候处理； ②每天8 时观测完成后对前一天测值进行缺测或者超差的自动判断， 无故障则显示 “OK”， 有则显示相应时间并等候观测员查看处理， 并按故障表相应代码录入观测日志。 故障代码见表2。

故障自动诊断和显示系统简单高效， 对明显故障能够作出正确判断， 但对复杂故障或一些影响地电仪自身正常运行的故障却难于判断准确。

3 故障查修实例

3.1 故障查修实例一

表2 C-ATS 地电仪缺测故障表Table 2 List of lack measuring fault of C-ATS

2012年4月1日22 时南北向电阻率测值出现超过10%（由68.57 变为78.12 Ω.m）的变化， Vsp测值正常， 故障自动诊断显示第一道AB 线断线。 室内断开AB 线闸刀开关， 用兆欧表测A、 B 线路测值均＜1.0 MΩ， 再用万用表测A 线路的ΔVA值是280 mv、 而ΔVB为-220～260 mv 之间变化， 判定南北向外线路B 故障。 2日8 时组织检查线路， 发现南北测道B 电极线杆前约20m 处测线损断， 断线掉在附近的水塘里， 经过抢修， 15 时恢复正常观测。 分析认为： 由于测线通过塘水与地构成良好回路， 所以依然能够观测数据， 故用兆欧表难于作出正确判断。

3.2 故障查修实例二

2012年7月22日15 时起南北向电阻率测值出现5%左右（由68.58 变为71.83 Ω.m）的变化， Vsp测值小幅度波动， 相应测道I 值小幅增加， 故障自动诊断显示第一道AB 线断线。 断开MN 开关测M、 N 之间电位差｜ΔVMN｜为80.1 mv 与数据正常前Vsp值-79.4 mv 的绝对值接近且稳定， 排除MN 测线异常。 因为此前一段时间以来， 南北测道B 测线附近有一大型房地产公司施工建设， 对线路造成较大影响。 检查时直接对测线详细巡查， 发现N 测量极线杆至其后一根线杆之间的B 供电测线掉落后被挂在一水泥柱上， 由于期间正直降雨天气， 水泥柱距离N 测量极不足100 m， 观测时漏电电流对N 极产生干扰致Vsp值小幅波动，电阻率测值受到漏电影响则大幅度变化。 将测线从水泥柱上移开后， 测值恢复正常。

3.3 故障查修实例三

2012年9月7日6 时巡查观测时发现： P-C.ATS 电源面板LED1 亮、 电流表无指示、LED2 有暗淡亮光， 三测道观测读数I 值为0、 ρs值异常、 Vsp值正常， 观测时三测道仅各测一组数据， 即显示电源故障， 判定P-C.ATS 电源工作异常。 先用备用电源观测， 仪器启动过程正常， 观测过程正常。 打开故障电源机盒， 用手探摸R3 无温热感， 证明该元件未工作。 仔细检查发现R3 靠近中心柱头处有一圈电阻丝已烧断， 将该处电阻丝用细号砂纸磨新再用锡丝焊接好试机很快冒烟烧断。 该可调电阻台站有几个同样烧坏的却无新的备件， 当地市场难购买， 如何维修利用： 仔细观察可调电阻， 缠绕在磁盘状上的电阻丝应为合金材料， 直接在烧断处焊接难于焊牢， 焊点也容易在高温下再次烧断。 于是将烧断处与另端相通的电阻丝拉到接线口焊牢， 中心柱头对称转到另一边， 中心抽头与左边接线改接到右边，如图4。 该方法实际上就是将图2 中R3 的1、 2 接点对调， 由于电流主要通过中心抽头，原断丝这边只起辅助分流作用， 所以维修后的可调电阻可正常使用。

图4 可调电阻故障维修方法Fig.4 Maintenance method for adjustable resistance

检查暂替观测的备用电源， 发现外负载为负值， 这是电源中HN、 CH1（见图2）两条引线不慎接错导致。 C-ATS 地电仪设定每天8 时对外负载进行自动测量， 它是由P-C.ATS电源输出端的电压测量装置（分压电路）， 即图2 中电阻R5、 R6、 R7 及相应的通道开关来完成的， 可见将HN、 CH1 接线弄错将导致检测电压错误。

3.4 故障查修实例四

2012年12月23日16 时起南北向ρs值大幅度超差异常， Vsp值在-68.7～434.1 mv 之间波动变化且非常不稳定， I 值稳定， 故障自动诊断显示第一道MN 线断线。 室内断开MN 线路闸刀开关， 用兆欧表测M 测线数值在2～200 MΩ 之间摆动， N 测线数值稳定且＜1.0 MΩ，判定M 测线存在接触不良。 检查线路发现电极M 引线接触不良， 处理后数据正常。

3.5 故障查修实例五

2013年1月7日10 时起东西向测道断续出现ρs 值不稳定， 测值上下变化超过1 Ω·m的现象， 故障出现时Vsp值异常， I 值基本稳定。 多次观察故障时并没有出现故障自动诊断的显示， 室内断开相应测道AB、 MN 线路闸刀开关测电位差｜ΔVAB｜、 ｜ΔVMN｜分别为13.5 mv 、21.5 mv， 测值稳定， 而且｜ΔVMN｜测值与数据正常时Vsp绝对值接近， 判定外线路及电源均无异常。 遂对C-ATS 地电仪进行检查， 更换MN 插板后故障排除。 地电仪AB 及MN 通道的某些故障现象与电源或外线路故障有许多相似之处， 但是通过检测和正确的判断还是容易排查到故障点的。

4 结论

（1）本文总结的电源外线路检查维修方法与特定仪器有关， 不同仪器可能其故障表现有自身特点， 因此故障查修方法仅供其它地电台站参考。

（2）文章介绍的故障查修方法以简单高效为主， 对仪器标定及漏电检查没有提及， 实际上仪器维修后按规范要求须做标定检查， 外线路漏电导致数据较长时间异常时要做漏电检查。

（3）地电台站工作人员掌握一定的故障排查维护经验非常必要， 这对仪器的安全运行，及其产出数据的可靠性和连续性都有积极意义。

[1] 中国地震局监测预报司编. 地震电磁数字观测技术[M]. 北京： 地震出版社， 2002.

[2] 柴剑勇， 叶春明， 吴名彬， 李小宏. 地电自动测量系统国产化（C-ATS）研究[J]. 华南地震， 1991， 11（2）： 61-67.

[3] 何世根， 沈启兴编. 地电观测技术[M] . 北京： 地震出版社， 2000.