永年地震台电源交直流切换引起数据畸变的解决方法

吴鹏，刘永刚，李欣波

(河北省地震局邯郸中心地震台，河北邯郸　056001)



永年地震台电源交直流切换引起数据畸变的解决方法

吴鹏，刘永刚，李欣波

(河北省地震局邯郸中心地震台，河北邯郸056001)

以永年地震台体应变洞温为实验对象，通过对永年台工作供电原理的深入分析研究，提出了把信号线路与供电线路隔离的方法，彻底解决电源交直流切换造成的数据畸变，经过现场实验，达到了预期效果。

永年地震台；前兆观测；数据畸变

0　引　言

地震前兆观测手段为地震预报和研究提供重要的数据资料，因原始资料的不可再生性，故要求其真实可靠。理想情况下仪器产出的数据资料应能反映其观测对象的真实物理量及其变化。然而，在实际工作中，通过对仪器产出资料和台站设备运行环境变化等的分析总结表明，有一些干扰源(如仪器的供电系统因交流停电切换到直流供电)会造成仪器产出的数据波形产生较为明显的畸变，进而影响产出数据的真实性。

一般情况下，台站仪器大多采用市电和蓄电池的供电方式，这种方式能够保证当市电停电时，仪器供电由蓄电池来完成，避免了仪器因停电而造成的数据缺失。由于市电停电时存在供电切换过程，这就会对数据产生一定的干扰。供电切换对产出数据的干扰在全国前兆设备中普遍存在。为了消除因停电产生的对前兆设备观测数据的影响，使前兆观测数据能够更好地为地震预报和研究提供尽量真实可靠的原始数据，通过对前兆设备产出资料进行深入分析研究，用实验的方法找出了产生数据畸变的机理，并根据仪器的工作原理采用合理的方法消除了干扰对数据产出带来的影响。

1　永年地震台概况及资料应用

永年地震台位于永和会镇西南，地处太行山东麓山前丘陵地带，东邻太行山山前断裂，台基为燕山期正长岩。形变山洞进深约150 m，洞体岩性为燕山期火成岩，山洞北端周围为第四系黄土层，洞顶覆盖厚度约6 m；南(西)端位于黄土夹沙砾石层和正长岩交界处，洞顶覆盖为风化岩体和沙砾石层，厚约12 m；东端洞顶覆盖为风化的正长岩岩体和沙砾石层，厚约10 m，由东端点向西30 m内，有大小不等的10余条小断裂，破裂方向主要有3组：①走向NE20°～30°，倾向北西，倾角70°～75°；②走向NE40°，倾向北西，倾角70°～75°；③走向NW 60°～70°，倾向北西，倾角60°～70°，其中第1～2组与山洞轴线近正交，第3组与山洞轴线近于平行，永年地震台具体位置和附近断裂分布见图1。图2为山洞仪器安装示意图。

已有研究结果表明，永年倾斜观测资料在邻区中等以上地震前有较为明显的异常反映；1983年11月7日山东菏泽5.9级地震(震中距永年地震台约200 km)前，永年台形变资料均发生较为明显的异常变化[1]；1985年11月30日邢台任县5.3级地震(震中距永年地震台约60 km)前，形变资料也发生异常变化[2]。仪器运行正常对保证产出可靠、准确的资料有重要意义，但由于供电交直流的频繁切换经常造成数据畸变，给地震数据分析带来较大干扰，必须对干扰进行排除。本文通过实验和理论分析，对永年地震台洞体应变采集器的供电系统进行了优化改造，取得较好的效果。

2　技术方案

2.1现场实验

实验场所：河北省地震局永年地震台。

实验观测对象：体应变洞温(为了更能说明问题，选用变化很小的洞温为实验对象)。

图1　永年地震台地理位置和附近断裂分布示意图

图2　永年地震台山洞仪器安装示意图

实验目的：得到供电波动或切换对前兆设备产出数据的影响，找出消除影响的方案。

由图3可见，体应变南北向、东西向和洞温数据在2009年12月3日10时50分左右均出现数据畸变，11时40分以后数据恢复正常。经核实，此时间段内交流电停电，无任何其他明显干扰。由此可以断定是交直流切换引起的输出数据畸变。

图3　永年地震台交直流切换引起数据畸变曲线

2.2原理分析

在有山洞的台站，前兆设备通常的安装方法是将数据采集器和供电控制装置安装在洞外，洞内安装前置放大器和传感器，通过传输线(包括信号线和供电线长约100米)将洞内外设备连接，如图4所示。图4中信号地线和供电地线是共用的，这是因为有些设备内部的电路设计的信号地和电源地是一体的。

图4　前兆设备技术系统构成图

图5为洞内外系统连接的等效电路图。由等效电路图，可以得到如下公式：

U1=U0+I1*R1+(I1+I2)*R2

(1)

I2=U2/(Ri+R2+R3)

(2)

其中，U0为传感器输出电压，U1为数据采集器的输入信号电压，U2为传感器供电电压；I1为信号电流，I2为地线中的电流；R1为信号线的线电阻，R2为信号线和电源线的共地电阻，R3为电源线的线电阻，Ri为传感器的输入阻抗。

图5　前兆设备系统连接等效电路图

由于交直流切换时，交流整流后的电压与蓄电池电压不一致，虽然有一级再稳压，但还是能引起洞内传感器的供电电压U2的微小变化。由式(1)、(2)可见，U2变化时会导致I2变化，最终引起U1变化。

由于U1是数据采集器要采集的传感器的输出量，其包含了U2变化的成分，交直流供电切换时由于交流供电和直流供电电压略有差异，U2有突变，引起输出数据波形畸变。即使U2不变，式(2)中Ri也是个变化量，同样能引起U1的变化。

理想状态下，数据采集器的输入信号电压U1应该等于传感器输出电压U0，式(1)中的线阻R1、R2不可能是零，所以这是不能实现的。

若式(1)中供电电流I2为零，那么：

U1=U0+I1*(R1+R2)

(3)

式(3)中信号电流I1也反映了传感器的变化，R1、R2是常数，因此，式(3)基本上反映的是传感器的真实变量。

3　效果验证

为使信号线地线中的电流I2为零，采取的方法是把信号线与供电线路隔离，信号线与供电线路各自用自己的专用线路，这样信号线上就不存在供电电流I2了。由于数据采集器内部的电路设计的信号地和电源地是共地的，直流供电时又与向洞内供电的地线连在一起，表面上看信号线与电源线各有独自的地线，但实际上地线还是连在一起的。通过多次实验，我们采用12V蓄电池通过隔离DC变换使洞内前置放大器供电线路与数据采集器供电线路以及采集信号的信号线路完全隔离。如图6所示。

图6　永年地震台洞体应变供电隔离改造示意图

图7　永年地震台电源改造后记录的洞温曲线

经电路改造后，对永年地震台洞体应变的洞温测项进行现场交直流切换实验时间为2010年3月10日15时～16时(北京时间)，图7为永年地震洞温实验数据曲线变化，可以看出，把信号线与供电线进行隔离后，在交直流切换时无明显变化，温度波动范围在0.01℃。

4　结　论

本文以洞温作为实验对象，对前兆设备在停电后出现的波形畸变提出了一种解决办法，实验效果达到了预期的目的。

目前，大多数地震前兆设备都是将观测的物理量最终转换成电信号输入到数据采集器进行采样处理。由于前兆设备测量的物理量级很小，反映到数采输入端的电信号仅为微伏级，所以传输线路上较小的电信号干扰就有可能引起系统产出数据的变化，此时观测系统产出的数据已经包含干扰信号的影响，但是作为数据使用者很难分辨，这往往给分析人员造成不必要的误判。而这样的电信号干扰源是多种多样的，如不纯净的供电电源、电磁波、非线性检波等。为了提高设备观测精度，今后可以把排除干扰的工作利用多种手段继续拓展到多种测项。

[1]封弼君,陈绍绪. 永年台水管倾斜仪干扰研究和菏泽5.9级地震的短期异常[J]. 华北地震科学,1987,5(3):74-81.

[2]张挚诚，罗兰格，李海华，等.中国震例(1981～1985)[M].北京：地震出版社，1990：120-260.

SOLUTION METHOD OF ABNORMAL DATA CAUSED BY POWER AC/DC SWITCHING IN YONGNIAN SEISMIC STATION

WU Peng, LIU Yonggang, LI Xinbo

(HandanCentralSeismicStation,EarthquakeAdministrationOfHebeiProvince，Handan056001,China)

Taking temperature of the hole in Yongnian station as experiment subject in this paper, the principle of power supply to the precursor instrument is analyzed, and the method of disconnecting signal lines and power lines is proposed. This method completely solve the abnormal of data from the AC/DC switching. Depending the experiment in Yongnian station, it achieves the desired results.

Yongnian seismic station; Precursory observation; Abnormal data

2016-01-22

吴鹏(1982—)，男，河北邯郸人，工程师，主要从事测震台网监测与仪器维护工作。

P315.72+8

A

1005-586X(2016)03-0048-05