山西定襄地震臺發電干擾地磁觀測數據的原因及排除方法

劉金柱，劉俊芳，高午原，郭 宇，高文玉

(1.山西省地震局定襄地震臺，山西 定襄 035403；

2.太原大陸裂谷動力學國家野外科學觀測研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地磁觀測作為地震前兆觀測的主要手段之一，在前兆觀測中較為成熟[1]，其數據的準確和穩定對地震監測預報工作有很大影響。地磁觀測儀FHD對供電要求高，抗干擾能力差，由于發電機輸出電壓不穩，特別是頻率不穩，是FHD觀測數據受干擾的主要原因之一。因此，確保發電機穩定的工作狀態，改善發電機和配電設備的接地裝置，通過改善觀測硬件環境，提高觀測數據的質量。

1 臺站地磁觀測基本情況

臺站地磁觀測采用FHD-2B質子矢量磁力儀，觀測場地位于臺站的西邊，面積為直徑100 m的圓形丘陵黃土覆蓋層，觀測室在場地的中央，信號線和電源線采取單獨地埋處理，防止雷電干擾，儀器主機放置在距臺站機房約100 m的工作大廳中。觀測環境除高壓直流輸電干擾外，無其他明顯的干擾源，符合規范要求。

2 發電機供電干擾數據的原因及分析

通過對影響地磁觀測數據的干擾因素進行分析，交直流電磁干擾對FHD 質子磁力儀的影響最大，分為環境電磁干擾和觀測系統電磁干擾。環境電磁干擾常見的有高壓直流輸電干擾和無線電波發射干擾，一般容易辨別和避讓。觀測系統干擾通過多途徑干擾儀器的正常觀測，是觀測數據受干擾的主要因素[2]。

由于長時間停電，UPS電源無法提供儀器正常工作的電壓時，臺站采取發電機供電。FHD-2B質子磁力儀在市電供電時，工作正常。停電后，使用發電機供電，觀測數據易受干擾。FHD-2B質子磁力儀對供電要求高，抗干擾能力差。由于發電機輸出電壓不穩，表現在頻率不穩，是地磁觀測數據受干擾的主要原因之一(見圖1和第28頁圖2)。

通過分析定襄臺和大同臺、定襄臺和太原臺的各分量觀測曲線，可以看出：圖1和圖2為預處理后的數據圖形，在發電機供電時，Z分量曲線變化比較明顯，Z分量、H分量均受干擾。在與其他臺站的觀測曲線對比時，H分量受干擾，有不規則的抖動，變化為階變型，D分量受干擾不明顯。在相同時間的條件下，圖1中，定襄臺H分量平均變幅為3.5 nT； 定襄臺和大同臺相比，H分量平均變幅為3.5 nT。圖2中，定襄臺H分量平均變幅為2.5 nT；定襄臺和太原臺相比，H分量平均變幅為4.4 nT。

圖1 定襄臺與大同臺FHD-2B分鐘值曲線圖

圖2 定襄臺與太原臺FHD-2B分鐘值曲線圖

當正常供電時，觀測數據曲線各分量均無干擾。因此，發電機供電確實對觀測數據產生影響。

臺站發電機放置于臺站院內的配電室，與地磁房相距約200 m左右。直流供電干擾是由于直流供電線路產生的電磁場與地磁場疊加，產生電磁干擾。

3 發電機供電干擾數據的排除方法

在發電機輸出端增設穩壓穩頻綜合儀，使發電機輸出電壓達到(220 V，50 Hz)市電標準。

3.1 穩壓穩頻電源

穩壓穩頻電源是經過AC→DC→AC變換的逆變電源，用來保障在一種供電電壓、供電頻率均不穩定，電壓畸變嚴重，存在閃變、跌落等情況下，提供一個電壓、頻率穩定，波形標準的純凈供電環境，克服UPS不能帶感性負載的缺點，能適用于任何負載，可提供理想的供電環境。

臺站采用雅馬哈EF5500TE發電機，其額定電壓(3相)380/220 V，頻率50 Hz，最大輸出5.5 kVA，額定輸出5.0 kVA，額定電流7.2 A。穩頻電源的主要功用是將現有交流電源變換成所需頻率穩定的純凈正弦波電源，電源采用正弦波脈寬調制(SPWM)IGBT高頻逆變技術，內部為交—直—交結構，能清除干擾，輸出波形無干擾，具有穩壓、穩頻、范圍寬、精度高的優點，輸出帶有隔離變壓器，與發電機配合構成不間斷的供電，且抗干擾性好。有冗余硬件輸出保護電路，輸出高壓，過流、過載、過熱、短路自動保護并報警，反應速度快，確保電源輸出發生故障時不損壞用電設備。獨立電參數表實際實時測量顯現輸出頻率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率及負載功率因數。

3.2 改善發電機和配電設備的接地裝置

發電機的接地裝置，對FHD的供電安全有一定影響，尤其是雷雨季節，受到雷電影響，接地安全能提供FHD連續穩定的交流電壓。發電機和配電設備的接地，通過用銅線與工作大廳接地網連接，使發電機配電設備的接地電阻小于3 Ω。實際工作中，通過發電機配電設備接地電阻并聯到大廳的接地網中，測得接地電阻2.6 Ω，滿足接地安全，并同時滿足避雷要求。

FHD-2B質子磁力儀在日常觀測時，主要使用交流電，交流電中包含有高頻諧波分量，儀器的機箱和信號線的屏蔽層都是金屬的，具有屏蔽作用，同時，表面也會感應耦合到電磁干擾。如果沒有良好的接地裝置與儀器連接，將這些干擾引入到接地，這些感應的電磁干擾將會影響到儀器的正常觀測，使數據噪聲增大，有的甚至無法工作。因此，良好的接地是降低觀測數據噪聲的有效手段。圖3和圖4是發電機輸出端接有穩壓穩頻儀后(即采取措施后)的FHD觀測曲線。

圖3 改善供電環境條件下定襄臺與大同臺FHD-2B分鐘值曲線圖

圖4 改善供電環境條件下定襄臺與太原臺FHD-2B分鐘值曲線圖

在相同時間的條件下，定襄臺H分量平均變幅為1.3 nT。圖3中，定襄臺和大同臺相比，H分量平均變幅為1.2 nT；圖4中，定襄臺和太原臺相比，H分量平均變幅為1.3 nT。從圖中可以看出：在發電機輸出端增設穩壓穩頻儀，可以改進FHD的觀測質量，提高數據穩定性。由此可知，發電機交流輸出的高頻電磁諧波導致電壓不穩，主要表現為頻率不穩，影響FHD儀器的接入信號，進而影響觀測數據的穩定性和精確度。

圖5是發電機供電干擾FHD的數據曲線，圖6是發電機輸出端接有穩壓穩頻儀后的FHD數據曲線。

圖5 定襄臺FHD-2B分鐘值曲線圖

圖6 改善供電環境條件下定襄臺FHD-2B分鐘值曲線圖

從圖5和圖6中可以看出：發電機供電可干擾地磁觀測數據，其干擾變化幅度和采取措施后的變化幅度對比如表1所示。

可見，在發電機輸出端增設穩壓穩頻儀后，FHD觀測數據變化幅度減小，信號噪聲減小，數據穩定性提高。

表1 改善發電條件前后定襄臺與太原臺、大同臺FHD-2B數據變化表

3.3 其他因素對FHD觀測數據的影響

對觀測數據產生影響的因素還有：

(1) 地磁記錄室的交流供電線路，尤其是環狀線路與探頭上方近距離的交流線路，可以產生交變干擾磁場，經探頭感應而對觀測數據產生干擾。

(2) 與信號線平行的交流供電線路，通過信號線的電磁耦合，將電磁干擾耦合到儀器中，影響觀測曲線。

(3) FHD儀器放置在機柜中，與其他儀器距離很近，儀器間、線路間的距離近，都會造成相互電磁干擾，影響儀器的觀測精度。

(4) 供給儀器的交流電，未經凈化，包含大量的高頻電磁諧波，通過儀器的電源耦合到儀器中，影響儀器的觀測數據，造成噪聲偏大。

考慮到FHD觀測數據噪聲易受到交流電磁干擾、直流供電干擾、信號線長度影響、接地影響、溫度影響以及磁性物體的影響[3]。要將FHD放置在遠離網絡服務器、交換機等儀器設備的適當位置，保證觀測數據的噪聲不超標準。磁性物質干擾會導致數據噪聲變大，伴有多個分量出現臺階，要保證儀器的調諧值、補償電流值、探頭方向、觀測方位角各種參數的正確性。信號線較長時，降低測量信號的信噪比，使測量數據的噪聲增大；還會受交流電磁耦合干擾的影響，造成數據噪聲增大。

4 結語

為確保數字地磁儀FHD的觀測數據穩定可靠，綜合上述分析，影響臺站地磁觀測數據的發電機供電干擾主要是電壓和頻率的不穩定。通過增設穩壓穩頻儀，使其供給地磁儀器的電壓穩定在220 V，頻率穩定在50 Hz。同時，改善發電機和配電設備的接地裝置，使發電機配電設備的接地電阻小于3 Ω。此外，合理放置地磁儀器，遠離影響儀器的干擾源。通過上述措施，能夠消除各種干擾因素，保證觀測儀器的正常運行，提供真實無誤的觀測數據。

參考文獻：

[1] 陳常俊，張亮娥，張紅秀，等.濱河西路建設和開通對太原基準地震臺電阻率觀測干擾分析[J].山西地震，2013(2)：5-7.

[2] 毛華鋒，王 皓.溧陽地震臺地磁觀測干擾分析及排除[J].地震監測，2012(3)：30-35.

[3] 紀加迎.FHD質子磁力儀觀測數據噪聲的影響因素及對策[J].地震監測，2013(3)：33-38.