地電阻率供電回路故障檢測板的研制與使用

郅紅魁 趙彥旭 付 靖 謝佳興 尚淑珍

1）中國河南 471000 河南省地震局洛陽地震臺

2）中國鄭州 450008 河南衛生健康干部學院

0 引言

地電阻率觀測是地震地球物理觀測的主要手段之一。目前，全國地電臺站使用的地電阻率觀測儀器主要為ZD8BI、ZD8M 地電儀器，部分儀器老化嚴重，容易出現電流不穩、無電流等現象。洛陽地震臺、浚縣地震臺、潢川地震臺、周口地震臺等臺站均出現過供電回路故障，其原因涉及的方面較多，如主板、標準電阻、穩流電源、外線路、電極引線、避雷裝置等等，以及它們之間的接頭、連接線等出現問題，都會造成上述現象。儀器內部電路復雜，加之臺站人員對“十五”儀器了解較少，這使得維修難度增大（王鳳等，2013）。目前維修方法是更換備機備件，但廠家維修往返時間較長，且備機若出現故障易造成大量缺測，嚴重影響觀測質量。如果臺站能夠自行維修，就可縮短故障維修時間，在提高工作效率的同時，也使廠家減少了維修負擔。本文將論述供電回路故障檢測板工作原理和故障排查方法，旨在對故障部位快速查找和處理，以達到維修目的。

1 地電阻率觀測儀器供電原理

A、B、M、N 為地面上的4 個點，AB 約為1 000 m，MN 約為（1/5—1/3）AB，在A、B、M、N 處埋入電極（趙家騮等，2001），A、B 稱為供電極，M、N 稱為測量極。E 為供電電源，K 為開關，當K 閉合時，電流I 從供電電源E 經A—大地—B 流回E，從而在大地內部建立穩定的人工電場，同時測量M、N 之間的人工電位差ΔU（人工電位差ΔU 是指供電電流穩定后在M、N 之間產生的人工電位差）（圖1）。然后在相同時間供電電源E 再反向供電，同時測量M、N 之間人工電位差電位差ΔU，系統內部通過人工電位差ΔU、裝置系數K、供電電流I 自動計算出視電阻率。

圖1 地電儀器的供電測量原理Fig.1 Power supply measurement principle of the geoelectric instrument

2 地電阻率觀測儀器內部與外部器件供電回路關系

根據供電原理，“電流不穩”“無電流”與地電阻率觀測儀器供電間有直接關系，“電流不穩”為供電回路電路接觸不良所致，“無電流”為供電回路電路斷路所致。它們均與供電回路內部和外部的器件相關，儀器內部器件包括主板、繼電器板、標準電池、相關連接線路和接頭等，儀器外部器件包括穩流電源、裝雷裝置、地電外線、斷電線、電極引線、相關連接線路和接頭等，這些有一處出現接觸不良或故障，都會造成上述現象。圖2 為供電回路相關部件連接示意圖。由圖2 可見，主板給繼電器組合板發出指令，繼電器控制穩流電源供電，穩流電源供電“+”極經過相關繼電器向外供電，再經過避雷裝置、地電外線路、斷線器或閘刀、電極A 與大地連接，再經過電極B、斷線器或閘刀、地電外線路、避雷裝裝、繼電器、穩流源供電“-”回到穩流電源，從而形成供電回路。因供電回路涉及諸多環節，很難直觀判斷哪一部分出現故障，增加了維修難度。由圖2 還可以看出，所有控制命令和電流輸入、輸出都匯集在繼電器組電路板上，若知道繼電器組電路板的工作狀態，就能了解整個地電祖率觀測系統的工作狀態，從而快速判斷故障位置。

圖2 地電供電回路相關部件連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of the connection of relevant components

3 供電回路故障檢測板工作原理及故障判斷

3.1 供電回路故障檢測板工作原理

為了快速判斷故障，需要制做一個供電回路故障檢測板來檢測故障，并對繼電器組電路板電路重新優化設計如圖4，設計時接口方式和接口定義不變，以便于接入測試。除保持原有繼電器功能以外，新繼電器外殼采用全透明材料，增加了透視功能（圖3）。繼電器上有工作指示燈，當繼電器工作指示燈亮時，繼電器吸合；燈滅，則斷開，還可以直接看到繼電器內部的觸點是否對應吸合或斷開。供電回路故障檢測板工作原理：當儀器出現“無電流”或“電流不穩”等無法判斷的故障時，用故障檢測板替換原有的繼電器板，通過故障檢測板上LED 燈的亮與滅，來判斷故障大致位置，每個LED 燈代表相應設備或部件；然后再對故障部位仔細排查，以實現快速維修。每個繼電器的功能不一樣，圖3 中1 號繼電器制控北南向電極A、B 連接的；圖3 中2 號繼電器制控東西向電極A、B 連接的；3 號繼電器制控北東或北西向電極A、B 連接的；4 號繼電器為正反向繼電器，控制供電電流供電方向；5 號繼電器為控制穩流源供電，確保向A、B 電極間供2 A 的電流；6 號繼電器為向穩流電源WL6B 提供220 V 交流電。

圖3 供電回路故障檢測板Fig.3 Fault detection board of power supply circuit

圖4 供電回路故障檢測板電路Fig.4 Circuit diagram of the fault detection board

3.2 供電回路故障檢測板的檢測時序

工作時序如下：在每小時的0 分0 秒，地電儀器主板ZDM 發送指令，驅動圖3 中6 號繼電器燈亮吸合，給穩流源WL6 或WL6B 供電，使穩流電源開機通電預熱，5 分10 秒主板發送指令給圖3 中1 號繼電器吸合，確保供電前與外線路、電極之間連接形成回路，測完M、N 之間自然電位差Usp后，主板給圖3 中5 號繼電器發送指令，啟動穩流源向給圖3 中4 號繼電器開始正向供電，電流通過給圖3 中1 號繼電器向A、B 之間的電極供電，5 s 后5 號繼電器斷開，停止穩流電源供電后，給圖3 中4 號繼電器吸合，給圖3 中5 號繼電器再吸合穩電源電源開始供電，這時電流是反向供電，5 s 后給圖3 中5 號繼電器斷開，穩流電源供電結束，完成1 次電流正反向供電，獲得正反向電流，再進行1次正反向供電，然后5 號繼電器吸合穩流電源正向供電過程中儀器測量M、N 電極之間人工電位差，斷開5 號繼電器，4 號繼電器再吸合，測得反向人工電位差，之后給圖3 中4 號和5 號繼電器交替5 次供電完成人工電位差測量，給圖3 中4 號和5 號繼電器再進行2 次正反向供電，完成供電電流回路測試，第1 測道NS 向地電阻率測量結束，重復上面測量時序完成EW 向、NW 向地電阻率測量工作（圖5）。

圖5 供電回路故障檢測板工作時序Fig.5 The working sequence of the fault detection board

3.3 供電回路故障判斷過程

圖6 為供電回路故障檢測板故障排查流程。故障排查方法：①將繼電器組合板更換為供電回路故障檢測板是否工作正常；②若正常工作，說明是原繼電器組合板故障，按照檢測板工作時序，推斷出故障繼電器，更換即可；若不正常工作，說明原繼電器組合板無故障；③根據故障檢測板的LED 指示燈亮滅，來判斷繼電器組合板以外連接的設備和部件是否有故障，檢查各繼電器上的LED 燈是否會亮，不亮說明主板沒有給指令，則問題出現在主板上，檢查主板或與繼電器組合板之間的連接線及接頭等；④若供電回路故障檢測板的LED 指示燈亮，則說明故障不在主機上，可能是穩流源、供電外線路斷線或相關接頭接觸不良。若圖3 中第6 個繼電器燈亮，則檢查穩流源是否預熱，檢查穩流源連接電源線是否插好，開關是否打開，保險絲是否燒斷。若第1、2、3 個繼電器LED指示燈燈亮，則表示工作正常。若第4 個繼電器亮，其作用是正反向供電，則指示燈一亮一滅為正常。若第5 個繼電器燈亮，應觀察穩流電源是否供電，2 A 電流和電壓是否正常，若電流等于零或電壓滿刻度，則說明供電回路有斷電的地方，應檢查供電回路中所有連接設備，如避雷裝置、地電外線路、斷線器、閘刀、電極引線、穩流電源、標準電池等之間的連接線和連接觸點是否正常。

圖6 供電回路故障檢測板故障排查流程Fig.6 Fault troubleshooting flow chart of the fault detection board

4 應用與效果

2020 年7 月，洛陽地震臺地電阻率ZD8M 地電儀，NS 向觀測頻繁出現“電流不穩”（圖7），這種現象多為儀器內部各連線接頭、外線路、避雷裝置等接觸不良，或繼電器組電路板故障所致，它們導致輸出電流不穩定，儀器顯示“電流不穩”。將繼電器組合板更換為供電回路故障檢測板（圖8），通過繼電器檢測板上LED 燈的的亮滅來判斷工作時序是否正常，若無“電流不穩”現象，則說明原繼電器組合板上繼電器有問題。根據繼電器檢測板工作時序步驟2 可知，1 號繼電器是NS 向外線路供電回路的繼電器，如果NS 向“電流不穩”，可能是繼電器觸點接觸不良電流不穩定所致，于是把繼電器組電路板上1號和控制打印機的繼電器焊下交換位置，再重新裝到儀器上后，NS 向地電阻率未出現“電流不穩”現象。

圖7 “電流不穩”現象Fig.7 Current instability

圖8 繼電器檢測板檢測故障Fig.8 Fault detection using relay testing board

周口地震臺地電阻率ZD8M 地電儀整點時穩流電源開始預熱就會出現報警，電壓表針顯示滿刻度，穩流電源一直供電，3 個測向地電阻率均顯示數值為“327.52”。把繼電器組電路板更換為供電回故障檢測板（圖8）后儀器工作正常，根據繼電器檢測板工作時序（圖5）的步驟1，6 號繼電器為通電預熱而不是供電，而只有步驟3 中的5 號繼電器吸合才能開始供電，說明5 號繼電器內部觸點沒有正常斷開并給出錯誤供電指令，穩流電源提前向大地供電，沒有形成回路而導致供電電壓太高，儀器直接跳轉到第2 測道進行測量，說明4 號繼電器可能出現故障，第2 測道和NW 向第3 測道也出現同樣問題。由圖5 可見，所有測道都要通過5 號繼電器控制供電，5 號繼電器若出現故障，則所有測道都不會正常工作，所以該繼電器很可能存在問題，將圖2 中5 號繼電器更換后，儀器恢復正常工作。

5 結論

供電回路故障檢測板優點：向上可以判斷主板是否工作正常，向中可以確定原繼電器組合板好壞，向下可了解穩流電源工作狀態。缺點：檢測板相應繼電器指示燈亮滅，不一定是繼電器故障，也可能是穩流電源或供電回路中相關設備、連接線等接觸不良造成的，繼電器指示燈提示的可能是故障位置也可能是故障方向，需要參照圖5 一一測試排查。在使用繼電器檢測板時，除了查看其上LED 燈和檢測時序外，還要查看儀器前面板顯示的數據和穩流電源的預熱指示燈、電流表、電壓表的變化，對其綜合分析才能快速處理故障。另外，為了防止繼電器檢測板出現故障，可查看測試數據和原始數據是否一致，也可通過與備用繼電器組電路板交互測試進行判斷，若兩者結果一致，則為正常，再進行故障排查。但該繼電器檢測板只用在故障排查中，不用于日常觀測。