山西定襄地震台发电干扰地磁观测数据的原因及排除方法

刘金柱，刘俊芳，高午原，郭 宇，高文玉

(1.山西省地震局定襄地震台，山西 定襄 035403；

2.太原大陆裂谷动力学国家野外科学观测研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地磁观测作为地震前兆观测的主要手段之一，在前兆观测中较为成熟[1]，其数据的准确和稳定对地震监测预报工作有很大影响。地磁观测仪FHD对供电要求高，抗干扰能力差，由于发电机输出电压不稳，特别是频率不稳，是FHD观测数据受干扰的主要原因之一。因此，确保发电机稳定的工作状态，改善发电机和配电设备的接地装置，通过改善观测硬件环境，提高观测数据的质量。

1 台站地磁观测基本情况

台站地磁观测采用FHD-2B质子矢量磁力仪，观测场地位于台站的西边，面积为直径100 m的圆形丘陵黄土覆盖层，观测室在场地的中央，信号线和电源线采取单独地埋处理，防止雷电干扰，仪器主机放置在距台站机房约100 m的工作大厅中。观测环境除高压直流输电干扰外，无其他明显的干扰源，符合规范要求。

2 发电机供电干扰数据的原因及分析

通过对影响地磁观测数据的干扰因素进行分析，交直流电磁干扰对FHD 质子磁力仪的影响最大，分为环境电磁干扰和观测系统电磁干扰。环境电磁干扰常见的有高压直流输电干扰和无线电波发射干扰，一般容易辨别和避让。观测系统干扰通过多途径干扰仪器的正常观测，是观测数据受干扰的主要因素[2]。

由于长时间停电，UPS电源无法提供仪器正常工作的电压时，台站采取发电机供电。FHD-2B质子磁力仪在市电供电时，工作正常。停电后，使用发电机供电，观测数据易受干扰。FHD-2B质子磁力仪对供电要求高，抗干扰能力差。由于发电机输出电压不稳，表现在频率不稳，是地磁观测数据受干扰的主要原因之一(见图1和第28页图2)。

通过分析定襄台和大同台、定襄台和太原台的各分量观测曲线，可以看出：图1和图2为预处理后的数据图形，在发电机供电时，Z分量曲线变化比较明显，Z分量、H分量均受干扰。在与其他台站的观测曲线对比时，H分量受干扰，有不规则的抖动，变化为阶变型，D分量受干扰不明显。在相同时间的条件下，图1中，定襄台H分量平均变幅为3.5 nT； 定襄台和大同台相比，H分量平均变幅为3.5 nT。图2中，定襄台H分量平均变幅为2.5 nT；定襄台和太原台相比，H分量平均变幅为4.4 nT。

图1 定襄台与大同台FHD-2B分钟值曲线图

图2 定襄台与太原台FHD-2B分钟值曲线图

当正常供电时，观测数据曲线各分量均无干扰。因此，发电机供电确实对观测数据产生影响。

台站发电机放置于台站院内的配电室，与地磁房相距约200 m左右。直流供电干扰是由于直流供电线路产生的电磁场与地磁场叠加，产生电磁干扰。

3 发电机供电干扰数据的排除方法

在发电机输出端增设稳压稳频综合仪，使发电机输出电压达到(220 V，50 Hz)市电标准。

3.1 稳压稳频电源

稳压稳频电源是经过AC→DC→AC变换的逆变电源，用来保障在一种供电电压、供电频率均不稳定，电压畸变严重，存在闪变、跌落等情况下，提供一个电压、频率稳定，波形标准的纯净供电环境，克服UPS不能带感性负载的缺点，能适用于任何负载，可提供理想的供电环境。

台站采用雅马哈EF5500TE发电机，其额定电压(3相)380/220 V，频率50 Hz，最大输出5.5 kVA，额定输出5.0 kVA，额定电流7.2 A。稳频电源的主要功用是将现有交流电源变换成所需频率稳定的纯净正弦波电源，电源采用正弦波脉宽调制(SPWM)IGBT高频逆变技术，内部为交—直—交结构，能清除干扰，输出波形无干扰，具有稳压、稳频、范围宽、精度高的优点，输出带有隔离变压器，与发电机配合构成不间断的供电，且抗干扰性好。有冗余硬件输出保护电路，输出高压，过流、过载、过热、短路自动保护并报警，反应速度快，确保电源输出发生故障时不损坏用电设备。独立电参数表实际实时测量显现输出频率、输出电压、输出电流、输出功率及负载功率因数。

3.2 改善发电机和配电设备的接地装置

发电机的接地装置，对FHD的供电安全有一定影响，尤其是雷雨季节，受到雷电影响，接地安全能提供FHD连续稳定的交流电压。发电机和配电设备的接地，通过用铜线与工作大厅接地网连接，使发电机配电设备的接地电阻小于3 Ω。实际工作中，通过发电机配电设备接地电阻并联到大厅的接地网中，测得接地电阻2.6 Ω，满足接地安全，并同时满足避雷要求。

FHD-2B质子磁力仪在日常观测时，主要使用交流电，交流电中包含有高频谐波分量，仪器的机箱和信号线的屏蔽层都是金属的，具有屏蔽作用，同时，表面也会感应耦合到电磁干扰。如果没有良好的接地装置与仪器连接，将这些干扰引入到接地，这些感应的电磁干扰将会影响到仪器的正常观测，使数据噪声增大，有的甚至无法工作。因此，良好的接地是降低观测数据噪声的有效手段。图3和图4是发电机输出端接有稳压稳频仪后(即采取措施后)的FHD观测曲线。

图3 改善供电环境条件下定襄台与大同台FHD-2B分钟值曲线图

图4 改善供电环境条件下定襄台与太原台FHD-2B分钟值曲线图

在相同时间的条件下，定襄台H分量平均变幅为1.3 nT。图3中，定襄台和大同台相比，H分量平均变幅为1.2 nT；图4中，定襄台和太原台相比，H分量平均变幅为1.3 nT。从图中可以看出：在发电机输出端增设稳压稳频仪，可以改进FHD的观测质量，提高数据稳定性。由此可知，发电机交流输出的高频电磁谐波导致电压不稳，主要表现为频率不稳，影响FHD仪器的接入信号，进而影响观测数据的稳定性和精确度。

图5是发电机供电干扰FHD的数据曲线，图6是发电机输出端接有稳压稳频仪后的FHD数据曲线。

图5 定襄台FHD-2B分钟值曲线图

图6 改善供电环境条件下定襄台FHD-2B分钟值曲线图

从图5和图6中可以看出：发电机供电可干扰地磁观测数据，其干扰变化幅度和采取措施后的变化幅度对比如表1所示。

可见，在发电机输出端增设稳压稳频仪后，FHD观测数据变化幅度减小，信号噪声减小，数据稳定性提高。

表1 改善发电条件前后定襄台与太原台、大同台FHD-2B数据变化表

3.3 其他因素对FHD观测数据的影响

对观测数据产生影响的因素还有：

(1) 地磁记录室的交流供电线路，尤其是环状线路与探头上方近距离的交流线路，可以产生交变干扰磁场，经探头感应而对观测数据产生干扰。

(2) 与信号线平行的交流供电线路，通过信号线的电磁耦合，将电磁干扰耦合到仪器中，影响观测曲线。

(3) FHD仪器放置在机柜中，与其他仪器距离很近，仪器间、线路间的距离近，都会造成相互电磁干扰，影响仪器的观测精度。

(4) 供给仪器的交流电，未经净化，包含大量的高频电磁谐波，通过仪器的电源耦合到仪器中，影响仪器的观测数据，造成噪声偏大。

考虑到FHD观测数据噪声易受到交流电磁干扰、直流供电干扰、信号线长度影响、接地影响、温度影响以及磁性物体的影响[3]。要将FHD放置在远离网络服务器、交换机等仪器设备的适当位置，保证观测数据的噪声不超标准。磁性物质干扰会导致数据噪声变大，伴有多个分量出现台阶，要保证仪器的调谐值、补偿电流值、探头方向、观测方位角各种参数的正确性。信号线较长时，降低测量信号的信噪比，使测量数据的噪声增大；还会受交流电磁耦合干扰的影响，造成数据噪声增大。

4 结语

为确保数字地磁仪FHD的观测数据稳定可靠，综合上述分析，影响台站地磁观测数据的发电机供电干扰主要是电压和频率的不稳定。通过增设稳压稳频仪，使其供给地磁仪器的电压稳定在220 V，频率稳定在50 Hz。同时，改善发电机和配电设备的接地装置，使发电机配电设备的接地电阻小于3 Ω。此外，合理放置地磁仪器，远离影响仪器的干扰源。通过上述措施，能够消除各种干扰因素，保证观测仪器的正常运行，提供真实无误的观测数据。

参考文献：

[1] 陈常俊，张亮娥，张红秀，等.滨河西路建设和开通对太原基准地震台电阻率观测干扰分析[J].山西地震，2013(2)：5-7.

[2] 毛华锋，王 皓.溧阳地震台地磁观测干扰分析及排除[J].地震监测，2012(3)：30-35.

[3] 纪加迎.FHD质子磁力仪观测数据噪声的影响因素及对策[J].地震监测，2013(3)：33-38.