青海省地震前兆观测仪器故障原因及影响分析

李延峰，吴哲，崔煜，赵永海

(青海省地震局，青海西宁　810001)



青海省地震前兆观测仪器故障原因及影响分析

李延峰，吴哲，崔煜，赵永海

(青海省地震局，青海西宁810001)

摘要：对青海省地震局前兆仪器的整体运行情况进行了概述，对2010～2014年期间所运行前兆仪器出现的各种故障进行了统计、分析,发现故障出现的原因多为数采故障及供电系统故障等造成。对及时发现目前仪器运行存在的隐患、保证前兆设备正常运行提出了解决方案。

关键词：地震前兆仪器；仪器故障；青海；对策

0引言

地震前兆指地震发生前出现的异常现象，岩体在地应力作用下，在应力应变逐渐积累、加强的过程中，会引起震源及附近物质发生，如地震活动、地表的明显变化以及地磁、地电、重力等地球物理异常，地下水位、水化学、动物的异常行为等。地震分析预报人员对地震前兆的分析和研究是基于地震前兆观测仪器所产出的连续数据。目前，“十五”地震前兆仪器囊括了电磁、形变、流体三大学科的各种手段，地震专业仪器已由原来的人工模拟日均采样发展到现在的全自动、网络化的分钟甚至秒采样，全方位、多角度地为地震分析预报工作提供了详实可靠的前兆数据。

但由于前兆观测仪器多使用电子器械，受外界因素影响较大。青海省幅员辽阔，但前兆台站本身较少且分布十分稀疏，部分前兆台站周边数百公里内无其他前兆监测设备，前兆仪器一旦发生故障对全年的资料来说都有较大的影响，如果故障周期较长，恢复正常观测较慢，将对产出的资料产生难以弥补的损失，对用以分析、预报的使用人员来说，使用价值就会降低很多。因此，对前兆仪器发生故障的原因进行分析，尽量减少仪器故障的发生及缩短发生故障的周期就显得十分必要[1-5]。

1青海省地震前兆台站分布及运行概况

青海省地震监测预报基础较为薄弱，前兆观测台站的密度为每10万平方千米0.6个，台网布局比较稀疏，主要分布在人口密集的区域，格局相对合理。青海地震前兆台网共有21个前兆台站(图1)，其中，省地震局所属11个台站，其余10个台站为市县所属。

前兆台网观测项目涵盖形变、地磁、地电和地下流体4个学科。随着观测技术、信息技术的迅速发展，目前青海省地震前兆台网基本实现了数字化、网络化观测。

“十一五”期间，青海区域地震前兆台网现在所运行观测仪器数量共计达到100套、284个测项分量。其中，形变学科仪器17套、63个测项分量；重力2套、20个测项分量；流体学科仪器38套、43个测项分量；地磁学科仪器23套、71个测项分量，地电学科仪器9套、54个分量；辅助观测仪器11套、33个测项分量。2010～2014年以来前兆运行率总体基本保持良好(表1)。

表1

青海省2010～2014前兆台站历年运行率

图1　青海省前兆台站分布

2青海省各前兆台站仪器故障情况及影响分析

青海局地震局“十五”期间对原来的仪器进行了较大调整，从“九五”期间的数字化进化到现在的网络化，但自各学科前兆仪器运行以来，总体的差异性和复杂性是明显的，仪器的故障率受很多因素影响。本文对干扰因素进行总结分析。

表2

青海省前兆仪器故障情况及分类

2.1对故障仪器所属学科的分析

对青海省各前兆台站中运行的仪器进行详细整理，从中选出2010～2014年青海省各类前兆仪器出现的故障情况，加以汇总并对出现的故障及所属学科进行分类(表2)。通过数据可以看出，全省所有地震前兆观测仪器中，流体台站占较大的比例，所使用仪器最多，在所有出现故障的仪器中，流体学科故障率也较高，形变学科仪器故障率其次，电磁学科仪器故障率较低。前兆各测项仪器发生故障后，对全年产出的资料连续率及完整率造成较大影响。

2.2对仪器故障率的分析

从统计数据来看，前兆仪器出现的总故障次数呈逐年递增趋势。其中，在2010年故障率最低，到2012年全省前兆台站故障率最高，2013年后开始相对稳定。分析原因后认为，2010年仪器架设初期，各仪器及供电系统能够基本正常工作，随着长期连续不断的使用后，在2012年多数前兆仪器开始陆续出现故障，在经过厂家及维护人员对各故障设备进行维修及更换后，从2013年开始全省前兆仪器出现故障的数量明显下降，仪器运行率也有较大提高。

2.3对仪器故障类型的分析

仪器发生故障的主要原因为数采故障，其次分别为供电系统故障、探头故障、通信故障及人为因素。

2.3.1数采故障

地震前兆仪器的数采出现的故障率较高，数采都是电子元器件构成，经过长时间的连续工作，很多部件容易出现老化，在供电不稳定的情况下高电压与大电流冲击很容易造成数采自身损坏，造成数据断记及不可用数据，使观测系统不能正常工作。而数采出现故障后一般需要返厂进行维修，且维修周期较长，在备用数采短缺的情况下，不能及时恢复台站的正常观测，对资料的连续性造成较大影响(图2)。

图2　数采故障造成数据影响

图3　供电系统故障对数据造成影响

2.3.2供电系统故障

青海省多数前兆台站分布在艰苦地区，以前在日常工作中出现停电的现象较多，有时停电时间较长，而停电会造成整个前兆台站所有观测数据受影响甚至造成数据缺失，在“十五”项目中对有人值守前兆台站供电系统进行了改造，在仪器的前端加载有UPS电源，但由于日常台站人员对UPS电源维护不到位及电瓶老化等原因，发生停电后，使用UPS电源自身配置的电瓶不能进行长时间的供电，台站还需要使用发电机进行发电，来保障仪器的正常运行，但在交直流切换过程中容易对前兆数据产生台阶、尖峰等干扰，同时对仪器自身也产生一定的损害(图3)。而无人值守台站一般出现长时间停电后直接造成数据缺失。因此，建立一套科学完整的地震台站供电系统是前兆仪器低故障率的核心保障。

2.3.3探头故障

前兆仪器探头部分多为高精密机械及高精度传感器组成，探头部分出现故障时排除相对较难，且维修十分不易，部分仪器探头与数采需要配套才能正常工作，不能随意更换其他探头代替。因此，当探头部分出现故障后维修周期都较长，更换探头后需要较长的稳定时间。在探头出现故障时，形变类仪器如水平摆、垂直摆倾斜仪等易受地震、电路传感器或人为因素造成靠摆及硬件故障，流体类前兆仪器如水位仪、水温仪等长时间浸泡在水中，出现故障多为过压、雷击及密封问题进水短路造成故障(图4)。

图4　探头故障对数据影响

从图4中可以看出，玉树台SSQ2型水平摆在2013年7月初探头出现靠摆现象，在调试后仪器石英丝断裂，出现较长时间的断记。图4中门源地震台钻孔应变仪北东分量在2013年2月7日出现突升，直至3月1日，数据出现较大的畸变及突降，而其余分量未见异常，数采也未出现故障，通过分析认为该仪器探头北东向出现故障。

2.3.4通信故障

仪器所产生数据需要稳定的网络进行传输，通信设备出现故障对无人值守台站数据的连续率及完整率有较大影响。青海省地震局前兆台站中有11个综合地震台站及区域中心采用光纤传输，2个市县台站采用DDN传输，5个无人值守观测点采用3G无线网络传输，区域中心数据库与专业台站数据库应用行业网IP地址，利用VPN技术连接。发生的通信故障多为无线传输链路，受供电、网络运营商及硬件自身问题影响较大。根据统计，在2010～2014年中，因通信链路故障造成的数据丢失情况共出现11次。

2.3.5雷击故障

雷电对地震观测数据的连续率和质量造成较大影响。

雷击对前兆台站损害极大。一般地震前兆台站受雷击多由市电引雷造成，会导致专业设备及公用设备遭受雷击故障甚至损毁。全省地震台站近年来也多次发生雷击造成仪器损坏及影响监测数据的现象。例如，玉树地震台在2012年遭雷击造成气氡仪与水位仪故障，2012年7月，西宁地震台地温仪遭雷击损坏，2013年8月门源地震台水平摆倾斜仪遭感应雷击，数采在雷击后出现故障，不能正常工作，也造成长时间数据缺失等(图5)。

图5　雷击造成门源地震台水平摆故障

3解决方法

前兆仪器种类较多，出现的故障率较高，如何做到降低仪器故障率，要从根本上解决问题。通过上述出现的故障类型，认为现阶段可以有以下解决方法。

3.1保障供电的连续性及稳定性

在供电系统方面，对有人值守的综合台站供电应该统一采取交流+UPS+发电机模式，经常检查供电线路，及早发现问题隐患，对UPS安装监控系统，值班人员每日定时查看监控记录，及时发现问题，能排除的及早解决，不能排除的及早上报维护部门。定期对UPS进行放电维护，长时间的浮充会减少UPS及电瓶寿命，每年检查电瓶电量，发现有个别损坏电瓶应及时上报并更换。对无人值守台站尽量采用交流+直流智能电源供电系统，采用好的直流供电智能电源对防雷及稳压、稳流有明显作用，对产出的数据影响很小，无人值守台站每年需要检查供电系统及线路，对出现隐患的供电线路及早更换。

3.2安装完善的防雷接地系统

为了保障地震台站综合观测技术系统连续可靠运行，有效减轻雷击灾害对我国地震台站专业仪器设备的影响和伤害，将雷害对观测工作造成的影响和损失减至最小程度，提高地震台网观测仪器设备的运行率和数据完整率，需要对前兆台站进行完善的防雷措施。前兆台站的防雷主要采用配电线路三级防护，还要做到信号线路防护、电磁屏蔽、接地与等电位连接。

做好完善的防雷接地系统需要以下几点：

(1)改善台站交流配电的防雷设备设施，增加台站交流供电铠装电缆入地。对部分台站老化的供电线路进行更换；

(2)增加通信传输线路及设备信号引线防雷设备；

(3)台站电源线、仪器信号线、数据线、网络线、视频信号线等强弱电线路分开及规范布设等内容；

(4)清理现有接地情况，对部分接地电阻超标较严重的台站重新做接地地网；改进与完善电磁屏蔽，接地极与等电位装置。

3.3增加备用仪器

地震前兆观测手段复杂，仪器种类繁多，每个前兆台站安装架设的数量也较多，在日常工作中难免会出现各种不可预见的故障情况。因此，维护部门应当增加各前兆学科备用仪器的种类及数量，可以保证在仪器出现故障且不能及时维修的情况下尽快恢复观测，保证资料的连续、完整。对于备用设备应当经常检查、通电维护，以备不时之需。

3.4加强维护人员及台站人员业务水平

仪器设备维护人员需要在故障产生、原因查找、排除的过程中来提高业务水平，通过总结和积累经验，才能对故障精准分析，解决问题时得心应手，手到病除[2]。

4结论

前兆资料的可用性对整个地震监测预报来说十分重要，关系到分析预报人员的数据使用。设备运维的好坏、故障处理的及时与否直接关系到前兆台网系统的整体运行。

(1)加强设备维护人员及台站工作人员的责任心及业务水平，降低前兆仪器故障率是产出连续、可靠的前兆资料的重要保障。

(2)前兆仪器的维护经验是在日常工作中日积月累形成的，是通过在故障排除过程中总结和积累的，维护人员的业务能力是前兆仪器稳定运行的先决条件。

(3)加强对维护人员及前兆台站人员故障排查能力的培养，最大可能缩短故障时间，确保得到更多的实用资料。

(4)加大对地震前兆台站的投入力度，充足的备用设备能极大减少受损失的资料数量，让产出数据得到充分使用。

(5)保障台站有个良好的供电及防雷系统，及时改造和更换隐患设备及线路是降低仪器故障率的前提。

参考文献：

[1]翁钊强.台站如何做好前兆工作[J].科技资讯，2007(31)：92-93.

[2]曲利，董晓娜，胡旭辉，等.浅谈山东“十五”地震前兆仪器的运行维护[J].华北地震科学，2012，30(2)：56-59.

[3]杨铁忠.信号源类仪器故障诊断专家系统设计与开发[J].电子科技大学，2008，

[4]杨广华,邱鹏成,周瀚琳,等.格尔木地震台前兆观测干扰分析[J].地震地磁观测与研究，2013，(Z3)：193-199.

[5]王永刚,李滔,马辉青,等.西宁地震台前兆观测干扰分析[J].高原地震，2013，25(2)：26-30.

ANALYSIS ON CAUSES AND INFLUENCES OF EARTHQUAKE PRECURSOR OBSERVATION INSTRUMENT FAILURES IN QINGHAI PROVINCE

LI Yanfeng,WU Zhe,CUI Yu,ZHAO Yonghai

(EarthquakeAdministrationOfQinghaiProvince,Xining810001,China)

Abstract:The overall operation of earthquake precursor instruments in Qinghai province were summarized,and the all precursor instrument failures from 2010 to 2014 have been statistically analyzed,and found that the causes of the failures mainly are data collectors and power supply system.The countermeasures for the failures are put forward in the paper.

Key words:Earthquake precursor instrument;Failure of instrument;Qinghai;Countermeasure

中图分类号：P315.62

文献标识码：A

文章编号：1005-586X(2016)01-0055-06

作者简介：李延峰(1981—)，男，青海乐都人，工程师，主要从事地震仪器维护和地震观测系统保障工作。E-mail：yuki430@163.com。

收稿日期：2014-03-10