浅析河北地震台网大地电场观测仪器故障特征

2018-11-02张广莉王莉森

山西地震 2018年3期

张广莉，王莉森，马佳

(1.河北省地震局阳原地震台，河北阳原 075800；2.河北省地震局，河北石家庄 050021)

0 引言

观测仪器的运行状态是直接影响产出数据准确性的主要原因。地震数字化观测仪器在网运行约20年，观测设备的故障特征也逐渐呈现出来。地电场仪是用于观测地表地电场强度的专用仪器，具有高灵敏度、大动态范围等性能特点及良好的抗干扰能力和较高的可靠性等，主要观测地电场强度及其时空变化，为地球物理场研究和地震监测预测服务。

河北省地震局是系统内较早开展数字化地电场观测的单位之一，经过“首都圈”“九五”“十五”等项目的建设、运行，地电场观测仪器已运行约17年，仪器运行过程中出现了多种故障。以河北省地震前兆数据跟踪分析记录事件、台站观测日志、全省维修记录为依据，统计地电场观测仪器的6种主要故障类型，分别为电极故障、主机故障、数采故障、电源故障、外线路故障、参数混乱，其中电极故障、主机故障为主要类型，约占80.43%。通过对故障特征及典型实例的分析，为仪器故障点位的快速查找、判断以及部件的快速更换提供技术参考。

1 仪器测量原理及结构

1.1 观测原理

地电场强度矢量测量，是按照分量测量、矢量合成的方法对地表地电场强度进行测试。当测量得到至少两个(正交)分量以后，由如下式1和式2可以计算得到测点O的平均地电场强度值E和方位角。

(1)

(2)

在进行地电场分量值测量时，一般情况下测量磁南北和磁东西两个正交分量。也可以根据观测场地条件，在平行和垂直于断层走向方向进行测量[1]。矢量测量合成如图1所示。

图1 地电场矢量示意图Fig.1 Vector schematic diagram of telluric electricity field

1.2 仪器结构

图2 地电场仪工作原理框图Fig.2 The working principle of the telluric equipment

2 故障识别方法

按照仪器组成结构分类，地电场观测系统常见故障包括电源故障、装置系统故障(含外线路、电极、避雷等)、主机/采集故障、通讯故障等。故障发生后，一般通过观测数据变化特征与观测原理相结合的方式判断故障发生点，采用“替换法”和“逐步逼近法”检测故障。

2.1 替换检测法

替换法是最直接的维护方式，可粗略快速查找故障点，实现观测系统的快速恢复[2]。其适合台站或维修中心，通过足够的备机备件，采用轮流替换的方式快速查找影响观测系统正常运行的故障点，并通过替换法实现观测数据的正常采集。替换法可根据故障发生诱因采用合适的替换方式，而非盲目的替换造成系统的无法恢复。

2.2 逐步逼近法

逐步逼近法是通过分析、实验精细查找故障的一种方式。其原则是按照容易到复杂的顺序，即“先查供电、后查仪器主机(采集、通讯、仪器内供电)、之后外线路、最后电极”的顺序对可能出现的故障进行逐个检测和排除，最终确定故障点位，实现故障的维修。

3 故障特征与实例分析

文章以河北省地电场观测仪2008至2017年上半年数据跟踪分析记录事件、台站观测日志、全省维修记录为数据源，统计分析仪器故障6类，统计维修次数200余次，各类故障比例如表1所示。

表1 干扰类型信息表Table 1 Interference types information

如表1所示，地电场观测仪器故障主要是电极故障、主机故障，占80.43%，其次是数采故障、电源故障、外线路故障、参数混乱，占19.57%。根据观测系统构成，合并部分故障类型，重点对主机故障(数采故障、参数混乱)、电源故障、电极故障、外线路故障进行详细的实例分析，为台站、省局仪器维修的故障判断提供解决思路。

3.1 主机故障

主机是地电场观测系统的核心部件之一，主要承担系统的控制、数据存储、网络通讯、测量控制、数据采集等。地电场仪主机主要由工控机、数据采集两部分组成来完成观测数据的采集、存储、格式转换、通讯等。其中工控机又称为上位机，数据采集部分称为下位机，均可独立工作。下位机是由单片机组成的采集控制系统，主要负责数据的采集、模数转换、原始数据的存储；上位机就是工控机部分，类似于一个小型的计算机，在该仪器中主要负责网路通讯、数据转换、长时间数据的存储等。

主机故障占仪器所有故障的38.04%，主机故障是观测仪器故障的统称，详细的故障划分为工控机故障(硬件故障)、数采故障、通讯故障、测量参数混乱4大类，每类故障均对应不同的故障现象，每类故障均有各自的判别方法。

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3.1.1 工控机故障

(1) 故障现象主要有死机、通讯故障、命令无响应、无数据文件、工控机反复发出“嘟”声(重启)、系统无法启动、仪器工作参数与测量参数混乱等。

(2) 工控机的工作状态较容易识别，主要通过两种方式确定其工作状态。首先，通过网络连通命令ping仪器主机，根据响应情况判断工控机通讯模块和仪器命令响应情况；其次，通过Web界面或Ftp方式登录仪器，查看仪器基本配置参数或下载观测数据等方式判断工控机的工作状态。

(3) 实例分析以河北兴济台电场仪工控机故障为例。2014年3月29日值班人员巡检地电场仪工作状态，查看仪器前面板，工作指示灯闪亮，工作正常。备份观测数据，通过登录观测仪器Web界面下载仪器当天的观测数据，登录仪器失败，提示“仪器未连接”。通过网络连通命令ping仪器主机，无返回信息。结合现场查看仪器工作状态的情况，判断为工控机故障。由于下位机(数采)工作正常，通过串口数据采集软件调收仪器当天数据正常后，打开仪器机箱，通过将工控机5 V供电系统断电(不是主机断电)，重新加电实现仪器重启后继续登录仪器Web界面，此时仪器登录成功，检查仪器工作参数及基础信息均正常，仪器恢复工作，初步判断此次故障为工控机死机。此时应当删除当天“.epd”格式文件，重启数据采集控制软件，确保数据的完整性。但是由于台站值班人员未按此操作，丢失当天3个小时的数据，即13：47数据断记，16：01数据恢复(见图3)。

图3 河北兴济台电场仪工控机故障曲线Fig.3 Curve of industrial personal computer trouble of telluric equipment at Xingji station

3.1.2 数采故障

(1) 故障现象。

前提是工控机正常，单道或多道观测数据错误或缺测。主机前面板工作状态指示灯不正常或指示灯无显示，且前面板显示观测数据错误或无数据，或者可听到主机内有继电器不规则的切换声,甚至为数采死机。

(2) 判别方法。

首先查看仪器主机前面板的工作指示灯与显示测量数据是否正常；其次，通过远程登录工控机下载数据文件，查看当前数据是否与台站正常的背景数据一致，如不一致，基本可以确定为数采故障(电极老化反应与此不一致)。

(3) 实例分析。

以河北昌黎后土桥地震台电场仪数采故障为例。2014年5月7日巡检仪器工作状态，远程登录仪器工控机，查看观测数据，数据背景噪声高于往日数据特征且出现杂乱无章的连续动态尖峰曲线。现场检查仪器主机前面板，仪器工作指示灯常亮，且6个测道均出现时断时续的现象，排除电极同时损坏的可能，初步怀疑为数采工作不正常。备份当天数据文件，重启仪器并检查仪器工作参数无误后仪器恢复工作。数据变化如图4所示。

3.1.3 参数故障

参数混乱或丢失可分为测量参数混乱与工控机工作参数混乱两种形式。其中测量参数混乱的直接特征是仪器数据错误，出现与背景噪声不一致的现象，均为错误数据；工控机工作参数混乱表现为网络不通、数据文件形成错误(文件名或文件内容)等。两种方式的表现形式均不一致。因其诊断容易，所以需在工控机、数采故障开始检查前完成参数核对，确保仪器工作正常。

图4 河北昌黎后土桥台数采故障数据缺测曲线Fig.4 Data shortage curve of data acquisition trouble at Tuqiao station in Changli

以兴济台地电场仪器参数混乱为例。2014年5月16日12：19地电场观测6个测道同时出现台阶状变化，数据限幅，压制观测数据显示为一条直线。初步怀疑场地环境干扰或主机故障，巡视测区环境，标定设备均正常，查看仪器测量参数，所有参数恢复到出厂设置，查找原因，初步判断为设备老化造成。重新设定为兴济台工作参数后，仪器工作正常。数据变化如图5所示。

图5 河北兴济台地电场仪器参数混乱曲线Fig.5 Curve of disordered telluric equipment parameter at Xingji station

3.2 电源故障

电源故障主要包含供电电源故障和仪器电路板电源故障两种。供电电源出现故障后，整套仪器停止工作或工作不正常；电路板电源故障主要表现为主机停止工作、工控机启动时“滴”的声音频繁、公用数采继电器反复切换等[3]。出现以上情况后，只能通过现场诊断解决。通过万用表量取供电电源输出电压，判断电源供电是否正常。如，市电供电电压在210～230 V之间可作为正常供电，直流供电在11.5～13 V之间可作为正常范围，仪器内部电路板供电在4.5～5.5 V之间可作为正常供电。因此在现场诊断电源故障时，需根据每个供电单元的实际情况来判断仪器供电是否正常。电源故障的特点是，电场仪6道数据同时出现变化，变化特征呈趋势性变化或方波形态。

以兴济台电场仪电路板电源故障为例。2011年4月5日00:02至19:11，沧县兴济地震台ZD9A地电场仪6道数据均出现大于日变化峰-峰幅度2倍的多次方波(见图6)，系降雨造成电网停电，UPS供电超过5个小时后逐渐停止供电引起。

图6 河北兴济台电场仪电路板电源故障曲线Fig.6 Curve of circuit board power trouble of telluric equipment at Xingji station

3.3 装置故障

地电场观测装置由电极与线路两部分组成。电极故障(老化)为地电观测的主要故障之一，占所有观测故障的48.91%。

3.3.1 电极故障

地电场测量电极故障可分为两大类，一类为电极与线路连接处故障，主要为线路锈蚀造成的接触不良，可以进行现场排除；另一类为电极老化，包括电极与土壤接触不良和电极超过使用时限等，需要在附近地表埋设检测电极进行对比分析，进行确认后，需要对故障电极进行更换。电极故障特征如下：电极故障直接影响与之相关的测道数据，变化特征为不规律数据跳动；电极一旦出现故障，若不经过处理，不能自行修复；异常变化有可能朝单一方向缓慢漂移而不能自行恢复。电极故障后，应及时更换，无其他恢复方法。

3.3.2 外线路故障

外线路故障主要包括线路虚接与断开、线路漏电、线路连接错误等。当发生故障时，观测数据出现两道或多道数据较大幅度的同步非正常变化，按照如下步骤进行装置系统的故障分析检测。

(1) 首先检查可能故障线路的对地绝缘电阻，如果绝缘电阻比较低，应继续逐段检查，找到真正的漏电点。

(2) 然后从电极与外线路连接点开始逐个检查所有连接点是否接触良好，特别是信号线避雷器所在的接线盒中的所有接头，必要时可用备用导线临时替换整个避雷器接线盒，再进行检测。

(3) 最后利用断开指定电极的方法，检测外线路与室内线路的标示和连接是否正确。