地电阻率供电回路故障检测板的研制与使用

郅红魁 赵彦旭 付 靖 谢佳兴 尚淑珍

1）中国河南 471000 河南省地震局洛阳地震台

2）中国郑州 450008 河南卫生健康干部学院

0 引言

地电阻率观测是地震地球物理观测的主要手段之一。目前，全国地电台站使用的地电阻率观测仪器主要为ZD8BI、ZD8M 地电仪器，部分仪器老化严重，容易出现电流不稳、无电流等现象。洛阳地震台、浚县地震台、潢川地震台、周口地震台等台站均出现过供电回路故障，其原因涉及的方面较多，如主板、标准电阻、稳流电源、外线路、电极引线、避雷装置等等，以及它们之间的接头、连接线等出现问题，都会造成上述现象。仪器内部电路复杂，加之台站人员对“十五”仪器了解较少，这使得维修难度增大（王凤等，2013）。目前维修方法是更换备机备件，但厂家维修往返时间较长，且备机若出现故障易造成大量缺测，严重影响观测质量。如果台站能够自行维修，就可缩短故障维修时间，在提高工作效率的同时，也使厂家减少了维修负担。本文将论述供电回路故障检测板工作原理和故障排查方法，旨在对故障部位快速查找和处理，以达到维修目的。

1 地电阻率观测仪器供电原理

A、B、M、N 为地面上的4 个点，AB 约为1 000 m，MN 约为（1/5—1/3）AB，在A、B、M、N 处埋入电极（赵家骝等，2001），A、B 称为供电极，M、N 称为测量极。E 为供电电源，K 为开关，当K 闭合时，电流I 从供电电源E 经A—大地—B 流回E，从而在大地内部建立稳定的人工电场，同时测量M、N 之间的人工电位差ΔU（人工电位差ΔU 是指供电电流稳定后在M、N 之间产生的人工电位差）（图1）。然后在相同时间供电电源E 再反向供电，同时测量M、N 之间人工电位差电位差ΔU，系统内部通过人工电位差ΔU、装置系数K、供电电流I 自动计算出视电阻率。

图1 地电仪器的供电测量原理Fig.1 Power supply measurement principle of the geoelectric instrument

2 地电阻率观测仪器内部与外部器件供电回路关系

根据供电原理，“电流不稳”“无电流”与地电阻率观测仪器供电间有直接关系，“电流不稳”为供电回路电路接触不良所致，“无电流”为供电回路电路断路所致。它们均与供电回路内部和外部的器件相关，仪器内部器件包括主板、继电器板、标准电池、相关连接线路和接头等，仪器外部器件包括稳流电源、装雷装置、地电外线、断电线、电极引线、相关连接线路和接头等，这些有一处出现接触不良或故障，都会造成上述现象。图2 为供电回路相关部件连接示意图。由图2 可见，主板给继电器组合板发出指令，继电器控制稳流电源供电，稳流电源供电“+”极经过相关继电器向外供电，再经过避雷装置、地电外线路、断线器或闸刀、电极A 与大地连接，再经过电极B、断线器或闸刀、地电外线路、避雷装装、继电器、稳流源供电“-”回到稳流电源，从而形成供电回路。因供电回路涉及诸多环节，很难直观判断哪一部分出现故障，增加了维修难度。由图2 还可以看出，所有控制命令和电流输入、输出都汇集在继电器组电路板上，若知道继电器组电路板的工作状态，就能了解整个地电祖率观测系统的工作状态，从而快速判断故障位置。

图2 地电供电回路相关部件连接示意图Fig.2 Schematic diagram of the connection of relevant components

3 供电回路故障检测板工作原理及故障判断

3.1 供电回路故障检测板工作原理

为了快速判断故障，需要制做一个供电回路故障检测板来检测故障，并对继电器组电路板电路重新优化设计如图4，设计时接口方式和接口定义不变，以便于接入测试。除保持原有继电器功能以外，新继电器外壳采用全透明材料，增加了透视功能（图3）。继电器上有工作指示灯，当继电器工作指示灯亮时，继电器吸合；灯灭，则断开，还可以直接看到继电器内部的触点是否对应吸合或断开。供电回路故障检测板工作原理：当仪器出现“无电流”或“电流不稳”等无法判断的故障时，用故障检测板替换原有的继电器板，通过故障检测板上LED 灯的亮与灭，来判断故障大致位置，每个LED 灯代表相应设备或部件；然后再对故障部位仔细排查，以实现快速维修。每个继电器的功能不一样，图3 中1 号继电器制控北南向电极A、B 连接的；图3 中2 号继电器制控东西向电极A、B 连接的；3 号继电器制控北东或北西向电极A、B 连接的；4 号继电器为正反向继电器，控制供电电流供电方向；5 号继电器为控制稳流源供电，确保向A、B 电极间供2 A 的电流；6 号继电器为向稳流电源WL6B 提供220 V 交流电。

图3 供电回路故障检测板Fig.3 Fault detection board of power supply circuit

图4 供电回路故障检测板电路Fig.4 Circuit diagram of the fault detection board

3.2 供电回路故障检测板的检测时序

工作时序如下：在每小时的0 分0 秒，地电仪器主板ZDM 发送指令，驱动图3 中6 号继电器灯亮吸合，给稳流源WL6 或WL6B 供电，使稳流电源开机通电预热，5 分10 秒主板发送指令给图3 中1 号继电器吸合，确保供电前与外线路、电极之间连接形成回路，测完M、N 之间自然电位差Usp后，主板给图3 中5 号继电器发送指令，启动稳流源向给图3 中4 号继电器开始正向供电，电流通过给图3 中1 号继电器向A、B 之间的电极供电，5 s 后5 号继电器断开，停止稳流电源供电后，给图3 中4 号继电器吸合，给图3 中5 号继电器再吸合稳电源电源开始供电，这时电流是反向供电，5 s 后给图3 中5 号继电器断开，稳流电源供电结束，完成1 次电流正反向供电，获得正反向电流，再进行1次正反向供电，然后5 号继电器吸合稳流电源正向供电过程中仪器测量M、N 电极之间人工电位差，断开5 号继电器，4 号继电器再吸合，测得反向人工电位差，之后给图3 中4 号和5 号继电器交替5 次供电完成人工电位差测量，给图3 中4 号和5 号继电器再进行2 次正反向供电，完成供电电流回路测试，第1 测道NS 向地电阻率测量结束，重复上面测量时序完成EW 向、NW 向地电阻率测量工作（图5）。

图5 供电回路故障检测板工作时序Fig.5 The working sequence of the fault detection board

3.3 供电回路故障判断过程

图6 为供电回路故障检测板故障排查流程。故障排查方法：①将继电器组合板更换为供电回路故障检测板是否工作正常；②若正常工作，说明是原继电器组合板故障，按照检测板工作时序，推断出故障继电器，更换即可；若不正常工作，说明原继电器组合板无故障；③根据故障检测板的LED 指示灯亮灭，来判断继电器组合板以外连接的设备和部件是否有故障，检查各继电器上的LED 灯是否会亮，不亮说明主板没有给指令，则问题出现在主板上，检查主板或与继电器组合板之间的连接线及接头等；④若供电回路故障检测板的LED 指示灯亮，则说明故障不在主机上，可能是稳流源、供电外线路断线或相关接头接触不良。若图3 中第6 个继电器灯亮，则检查稳流源是否预热，检查稳流源连接电源线是否插好，开关是否打开，保险丝是否烧断。若第1、2、3 个继电器LED指示灯灯亮，则表示工作正常。若第4 个继电器亮，其作用是正反向供电，则指示灯一亮一灭为正常。若第5 个继电器灯亮，应观察稳流电源是否供电，2 A 电流和电压是否正常，若电流等于零或电压满刻度，则说明供电回路有断电的地方，应检查供电回路中所有连接设备，如避雷装置、地电外线路、断线器、闸刀、电极引线、稳流电源、标准电池等之间的连接线和连接触点是否正常。

图6 供电回路故障检测板故障排查流程Fig.6 Fault troubleshooting flow chart of the fault detection board

4 应用与效果

2020 年7 月，洛阳地震台地电阻率ZD8M 地电仪，NS 向观测频繁出现“电流不稳”（图7），这种现象多为仪器内部各连线接头、外线路、避雷装置等接触不良，或继电器组电路板故障所致，它们导致输出电流不稳定，仪器显示“电流不稳”。将继电器组合板更换为供电回路故障检测板（图8），通过继电器检测板上LED 灯的的亮灭来判断工作时序是否正常，若无“电流不稳”现象，则说明原继电器组合板上继电器有问题。根据继电器检测板工作时序步骤2 可知，1 号继电器是NS 向外线路供电回路的继电器，如果NS 向“电流不稳”，可能是继电器触点接触不良电流不稳定所致，于是把继电器组电路板上1号和控制打印机的继电器焊下交换位置，再重新装到仪器上后，NS 向地电阻率未出现“电流不稳”现象。

图7 “电流不稳”现象Fig.7 Current instability

图8 继电器检测板检测故障Fig.8 Fault detection using relay testing board

周口地震台地电阻率ZD8M 地电仪整点时稳流电源开始预热就会出现报警，电压表针显示满刻度，稳流电源一直供电，3 个测向地电阻率均显示数值为“327.52”。把继电器组电路板更换为供电回故障检测板（图8）后仪器工作正常，根据继电器检测板工作时序（图5）的步骤1，6 号继电器为通电预热而不是供电，而只有步骤3 中的5 号继电器吸合才能开始供电，说明5 号继电器内部触点没有正常断开并给出错误供电指令，稳流电源提前向大地供电，没有形成回路而导致供电电压太高，仪器直接跳转到第2 测道进行测量，说明4 号继电器可能出现故障，第2 测道和NW 向第3 测道也出现同样问题。由图5 可见，所有测道都要通过5 号继电器控制供电，5 号继电器若出现故障，则所有测道都不会正常工作，所以该继电器很可能存在问题，将图2 中5 号继电器更换后，仪器恢复正常工作。

5 结论

供电回路故障检测板优点：向上可以判断主板是否工作正常，向中可以确定原继电器组合板好坏，向下可了解稳流电源工作状态。缺点：检测板相应继电器指示灯亮灭，不一定是继电器故障，也可能是稳流电源或供电回路中相关设备、连接线等接触不良造成的，继电器指示灯提示的可能是故障位置也可能是故障方向，需要参照图5 一一测试排查。在使用继电器检测板时，除了查看其上LED 灯和检测时序外，还要查看仪器前面板显示的数据和稳流电源的预热指示灯、电流表、电压表的变化，对其综合分析才能快速处理故障。另外，为了防止继电器检测板出现故障，可查看测试数据和原始数据是否一致，也可通过与备用继电器组电路板交互测试进行判断，若两者结果一致，则为正常，再进行故障排查。但该继电器检测板只用在故障排查中，不用于日常观测。