山西定襄地震臺(tái)發(fā)電干擾地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的原因及排除方法

劉金柱，劉俊芳，高午原，郭 宇，高文玉

(1.山西省地震局定襄地震臺(tái)，山西 定襄 035403；

2.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，山西 太原 030025)

0 引言

地磁觀測(cè)作為地震前兆觀測(cè)的主要手段之一，在前兆觀測(cè)中較為成熟[1]，其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和穩(wěn)定對(duì)地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作有很大影響。地磁觀測(cè)儀FHD對(duì)供電要求高，抗干擾能力差，由于發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)，特別是頻率不穩(wěn)，是FHD觀測(cè)數(shù)據(jù)受干擾的主要原因之一。因此，確保發(fā)電機(jī)穩(wěn)定的工作狀態(tài)，改善發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備的接地裝置，通過改善觀測(cè)硬件環(huán)境，提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量。

1 臺(tái)站地磁觀測(cè)基本情況

臺(tái)站地磁觀測(cè)采用FHD-2B質(zhì)子矢量磁力儀，觀測(cè)場(chǎng)地位于臺(tái)站的西邊，面積為直徑100 m的圓形丘陵黃土覆蓋層，觀測(cè)室在場(chǎng)地的中央，信號(hào)線和電源線采取單獨(dú)地埋處理，防止雷電干擾，儀器主機(jī)放置在距臺(tái)站機(jī)房約100 m的工作大廳中。觀測(cè)環(huán)境除高壓直流輸電干擾外，無其他明顯的干擾源，符合規(guī)范要求。

2 發(fā)電機(jī)供電干擾數(shù)據(jù)的原因及分析

通過對(duì)影響地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的干擾因素進(jìn)行分析，交直流電磁干擾對(duì)FHD 質(zhì)子磁力儀的影響最大，分為環(huán)境電磁干擾和觀測(cè)系統(tǒng)電磁干擾。環(huán)境電磁干擾常見的有高壓直流輸電干擾和無線電波發(fā)射干擾，一般容易辨別和避讓。觀測(cè)系統(tǒng)干擾通過多途徑干擾儀器的正常觀測(cè)，是觀測(cè)數(shù)據(jù)受干擾的主要因素[2]。

由于長(zhǎng)時(shí)間停電，UPS電源無法提供儀器正常工作的電壓時(shí)，臺(tái)站采取發(fā)電機(jī)供電。FHD-2B質(zhì)子磁力儀在市電供電時(shí)，工作正常。停電后，使用發(fā)電機(jī)供電，觀測(cè)數(shù)據(jù)易受干擾。FHD-2B質(zhì)子磁力儀對(duì)供電要求高，抗干擾能力差。由于發(fā)電機(jī)輸出電壓不穩(wěn)，表現(xiàn)在頻率不穩(wěn)，是地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)受干擾的主要原因之一(見圖1和第28頁圖2)。

通過分析定襄臺(tái)和大同臺(tái)、定襄臺(tái)和太原臺(tái)的各分量觀測(cè)曲線，可以看出：圖1和圖2為預(yù)處理后的數(shù)據(jù)圖形，在發(fā)電機(jī)供電時(shí)，Z分量曲線變化比較明顯，Z分量、H分量均受干擾。在與其他臺(tái)站的觀測(cè)曲線對(duì)比時(shí)，H分量受干擾，有不規(guī)則的抖動(dòng)，變化為階變型，D分量受干擾不明顯。在相同時(shí)間的條件下，圖1中，定襄臺(tái)H分量平均變幅為3.5 nT； 定襄臺(tái)和大同臺(tái)相比，H分量平均變幅為3.5 nT。圖2中，定襄臺(tái)H分量平均變幅為2.5 nT；定襄臺(tái)和太原臺(tái)相比，H分量平均變幅為4.4 nT。

圖1 定襄臺(tái)與大同臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

圖2 定襄臺(tái)與太原臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

當(dāng)正常供電時(shí)，觀測(cè)數(shù)據(jù)曲線各分量均無干擾。因此，發(fā)電機(jī)供電確實(shí)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響。

臺(tái)站發(fā)電機(jī)放置于臺(tái)站院內(nèi)的配電室，與地磁房相距約200 m左右。直流供電干擾是由于直流供電線路產(chǎn)生的電磁場(chǎng)與地磁場(chǎng)疊加，產(chǎn)生電磁干擾。

3 發(fā)電機(jī)供電干擾數(shù)據(jù)的排除方法

在發(fā)電機(jī)輸出端增設(shè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻綜合儀，使發(fā)電機(jī)輸出電壓達(dá)到(220 V，50 Hz)市電標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源

穩(wěn)壓穩(wěn)頻電源是經(jīng)過AC→DC→AC變換的逆變電源，用來保障在一種供電電壓、供電頻率均不穩(wěn)定，電壓畸變嚴(yán)重，存在閃變、跌落等情況下，提供一個(gè)電壓、頻率穩(wěn)定，波形標(biāo)準(zhǔn)的純凈供電環(huán)境，克服UPS不能帶感性負(fù)載的缺點(diǎn)，能適用于任何負(fù)載，可提供理想的供電環(huán)境。

臺(tái)站采用雅馬哈EF5500TE發(fā)電機(jī)，其額定電壓(3相)380/220 V，頻率50 Hz，最大輸出5.5 kVA，額定輸出5.0 kVA，額定電流7.2 A。穩(wěn)頻電源的主要功用是將現(xiàn)有交流電源變換成所需頻率穩(wěn)定的純凈正弦波電源，電源采用正弦波脈寬調(diào)制(SPWM)IGBT高頻逆變技術(shù)，內(nèi)部為交—直—交結(jié)構(gòu)，能清除干擾，輸出波形無干擾，具有穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、范圍寬、精度高的優(yōu)點(diǎn)，輸出帶有隔離變壓器，與發(fā)電機(jī)配合構(gòu)成不間斷的供電，且抗干擾性好。有冗余硬件輸出保護(hù)電路，輸出高壓，過流、過載、過熱、短路自動(dòng)保護(hù)并報(bào)警，反應(yīng)速度快，確保電源輸出發(fā)生故障時(shí)不損壞用電設(shè)備。獨(dú)立電參數(shù)表實(shí)際實(shí)時(shí)測(cè)量顯現(xiàn)輸出頻率、輸出電壓、輸出電流、輸出功率及負(fù)載功率因數(shù)。

3.2 改善發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備的接地裝置

發(fā)電機(jī)的接地裝置，對(duì)FHD的供電安全有一定影響，尤其是雷雨季節(jié)，受到雷電影響，接地安全能提供FHD連續(xù)穩(wěn)定的交流電壓。發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備的接地，通過用銅線與工作大廳接地網(wǎng)連接，使發(fā)電機(jī)配電設(shè)備的接地電阻小于3 Ω。實(shí)際工作中，通過發(fā)電機(jī)配電設(shè)備接地電阻并聯(lián)到大廳的接地網(wǎng)中，測(cè)得接地電阻2.6 Ω，滿足接地安全，并同時(shí)滿足避雷要求。

FHD-2B質(zhì)子磁力儀在日常觀測(cè)時(shí)，主要使用交流電，交流電中包含有高頻諧波分量，儀器的機(jī)箱和信號(hào)線的屏蔽層都是金屬的，具有屏蔽作用，同時(shí)，表面也會(huì)感應(yīng)耦合到電磁干擾。如果沒有良好的接地裝置與儀器連接，將這些干擾引入到接地，這些感應(yīng)的電磁干擾將會(huì)影響到儀器的正常觀測(cè)，使數(shù)據(jù)噪聲增大，有的甚至無法工作。因此，良好的接地是降低觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲的有效手段。圖3和圖4是發(fā)電機(jī)輸出端接有穩(wěn)壓穩(wěn)頻儀后(即采取措施后)的FHD觀測(cè)曲線。

圖3 改善供電環(huán)境條件下定襄臺(tái)與大同臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

圖4 改善供電環(huán)境條件下定襄臺(tái)與太原臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

在相同時(shí)間的條件下，定襄臺(tái)H分量平均變幅為1.3 nT。圖3中，定襄臺(tái)和大同臺(tái)相比，H分量平均變幅為1.2 nT；圖4中，定襄臺(tái)和太原臺(tái)相比，H分量平均變幅為1.3 nT。從圖中可以看出：在發(fā)電機(jī)輸出端增設(shè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻儀，可以改進(jìn)FHD的觀測(cè)質(zhì)量，提高數(shù)據(jù)穩(wěn)定性。由此可知，發(fā)電機(jī)交流輸出的高頻電磁諧波導(dǎo)致電壓不穩(wěn)，主要表現(xiàn)為頻率不穩(wěn)，影響FHD儀器的接入信號(hào)，進(jìn)而影響觀測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和精確度。

圖5是發(fā)電機(jī)供電干擾FHD的數(shù)據(jù)曲線，圖6是發(fā)電機(jī)輸出端接有穩(wěn)壓穩(wěn)頻儀后的FHD數(shù)據(jù)曲線。

圖5 定襄臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

圖6 改善供電環(huán)境條件下定襄臺(tái)FHD-2B分鐘值曲線圖

從圖5和圖6中可以看出：發(fā)電機(jī)供電可干擾地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)，其干擾變化幅度和采取措施后的變化幅度對(duì)比如表1所示。

可見，在發(fā)電機(jī)輸出端增設(shè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻儀后，F(xiàn)HD觀測(cè)數(shù)據(jù)變化幅度減小，信號(hào)噪聲減小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性提高。

表1 改善發(fā)電條件前后定襄臺(tái)與太原臺(tái)、大同臺(tái)FHD-2B數(shù)據(jù)變化表

3.3 其他因素對(duì)FHD觀測(cè)數(shù)據(jù)的影響

對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生影響的因素還有：

(1) 地磁記錄室的交流供電線路，尤其是環(huán)狀線路與探頭上方近距離的交流線路，可以產(chǎn)生交變干擾磁場(chǎng)，經(jīng)探頭感應(yīng)而對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生干擾。

(2) 與信號(hào)線平行的交流供電線路，通過信號(hào)線的電磁耦合，將電磁干擾耦合到儀器中，影響觀測(cè)曲線。

(3) FHD儀器放置在機(jī)柜中，與其他儀器距離很近，儀器間、線路間的距離近，都會(huì)造成相互電磁干擾，影響儀器的觀測(cè)精度。

(4) 供給儀器的交流電，未經(jīng)凈化，包含大量的高頻電磁諧波，通過儀器的電源耦合到儀器中，影響儀器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，造成噪聲偏大。

考慮到FHD觀測(cè)數(shù)據(jù)噪聲易受到交流電磁干擾、直流供電干擾、信號(hào)線長(zhǎng)度影響、接地影響、溫度影響以及磁性物體的影響[3]。要將FHD放置在遠(yuǎn)離網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、交換機(jī)等儀器設(shè)備的適當(dāng)位置，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲不超標(biāo)準(zhǔn)。磁性物質(zhì)干擾會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)噪聲變大，伴有多個(gè)分量出現(xiàn)臺(tái)階，要保證儀器的調(diào)諧值、補(bǔ)償電流值、探頭方向、觀測(cè)方位角各種參數(shù)的正確性。信號(hào)線較長(zhǎng)時(shí)，降低測(cè)量信號(hào)的信噪比，使測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲增大；還會(huì)受交流電磁耦合干擾的影響，造成數(shù)據(jù)噪聲增大。

4 結(jié)語

為確保數(shù)字地磁儀FHD的觀測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，綜合上述分析，影響臺(tái)站地磁觀測(cè)數(shù)據(jù)的發(fā)電機(jī)供電干擾主要是電壓和頻率的不穩(wěn)定。通過增設(shè)穩(wěn)壓穩(wěn)頻儀，使其供給地磁儀器的電壓穩(wěn)定在220 V，頻率穩(wěn)定在50 Hz。同時(shí)，改善發(fā)電機(jī)和配電設(shè)備的接地裝置，使發(fā)電機(jī)配電設(shè)備的接地電阻小于3 Ω。此外，合理放置地磁儀器，遠(yuǎn)離影響儀器的干擾源。通過上述措施，能夠消除各種干擾因素，保證觀測(cè)儀器的正常運(yùn)行，提供真實(shí)無誤的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

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