据统计,全球有75%的雷电灾害来源于电网及通讯线路,其中绝大部分雷电灾害又来自于电网(李泰国,2003)。尽管目前避雷设备有很多种,但对接地有很高的要求,一般情况下,很难达到预期的避雷效果。因此,从电源设计方面来减少雷电的危害一直受到关注。

现代数字化观测设备价格昂贵,交流电网的浪涌及杂波也常造成仪器故障,云南测震及前兆观测台站的统计数据表明,其绝大部分的仪器故障来自于电源。因此,过滤交流电网的浪涌及杂波也是供电电源需要解决的主要问题。

为解决上述问题,笔者设计了EA-T85型交直流隔离综合电源。该电源通过控制双蓄电池交替对后端设备供纯直流电,实现了交流电网与观测系统的完全隔离,避免了雷击、交流浪涌及杂波对观测系统的危害。

在正常的工作状态下,由该电源控制的两个蓄电池总保持一个供电,另一个充电,结构原理如图1所示,其系统主要分为充电和供电两个部分,充电环节包括交流变压及整流电路、红外接收管、红外接收控制电路、直流充电电路、充电检测控制电路、继电器切换电路; 供电部分为直流检测电路及红外发射管,两个部分由继电器切换电路及红外对管进行物理隔离。

当直流检测电路检测到供电的蓄电池电压低于下限电平时,红外发射管向接收控制电路发信号,继电器进行切换,让供电的蓄电池转入充电状态,而处于充电状态的蓄电池转入供电。

图1 EA-T85型综合电源设计原理图
Fig.1 EA-T85 integrated power of AC-DC isolation

EA-T85型综合电源虽然具有隔离雷击的作用,但自身抗雷击能力却不强,雷雨季节,频繁的雷电常常导致电源故障。最常见故障是过高的雷击电压导致变压器烧毁,充电电路中的三端稳压块及切换电路中的触发器、六反相器集成块损坏,电路板的印刷线路烧断。但损坏的器件都是常用器件,成本很低且在市场上容易买到。

大部分故障可通过面板指示状态来判断。检查故障时先断开两只蓄电池,打开电源开关,观察电压指示。两个电压表无电压指示的原因一般是切换部分的继电器接触不好或电路板印刷线路烧断。若其中一个电压表指示大大偏离14.2 V,一般是稳压块损坏。若电池供电指示中的手动按钮切换无反应,正常情况下2个指示灯只有其中一个亮,若2个指示灯都亮或不亮,一般是三端稳压块烧坏或切换电路中的集成块损坏,具体情况可用万用表来测量各点电压来判断。

目前云南大部分强震动观测台站的加速度计是中国地震局工程力学研究所生产的SLJ-100型外置加速度计。由于云南气候潮湿以及加速度计生产工艺存在不足,加速度计常出现内部受潮导致电路板腐蚀、磁缸锈蚀等故障,主要表现为零点不稳、漂移、自激、阻尼线圈不能自由摆动等。

当出现上述故障时,应打开加速度计外壳,检查电路板和磁缸是否腐蚀及锈蚀。如果电路板的腐蚀和磁缸锈蚀不严重,则可通过清理缸体的锈蚀来进行修理。清理时,拆卸有故障的电路板及摆系,拆卸时要先焊阻尼线圈及电容摆系的引线,细心清除电路板上的氧化物及磁缸磁隙间的锈渣,通过清理,大部分因电路板和磁缸腐蚀及锈蚀的故障可排除。

若通过上述处理故障仍未排除,则需要通过测试仪器来检查故障原因。图2是加速度计的电路原理,该电路中采用了U1、U2两片运放集成块。通电后用万用表负极接地测量U1的4、11脚和U2的4、7脚均有±12 V电压,若没有电压,需要检查加速度计插座1、2脚对地是否有±12 V电压,若有电压则插座至电路板线路不通,需检查原因; 若电压正常,则用示波器检查,先看U1的1、7脚是否有Vpp约13V/50kHz的正弦波,如果没有,大部分情况下是U1、Q1、Q2或者相关阻容元件损坏,或者是阻尼线圈开路,通过检查相应的元器件,更换损坏的元器件后即可修复; 若波形正常

可通过信号发生器从摆的一组测试线圈送入1～10 Hz的正弦波,然后用示波器看U1的14脚是否有50 kHz的正弦波幅度随输入信号的频率变化。若有,检查U1的8脚及U2的3、6脚是否有1～10 Hz的正弦波信号,如果哪一级没有信号请按上述步骤检查相关元件是否损坏(即U1、U2、Q1、Q2及相关阻容元件)。加速度计修好后可通过信号发生器送入1～80 Hz的正弦波、三角波、方波,然后用示波器观察加速度计输出波形的还原性及幅频特性,输出幅度调在Vpp为2 V以内(图3～5),最后应上振动台进行标定。

云南强震动观测台站使用的记录器大多为ETNA和K2,因此,这两种仪器出现的故障相对较多。

ETNA记录器主要由主板、前面板、GPS板、存储板及IO接口组成,常出现故障为前面板、主板、GPS板损坏。主板故障一般表现为EVENT指示灯一直闪烁不停,电脑与仪器通信连接不上。当面板RUN/FAULT指示灯不亮时,一般是电源故

图2 SLJ-100加速度计原理图
Fig.2 Schematic diagram of SLJ-100 accelerometer

障,可先检查记录器电源插口A、B脚是否有14V电压,仪器内保险管是否烧断,再检查前面板元器件是否有明显烧坏。

K2记录器主要由前面板、电源板、处理板、GPS板、存储板、采集板及IO接口组成,常出现故障为死机,前面板、电源板、采集板、GPS板损坏。对于面板指示灯不亮的情况,有可能是K2记录器死机现象,这时将仪器电源开关反复关启来恢复。如不能恢复,则需检查记录器电源插口A、B脚是否有24V电压,仪器内保险管是否烧断,再检查前面板元器件是否有明显烧坏,交换电源板检查。

图3 信号发生器输入加速度计的标准波形
Fig.3 Standard waveform showed by accelerometer when entering signal by signal generator

图4 输入2 Hz信号时的加速度计输出波形
Fig.4 Output waveform showed by accelerometer when entering signal of 2 Hz

图5 输入15Hz信号时的加速度计输出波形
Fig.5 Output waveform showed by accelerometer when entering signal of 15Hz