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。

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。

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。

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U_sp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）。

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。

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。

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。