李 通,張彩艷,王勝慶,雷正超,高振生

(1.甘肅省地震局安西地震臺(tái)，甘肅 酒泉 736100；2.甘肅省地震局嘉峪關(guān)地震臺(tái)，甘肅 嘉峪關(guān) 735100；3.甘肅省地震局高臺(tái)地震臺(tái)，甘肅 張掖 734300)

0 引言

地電場(chǎng)數(shù)據(jù)是觀測(cè)方法、技術(shù)、電磁環(huán)境及場(chǎng)地條件相結(jié)合的系統(tǒng)反映[1-2]，記錄的是大地電場(chǎng)和自然電場(chǎng)的綜合信息，正常數(shù)據(jù)呈較穩(wěn)定的日變形態(tài)[3-5]。中國(guó)大陸地電場(chǎng)曲線呈峰—谷型、近直線型、無(wú)序變化型和混合型[6]。近年來(lái)，高壓直流輸電對(duì)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)造成了嚴(yán)重干擾，表現(xiàn)形式主要有急始型和緩始型兩種。干擾造成的幅度可達(dá)到正常電場(chǎng)日變幅度數(shù)倍甚至數(shù)十倍以上，造成地電場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線形態(tài)近似為一條直線。目前，很多臺(tái)站均受高壓直流輸電干擾，所以消除高壓直流輸電對(duì)地電場(chǎng)干擾迫在眉睫。

2015年2月以來(lái)，在酒湖線、哈鄭線高壓直流輸電線路建成后的測(cè)試與檢測(cè)時(shí)段，甘肅省瓜州臺(tái)、嘉峪關(guān)臺(tái)、山丹臺(tái)、高臺(tái)臺(tái)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)均受到不同程度的高壓直流輸電影響，最大影響量是正常地電場(chǎng)數(shù)據(jù)日變幅度的18倍以上，其干擾表現(xiàn)形式主要有急始型和緩始型兩種。

1 資料選取及干擾特征

文章選取瓜州臺(tái)地電場(chǎng)數(shù)據(jù)和嘉峪關(guān)中心臺(tái)地電場(chǎng)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。瓜州臺(tái)和嘉峪關(guān)臺(tái)地電場(chǎng)主測(cè)量?jī)x器均是ZD9A-II，分辨率優(yōu)于10 μV，采樣率為1次/(分鐘·通道)，采用固體不極化電極，電極埋深在4 m左右，在含有NaCl溶液的土壤里，共埋設(shè)6個(gè)電極。瓜州臺(tái)地電場(chǎng)以“L”布極方式布設(shè)了NS、EW、N45°E六條測(cè)線(見(jiàn)表1、第47頁(yè)圖1)。投入觀測(cè)以來(lái)，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好，在電極和裝置系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)，年平均相關(guān)系數(shù)在0.995以上[注]李 通，胡建軍，王勝慶，等.安西臺(tái)(瓜州電場(chǎng))2016年度觀測(cè)報(bào)告。。嘉峪關(guān)臺(tái)地電場(chǎng)以雙“L”布極方式布設(shè)了NS、EW、N45°E六條測(cè)線(見(jiàn)表1、圖1)。2017年10月優(yōu)化改造后數(shù)據(jù)質(zhì)量明顯改進(jìn)。

表1 瓜州臺(tái)和嘉峪關(guān)臺(tái)地電場(chǎng)裝置參數(shù)Table 1 Device parameters of Geoelectric field in Guazhou and Jiayuguan stations

2 原理和方法

一般來(lái)說(shuō)，急始型和緩始型兩種形態(tài)均可以劃分三個(gè)階段：t1-t2的干擾開(kāi)始階段，t2-t3的干擾穩(wěn)定階段，t3-t4干擾結(jié)束階段。由于高壓直流漏電流的方向和漏電位置不同，產(chǎn)生的干擾有上升型和下降型(見(jiàn)第47頁(yè)圖2)。

圖1 參與計(jì)算的臺(tái)站位置圖Fig.1 Location map of stations participating in the calculation

圖2 一組高壓直流輸電干擾的三個(gè)階段Fig.2 A set of the three stages of HVDC transmission interference

急始型干擾的開(kāi)始、結(jié)束時(shí)間點(diǎn)都比較明顯，很容易在“地電數(shù)據(jù)處理軟件—V2017.1”繪制的原始數(shù)據(jù)曲線上確定。t1-t2、t3-t4兩個(gè)時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)變化幅度相對(duì)較大且變化急劇，t2-t3時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個(gè)值附近(見(jiàn)圖3)。

緩始型干擾的四個(gè)時(shí)間點(diǎn)為t1、t2、t3、t4。從原始曲線上看比較模糊，難以確定。且t1-t2、t3-t4兩個(gè)時(shí)間段的變化緩慢，t2-t3時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在某個(gè)值附近(見(jiàn)第48頁(yè)圖4)。

2.1 急始型干擾建模原理

急始型干擾t1-t2、t3-t4時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)呈不規(guī)則形態(tài)，主要是由干擾電流的大幅變化造成的。t1-t2、t3-t4時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)變化曲線特征雖近似呈對(duì)稱性，但時(shí)間值上并非都嚴(yán)格等同，故對(duì)兩時(shí)間段的干擾數(shù)據(jù)分別采用線性插值法進(jìn)行處理。

t2-t3時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)在正常地電場(chǎng)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上向上或者向下產(chǎn)生一個(gè)穩(wěn)定階躍值，故修正t2-t3時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)只需加上或減去相應(yīng)的變化量即可。變化量setp近似可用公式(1)：

圖3 瓜州臺(tái)六測(cè)道急始型干擾示意圖Fig.3 Sketch map of rapid-start disturbance of six tracks in Guazhou station

(1)

圖4 嘉峪關(guān)臺(tái)緩始型干擾示意圖Fig.4 Sketch map of slow-start disturbance in Jiayuguan station

2.2 緩始型干擾建模原理

緩始型干擾t1-t2、t3-t4時(shí)間段內(nèi)的干擾近似呈線性，分別以兩時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)為樣本，擬合出一元線性回歸直線的斜率。t1-t2時(shí)間段斜率k計(jì)算原理如公式(2)。根據(jù)時(shí)間點(diǎn)的不同，再借助k值對(duì)時(shí)間段內(nèi)干擾值進(jìn)行修正，計(jì)算原理與過(guò)程如式(3)：

(2)

x'ti=xt1+K×xti，

(3)

式中：yt1、yt4可用t1和t4時(shí)刻的時(shí)值和分鐘值計(jì)算得出；式(2)和式(3)中：ti為t1-t2時(shí)間段內(nèi)的時(shí)間點(diǎn)；k為t1-t2時(shí)間段內(nèi)線性回歸方程的斜率。t3-t4時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)修正原理同t1-t2，不再贅述。

t2-t3時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)修正方法與急始型t2-t3時(shí)間段內(nèi)處理方法相同，可用公式(1)進(jìn)行修正。

3 算例

3.1 急始型干擾算例

急始型高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)選用瓜州臺(tái)地電場(chǎng)2017年5月2日數(shù)據(jù)，當(dāng)日數(shù)據(jù)受酒湖線高壓直流輸電干擾，干擾造成的急始型階躍已完全壓制正常曲線變化形態(tài)(見(jiàn)圖3)。運(yùn)用MATLAB軟件編寫(xiě)處理模型對(duì)瓜州臺(tái)北南短測(cè)道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見(jiàn)圖5)，以同樣的方法對(duì)六測(cè)道數(shù)據(jù)分別進(jìn)行處理(見(jiàn)圖6)，與直接剔除受干擾數(shù)據(jù)后的曲線變化形態(tài)一致。

3.2 緩始型干擾算例

緩始型高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)選用嘉峪關(guān)臺(tái)地電場(chǎng)2017年5月26日北東長(zhǎng)測(cè)道數(shù)據(jù)，當(dāng)日數(shù)據(jù)受酒湖線高壓直流輸電干擾，干擾造成的緩始型階躍嚴(yán)重干擾正常北東長(zhǎng)測(cè)道曲線變化形態(tài)(見(jiàn)圖4)。運(yùn)用MATLAB軟件編寫(xiě)處理模型對(duì)嘉峪關(guān)臺(tái)北東長(zhǎng)測(cè)道數(shù)據(jù)進(jìn)行處理(見(jiàn)第49頁(yè)圖7)。

圖5 MATLAB軟件處理瓜州臺(tái)北南長(zhǎng)測(cè)道主界面圖Fig.5 Main interface diagram of the MATLAB software processing the NS long track in Guazhou station

圖6 瓜州臺(tái)地電場(chǎng)六測(cè)道數(shù)據(jù)處理后曲線圖Fig.6 Diagram of six tracks geoelectric field after data processing in Guazhou station

4 結(jié)論與討論

運(yùn)用MATLAB軟件建立處理模型，對(duì)高壓直流輸電在地電場(chǎng)觀測(cè)中造成的急始型和緩始型主要干擾均能達(dá)到較好的處理效果，即保證數(shù)據(jù)的完整性，又提高數(shù)據(jù)的可用性。

文中計(jì)算變化量的公式(1)對(duì)于短時(shí)段的干擾能直接使用，對(duì)于時(shí)段較長(zhǎng)(超過(guò)三個(gè)小時(shí))的干擾應(yīng)把日變影響考慮進(jìn)去，可以采用一階差分的方法去除日變干擾。

圖7 嘉峪關(guān)臺(tái)地電場(chǎng)北東長(zhǎng)測(cè)道數(shù)據(jù)處理后曲線圖Fig.7 Diagram of the North-East long-track geoelectric field after data processing in Jiayuguan station

文章對(duì)高壓直流輸電在當(dāng)天地電場(chǎng)觀測(cè)造成的最典型的急始型和緩始型干擾進(jìn)行了處理。除上述兩種干擾類型外，還有變電流、兩條以上線路同時(shí)干擾地電場(chǎng)數(shù)據(jù)的情況，此情況下造成的干擾形態(tài)是急始型和緩始型的疊加，較為復(fù)雜，用現(xiàn)有MATLAB軟件在處理上有一定的局限性，是下一步要研究的目標(biāo)。