消除两类典型高压直流输电对地电场干扰的探究

李 通,张彩艳,王胜庆,雷正超,高振生

(1.甘肃省地震局安西地震台，甘肃 酒泉 736100；2.甘肃省地震局嘉峪关地震台，甘肃 嘉峪关 735100；3.甘肃省地震局高台地震台，甘肃 张掖 734300)

0 引言

地电场数据是观测方法、技术、电磁环境及场地条件相结合的系统反映[1-2]，记录的是大地电场和自然电场的综合信息，正常数据呈较稳定的日变形态[3-5]。中国大陆地电场曲线呈峰—谷型、近直线型、无序变化型和混合型[6]。近年来，高压直流输电对地电场数据造成了严重干扰，表现形式主要有急始型和缓始型两种。干扰造成的幅度可达到正常电场日变幅度数倍甚至数十倍以上，造成地电场数据曲线形态近似为一条直线。目前，很多台站均受高压直流输电干扰，所以消除高压直流输电对地电场干扰迫在眉睫。

2015年2月以来，在酒湖线、哈郑线高压直流输电线路建成后的测试与检测时段，甘肃省瓜州台、嘉峪关台、山丹台、高台台地电场数据均受到不同程度的高压直流输电影响，最大影响量是正常地电场数据日变幅度的18倍以上，其干扰表现形式主要有急始型和缓始型两种。

1 资料选取及干扰特征

文章选取瓜州台地电场数据和嘉峪关中心台地电场原始数据进行处理。瓜州台和嘉峪关台地电场主测量仪器均是ZD9A-II，分辨率优于10 μV，采样率为1次/(分钟·通道)，采用固体不极化电极，电极埋深在4 m左右，在含有NaCl溶液的土壤里，共埋设6个电极。瓜州台地电场以“L”布极方式布设了NS、EW、N45°E六条测线(见表1、第47页图1)。投入观测以来，数据稳定性好，在电极和装置系统稳定时，年平均相关系数在0.995以上[注]李 通，胡建军，王胜庆，等.安西台(瓜州电场)2016年度观测报告。。嘉峪关台地电场以双“L”布极方式布设了NS、EW、N45°E六条测线(见表1、图1)。2017年10月优化改造后数据质量明显改进。

表1 瓜州台和嘉峪关台地电场装置参数Table 1 Device parameters of Geoelectric field in Guazhou and Jiayuguan stations

2 原理和方法

一般来说，急始型和缓始型两种形态均可以划分三个阶段：t1-t2的干扰开始阶段，t2-t3的干扰稳定阶段，t3-t4干扰结束阶段。由于高压直流漏电流的方向和漏电位置不同，产生的干扰有上升型和下降型(见第47页图2)。

图1 参与计算的台站位置图Fig.1 Location map of stations participating in the calculation

图2 一组高压直流输电干扰的三个阶段Fig.2 A set of the three stages of HVDC transmission interference

急始型干扰的开始、结束时间点都比较明显，很容易在“地电数据处理软件—V2017.1”绘制的原始数据曲线上确定。t1-t2、t3-t4两个时间段内的数据变化幅度相对较大且变化急剧，t2-t3时间段内数据稳定在某个值附近(见图3)。

缓始型干扰的四个时间点为t1、t2、t3、t4。从原始曲线上看比较模糊，难以确定。且t1-t2、t3-t4两个时间段的变化缓慢，t2-t3时间段内数据稳定在某个值附近(见第48页图4)。

2.1 急始型干扰建模原理

急始型干扰t1-t2、t3-t4时间段内的数据呈不规则形态，主要是由干扰电流的大幅变化造成的。t1-t2、t3-t4时间段内数据变化曲线特征虽近似呈对称性，但时间值上并非都严格等同，故对两时间段的干扰数据分别采用线性插值法进行处理。

t2-t3时间段内的数据在正常地电场数据基础上向上或者向下产生一个稳定阶跃值，故修正t2-t3时间段内的数据只需加上或减去相应的变化量即可。变化量setp近似可用公式(1)：

图3 瓜州台六测道急始型干扰示意图Fig.3 Sketch map of rapid-start disturbance of six tracks in Guazhou station

(1)

图4 嘉峪关台缓始型干扰示意图Fig.4 Sketch map of slow-start disturbance in Jiayuguan station

2.2 缓始型干扰建模原理

缓始型干扰t1-t2、t3-t4时间段内的干扰近似呈线性，分别以两时间段内数据为样本，拟合出一元线性回归直线的斜率。t1-t2时间段斜率k计算原理如公式(2)。根据时间点的不同，再借助k值对时间段内干扰值进行修正，计算原理与过程如式(3)：

(2)

x'ti=xt1+K×xti，

(3)

式中：yt1、yt4可用t1和t4时刻的时值和分钟值计算得出；式(2)和式(3)中：ti为t1-t2时间段内的时间点；k为t1-t2时间段内线性回归方程的斜率。t3-t4时间段内数据修正原理同t1-t2，不再赘述。

t2-t3时间段内数据修正方法与急始型t2-t3时间段内处理方法相同，可用公式(1)进行修正。

3 算例

3.1 急始型干扰算例

急始型高压直流输电干扰数据选用瓜州台地电场2017年5月2日数据，当日数据受酒湖线高压直流输电干扰，干扰造成的急始型阶跃已完全压制正常曲线变化形态(见图3)。运用MATLAB软件编写处理模型对瓜州台北南短测道数据进行处理(见图5)，以同样的方法对六测道数据分别进行处理(见图6)，与直接剔除受干扰数据后的曲线变化形态一致。

3.2 缓始型干扰算例

缓始型高压直流输电干扰数据选用嘉峪关台地电场2017年5月26日北东长测道数据，当日数据受酒湖线高压直流输电干扰，干扰造成的缓始型阶跃严重干扰正常北东长测道曲线变化形态(见图4)。运用MATLAB软件编写处理模型对嘉峪关台北东长测道数据进行处理(见第49页图7)。

图5 MATLAB软件处理瓜州台北南长测道主界面图Fig.5 Main interface diagram of the MATLAB software processing the NS long track in Guazhou station

图6 瓜州台地电场六测道数据处理后曲线图Fig.6 Diagram of six tracks geoelectric field after data processing in Guazhou station

4 结论与讨论

运用MATLAB软件建立处理模型，对高压直流输电在地电场观测中造成的急始型和缓始型主要干扰均能达到较好的处理效果，即保证数据的完整性，又提高数据的可用性。

文中计算变化量的公式(1)对于短时段的干扰能直接使用，对于时段较长(超过三个小时)的干扰应把日变影响考虑进去，可以采用一阶差分的方法去除日变干扰。

图7 嘉峪关台地电场北东长测道数据处理后曲线图Fig.7 Diagram of the North-East long-track geoelectric field after data processing in Jiayuguan station

文章对高压直流输电在当天地电场观测造成的最典型的急始型和缓始型干扰进行了处理。除上述两种干扰类型外，还有变电流、两条以上线路同时干扰地电场数据的情况，此情况下造成的干扰形态是急始型和缓始型的叠加，较为复杂，用现有MATLAB软件在处理上有一定的局限性，是下一步要研究的目标。