林秀娜 曲保安 賈立國(guó) 陳傳華 范曉勇王強(qiáng) 邢偉偉 袁倩 池國(guó)民

1）泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)，山東省泰安市羅漢崖路2號(hào) 271000

2）嘉祥地震監(jiān)測(cè)中心臺(tái)，山東嘉祥 272400

3）中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081

4）青島地震臺(tái)，山東青島 266000

5）安丘地震臺(tái)，山東安丘 262100

0 引言

以往輸電方式主要以高壓交流來(lái)完成，隨著全國(guó)大范圍的輸電需求及科技的發(fā)展，新型的直流遠(yuǎn)距離輸電方式逐漸替代交流輸電（陳紅軍等，2001；龔大衛(wèi)等，2000）。按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行避讓的高壓直流輸電線路，在高壓直流供電系統(tǒng)正常工作時(shí)，對(duì)兩側(cè)的電磁臺(tái)站基本無(wú)影響，一旦出現(xiàn)故障，將對(duì)電磁觀測(cè)造成干擾（沈紅會(huì)等，2005；龔大衛(wèi)等，2000；曹愛(ài)民等，1998）。高壓直流輸電工程日益增多，地磁觀測(cè)受到不同程度的干擾影響，從現(xiàn)有直流輸電工程來(lái)看，故障率很高且隨機(jī)（沈紅會(huì)等，2005）。而電磁觀測(cè)臺(tái)站已不能通過(guò)搬遷來(lái)避免此類干擾，因此地磁臺(tái)站只能在觀測(cè)結(jié)果中準(zhǔn)確判斷干擾，并找出消除或減小干擾影響的方法（沈紅會(huì)等，2005；蔣延林等，2014）。為此，多年來(lái)，很多地震研究人員致力于高壓直流輸電影響和應(yīng)對(duì)的研究，如方煒等（2012）應(yīng)用陜西、甘肅等省數(shù)字化地磁觀測(cè)資料，分析高壓直流輸電對(duì)地磁場(chǎng)觀測(cè)的影響機(jī)理；陳俊等（2014）設(shè)計(jì)完成地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱“判別系統(tǒng)”），該系統(tǒng)具有高壓直流干擾的自動(dòng)判斷、干擾時(shí)間獲取、幅度計(jì)算及自動(dòng)提醒等功能，為全國(guó)受高壓直流輸電干擾的地磁臺(tái)站數(shù)據(jù)預(yù)處理提供了參照標(biāo)準(zhǔn)。但是，仍然有一些臺(tái)站存在高壓直流輸電干擾的誤判和錯(cuò)判，由此造成數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量較低，無(wú)法為地震分析預(yù)測(cè)提供準(zhǔn)確可靠的第一手資料。在當(dāng)前觀測(cè)資料是地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)生命線的背景下，減少以至消除高壓直流輸電干擾的誤判和錯(cuò)判，提高數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量，已經(jīng)是迫在眉睫的基本要求。本文以山東地磁臺(tái)網(wǎng)地磁記錄為研究樣本，針對(duì)寧東高壓直流輸電干擾，分析多年來(lái)數(shù)據(jù)預(yù)處理存在的錯(cuò)誤和疏漏，提出相應(yīng)解決方案和措施。

1 寧東高壓直流輸電工程和山東地磁臺(tái)網(wǎng)概況

寧東高壓直流輸電采用我國(guó)主流的雙極兩端中性點(diǎn)接地方式，當(dāng)輸電系統(tǒng)正常工作時(shí)，電流從2條架空線路經(jīng)過(guò)，大小基本相等，方向相反，只有小于額定電流1%的不平衡電流從接地極入地。但是當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試或發(fā)生故障時(shí)，雙極線路的電流差較大，此時(shí)類似于單極輸電方式，以大地為回路，即2條架空線路中存在較大的不平衡電流（沈紅會(huì)等，2005；蔣延林等，2014）。所以，只有當(dāng)輸電線路存在較大的不平衡電流時(shí)，高壓直流輸電線路兩側(cè)的地磁觀測(cè)臺(tái)站才受到干擾。根據(jù)畢奧薩法爾定律，理論上地磁觀測(cè)距離高壓直流線路越近，干擾幅度越大。

圖1 寧東線走向及沿線各地磁臺(tái)位置

寧東高壓直流輸電線路及兩側(cè)受干擾地磁臺(tái)站分布見(jiàn)圖1，其中，受干擾相對(duì)明顯的臺(tái)站名稱用紅色標(biāo)識(shí)；河北省紅山地磁臺(tái)為干擾幅度值歸一化標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)站，蒙城地磁臺(tái)為判別系統(tǒng)中量取紅山地磁臺(tái)寧東高壓直流輸電干擾幅度值的參考臺(tái)站，其他各臺(tái)干擾幅度通過(guò)與紅山地磁臺(tái)的比值關(guān)系計(jì)算得到。

1.1 寧東高壓直流輸電工程概況

寧東-山東±660kV高壓直流輸電工程（簡(jiǎn)稱寧東線）是世界上第1個(gè)±660kV電壓等級(jí)的直流輸電工程，跨越寧夏、陜西、山西、河北和山東等5省，西起寧夏銀川東換流站，東至山東青島換流站。該工程于2010年9月30日線路全線架通試運(yùn)行，2011年2月28日投入運(yùn)行。

1.2 山東地磁臺(tái)網(wǎng)概況

山東省有7個(gè)數(shù)字地磁臺(tái)站，共安裝7套FHD-2B型質(zhì)子磁力儀，4套磁通門(mén)磁力儀，1套FHDZ-M15地磁總場(chǎng)與分量組合觀測(cè)系統(tǒng)。山東地磁臺(tái)網(wǎng)數(shù)字化儀器采樣率較高，能較好地連續(xù)記錄電磁干擾。

2 寧東高壓直流輸電工程對(duì)山東地磁臺(tái)網(wǎng)的影響

2011年1月23日，山東地磁臺(tái)網(wǎng)首次記錄到高壓直流輸電干擾。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2011年共記錄到寧東高壓直流輸電干擾20次，2012、2013、2015、2016年均維持較低的干擾頻次，說(shuō)明線路運(yùn)行基本正常，故障較少。

值得關(guān)注的是，2014年7月 22日～9月 9日共計(jì)50天時(shí)間內(nèi)，幾乎每天存在干擾。2014年統(tǒng)計(jì)的49次干擾中有46次發(fā)生在該時(shí)間段內(nèi)。山東地磁臺(tái)網(wǎng)歷年高壓直流輸電干擾頻次統(tǒng)計(jì)詳見(jiàn)表 1。

表1 2011～2016年寧東線對(duì)山東地磁臺(tái)網(wǎng)干擾頻次統(tǒng)計(jì)

3 預(yù)處理質(zhì)量分析

通過(guò)中國(guó)地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的“相對(duì)差值檢測(cè)”功能，對(duì)2011～2016年山東地磁臺(tái)網(wǎng)7個(gè)地磁臺(tái)站的高壓直流輸電干擾日期的預(yù)處理分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行多臺(tái)差值檢測(cè)，從而發(fā)現(xiàn)問(wèn)題臺(tái)站，同時(shí)結(jié)合原始數(shù)據(jù)進(jìn)行原因分析，查找問(wèn)題根源。表2為2011～2014年山東地磁臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站對(duì)寧東高壓直流輸電干擾預(yù)處理情況部分錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)。從多年來(lái)各臺(tái)站高壓直流輸電干擾預(yù)處理的復(fù)核、對(duì)比和分析的總體情況可以看出，各臺(tái)對(duì)干擾數(shù)據(jù)進(jìn)行了較好的預(yù)處理。從國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心的月評(píng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以看出，預(yù)處理質(zhì)量基本滿足學(xué)科要求。但進(jìn)一步深入分析后，發(fā)現(xiàn)存在以下問(wèn)題。

3.1 其他因素造成的干擾誤判為高壓直流輸電干擾

高壓直流輸電干擾主要體現(xiàn)在Z分量，因而當(dāng)只有Z分量受干擾時(shí)，處理人員可能將其他因素造成的干擾誤判為高壓直流輸電干擾。通過(guò)多年統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，該問(wèn)題在泰安臺(tái)出現(xiàn)較多，主要集中出現(xiàn)在地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)使用前。其中，2011年泰安基準(zhǔn)地震臺(tái)出現(xiàn)4次誤判，主要是因?yàn)榈卮庞^測(cè)數(shù)據(jù)僅Z分量產(chǎn)生小幅度臺(tái)階，處理人員進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理后填寫(xiě)為高壓直流輸電干擾，雖未影響數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量，但造成預(yù)處理日志填寫(xiě)錯(cuò)誤，對(duì)后期數(shù)據(jù)查看和使用將產(chǎn)生誤導(dǎo)。

表2 2011～2014年山東地磁臺(tái)網(wǎng)各臺(tái)站對(duì)寧東線干擾預(yù)處理錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)（部分）

3.2 高壓直流輸電干擾起止時(shí)間判斷錯(cuò)誤

當(dāng)高壓直流輸電干擾產(chǎn)生跨天臺(tái)階時(shí)，進(jìn)行單天的數(shù)據(jù)預(yù)處理造成誤判的可能性較大，以致將正常時(shí)段的數(shù)據(jù)進(jìn)行臺(tái)階處理時(shí)，該問(wèn)題同樣集中在判別系統(tǒng)使用之前。圖2中為2011年1月23～27日馬陵山、安丘、濟(jì)南地磁臺(tái)分別與泰安地磁臺(tái)預(yù)處理數(shù)據(jù)差值曲線。從圖2中可以看出，馬陵山臺(tái)、濟(jì)南臺(tái)與泰安臺(tái)差值曲線在固定均值上下波動(dòng)，尤其泰安臺(tái)和濟(jì)南臺(tái)數(shù)據(jù)一致性較高，但安丘臺(tái)自23日0點(diǎn)至27日，與各臺(tái)有較大臺(tái)階存在。經(jīng)分析，判定安丘臺(tái)對(duì)23日高壓直流干擾時(shí)間段判斷錯(cuò)誤，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)緩變臺(tái)階，而是將臺(tái)階之后的正常數(shù)據(jù)做了抬升，并且持續(xù)到27日儀器標(biāo)定日，通過(guò)標(biāo)定允許產(chǎn)生天與天之間臺(tái)階的規(guī)定，將人工增加的臺(tái)階與標(biāo)定臺(tái)階合并處理至27日0點(diǎn)。

在判別系統(tǒng)投入使用后，仍有個(gè)別臺(tái)站工作人員對(duì)信息發(fā)布內(nèi)容理解有誤，致使干擾時(shí)間段出現(xiàn)錯(cuò)誤判斷，導(dǎo)致預(yù)處理錯(cuò)誤。圖3為2016年3月30日大山臺(tái)原始數(shù)據(jù)與預(yù)處理數(shù)據(jù)對(duì)比。圖3中，原始數(shù)據(jù)存在一個(gè)緩變干擾，干擾量約為1.3nT，2次緩變起止時(shí)間段分別為 14：43～15：01和 15：59～16：18，而 15：01～15：59屬于干擾持續(xù)時(shí)間。顯然，工作人員將開(kāi)始和結(jié)束的2個(gè)緩變臺(tái)階當(dāng)做2個(gè)臺(tái)階進(jìn)行了處理，而干擾持續(xù)時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)未做處理。此類干擾幅度量不大，加上開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間有持續(xù)，容易被數(shù)據(jù)的正常變化隱藏，尤其是線路兩側(cè)的較遠(yuǎn)臺(tái)站容易忽略。

3.3 高壓直流輸電干擾幅度判別有誤差

圖2 2011年1月23～27日馬陵山、安丘臺(tái)、濟(jì)南臺(tái)與泰安臺(tái)預(yù)處理數(shù)據(jù)的差值曲線

圖3 2016年3月30日大山臺(tái)原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)對(duì)比

同臺(tái)站不同儀器的高壓直流輸電干擾幅度略有不同，預(yù)處理程度應(yīng)有差別。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，山東省泰安臺(tái)2套磁通門(mén)磁力儀受寧東高壓直流輸電干擾的幅度有時(shí)存在0.1～0.2nT的差異，在數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)需根據(jù)曲線實(shí)際變化判斷該儀器的干擾幅值，而此問(wèn)題可能被忽略，未做區(qū)別判斷，而按照系統(tǒng)發(fā)布參考值統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。

圖4 2014年一次高壓直流輸電干擾事件中泰安臺(tái)2套GM 4的記錄數(shù)據(jù)對(duì)比

圖4為2014年8月19～20日的一次高壓直流輸電干擾事件中泰安臺(tái)2套GM 4的記錄數(shù)據(jù)對(duì)比，圖4（a）為2套GM 4完整的2天記錄數(shù)據(jù)，分別用紅色和黑色曲線表示，方框中為高壓直流干擾的起始部分，表現(xiàn)為緩降特性，圖4（b）為對(duì)該部分的放大，可見(jiàn)，2套 GM4儀器的記錄數(shù)據(jù)一致性較高，但是數(shù)據(jù)曲線有重疊及不重疊部分，而本次干擾的起始部分為8月 19日 21：29～22：00，21：29處 2套儀器數(shù)據(jù)曲線重合，而 22：00處 2套儀器數(shù)據(jù)曲線有0.2nT的差值，由此導(dǎo)致數(shù)據(jù)預(yù)處理時(shí)二者存在0.2nT的差值，根據(jù)2套儀器長(zhǎng)時(shí)間的記錄數(shù)據(jù)對(duì)比，以及GM 4分辨力為0.1nT的實(shí)際情況，認(rèn)為這種差異是由不同GM 4儀器傳感器的磁芯、激勵(lì)線圈或感應(yīng)線圈的差異造成的，0.2nT的差異相對(duì)于GM 4儀器±62500nT的測(cè)量范圍、±2500nT的動(dòng)態(tài)范圍以及0.1nT的分辨力是可以接受的，但是在做高壓直流干擾預(yù)處理時(shí)需要根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行處理。

判別系統(tǒng)提供的干擾幅度僅是在理論比值下計(jì)算得到的參考干擾幅度，需要根據(jù)臺(tái)站實(shí)際情況進(jìn)行復(fù)核再進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。通過(guò)“相對(duì)差值檢測(cè)”功能發(fā)現(xiàn)，部分經(jīng)預(yù)處理的高壓輸電干擾時(shí)間段仍存在數(shù)據(jù)處理不徹底的現(xiàn)象，應(yīng)為未根據(jù)實(shí)際情況修正判別系統(tǒng)參考值而直接套用所導(dǎo)致，如果僅考察單臺(tái)數(shù)據(jù)曲線，不做多臺(tái)差值則難以發(fā)現(xiàn)。

3.4 H、D分量的高壓輸電干擾被忽略

高壓輸電干擾雖然主要體現(xiàn)在Z分量，但在干擾幅度較大或者臺(tái)站處于接地極附近時(shí)，其H、D分量也會(huì)受到不同程度的干擾。圖5為2014年10月10日山東地磁臺(tái)網(wǎng)預(yù)處理數(shù)據(jù)差值曲線。從圖5中各臺(tái)與泰安臺(tái)的預(yù)處理差值曲線中可以看出，在單臺(tái)預(yù)處理曲線中不明顯的H、D分量高壓直流輸電干擾被突顯出來(lái)，明顯可見(jiàn)菏澤臺(tái)和陵陽(yáng)臺(tái)的偏角及陵陽(yáng)臺(tái)的水平分量未做高壓直流輸電干擾預(yù)處理。其他部分臺(tái)站也或多或少存在數(shù)據(jù)處理不到位的現(xiàn)象。

圖5 2014年10月10日山東地磁臺(tái)網(wǎng)預(yù)處理數(shù)據(jù)差值曲線

3.5 不同分量的高壓輸電干擾起止時(shí)間不同

高壓輸電干擾對(duì)不同臺(tái)站不同儀器不同分量的干擾幅度存在差異，但受干擾臺(tái)站的各儀器和各分量的干擾起止時(shí)間應(yīng)該是同步的，因而檢查中發(fā)現(xiàn)的不同分量起止時(shí)間不同必然是某分量預(yù)處理判斷錯(cuò)誤所致。圖6為2011年8月30日泰安臺(tái)原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線及兩者差值曲線。由圖6中通過(guò)原始和預(yù)處理的差值曲線可以看出，對(duì)H和Z分量分別進(jìn)行了臺(tái)階處理，但2個(gè)臺(tái)階的結(jié)束時(shí)間存在明顯差異，這是不符合高壓直流輸電干擾特征的。

3.6 人工處理緩變臺(tái)階存在差異性

中國(guó)地震前兆數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中的“緩變功能”是2014年8月根據(jù)高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理的需求添加的。此前，高壓直流輸電干擾造成的緩變臺(tái)階均由處理人員將干擾時(shí)間段內(nèi)數(shù)據(jù)分成N小段進(jìn)行不同幅度的調(diào)整，以盡可能多地保留數(shù)據(jù)。不同處理人員在數(shù)據(jù)處理中必然存在不同程度的差異性，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

4 建議和結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)山東地磁臺(tái)網(wǎng)7個(gè)地磁臺(tái)站的高壓直流輸電干擾預(yù)處理情況的排查分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量總體較好，基本達(dá)到學(xué)科規(guī)范要求，尤其是在高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)投入使用后，干擾誤判得到改善，為受干擾臺(tái)站的地磁數(shù)據(jù)預(yù)處理提供了參考標(biāo)準(zhǔn)。

（2）“緩變臺(tái)階”功能增加之前，人工處理緩變臺(tái)階的差異性可以利用“多臺(tái)對(duì)比”功能進(jìn)行差值分析，對(duì)于誤差較大的預(yù)處理數(shù)據(jù)，建議應(yīng)用“緩變臺(tái)階”功能重新處理。

圖6 2011年8月30日泰安臺(tái)原始和預(yù)處理數(shù)據(jù)曲線及兩者差值曲線

（3）分析表明，高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但因其僅針對(duì)Z分量發(fā)布信息，因此H、D分量干擾被忽略的現(xiàn)象仍然存在，尚需加強(qiáng)對(duì)H、D分量干擾特征的研究和應(yīng)對(duì)。

（4）地磁日變曲線每天都不同，最大靜日日變幅度約為幾十nT，擾日變化則為數(shù)百nT，較小的高壓直流輸電干擾，尤其是緩變干擾，被忽視或處理不到位的可能性較大，建議完成數(shù)據(jù)預(yù)處理后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核和校對(duì)，通過(guò)多臺(tái)對(duì)比和差值曲線判斷預(yù)處理是否準(zhǔn)確到位。

（5）通過(guò)對(duì)山東地磁臺(tái)網(wǎng)高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理問(wèn)題進(jìn)行分析和總結(jié)，發(fā)現(xiàn)高壓直流輸電干擾仍有進(jìn)一步研究和分析的必要。面對(duì)日益增多的高壓直流輸電線路及日益嚴(yán)峻的地磁觀測(cè)環(huán)境，高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)預(yù)處理質(zhì)量有待進(jìn)一步提高。

5 討論

關(guān)于高壓直流輸電對(duì)Z分量干擾幅度的比例關(guān)系已經(jīng)有實(shí)用化的研究成果，而且已經(jīng)應(yīng)用于國(guó)家地磁臺(tái)網(wǎng)中心的高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)。而關(guān)于H和D的干擾特征和干擾幅度，我們進(jìn)行了相對(duì)深入的研究，發(fā)現(xiàn)H和D的干擾機(jī)理和干擾特征與Z有明顯不同，表現(xiàn)出明顯的偏向性、弱相關(guān)性和高壓直流輸電線路經(jīng)緯走向的相關(guān)性。對(duì)于同一輸電線路兩側(cè)不同臺(tái)站的H和D干擾幅度以及特定臺(tái)站Z、H和D干擾幅度也表現(xiàn)出了一定的線性關(guān)系，從而可以進(jìn)行預(yù)處理參考值估算，本文對(duì)此不再詳述。