基于地电仪器供电波形的地电阻率超差现象识别

2023-11-15 08:03郅红魁赵彦旭谢佳兴尚淑珍刘庆华
地震地磁观测与研究 2023年4期
关键词:电位差电阻率波形

郅红魁 付 靖 赵彦旭 谢佳兴 尚淑珍 刘庆华

1)中国河南471000 河南省地震局洛阳地震台

2)中国郑州450008 河南卫生健康干部卫生学院

3)中国郑州450016 河南省地震局

0 引言

中国地电台网观测系统主要由“九五” “十五”项目升级改造而来,距今已有10 多年,地电仪器、避雷装置、外线路等老化现象较为严重,一些台站需要进行技术升级和更新。而且,随着我国经济建设的快速发展,部分地电观测场地环境因地铁、铁路、轻轨、高速公路等影响受到不同程度的破坏,导致地电阻率数据出现“超差”现象,严重影响地电观测数据的质量和连续性。

地电台站在完成日常观测、资料预处理、跟踪分析等工作的同时,若当地电阻率数据出现超差现象,需要落实数据变异原因。目前台站多采用替换法来排查该超差现象,即更换主机、稳流源、避雷装置、电极、闸刀等,并对观测场地环境进行巡检。然而,地电阻率的超差现象随机性较强,不易捕捉,且因涉及面广,加之传统排查方法周期较长、效率较低、针对性差等缺点,使得排查难度加大。为了能够快速处理地电阻率超差现象,本研究利用电压采集仪,对地电观测系统相关测道2 个测量极间的供电电位差秒数据进行实时采集,通过分析供电波形形态特征,识别造成超差现象的原因,从而准确判断是观测系统还是观测场地周边其他干扰所致。该方法的使用缩短了超差现象的排查周期,提高了检测效率。

1 地电阻率超差现象判定原理

基于地电阻率、均方差、相对均方根误差计算公式,了解地电阻率观测系统供电电压波形变化过程,有利于快速分析并判断地电阻率超差成因。

地电阻率ρs计算公式如下

式中,K为装置系数为常数;I为供电电流,一般固定在2 A 左右;ΔV为供电电位差。由式(1)可知,装置系统K、供电电流I不变,ΔV为人工供电电位差,可通过测量得到,且其与地电阻率值成正比。而ΔV=(ΔV+Vsp)-Vsp,测量极之间的电位差Vsp和供电电位差ΔV出现变化都会引起电阻率的变化,可见二者的稳定性对地电阻率测量精度起到决定作用。

每小时地电阻率观测值可视为n次地电阻率测值的平均值,公式如下

视电阻率观测精度是所测视电阻率准确程度的度量,由系统误差和偶然误差2 部分组成(中国地震局,2001)。系统误差可以采取措施加以克服,而偶然误差是多种因素的综合作用,使得观测值在均值附近波动,其大小用均方差来表示。也就是说,均方差用于衡量随机变量或1 组数据的离散程度。每组多次观测值的均方根误差计算公式如下

式中,n为观测次数;ρsi为第i次观测值;为n个ρsi的算术平均值。ρsi值离散度越大,均方差越大,说明测量所得供电电位差变化大,不稳定。σn-1值的大小反映了多个ρsi观测值的离散度及观测系统稳定性和环境影响大小(何世根,2000)。在地电阻率观测中,导致σn-1值变大的原因主要有主机故障、稳流电源故障、外线漏电、电极以及环境干扰等(张国清,2009)。

地电阻率相对均方根误差Kσ计算公式如下

若Kσ≥3%,在ZD8BI、ZD8M 型地电仪器显示器及网页上则显示超差现象,说明该组地电阻率值误差大,观测结果不可靠,观测仪器将自动舍去该数值。

观测过程中,对地电阻率仪器多次正反向供电,以测量不同时段的人工电位差,计算相应时段的地电阻率值,了解人工电位差变化特征。

若自然电位差平直稳定,说明地电观测系统和观测环境正常;反之,观测环境受到干扰或观测系统不稳定就会出现超差现象。人工供电电位差误差越小,则均方差越小,表明观测值精度越高。如果出现超差现象,说明地电观测环境存在干扰或观测系统不稳定,如主机内部电路故障、外线路破损漏电、电极故障、电极附近有环境干扰等。

2 地电阻率超差现象识别

在地电仪器观测中,经常发现地电数据在仪器显示屏显示“超差”(图1)。基于M、N测量电极间自然电位差时序变化特征可知,若测区观测环境存在干扰或观测系统不稳定,地电阻率测值会出现超差现象。以洛阳地震台(下文简称洛阳台)2020—2021 年地电阻率出现的超差现象为例,从观测环境和观测系统进行系统分析。

图1 地电阻率出现超差Fig.1 Ground resistivity out of tolerance graph

2.1 地电外线路断线引起的超差识别

洛阳台地电阻率NS 向分量于2020 年10 月31 日14 时出现超差现象,自然电位同时出现异常跳动(图1)。为判别导致超差现象的原因,采用连接法,将电压采集仪(洛阳台研制)的第1、2 测道接入地电观测系统测量极M1、N1、M3、N3,其中,第1 测道接M1、M3地电外线路,第2 测道接N1、N3地电外线路(图2),以快速判断M1、N1电极是否出现问题,由此得到15 时地电阻率供电波形(图3)。由图3 可见,与B、C段相比,B1、C1段波形严重畸变,可见超差现象依然存在。

图2 洛阳台地电布极及测量方法示意Fig.2 Schematic diagram of Luoyang geoelectric pole arrangement andmeasurement method

图3 M1—M3(a)、N1—N3(b)测量极电位差变化Fig.3 M1-M3,N1-N3 measuring pole potential difference change

将M1—M3、N1—N3测量极电位差曲线进行对比,认为N1外线路可能存在故障,主要体现在:A段自然电位差正常变化,A1段自然电位差为未观测时数据已出现干扰;B1、C1段供电波形不稳定,B、C段供电波形相对清晰,说明仪器工作正常,表明地电阻率超差由N1或N3外线路故障造成,由于地电观测仪器观测值EW 向自然位和电阻率正常,因此排除M1故障,最终判断为N1外线路断线造成超差现象。使用绝缘摇表对该线路进行绝缘检查,发现电阻大于500 MΩ,场地线路检查发现,距N1测量极30 m 处地电外线被树压断,处理后恢复正常。

洛阳市地铁修建初期对地电阻率观测的影响较大。2020 年12 月地铁1 号线开通,进行低、中、高密度车辆通电试运行。12 月下旬中、高密度试车,31 日洛阳台地电阻率NS 向数据连续4 h 出现超差,此后1 个月内经常出现连续几小时的超差现象,初步认为由地铁试运行流散电流所致。且随着时间的延续,发现该超差现象只在NS 向地电阻率观测数据中出现,2021 年1 月22 日超差持续6 h,于20 时接入电压采集仪,记录波形见图4。

图4 M1—N1(a)、M3—N3(b)测量极电位差Fig.4 M1-N1,M3-N3 measuring pole potential difference change diagram during ground resistivity observation at Luoyang Seismic Station

由图4(a)可见,地电阻率数据出现超差时,NS 向供电波形B、C段严重畸形,而EW 向B1、C1段供电波形正常。若为地铁干扰,则2 个方向将受到同步影响(图5),表明NS 向地电阻率数据超差非地铁引起,可能为NS 向观测系统或外环境有问题所致。由图4(b)可见,B1段供电波形正常,说明稳流电源和供电线路正常,问题出现在M1、N1电极NS 向装置系统的测量线路上。图4(a)中曲线显示,A段自然电位差正常,说明M1、N1电极NS 向测量线路、外环境正常。通过以上分析和逐一排除法,判断数据超差由地电阻率NS 向测量系统出现问题所致。图4(a)中位置1 向下尖峰比图4(b)中位置2 的供电起始时间提前15 s,而前者对应仪器内部AD 转换板上NS 向继电器吸合时自然电位差测量时间,该继电器的作用是测量自然电位差和人工供电电压,若其出现故障,易导致数据超差。基于以上分析,判断测量系统AD 板上继电器故障造成超差。更换继电器后观测数据恢复正常,再无连续几小时的超差现象出现。

2021 年2 月3 日14 时,洛阳台地电阻率NS 向数据出现超差,而该分向测量极波形正常[图5(a)]。由图5(a)B段可见,相应位置人工供电电位高低不一,人工供电电位差变化较大,均方根误差变大,相对均方根误差Kσ>3%,这使得NS 向地电阻率数据出现超差。图5(a)中曲线B段显示,供电波形高点电压跳动约5 000 μV,而EW 向B1段约3 000 μV[图5(b)],相对稳定,均方根误差较小,不会造成该分向地电阻率数据出现超差现象,说明地电观测系统、外环境基本正常。洛阳轨道交通1 号线呈EW 向展布,距洛阳台地电阻率观测场地约13 km,对EW 向地电阻率数据干扰小,而2 号线呈NS 向展布,距该台地电阻率观测场地约5 km,NS 向地电阻率数据出现的干扰幅度较大,确定为地铁干扰。节假日期间地铁车次数成倍增加,使得B段、B1段供电波形高低点电压上下跳动幅度大于10 000 μV,导致地电阻率观测数据也会出现超差。

3 结束语

在日益复杂的电磁干扰环境下,地电阻率观测面临数据干扰排查的较大考验。由于地电阻率观测仪器为整点值观测,在出现数据超差现象时,较难判断具体故障原因或干扰源位置。通过地电仪器供电过程中电位差波形图,可清晰观察仪器观测过程,分析供电波形前自然电位差变化和供电电位差波形异常变化的特征,最终确定数据超差原因,并可通过上述2 条测量曲线相互对比论证,快速、准确地判断故障位置,这为今后地电阻率观测数据的异常排查提供了一种新方法。

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