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  地震地磁观测与研究  2017, Vol. 38 Issue (5): 81-85  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.015
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引用本文  

钟李彬, 林建, 李雪浩, 等. 成灌高铁运行对成都地磁台观测数据干扰测试[J]. 地震地磁观测与研究, 2017, 38(5): 81-85. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.015.
Zhong Libin, Lin Jian, Li Xuehao, et al. Testing and analysis of observation data to chengdu geomagnetic observation on Chengguan high-speed rail[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2017, 38(5): 81-85. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2017.05.015.

基金项目

中国地震局监测、预报、科研三结合项目(项目编号:152307)

作者简介

钟李彬(1984-), 男, 工程师, 主要从事地震观测、分析预报工作

文章历史

本文收到日期:2016-01-11
成灌高铁运行对成都地磁台观测数据干扰测试
钟李彬 , 林建 , 李雪浩 , 胡俊明 , 李国超 , 颜晓晔     
中国四川 611730 成都地震基准台
摘要:成都地磁台距成灌高铁运行线路垂直距离约1.5 km,使用数字化磁通门磁力仪GM4,在轨道沿线不同距离处进行野外测试。测试结果表明,轨道交通的运行对周围地磁观测环境产生干扰,干扰距离约6 km,干扰主要来自轨道泄露电流及输电线路产生的磁场。
关键词轨道交通    地磁观测    地磁干扰测试    差值分析    漏电电流    
Testing and analysis of observation data to chengdu geomagnetic observation on Chengguan high-speed rail
Zhong Libin, Lin Jian, Li Xuehao, Hu Junming, Li Guochao, Yan Xiaoye     
Chengdu Seismic Station, Sichuan Province 611730, China
Abstract: From Chengdu Geomagnetic Station into high-speed rail lines vertical distance of about 1.5 km, the use of digital flux-gate magnetometer GM4. The results of indicate that the moving of trains on the city railcar disturbs the environment of geomagnetic observation and the influence basically disappears by 10 km from the railcar line. The disturbance results from the leakage of electric current by railway and transmit electricity line.
Key Words: city railcar    geomagnetic observation    geomagnetic disturbance test    differential analysis    leakage of electric current    
0 引言

近年来,随着中国经济建设的发展,现有城市规模不断扩大,对20世纪70年代建设的一批地磁台站观测环境造成较大影响,其中城市轨道交通危害较大。以电气化铁路为主的高速铁路在运行过程中产生的电、磁场,将对地磁台站的连续观测产生影响。2008年6月成都至都江堰高速铁路(简称成灌高铁)开工建设,距成都地磁台约1.5 km,满足《地震台站观测环境技术要求》的规定,即地磁台站与电气化铁路的安全距离为0.8 km(刘广宽,2006谢凡,2011)。然而,通过成都地震基准台(以下简称成都台)的观测资料发现,成灌高铁运行对地磁观测数据干扰明显,干扰幅度超过0.5 nT。为了进一步研究以成灌高铁方式运行的轨道交通对地磁观测的影响,在高铁沿线进行地磁干扰测试。

1 成灌高铁供电模式

与地铁供电模式不同,成灌高铁采用接触网单边供电方式(图 1)。成灌高铁的供电回路中,接触网为架空导线(交流电25 kV、50 Hz),列车采用CRH1型动车组,牵引功率为5 300 kW。电压从牵引变电所经馈电线送至接触网,流过电力机车,再经轨道回路和回流线,流回牵引变电所(图 1)。假设在列车运行时,机车的供电回路中不存在漏电现象,即供电线路与回流线路中电流相等,那么2根导线产生的磁场将相互抵消,对周围的磁电观测不会造成干扰。而实际情况并非如此,由于轨道和大地是不绝缘的,在机车电流流到轨道后,并非全部电流沿着轨道流回牵引变电所,部分电流进入大地,经由大地流回牵引变电所,这种流经大地的电流称为地中电流(又称漏电电流或杂散电流)。由于漏电电流的存在,供电回路中的电流不再平衡,而这种不平衡电流将会在其周围产生附加磁场,反映在与高铁线路几乎处于同一水平面附近的观测点(台站)时,其影响主要表现在垂直分量上(罗俊秋,2010马钦忠,2011李军辉,2011徐学恭,2011)。另外,相对于观测点(台站)而言,列车在运行过程中位置在改变,当列车运行到距台站最近的地方时,干扰强度最大,反之较小。

图 1 成灌高铁供电回路 Fig.1 The power supply loop of Chengguan high-speed rail
2 地磁干扰测试方法

成灌高铁列车运行对成都台地磁观测数据产生影响,干扰幅度超过0.5 nT,为进一步研究对地磁观测环境的影响状况,开展干扰测试有其必要性。本次测试方法是,利用高精度数字化GM4型地磁观测仪,在距轨道不同距离布设多个测试点,实施连续时间段的野外测试,以获取可靠的数字化试验数据。每个测试点连续记录约24小时,主要记录轻轨运行和停止时段地磁场的变化,测试仪器分辨率为0.1 nT,采样率为1 Hz,温度系数小于1 nT/℃。根据轻轨的地理布局,选择地磁观测环境较好的区域布设测点。经过仔细勘察,选定距轻轨线路1.5 km、2 km、3 km、4 km、5 km、6 km布设6个野外测试点。在具体点位选取中,采取点位分布与高铁线路基本垂直的原则,测试点位远离城镇、工厂、高压线和其他轨道交通线,与公路有一定距离。点位选取时使用GPS进行精确定位,点位分布见图 2,各测试点基本情况见表 1。成灌高铁列车运行时间为北京时间6:30— 22:30,考虑到首末班列车的运行时间、列车入库等因素,实际运行时间为北京时间6:00— 23:00,每日在线运行列车约20次。

图 2 地磁干扰试验测点布设示意 Fig.2 Distribution of the geomagnetic test point
表 1 地磁干扰测试点概况 Tab.1 Parameters of the geomagnetic test points
3 数据处理与分析 3.1 观测曲线分析

将6个地磁野外测试点记录的地磁三分量原始观测数据绘图,见图 3

图 3 点位测试数据曲线 (a)1号点;(b)2号点;(c)3号点;(d)4号点;(e)5号点;(f)6号点 Fig.3 The curve figure of point test data

(1) 1号点位于成都台视电阻率观测场区,观测数据记录曲线显示,视电阻率供电干扰明显。此外,在高铁运行时段记录到脉冲干扰,最大干扰幅度约1.5 nT,干扰时间和与高铁运行时刻一致,垂直分量干扰明显,偏角和水平分量干扰较小,干扰频率一般在1—4 s。

(2) 2号点观测数据曲线较为光滑,测点距台站地电观测区约0.5 km,未记录到明显供电干扰。在高铁运行时段,观测数据仍记录到脉冲干扰,最大干扰幅度约0.9 nT,较1号点明显减弱,其影响主要表现在垂直分量上。

(3) 3号点观测数据存在一定漂移现象,但整体日变清晰,高铁运行期间干扰不明显。

(4) 4号—5号点受公路及周边人为活动影响较为严重,观测曲线产生毛刺、台阶等,在高铁运行期间干扰不明显。

(5) 6号点观测数据曲线较光滑,测点距高铁线路6 km。该测点除受乡村公路交通影响外,周边观测环境较为平静,除夜间1时—3时测区下雨时数据产生漂移外,整体稳定性较高,在高铁运行期间观测数据平静。

3.2 Z分量差值分析

基于地磁三分量记录中Z分量相对比较稳定,对于高铁运行干扰反映比较显著的特点,以Z分量记录为代表,剔除人为干扰,对每个测点采集的原始数据进行差值分析。选取高铁运行(08:00—23:00)和停运(23:00—04:00)2个时段观测数据分析高铁干扰情况,见图 4

图 4 Z分量差值曲线 (a)1号点运行时段;(b)1号点停运时段;(c)2号点运行时段;(d)2号点停运时段;(e)3号点运行时段;(f)3号点停运时段;(g)4号点运行时段;(h)4号点停运时段;(i)5号点运行时段;(j)5号点停运时段;(k)6号点运行时段;(l)6号点停运时段 Fig.4 Graph of difference curve of Z component

(1) 1号测点距高铁线路1.5 km,剔除供电干扰数据,在高铁运行时段记录到高铁线路上全部列车干扰,干扰量在0.4—1.5 nT,因为列车运行位置不同,干扰幅度存在明显差异。在列车停运时段,差值集中在0.2 nT以内,为该测点的背景噪声。

(2) 2号测点距成都台0.5 km,距高铁线路2 km,差值曲线上记录到视电阻率供电干扰,其干扰幅度在0.3 nT左右,列车在运行时段数据有明显干扰,干扰量在0.3—0.9 nT,在列车停运时段,差值集中在0.2 nT以内,反映了该测点的背景噪声。

(3) 3号测点距高铁线路3 km,未记录到供电干扰,列车在运行时段有明显干扰,干扰量在0.25—0.6 nT。在列车停运时段曲线上,差值集中在0.2 nT以内,为该测点背景噪声。受周边公路和农户影响,3号测点背景噪声较1号和2号测点大。

(4) 4号测点距高铁线路4 km,列车在运行时段有明显干扰,干扰量在0.2—0.4 nT。在列车停运时段,差值集中在0.2 nT以内。

(5) 5号测点距高铁线路5 km,列车在运行时段有部分干扰,干扰量在0.2—0.3 nT,在列车停运时段,差值集中在0.2 nT以内。

(6) 6号测点距高铁线路6 km,测点附近地磁背景噪声小于0.2 nT,列车在运行和停运时段差值曲线基本一致,幅度在0.2 nT以内,未见干扰影响。

4 结论

通过对成灌高铁沿线进行的地磁干扰测试和分析,可以得到以下结论:①高铁运行时在回流线和轨道上存在漏电电流,导致供电线路与回流线路之间的电流不平衡,而这种不平衡电流产生的附加磁场,是地磁观测产生干扰的主要因素;②附加的磁场干扰主要影响垂直分量,水平分量受到的干扰远小于垂直分量;③因为轨道中漏电点不止一处,随着列车运行位置的不断变化,产生的干扰幅度也会不断变化,根本无法找到确定的干扰幅度随时间的变化规律,所以唯一能采取的措施就是避让;④从此次地磁干扰测试结果看,以成灌高铁方式运行的轨道交通,对地磁观测环境产生0.2 nT以内干扰幅度的最小距离应为6 km以上。

参考文献
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徐学恭, 田山, 等. 津滨轻轨地磁干扰范围的实验研究[J]. 地震地磁观测与研究, 2004, 25(6): 41-44.