地震電磁衛(wèi)星監(jiān)測輸電線諧波輻射研究綜述

吳 靜 付靜靜

（中國北京100191北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院）

地震電磁衛(wèi)星監(jiān)測輸電線諧波輻射研究綜述

吳 靜 付靜靜

（中國北京100191北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院）

輸電線諧波輻射已成為近地空間環(huán)境的一種人為污染源.介紹了磁層中輸電線諧波輻射現(xiàn)象的研究歷史與現(xiàn)狀，涉及到與其相關(guān)的地基觀測和天基觀測結(jié)果，以及對其形成機理所開展的定性和定量研究等.特別介紹了近年來利用DEMETER地震電磁衛(wèi)星觀測到的輸電線諧波輻射現(xiàn)象.根據(jù)現(xiàn)有的研究結(jié)果，提出一些尚未解決的問題.隨著我國電網(wǎng)的發(fā)展，以及地震電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的研制和發(fā)射，研究我國上層空間的輸電線諧波輻射現(xiàn)象具有重要意義.

輸電線諧波輻射 電離層 磁層 DEMETER衛(wèi)星 電磁擾動

引言

我國電力工業(yè)正處于高速發(fā)展階段.隨著一系列750kV、1 000kV高壓交流工程的建設(shè)，我國電網(wǎng)已步入特高壓時代.在高壓電網(wǎng)中，電力諧波（諧波次數(shù)在2—40之間）問題引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注，在電力諧波發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制等方面已取得了相當多的研究成果.可以說，在過去的幾十年里，電力諧波之所以被關(guān)注，主要原因在于它會對公用電網(wǎng)及其它地面系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的危害.然而，大量的地基和天基觀測結(jié)果表明，電網(wǎng)中的諧波不僅會對地面上的系統(tǒng)造成危害，還會對空間電離層和磁層產(chǎn)生影響.這種影響主要是通過輸電線諧波輻射（power line harmonic radiation，簡寫為PLHR）造成的.目前，國外多數(shù)學(xué)者認為，隨著全球電力消耗的增長，PLHR現(xiàn)象將愈加明顯.PLHR不僅會影響電離層和磁層的狀態(tài)，這種地面主動激發(fā)波的增生，結(jié)合被動收測甚低頻發(fā)射，又會幫助人們直接獲取電離層和磁層的能態(tài)粒子流數(shù)據(jù)，以便研究其中的各種動力學(xué)過程 （熊皓，2004）.因此，研究PLHR現(xiàn)象具有重要的意義.

對于PLHR現(xiàn)象的研究不僅涉及到電氣工程、地球物理、大氣物理、空間物理等多學(xué)科交叉理論的研究，還涉及到對相關(guān)現(xiàn)象的地基觀測和空間觀測研究，具有較大難度.通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)尚未開展專門的研究工作，但我國地震電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星的研制和發(fā)射已提上日程（張潤寧等，2009），這將為深入研究PLHR現(xiàn)象創(chuàng)造有利條件.

本文主要介紹PLHR的地基觀測和天基觀測結(jié)果，DEMETER衛(wèi)星探測到的PLHR現(xiàn)象，PLHR形成機理的研究歷史，以及在我國開展相關(guān)研究的現(xiàn)實意義.

1 對PLHR的觀測研究

磁層中的PLHR現(xiàn)象最早記錄于1965年（Helliwell，1965），但是當時它們并沒有被識別出來.20世紀70年代，人們開始對PLHR的地基觀測進行研究.能夠說明PLHR會對電離層和磁層造成影響的主要地基觀測站位于南極洲的Siple站和加拿大魁北克的Roberval站，它們?yōu)榈厍虼殴曹楛c；另一對磁共軛觀測站位于南極洲的Helley Bay站和加拿大紐芬蘭的St Anthony站.

1975年，美國斯坦福大學(xué)無線電科學(xué)實驗室的Helliwell等學(xué)者分析了Siple站和Roberval站的觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在Roberval站出現(xiàn)了以60Hz為基波頻率的諧波輻射譜線.他們認為這些輻射來自于加拿大電力系統(tǒng)，通過與電離層、磁層的等離子體之間的線性和非線性作用，傳播到另一半球的Siple站，因為同一時間在Siple站也觀測到了一些譜線，盡管這些譜線的頻率間隔并不是準確的60Hz（Helliwelletal，1975）.由Helliwell和Park帶領(lǐng)的團隊對這種現(xiàn)象開展了深入研究.1978年，他們發(fā)現(xiàn)在當?shù)貢r間6—18時之間，3kHz附近的PLHR達到峰值（Park，Helliwell，1978）.1979年，他們對Siple站2—4kHz頻率范圍內(nèi)的磁層波進行研究，發(fā)現(xiàn)了PLHR的周日效應(yīng)（Sunday effect）（Park，Miller，1979），即相比于一周內(nèi)的其它時間，周日的磁層波強度較小.這種效應(yīng)與地面的電力消耗情況密切相關(guān)，如圖1所示.1983年，他們得出磁層中的強哨聲波通常是由PLHR觸發(fā)的結(jié)論.這些觸發(fā)波在kHz頻帶內(nèi)占據(jù)著重要的位置.由于磁層中的波粒相互作用以及波波相互作用，PLHR在穿透赤道區(qū)的過程中將被放大，當其強度超過一定閾值時，便有可能激發(fā)一些波，而這些激發(fā)波的頻率將偏離PLHR的原始頻率（Park，Helliwell，1983）.Helliwell等觀測到的PLHR大都出現(xiàn)在地磁擾動期間.

圖1 一周內(nèi)在Siple站觀測到的PLHR（a）以及Roberval站的電力消耗（b）（引自Park，Miller，1979）Fig.1 PLHR events observed at Siple（a）in one week and the power consumption at Roberval（b）（by Park，Miller，1979）

圖2 PLHR頻譜示例（引自Luette etal，1979）Fig.2 Spectrum example of PLHR（by Luette etal，1979）

1981年，Yearby等學(xué)者對Halley Bay站和St Anthony站的地基觀測數(shù)據(jù)進行分析，得到了紐芬蘭上空頻率間隔在（50±90）Hz范圍內(nèi)變化的PLHR譜線（Matthews，Yearby，1981）.他們認為這些譜線的特征之所以與Siple站的觀測結(jié)果不同，是因為紐芬蘭采用的是50Hz和60Hz混合的電力系統(tǒng).除了上述地基觀測結(jié)果外，還存在PLHR現(xiàn)象的衛(wèi)星觀測結(jié)果.自1976年起，英國謝菲爾德大學(xué)物理系的Bullough等學(xué)者通過研究Ariel－3和Ariel－4衛(wèi)星上的探測數(shù)據(jù)，指出北美上空輻射波強度的最大值主要是由于PLHR造成的，部分是由于閃電造成的（Bulloughetal，1976；Tatnalletal，1983；Bullough，1983；Bulloughetal，1985）.基于Ariel－3和Ariel－4衛(wèi)星的探測數(shù)據(jù)，Kaiser及其團隊從地理位置、強度、磁暴時間、季節(jié)、太陽活動周期等幾方面研究了PLHR的全球分布，以及電離層中與之相關(guān)的輻射波.1979年，Luette給出了從OGO－4衛(wèi)星觀測到的南美上空PLHR實例，如圖2所示，譜峰間隔約為100Hz（Luetteetal，1979）.1982年，Bell等利用ISEE－1衛(wèi)星觀測到了北美上空與PLHR相關(guān)的輻射波，其頻率范圍為3—4kHz.與地基觀測結(jié)果類似，這些譜線的頻率也偏離電網(wǎng)的諧波頻率（Belletal，1982）.這一時期從S3－3、ISIS－2等衛(wèi)星上均觀測到了PLHR現(xiàn)象.1983年，日本電氣通信大學(xué)的Tomizawa等學(xué)者利用探測氣球?qū)Υ髿庖约绊敳侩婋x層中的PLHR與磁亞暴之間的關(guān)系進行了研究.結(jié)果表明，磁亞暴會使6次、9次、12次諧波頻率的輻射增強（Tomizawa，Yoshino，1984）.1985年，他們利用OHZORA衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)，定量研究了東亞上空頂部電離層中輸電線輻射的磁場強度.結(jié)果表明，60Hz的輸電線輻射分布于日本島上空，而50Hz的輸電線輻射分布在我國華東地區(qū)上空（Tomizawa，Yoshino，1985）.20世紀90年代，Parrot等對近地軌衛(wèi)星Aureol－3自1981年10月—1983年12月探測到的電磁場強度進行了系統(tǒng)的分析，同樣發(fā)現(xiàn)了PLHR現(xiàn)象，而且這種現(xiàn)象并不總是出現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達國家的上空（Parrot，1990，1994；Parrotetal，1991）.1995年，Molchanov和Parrot（1995）總結(jié)了從衛(wèi)星上觀測到的PLHR現(xiàn)象所具有的特征.

也有學(xué)者對PLHR的大小以及實驗?zāi)M等進行了研究.Tatnall等（1983）和Yearby等（1983）的研究結(jié)果表明，在以3.2kHz為中心的1kHz頻帶內(nèi)，北美上空的PLHR的總功率小于100W，其中由紐芬蘭工業(yè)區(qū)中的典型輸電線產(chǎn)生的PLHR總功率甚至小于1μW.Park和Chang（1978）利用甚低頻發(fā)射機做的實驗表明，在適當條件下，利用0.5W的功率便可模擬出由PLHR在磁層中觸發(fā)的甚低頻發(fā)射.Helliwell等（1980）通過實驗指出，能夠使透入磁層中的相干VLF信號增強且觸發(fā)新輻射的PLHR的功率閾值為1W，測量該值可診斷磁層的不穩(wěn)定水平.

正是由于輸電線諧波輻射的功率較小，因而PLHR現(xiàn)象曾一度引起爭議.1979年，Thorne等針對PLHR能影響地球輻射帶的觀點提出疑義（Thorne，Tsurutani，1981）.1981年，Tsurutani和Thorne對Luetter等提出的PLHR能影響磁層的觀點提出了質(zhì)疑（Luetteetal，1977；Tsurutani，Thorne，1981）.Helliwell團隊與他們展開了激烈的討論.1985年，Koons又提出了在波粒相互作用的外磁層中PLHR并不起重要作用（Koons，1985）.對于研究者所觀測的PLHR是由原始的輸電線場傳播進入電離層和磁層造成的，還是由原始的輸電線場通過與電離層和磁層的等離子體或波的相互作用而激發(fā)的新的輻射，即磁層線輻射（magnetospheric line radiation，簡寫為 MLR），也有學(xué)者展開了討論（Molchanov，Parrot，1995；Volland，1995）.

2 DEMETER衛(wèi)星與PLHR

自20世紀60年代以來，國內(nèi)外學(xué)者對地震前后的電離層狀態(tài)進行了大量研究.結(jié)果表明，大地震前電離層擾動（電磁輻射、等離子體參數(shù)變化和高能粒子沉降等）普遍存在.分析電離層擾動已成為地震短臨期預(yù)測的重要手段.2004年6月，法國國家空間研究中心發(fā)射了一顆專門服務(wù)于地震電磁監(jiān)測的微型衛(wèi)星DEMETER，其采用的是與太陽同步的圓形軌道，傾角為98.23°，高度為710km（從2005年12月中旬開始改為660km），有效載荷包括感應(yīng)式磁力儀、電場探測儀、等離子體分析儀、朗繆爾探針和能量粒子探測儀.該衛(wèi)星的發(fā)射不僅為研究由地震－電磁效應(yīng)造成的電離層擾動提供了有利條件，也為研究人類活動，如PLHR、VLF發(fā)射機和高頻傳播站等，造成的電離層擾動提供了天基探測數(shù)據(jù).

2005年，Parrot等利用DEMETER衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)得到了接近于50Hz或16Hz（對應(yīng)于鐵路供電系統(tǒng)頻率）間隔的譜線（Parrotetal，2005）.該文獻中給出了4個典型的PLHR事件：2004年7月23日09：12：30—09：23：34UT，赤道上空；2004年9月8日07：23：35—07：27：00UT，伊朗和伊拉克上空；2005年1月21日19：41：04—19：48：30UT，埃及、地中海和土耳其上空；2005年1月23日02：04：10—02：08：30UT，印度尼西亞群島上空.研究結(jié)果表明，這些PLHR事件均出現(xiàn)在中強磁暴期間.Nemec等對DEMETER衛(wèi)星運行第一年所獲得的探測數(shù)據(jù)進行了分析，發(fā)現(xiàn)了多個以50/100Hz、60/120Hz為間隔的PLHR事件，這些事件的出現(xiàn)與地磁活動水平無關(guān)（Nemecetal，2006，2007）.另外，部分事件表明，PLHR是以右旋偏振哨聲模傳播的.利用DEMETER衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)得到了以50/100Hz、60/120Hz為頻率間隔的PLHR地理分布圖，如圖3所示.圖中，大黑點表示所觀測到的PLHR事件的地理位置；細線和小黑點表示磁力線和觀測點的位置.

目前，國內(nèi)外已有學(xué)者利用DEMETER衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)對我國大地震（例如云南普洱地震、四川汶川地震等）發(fā)生前的電離層擾動開展了研究（朱榮等，2008；朱濤，2010；安張輝等，2010），尚未有學(xué)者利用該衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)研究過我國空間的PLHR現(xiàn)象.

圖3 由DEMETER衛(wèi)星獲得的PLHR分布 （引自Nemec etal，2007）（a）以50/100Hz為間隔；（b）以60/120Hz為間隔Fig.3 Distribution of PLHR observed by DEMETER（by Nemec etal，2007）（a）Frequency separation of 50/100Hz；（b）Frequency separation of 60/120Hz

3 PLHR現(xiàn)象的機理研究

盡管PLHR現(xiàn)象曾引起爭議，但是隨著多年地基觀測和衛(wèi)星探測數(shù)據(jù)的積累，PLHR現(xiàn)象已得到公認.Kikuchi（1983）指出，地面上方由多個導(dǎo)體構(gòu)成的輸電系統(tǒng)根據(jù)傳播模式的不同，可分為金屬回路和大地回路兩種.金屬回路是指僅由架空導(dǎo)線構(gòu)成的電流通路，而大地回路是指由架空導(dǎo)線和大地構(gòu)成的電流通路.據(jù)此，輸電線輻射可分為兩類：由金屬回路中的不連續(xù)點或終端產(chǎn)生的輻射；由大地的有限電導(dǎo)率和電容率造成的Cerenkov輻射.在低于截止頻率（10—100MHz）的低頻側(cè)，Cerenkov輻射被認為是穿透電離層、進入磁層的主要輻射源.輸電線輻射并不是以工頻（50Hz或者60Hz）為主，而是以諧波為主，例如由輸電線的電暈放電、氣體放電、終端負載的非線性等造成的諧波輻射.Schumann（1952）指出地球和電離層構(gòu)成了一個諧振腔體，其諧振頻率主要由地球的尺寸決定.對于低于100Hz的極低頻輸電線輻射，地球－電離層的波導(dǎo)理論是其產(chǎn)生的理論基礎(chǔ).隨著輸電線諧波頻率的增大（＞1kHz），其輻射的電磁能量便有可能通過“哨聲?！贝┩傅厍颍婋x層諧振腔而進入磁層內(nèi).1983年，Tatnall等研究了以大地為回路的輸電線中流過不平衡諧波電流時產(chǎn)生的輻射場模型（Tatnalletal，1983）.1984年，Inan等利用回旋共振理論，研究了由地基VLF發(fā)射所引起的電子沉降現(xiàn)象（Inanetal，1984）.1991年，Molchanov等研究了從地面?zhèn)鞑サ诫婋x層的波的特征，用以解釋PLHR對磁層極低頻發(fā)射的影響（Molchanovetal，1991）.1994年，Bullough等定性地解釋了PLHR現(xiàn)象（Volland，1995）.如圖4所示，輸電線產(chǎn)生的諧波輻射（約數(shù)kHz）穿過低電離層，沿著場向?qū)Ч苓M入赤道區(qū)，在那里與逆流的高能電子發(fā)生相互作用.這種波粒相互作用將放大PLHR波并觸發(fā)甚低頻發(fā)射.到達南半球的部分輻射波將發(fā)生反射，反射波可以在磁共軛點之間來回傳播多次，形成回波列.1996年，Parrot和Zaslavski對人類活動對磁層的影響的物理機制進行了總結(jié)（Parrot，Zaslavski，1996）.2002年，Ando等假定電離層是各向異性的均勻介質(zhì)，研究了PLHR在電離層中的傳播規(guī)律（Andoetal，2002）.2005年，Werner等利用有限差分法計算了脈動信號在地球－電離層波導(dǎo)中的輻射場（Werneretal，2005）.

盡管已有文獻對PLHR的形成機理進行了研究，但是由于PLHR的傳播媒質(zhì)，如電離層和磁層等，往往具有隨機不均勻的時空變化特點和復(fù)雜的邊界條件，甚至具有各向異性和非線性，因此對于PLHR在由地球、中性層、電離層、磁層等構(gòu)成的耦合空間中的傳播模型仍需深入研究.這是解釋諸多疑問的關(guān)鍵.例如，功率較小的PLHR為何能夠影響電離層和磁層狀態(tài)；PLHR會對電離層和磁層造成多大的影響；在電網(wǎng)結(jié)構(gòu)并無太大差異的地區(qū)，為何有的地區(qū)空間存在PLHR現(xiàn)象，而有的地區(qū)空間又不存在這種現(xiàn)象；磁層中的PLHR是由原始的電力線諧波輻射直接傳播進入電離層和磁層造成的，還是由原始的電力線諧波輻射通過與電離層和磁層的等離子體或波的相互作用而觸發(fā)的新的輻射，等等.

圖4 PLHR原理示意圖Fig.4 Schematic diagram of PLHR

4 討論與結(jié)論

我國是電力生產(chǎn)與消費的大國，年發(fā)電量僅次于美國.目前，我國電力系統(tǒng)的發(fā)展已進入西電東送、南北互供和全國聯(lián)網(wǎng)的新階段，由1 000kV交流輸電系統(tǒng)和±800kV直流輸電系統(tǒng)構(gòu)成的特高壓電網(wǎng)，已代表了世界輸電技術(shù)的最高水平.電源點建設(shè)規(guī)模的擴大、輸變電技術(shù)的革新、電力設(shè)備的更換等，在很大程度上保證了電網(wǎng)的可靠和穩(wěn)定運行，但同時也使諧波污染日益嚴重.首先，在以三相交流為主的電力系統(tǒng)中，發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，這便使電源或多或少會產(chǎn)生諧波；三相電力變壓器在設(shè)計時，考慮到經(jīng)濟性，其鐵心的工作點通常選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣在實際運行時很容易使變壓器鐵心飽和，從而導(dǎo)致諧波.其次，對于目前推行的高壓直流輸電系統(tǒng)，其需要整流裝置和變流裝置，而這些電力電子裝置也是重要的諧波源.另外，大量非線性用電設(shè)備的使用，如開關(guān)電源、變頻裝置、家用電器等，也使電網(wǎng)中不可避地的存在諧波.

根據(jù)已有研究結(jié)果可知，出現(xiàn)PLHR現(xiàn)象的區(qū)域大多位于高、中緯度，例如美國、法國、芬蘭、日本、印度等，而我國大部分地區(qū)都處于中緯度.我國電力系統(tǒng)除了額定電壓等級、頻率等與國外發(fā)達國家有所不同外，電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與國外并無太大差異，可以說很多新技術(shù)和電力設(shè)備也是借鑒國外的.作者認為，隨著我國電力系統(tǒng)規(guī)模的迅速發(fā)展，加之諧波污染的日益嚴重，電離層或磁層中也會存在PLHR現(xiàn)象，但這個觀點還需要試驗事實來驗證.

考慮到我國地震電磁監(jiān)測試驗衛(wèi)星項目已提上日程，其主要目標是：在全國乃至全球范圍內(nèi)獲取空間電場、磁場和電磁輻射與高能粒子數(shù)據(jù)，研究與地震孕育發(fā)生相關(guān)聯(lián)的電磁場和電離層變化，為地球系統(tǒng)科學(xué)等相關(guān)領(lǐng)域的研究與國際合作提供數(shù)據(jù)共享服務(wù).該衛(wèi)星的發(fā)射可為深入研究我國的PLHR現(xiàn)象提供重要的天基觀測數(shù)據(jù).另外，由于輸電線諧波輻射同樣會對電離層和磁層造成擾動，因此研究這種擾動的特征，對于認識地球的空間環(huán)境，特別是電離層環(huán)境，具有一定的科學(xué)價值；對地震電磁衛(wèi)星記錄的低頻電磁效應(yīng)的識別，地震電離層前兆信息的提取，以及與地震孕育過程相關(guān)聯(lián)的機理研究等，也具有一定的參考意義.

隨著全球電力消耗的增長，PLHR現(xiàn)象將變得更加顯著.只有通過更多的地基、天基觀測數(shù)據(jù)，合理的數(shù)學(xué)模型，恰當?shù)臄?shù)值仿真方法等，才能科學(xué)地闡釋這種現(xiàn)象的形成機理以及對電離層和磁層造成的影響.我國尚未對PLHR現(xiàn)象開展專門的研究工作，有關(guān)PLHR現(xiàn)象的中文資料相當少.但是結(jié)合電力系統(tǒng)發(fā)展以及電磁監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)射等國情，我國對PLHR現(xiàn)象開展研究將具有重要的現(xiàn)實意義和長遠意義.

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吳 靜 北京航空航天大學(xué)講師.2006年清華大學(xué)電氣工程專業(yè)畢業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位.一直從事電磁場理論及其應(yīng)用方面的研究與教學(xué)工作.現(xiàn)主要研究高壓輸電線的電磁環(huán)境.

A review on power line harmonic radiation monitored by DEMETER satellite

Wu Jing Fu Jingjing
（SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering，BeihangUniversity，Beijing100191，China）

The power line harmonic radiation（PLHR）becomes a man－made pollution source to the near－Earth space.Both the research history and present status of PLHR were introduced.The research involves the observations of such phenomenon on the ground and onboard satellites，and the qualitative and quantitative analysis of its generation mechnism.Especially，the PLHR observed recently on DEMETER satellite were introduced.Based on the present research result，some unsolved problems were put forward.With the development of electrical industry and the launch of the testing satellite monitoring seismic electromagnetic signals in China，PLHR in upper space needs to pay close attention.

power line harmonic radiation；ionosphere；magnetosphere；DEMETER satellite；electromagnetic disturbance

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.013

P315.62

A

吳靜，付靜靜.2011.地震電磁衛(wèi)星監(jiān)測輸電線諧波輻射研究綜述.地震學(xué)報，33（6）：828－－836.

Wu Jing，F(xiàn)u Jingjing.2011.A review on power line harmonic radiation monitored by DEMETER satellite.ActaSeismologicaSinica，33（6）：828－－836.

電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室基金（SKLD09KM06）資助.

2010－12－16收到初稿，2011－04－21決定采用修改稿.

e－mail：wujing06＠buaa.edu.cn