高壓直流輸電對新疆區(qū)域地電場觀測的影響分析①

雷 晴, 關(guān)冬曉, 李曉東, 朱治國

(新疆維吾爾自治區(qū)地震局，新疆 烏魯木齊 830011)

高壓直流輸電(High Voltage Direct Current簡稱HVDC)工程，是國家實施“疆電外送”的輸電工程。昌吉—古泉±1 100 kV高壓直流輸電線路[1-2]工程起于新疆準(zhǔn)東換流站，止于安徽宣城換流站(以下簡稱昌宣線高壓直流輸電工程)，途經(jīng)6省區(qū)，線路總長度約3 304.7 km，輸送容量12×106kW，電壓為±1 100 kV，為世界最高電壓的工程應(yīng)用。由于昌宣線高壓直流輸電工程在新疆區(qū)域內(nèi)的投入運行，對地電場觀測資料造成了較大范圍的影響。

目前，全國有32條高壓直流輸電線路在運行，電磁觀測資料受到不同程度影響。唐波[3]、葛光祖[4]等對高壓直流輸電線路和換流站接地電流影響下的地電場資料進行了相關(guān)研究；方煒[5]等對高壓直流輸電入地電流與土壤電導(dǎo)率下的地電場強度進行研究；陳俊、蔣延林[6]等研發(fā)了1套高壓直流輸電線路判別系統(tǒng)。全國各地震臺站電磁觀測資料受到的高壓直流輸電干擾線路不同。有的臺站受到單線路高壓直流輸電干擾，而有的臺站則受到多條線路的高壓直流輸電干擾，且各臺站與高壓直流輸電站所受擾的相對位置、影響大小都不相同。因此，不同區(qū)域電磁臺站應(yīng)結(jié)合所受干擾情況做具體詳實的分析研究。

新疆區(qū)域共有5個臺站的5套地電場儀對地電場水平分量進行長期監(jiān)測，觀測資料具有多年連續(xù)性和穩(wěn)定性特點。新疆區(qū)域地電場觀測分別位于新疆北部、西部和南部，臺站和儀器型號分別為烏魯木齊臺ZD9A-II地電場儀、紅淺觀測點GEF-2地電場儀、溫泉老臺GEF-2地電場儀、烏什GEF-2地電場儀、和田臺ZD9A-II地電場儀。由于2018年10月昌宣線高壓直流輸電的架設(shè)和運行，位于北疆區(qū)域的3個臺站的3套地電場觀測資料受到了不同程度的影響。受昌宣線高壓直流輸電干擾的地電場臺站為烏魯木齊臺、克拉瑪依紅淺觀測點和溫泉老臺，距準(zhǔn)東換流站的距離分別約為160、330、620 km。而位于新疆西部、南部，距準(zhǔn)東換流站距離約880 km的烏什臺、1 150 km的和田臺地電場觀測資料未受其影響。

本文中主要針對新疆區(qū)域地電場受昌宣線高壓直流輸電的環(huán)境干擾，分析各地電場觀測資料受其干擾影響的成因及變化特征。同時采用最小二乘擬合法對干擾資料進行處理，產(chǎn)出可靠的地電場觀測資料，提高新疆區(qū)域地電場觀測資料的準(zhǔn)確性和可靠性，對地電觀測資料于地震監(jiān)測的應(yīng)用效果具有一定的實用意義。

1 新疆區(qū)域受擾臺站地電場觀測資料簡介

新疆區(qū)域共有烏魯木齊、紅淺觀測點、溫泉老臺、烏什、和田5個地電場觀測臺站，地電場觀測臺站均為“十五”項目建設(shè)，采用中國地震局預(yù)測研究所研制的ZD9A-Ⅱ地電儀進行6測向地電場測量[7-9]。地電場觀測均采用南北和東西2條正交測線進行布設(shè)，布極方式呈 “L”型布設(shè)，極距的選擇遵循長短極距比為1∶1.5的標(biāo)準(zhǔn)。其中，烏魯木齊臺、紅淺觀測點、和田臺、烏什臺地電場均布設(shè)NS、EW、N45°E 3個方向；溫泉老臺布設(shè)了NS、EW、N45°W 3個方向，長短極距共6道觀測數(shù)據(jù)。2018年11月，由于昌宣線高壓直流輸電干擾的全面建成和運行，北疆區(qū)域內(nèi)的烏魯木齊臺、紅淺觀測點和溫泉臺地電場觀測資料受到干擾。

烏魯木齊臺地電場觀測站于2007年1月正式觀測，構(gòu)造處于天山中段北麓、準(zhǔn)噶爾盆地南緣。克拉瑪依地震臺紅淺觀測點地電場于2007年1月開始觀測，構(gòu)造處于答拉布特—克拉麥里泥盆—石炭紀(jì)殘余洋盆準(zhǔn)噶爾盆地西緣，西部是盆地的界山加依東山，南依天山北麓，東臨古爾班通古特沙漠。溫泉老臺地電場觀測場2008年7月正式觀測，構(gòu)造處于準(zhǔn)噶爾界山與博羅霍洛構(gòu)造帶的交匯部位，博爾塔拉河谷的臺地[10]，周圍有多處泉水出露，與博爾塔拉河谷大斷裂有密切關(guān)系。

烏魯木齊臺、克拉瑪依臺、紅淺觀測點各地電場觀測裝置長極距分別為225、300、200 m； 短極距分別為150、200、150 m；斜道長極距分別為318、425、283 m；斜道短極距分別為212、283、212 m；電纜線均采取地埋布設(shè)，電極埋深分別為6、5、5 m。新疆區(qū)域內(nèi)±1 100 kV昌宣線高壓直流輸電線路走向及各地電場臺站分布如圖1所示。

2 高壓直流輸電對地電場觀測資料的影響

2.1 高壓直流輸電對地電場影響機理

高壓直流輸電的供電線路布線方式為雙向線路。當(dāng)輸電線路正常工作時，電流從2條架空線上經(jīng)過，方向相反，大小基本相當(dāng)，只有少部分不平衡電流入地，此時產(chǎn)生的電磁場相互抵消，對地電場臺站影響極小。而當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)出現(xiàn)故障或調(diào)試時，利用大地作為回路進行電力的輸送[11-14]就會產(chǎn)生較大不平衡電流的外泄，進而對地電場觀測資料造成一定影響。

新疆區(qū)域地電觀測場監(jiān)測范圍內(nèi)的觀測環(huán)境相對穩(wěn)定。受昌宣線高壓直流輸電工程全面建設(shè)影響，北疆區(qū)域地電場觀測資料受到場地環(huán)境干擾。在高壓直流輸電的影響下，地電場觀測資料主要受線路和入地電流2種因素干擾[3-4]。① 線路干擾機理：空間電荷沿著電力線方向運動形成了離子電流，從而產(chǎn)生了電場。此電場與線路所帶電荷產(chǎn)生的靜電場合成了直流輸電線路下的空間電場。當(dāng)空間電場發(fā)生變化時，地電場觀測就會記錄到相應(yīng)的空間感應(yīng)電場，感應(yīng)電場疊加在測區(qū)大地電場上，對地電場觀測資料造成影響；② 入地電流干擾機理：當(dāng)高壓直流輸電系統(tǒng)發(fā)生故障或調(diào)試時，會有大量的不平衡電流注入大地，從而引起測區(qū)內(nèi)接地極的地電電位發(fā)生改變，影響測量極之間的電場，造成地電場觀測資料受到干擾。

對于引起地電場觀測資料的2種干擾，以入地電流造成的干擾為主。昌宣線高壓直流輸電線路以準(zhǔn)東換流站為起點，由西向東進行電力的輸送。使得北疆區(qū)域內(nèi)離換流站和高壓直流輸電線路約160 km的烏魯木齊臺、330 km紅淺觀測點和約620 km的溫泉老臺地電場受到了不同程度的擾動。

2.2 地電場觀測數(shù)據(jù)的受擾形態(tài)特征

地電場觀測數(shù)據(jù)受地理位置、地下構(gòu)造、布極環(huán)境、裝置系統(tǒng)運行等不同因素的影響，曲線形態(tài)呈現(xiàn)多樣性和復(fù)雜性[15-16]。中國大陸地電場曲線日變形態(tài)主要有4種類型：“峰-谷”型、近直線型、無序變化型、混合型[17-18]。新疆區(qū)域內(nèi)受到高壓直流輸電干擾的3個地電場觀測資料日變形態(tài)均為“峰-谷”型。

2018年11月烏魯木齊地電場觀測資料首次記錄到高壓直流輸電干擾。截至2020年，新疆區(qū)域各地電場觀測共記錄到昌宣線高壓直流輸電干擾179次。其中烏魯木齊臺地電場觀測記錄到干擾61次，紅淺觀測點記錄到干擾100次，溫泉老臺記錄到干擾18次。高壓直流輸電干擾頻次較高，表明故障或調(diào)試頻發(fā)。而高壓直流輸電干擾頻次較低，則表明輸電線路運行基本正常，故障或調(diào)試頻率較小。

當(dāng)?shù)仉妶鰷y區(qū)內(nèi)受到高壓直流輸電的干擾時，觀測數(shù)據(jù)在表現(xiàn)形式上有臺階、尖峰、畸變等變化形態(tài)。數(shù)據(jù)變化形態(tài)一般為方波的干擾形態(tài)，這與高壓直流輸電較高的入地電流影響有關(guān)。受昌宣線高壓直流輸電干擾，2018年12月19日烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉臺的地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了一組較為明顯的同步臺階變化，表現(xiàn)形態(tài)為方波。烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺的地電場長極距NS向觀測受昌宣線高壓直流輸電干擾見圖2。

圖2 新疆區(qū)域地電場2018年12月19日受昌宣線高壓直流輸電干擾分鐘值數(shù)據(jù)曲線圖(a) 烏魯木齊臺長極距NS向 (b) 紅淺觀測點長極距NS向 (c) 溫泉老臺長極距NS向Fig.2 Minute data value of geo-electric field disturbed by Changji-Xuancheng HVDC transmissionin Xinjiang region on December 19,2018

根據(jù)昌宣線±1 100 km高壓直流輸電單極大地返回的機理，大量電流注入接地極，引起接地極的地電位升高，從而導(dǎo)致地電場觀測數(shù)據(jù)顯著變化。2018年12月19日11時08分至12時43分，烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺的地電場各測道觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了急劇上升或下降的臺階變化，臺階數(shù)據(jù)持續(xù)時間基本相同。表明高壓直流輸電對地電場觀測數(shù)據(jù)的干擾在電流注入和停止時產(chǎn)生1組臺階變化，注入電流停止后各臺站各測道的數(shù)據(jù)恢復(fù)正常。

根據(jù)電磁同源異相的特點，當(dāng)?shù)仉妶鲇^測受到高壓直流輸電干擾時，地磁觀測也會受到相應(yīng)的干擾變化。如圖3所示，烏魯木齊臺FHDZ-M15和FGM-01 2套地磁觀測資料于2018年12月19日世界時間03時08分至04時43分記錄到高壓直流輸電干擾。同時，查閱國家地磁臺網(wǎng)中心發(fā)布的地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)能實時同步高壓直流輸電對各地磁臺站干擾時間及強度，表明此次干擾來源于昌宣線高壓直流輸電。

圖3 烏魯木齊臺地磁場2018年12月19日受昌宣線高壓直流輸電干擾分鐘值數(shù)據(jù)曲線圖(a) FHDZ-M15垂直分量 (b) FGM-01垂直分量Fig.3 Minute data value of geomagnetic field at Urumqi station disturbed by high voltage DC transmissionof Changji-Xuancheng line on December 19, 2018

在此次高壓直流輸電干擾下，各臺站地電場觀測受擾變幅不同。烏魯木齊臺地電場長極距NS向受擾變幅達1.85 mV/km，紅淺觀測點地電場長極距NS向受擾變幅達3.22 mV/km，溫泉老臺地電場長極距NS向受擾變幅達3.75 mV/km。圖1表明，距離高壓直流輸電工程較近的烏魯木齊臺地電場觀測變化幅度反而小于距離較遠的溫泉老臺地電場觀測。產(chǎn)生這種變化幅度的原因與烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺3個臺站地電場測區(qū)內(nèi)的土壤電導(dǎo)率有關(guān)。

高壓直流輸電采用大地作為回流電路，即假設(shè)單極直流接地點為點電流源(半球形接地體，且電流較穩(wěn)定)，在理想狀態(tài)下使用均勻土壤介質(zhì)，可根據(jù)公式(1)計算距離點電流源空間距離為r處的電場強度，

(1)

式(1)中Im為入地電流大小，單位A，γ為土壤電導(dǎo)率，單位s/m。

公式(1)表明，高壓直流輸電對地電場觀測的影響與入地電流成正比，與土壤電導(dǎo)率、與換流站接地極距離的平方成反比。因此，烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺3個臺站地電場觀測受同1次高壓直流輸電影響的變幅不僅受距離的影響，同時受測區(qū)內(nèi)的土壤電導(dǎo)率的影響。

2018～2020年新疆區(qū)域烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺地電場觀測受高壓直流輸電典型干擾影響的部分統(tǒng)計情況見表1。表中列舉了新疆區(qū)域2018～2020年期間同臺不同時段、不同臺相同時段如2019年12月30日各地電場受擾的變幅及變化形態(tài)，變幅量正表示為正向臺階變化，負表示為負向臺階變化。

表1 2018～2020年新疆區(qū)域地電場觀測受昌宣線高壓至輸電影響部分統(tǒng)計

由于昌宣線高壓直流輸電線路走向，北疆區(qū)域的3個地電場觀測資料均受到了影響。數(shù)據(jù)曲線表現(xiàn)出時間同步，變化形態(tài)一致，臺階變化幅度約在0.5～25 mV/km范圍內(nèi)。地理位置上，影響范圍從距離約為130 km的烏魯木齊臺至距離約680 km的溫泉臺。由于各地電場臺站電極布設(shè)方式不同，導(dǎo)致各臺站受擾時的臺階方向及變幅有所差異。

在同一次高壓直流輸電干擾下，各地電場不同分量的變化方向未必完全一致，但各分量長短極距的變化方向確具有一致性(表1)。這是由于高壓直流輸電換流站相對于地電場長短極距的距離大很多，對于地電場的干擾屬于遠場干擾。當(dāng)?shù)仉妶龅氖苓h場干擾時，在各向同性質(zhì)的均勻連續(xù)介質(zhì)中，同一方向上長、短極距觀測到的地電場強度應(yīng)具有一致性[19]。根據(jù)表1各地電場受擾的變幅大小，同一方向的干擾變幅比值情況如表2所示。

表2 2018～2020年新疆區(qū)域各地電場同一方向干擾幅度比值

受高壓直流輸電干擾，烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺地電場觀測的長短極距變幅比接近于1(表2)。進一步說明，高壓直流輸電對于各地電場的干擾屬于遠場干擾，對同一方向上造成的干擾幅度基本相同。

2.3 受干擾觀測數(shù)據(jù)的抑制

最小二乘擬合是數(shù)據(jù)處理中常用的曲線擬合方法。在地電場的觀測中，王蘭煒[20]等采用最小二乘擬合法對地電場受擾數(shù)據(jù)進行消除。采用最小二乘擬合法處理受擾數(shù)據(jù)，未對地電場觀測數(shù)據(jù)的原有信息、變化形態(tài)造成影響。實驗中，采用最小二乘擬合法對新疆區(qū)域受高壓直流輸電干擾數(shù)據(jù)進行處理，保留地電場觀測數(shù)據(jù)原信息量和變化形態(tài)。

實驗對新疆區(qū)域受高壓直流輸電干擾的烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺地電場受擾數(shù)據(jù)進行最小二乘擬合法消除干擾。2019年12月27日，烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺地電場長極距NS分量受擾數(shù)據(jù)進行處理，見圖4。

圖4 地電場長極距NS分量受高壓直流輸電干擾分鐘值數(shù)據(jù)曲線及處理后曲線(a) 烏魯木齊臺受擾信號 (b) 烏魯木齊臺最小二乘擬合后的信號 (c) 紅淺觀測點受擾信號(d) 紅淺觀測點最小二乘擬合后的信號 (e) 溫泉老臺受擾信號 (f) 溫泉老臺最小二乘擬合后的信號Fig.4 Minute data and processed curves of long pole distance NS componentof geoelectric field disturbed by HVDC transmission

2019年12月27日烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺地電場觀測數(shù)據(jù)受昌宣線高壓直流輸電干擾，干擾期間與正常數(shù)據(jù)背景下出現(xiàn)一個較為明顯的方波。27日20時21分和21時06分，3個受擾地電場長極距出現(xiàn)急劇上升或下降的同步臺階變化，數(shù)據(jù)臺階變化的持續(xù)時間在20時22分～21時05分之間。由此確定，高壓直流輸電干擾對地電場觀測數(shù)據(jù)的干擾僅在入地電流注入和停止供電時產(chǎn)生一組相應(yīng)的臺階變化。入地電流注入時間內(nèi)，電場穩(wěn)定，地電場觀測數(shù)據(jù)穩(wěn)定。實驗圖件中畫框部分為各觀測點地電場長極距NS分量受擾時段數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進行插值擬合后，數(shù)據(jù)曲線形態(tài)未受影響、趨勢清晰。

3 結(jié)論

由于受昌宣線高壓直流輸電干擾的影響，新疆區(qū)域烏魯木齊臺、紅淺觀測點、溫泉老臺3個地電場觀測數(shù)據(jù)受到了較大的影響。通過對受擾的地電場觀測數(shù)據(jù)進行分析研究及實驗，得出以下結(jié)論:

(1) 根據(jù)±110 kV昌宣線高壓直流輸電線路走向及換流站的位置，新疆區(qū)域內(nèi)烏魯木齊臺、紅淺觀測點和溫泉老臺3個地電場觀測資料受到不同程度的擾動，影響距離達到620 km。高壓直流輸電干擾時，各地電場在受其干擾的開始和結(jié)束時間，呈現(xiàn)出大幅的臺階變化，構(gòu)成方波的變化形態(tài)。受擾的地電場觀測數(shù)據(jù)出現(xiàn)變化時間同步、形態(tài)基本一致的特征。

(2) 高壓直流輸電對地電場觀測數(shù)據(jù)變化幅度的大小，與觀測場地和換流站的距離遠近、入地電流大小、觀測場區(qū)的土壤電導(dǎo)率有關(guān)。受高壓直流輸電干擾的同一觀測場地，長短極距變幅大小的比值接近于1，屬于遠場干擾。

(3) 受昌宣線高壓直流輸電線路走向及換流站的位置影響，烏魯木齊臺和溫泉老臺地電場各方向觀測數(shù)據(jù)受其影響，臺階方向均為同步向上或向下的變化，而紅淺觀測點則表現(xiàn)出EW方向與NS、NE 向相反的臺階方向。地電場數(shù)據(jù)受擾的方向與高壓直流線路的距離、接地極的距離、各地電場臺站電極布設(shè)方式等因素有關(guān)，導(dǎo)致各臺站觀測資料受擾時的臺階方向及變幅有所差異。

(4) 最小二乘擬合法適用于受高壓直流輸電干擾的地電場數(shù)據(jù)，采用最小二乘擬合法進行干擾消除后的數(shù)據(jù)曲線趨勢清晰，保留了原信號的信息量和變化形態(tài)。

高壓直流輸電干擾是新疆區(qū)域地電場觀測資料近2年才出現(xiàn)的干擾事件。通過對新疆區(qū)域受擾的地電場觀測資料變化形態(tài)、變幅大小、變化方向等進行分析研究，為新疆區(qū)域地電場觀測受高壓直流輸電線路干擾的識別、判定和處理提供相應(yīng)的參考依據(jù)。