高壓直流輸電干擾對安徽地電場觀測影響分析

尹天杰，孫亮亮，張明明

（1.安徽省地震局蚌埠地震監(jiān)測中心站，安徽 蚌埠233000；2.安徽省蒙城地球物理國家野外科學(xué)觀測研究站，安徽 蒙城233500）

隨著我國經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和人民群眾生活條件的日益提高，公共及居民用電量急劇增加。高壓直流輸電工程具有輸送里程遠(yuǎn)、輸送容量大等特點(diǎn)，目前在全國范圍內(nèi)已經(jīng)廣設(shè)分布。截至2020年底，投入使用的高壓直流輸電線路已經(jīng)多達(dá)30余條。當(dāng)出現(xiàn)輸電故障時，會產(chǎn)生較大的不平衡電流，嚴(yán)重影響了一定范圍內(nèi)地電場臺站的正常觀測（唐波等，2013）。安徽地區(qū)地電場觀測均受到多條高壓直流輸電線路影響，由于目前尚無避免此類干擾的可行性措施，因此準(zhǔn)確識別高壓直流輸電干擾影響下的地電場變化以及研究其變化機(jī)理，有助于分析預(yù)報人員正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提取震前異常，更好服務(wù)于地震預(yù)測預(yù)報事業(yè)。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，對安徽地區(qū)蒙城、嘉山兩個地電場臺站在受到晉北—南京、海南—駐馬店兩條高壓直流輸電線路干擾時的變化特征進(jìn)行梳理分析，著重分析了地電場在不同干擾背景下呈現(xiàn)的各類變化形態(tài)；干擾變化幅度、變化方向與相關(guān)物理量之間的關(guān)系。

1 基本概況

目前，安徽省有蒙城和嘉山兩個地電場臺站，這兩個臺站的地電場觀測項目均采用三方向和兩極距的三角形布極方式（見圖1）。蒙城臺共有NS、EW和N45°W三個方向，NS和EW的長極距為226 m，短極距為113 m，N45°W長極距為320 m，短極距為160 m。嘉山臺共有NS、EW和N45°E三個方向，NS向和EW向長、短極距分別為240 m、160 m。N45°E向長、短極距分別為339 m、226 m。其中兩臺站NS、EW方向長短極距電極均為斜邊長短極距共用，中心電極為NS、EW兩測道長短極距共用。線路均采用架空方式。配備主機(jī)均為ZD9A-2B型電場儀，經(jīng)過多年來的觀測運(yùn)行，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖1 蒙城、嘉山地電場布極分布圖

據(jù)統(tǒng)計2020年度，安徽地電場臺站先后主要受到晉北—南京線、錫林郭勒—泰州線、海南—駐馬店線、昌吉—宣城線、三門峽—常州線等數(shù)條線路影響，本文以晉北—南京、海南—駐馬店兩條典型線路（以下簡稱晉南線、海駐線）（見表1）為例展開分析。

表1 干擾線路基本參數(shù)

2 高壓直流輸電干擾機(jī)理

高壓直流輸電一般采用雙極系統(tǒng)傳輸，傳輸原理是：通過送端換流站將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，傳輸?shù)绞芏藫Q流站，受端換流站再將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的工作過程（見圖2）。正常運(yùn)行時，兩條輸電線電流值相等，方向相反，不會有不平衡電流傳入大地，或者僅會產(chǎn)生較小的入地電流，對地電場觀測不會造成干擾（艾紅杰等，2018）。當(dāng)出現(xiàn)輸電線路故障時，由于兩條線路電流不能出現(xiàn)等值，換流站接地電極就會利用大地充當(dāng)其回路，此時就會產(chǎn)生較大的入地電流，入地電流對遠(yuǎn)端地電場測量電極附加一個電位，當(dāng)兩側(cè)測量電極產(chǎn)生附加電位差時，地電場數(shù)據(jù)就會發(fā)生畸變。輸電線路故障目前是高壓直流輸電對地電場觀測最為常見的干擾方式。

圖2 高壓直流輸電運(yùn)行示意圖

3 高壓直流輸電對安徽地電場影響特征分析

3.1 以晉南線為例

晉南線是至今為止對安徽地電場觀測影響頻次最高的高壓直流輸電線路，僅2020年一年，影響頻次就有十次以上。其受端換流站位于江蘇省淮安市盱眙縣，距蒙城臺直線距離100 km，距嘉山臺直線距離只有10 km，在探究安徽地電場觀測在高壓直流輸電下的干擾特征時，晉南線毋庸置疑是最具有代表性的線路之一。選取2020年3月9日、2020年6月9日蒙城、嘉山地電場數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖（見圖3和圖4），從圖3可以看出：蒙城臺和嘉山臺在2020年3月9日14時—17時受到晉南線影響，地電場幅度陡變，持續(xù)時間長達(dá)3小時。從圖4可以看出：蒙城臺和嘉山臺在2020年6月9日13時—24時受到晉南線影響，地電場出現(xiàn)多組不規(guī)則變化，持續(xù)時間長達(dá)11小時。本文對兩臺站在晉南線干擾期間，地電場觀測數(shù)據(jù)的變化方向及變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2、表3。

圖4 2020年6月9日蒙城臺、嘉山臺地電場分鐘值曲線

表3 地電場觀測受晉南線干擾變化幅度統(tǒng)計

圖3 2020年3月9日蒙城臺、嘉山臺地電場分鐘值曲線

表2 地電場觀測受晉南線干擾變化方向統(tǒng)計

從畸變形態(tài)上分析：從圖3發(fā)現(xiàn)3月9日呈現(xiàn)的是矩形方波狀的臺階變化，通過對比其他線路干擾以及外省臺站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，矩形方波屬于高壓直流輸電干擾時最常見的畸變形態(tài)。依據(jù)電流連續(xù)定理，可參照公式（1）計算距點(diǎn)電流源距離r處的電場強(qiáng)度，其中Im為入地電流，γ為介質(zhì)電導(dǎo)率（方煒等，2010）。在干擾期間，觀測數(shù)據(jù)雖然疊加了外部電場，但是由于入地電流Im恒定，距點(diǎn)電流源距離r為常數(shù)，介質(zhì)電導(dǎo)率γ為常數(shù)，由公式（1）計算出的附加電場E也恒定，故附加電場E變化趨勢上依然穩(wěn)定，所以單從變化形態(tài)上和無干擾時段并不存在差異。而干擾的開始和結(jié)束對應(yīng)著入地電流出現(xiàn)和消失（羅詞建等，2019），所以在某個開始或結(jié)束的時刻，數(shù)據(jù)會發(fā)生階變，由此呈現(xiàn)出矩形方波狀臺階。

從圖4發(fā)現(xiàn)6月9日數(shù)據(jù)在受到干擾時，不同時段分別出現(xiàn)了鋸齒形方波，以及類似于地震波形態(tài)的短時段突跳，有別于入地電流恒定的情況。當(dāng)入地電流出現(xiàn)變化時，干擾期間的各個時段的附加電場也各不相同，所以在整個干擾持續(xù)過程中，中間會出現(xiàn)小的臺階或者突跳變化，所呈現(xiàn)出的就是鋸齒形方波形態(tài)。而類似于地震波的變化形態(tài)，其干擾時間只有幾分鐘甚至幾十秒鐘，由于時間過短，往往在曲線變化趨勢中呈現(xiàn)不了明顯的階變，而是一種形似地震波的尖峰突跳。

從變化方向上分析：以3月9日為例（見圖3和表2），蒙城臺NS測向、N45°W測向變化方向一致向下，EW測向向上；嘉山臺NS測向、N45°E測向變化方向一致向上，EW測向向下。由干擾機(jī)理可知，造成數(shù)據(jù)畸變的原因是由于疊加了外部電位差。當(dāng)疊加電位差為正時，變化幅度方向向上；當(dāng)疊加電位差為負(fù)時，變化幅度方向向下；當(dāng)疊加電位差為0時，數(shù)據(jù)不會發(fā)生變化。由此可得，變化方向取決于附加電位差的正負(fù)。通過查詢相關(guān)文獻(xiàn)，有學(xué)者認(rèn)為各測向變化方向的一致性上與臺站的布極方式、換流站接地極和地電場各測向的相對位置有關(guān)（鮑海英等，2020），即當(dāng)各測向與換流站接地極相對位置一致時，變化方向一致，反之相反。從6月9日地電場分鐘值曲線（見圖4）發(fā)現(xiàn)，雖然整個干擾時段出現(xiàn)了多組不規(guī)則變化，但是可以看出各測向在每組變化方向的一致性上與3月9日（見圖3）相同。由此佐證了上述結(jié)論。

從干擾變化幅度上分析：從表3可以看出，嘉山臺各測向變化幅度值均大于蒙城臺，根據(jù)表1參數(shù)，嘉山臺較蒙城臺距離盱眙換流站近。印證了公式（1）中，外部電場與距離r的平方成反比的關(guān)系。并發(fā)現(xiàn)同一測向不同極距變化幅度幾乎一致，這是由于高壓直流輸電干擾多為遠(yuǎn)場干擾，當(dāng)干擾源距離觀測場地足夠遠(yuǎn)時，同一測向不同極距到干擾源的距離差可以忽略不計，因此可得r長≈r短，推出E長≈E短。

3.2 以海駐線為例

海駐線于2020年6月開始投入運(yùn)行，雖然運(yùn)行時間較短且相對其他線路距離較遠(yuǎn)，但是由于試運(yùn)行期間會對輸電線路進(jìn)行調(diào)試，因此2020年下半年對安徽地區(qū)地電場臺站的干擾次數(shù)較為頻繁。以2020年7月24日為例，對當(dāng)日地電場數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖（見圖5），并對干擾期間變化方向及變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計（見表4、表5）。

表4 地電場觀測受海駐線干擾變化方向統(tǒng)計

表5 地電場觀測受海駐線干擾變化幅度統(tǒng)計

從畸變化形態(tài)上分析：由于駐馬店換流站距離兩臺站都相對較遠(yuǎn)，受干擾時變化幅度較小。從圖5可以看出，畸變形態(tài)上雖然均呈現(xiàn)出矩形方波狀的臺階，但是兩臺站畸變形態(tài)相對于晉南線干擾而言都不是特別明顯，且并沒有對單日數(shù)據(jù)曲線造成壓制，能夠直觀的看到地電場的日變形態(tài)。

從變化方向上分析：從圖5及表4發(fā)現(xiàn)，蒙城臺N45°W測向變化方向朝上，NS和EW測向一致朝下；嘉山臺NS和N45°E測向變化方向一致朝上，EW測向朝下。通過對比表2和表4發(fā)現(xiàn)蒙城臺部分測向的變化方向及一致性上較晉南線發(fā)生了改變，而嘉山臺未發(fā)生改變，可知干擾時的變化幅度方向取決于電位差的正負(fù)，而各測向變化方向的一致性上與換流站接地極和地電場各測向的相對位置有關(guān)，因此可推出蒙城臺部分測向與換流站接地極的相對位置較晉南線發(fā)生改變，而嘉山臺未改變。

圖5 2020年7月24日蒙城臺、嘉山臺地電場分鐘值曲線

從干擾變化幅度上分析：通過表5對比兩臺站在受海駐線干擾時的變化幅度，發(fā)現(xiàn)距離駐馬店換流站較遠(yuǎn)的嘉山臺變化幅度與距其較近的蒙城臺變化幅度相當(dāng)，且嘉山臺有部分測向的變化幅度甚至大于蒙城臺的變化幅度。通過公式（1）知，電場強(qiáng)度與距點(diǎn)電流源距離γ的平方成反比，與介質(zhì)電導(dǎo)率也成反比，兩臺站到換流站的距離相差約200 km，造成此類變化幅度可能與傳播介質(zhì)的電導(dǎo)率不同有關(guān)（蘇小蕓等，2020）。

4 結(jié)論

本文以晉南線和海駐線為例，以干擾機(jī)理為基準(zhǔn)，從畸化形態(tài)、變化幅度和變化方向三個角度對安徽地電場觀測受高壓直流輸電干擾時的特征變化進(jìn)行分析。得到以下結(jié)論：①畸變形態(tài)上主要有矩形方波、鋸齒形方波和單峰突跳三種，造成形態(tài)不同的原因與入地電流和干擾時長有關(guān)，當(dāng)入地電流恒定時，雖疊加了外部電場，但是干擾期間變化趨勢依然穩(wěn)定，呈現(xiàn)矩形方波狀變化，反之呈現(xiàn)鋸齒形方波狀。當(dāng)干擾時間較短時，呈現(xiàn)類似于地震波樣的單峰突跳變化，且變化幅度越大，所呈現(xiàn)的畸變形態(tài)越明顯。②變化方向取決于附加電位差的正負(fù)，當(dāng)附加電位差為正時，干擾變化幅度方向朝上；當(dāng)附加電位差為負(fù)時，干擾變化幅度方向朝下。地電場各測向變化方向的一致性上與各測向和換流站接地極的相對位置及觀測場地的布極方式有關(guān)。③變化幅度主要和地電場臺站距換流站接地極的距離以及傳播介質(zhì)電導(dǎo)率有關(guān)，與二者成反比關(guān)系。由于高壓直流輸電干擾多為遠(yuǎn)場干擾，所以同一測向不同極距變化幅度較為接近。