山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電接地極干擾的特征分析與處理

[摘要] """2014年9月山西省地震局與中國地震局地球物理研究所在山西北部恒山斷裂帶區(qū)域共同建設(shè)了地磁臺陣，布設(shè)了5臺GM4型磁通門磁力儀，安裝于代縣、山陰、應(yīng)縣、繁峙和懷仁，以獲取區(qū)域場地磁三分量觀測資料，臺陣的5個測點位于高壓直流輸電晉南線接地極附近。通過對比山西地磁臺陣5個測點GM4型磁通門磁力儀與其他臺站地磁秒數(shù)據(jù)，量算出高壓直流輸電線路（晉北—南京）對山西地磁臺陣地磁數(shù)據(jù)干擾幅度，對其進(jìn)行相關(guān)性和誤差分析，求得擬合公式。結(jié)果表明，山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾，Z分量變化幅度隨臺站位置至?xí)x南線垂直距離增加而減小， H、D分量干擾幅度與Z分量干擾幅度線性相關(guān)，以Z分量變化量為因變量，使用參考擬合公式求取的H、D分量變化量，可應(yīng)用于山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾的日常處理工作。

[關(guān)鍵詞] 高壓直流輸電; 線性分析; 干擾幅度" " " " " " " " " " [DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-163

中圖分類號：P315.63"""""""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A""""""""""文章編號： 2096-7780（2024）09-0584-06

0 "引言

在高壓直流輸電線路的中段，線路兩邊產(chǎn)生的磁場大小與輸電線路中的不平衡電流的大小成正比，與臺站距輸電線路的垂直距離成反比，方向相反，三者基本滿足畢奧—薩伐爾定律[1-2]，但是高壓直流輸電接地極附近的地磁臺站，不僅受高壓直流輸電線路的干擾，還受到接地極走線、接地極位置和周圍敏感建筑物的感應(yīng)場疊加干擾[3-4]，特別是水平分量H、磁偏角D的干擾形態(tài)相對復(fù)雜、幅度小，判別難度大。截止2023年8月全國在運行高壓直流輸電線36 條，接地極附近少有觀測點。2017年3月晉南線調(diào)試運行，該線路的起始點是朔州（換流站位于平魯區(qū)向陽堡鄉(xiāng)南漢井村，接地極位于忻州市神池縣八角鎮(zhèn)郭家村東約1.5 km），山西地磁臺陣位于恒山斷裂兩側(cè)，有代縣、繁峙、應(yīng)縣、山陰和懷仁5個測點（圖1），安裝有GM4磁通門磁力儀（GM4型磁通門磁力儀，是一種連續(xù)測量和記錄地磁場D、H、Z時間變化的數(shù)字化相對記錄儀，采樣率為1次/s，分辨力為0.1 nT，噪聲為lt;0.1 nT[5]），位于起始點附近，臺陣5個測點觀測數(shù)據(jù)為研究接地極附近高壓直流輸電干擾特征提供了基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)。

1 "山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾幅度資料選取與測算方法

2013年，地磁臺網(wǎng)高壓直流輸電判別處理系統(tǒng)的使用對高壓直流輸電干擾垂直分量Z提供了參考標(biāo)準(zhǔn)[6]。本文首先通過國家地磁臺網(wǎng)中心網(wǎng)站獲取晉南線高壓直流輸電對山西地磁臺陣臺站地磁垂直分量Z干擾的大小和方向，再使用對比法差值檢測（受干擾臺站與不受干擾臺站對比），測算出水平分量H、磁偏角D的干擾幅度和方向（GM4型磁通門磁力儀產(chǎn)出D分量、H分量、Z分量數(shù)據(jù)單位均為nT）。選取自2017年以來晉南線（晉北—南京）高壓直流輸電對山西地磁臺陣代縣、繁峙、應(yīng)縣、山陰和懷仁5個地磁臺各157個干擾事件，合計785個干擾事件進(jìn)行分析（表1）。

2 "山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾特征分析

（1）干擾幅度：山西地磁臺陣至?xí)x南線高壓直流輸電垂直距離P懷仁（68 km）gt;P繁峙（50 km）gt;P應(yīng)縣（40 km）gt;P山陰（15 km）gt;P代縣（lt;1 km），干擾幅度ΔZ（代縣）gt;ΔZ（山陰）gt;ΔZ（應(yīng)縣）gt;ΔZ（繁峙）gt;ΔZ（懷仁），山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾Z分量變化幅度隨臺站位置至?xí)x南線垂直距離增加而減小[7-8]。

（2）干擾方向：代縣、繁峙、應(yīng)縣、懷仁地磁臺受晉南線高壓直流輸電干擾，H分量、D分量干擾方向一致，但與Z分量干擾方向相反；山陰地磁臺受晉南線高壓直流輸電干擾，H分量干擾方向與Z分量干擾方向相反，D分量干擾方向部分干擾時段與Z分量干擾方向相同，部分干擾時段與Z分量干擾方向相反。

（3）干擾時段：從統(tǒng)計的樣本結(jié)果發(fā)現(xiàn)，除懷仁地磁臺Z分量受晉南線干擾幅度在?0.6～0.3 nT的時段，H、D分量不受干擾外，其他Z分量受晉南線干擾時段，代縣、山陰、繁峙、應(yīng)縣和懷仁地磁臺H、D分量均受到不同程度的干擾。

3 "山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾幅度線性擬合

我們定義高壓直流輸電干擾H、D、Z分量的變化量為ΔH、ΔD、ΔZ，通過繪制ΔH、ΔD與ΔZ散點圖，發(fā)現(xiàn)因變量與自變量的變化趨勢是線性的，因此，可以使用一元線性回歸分析ΔH、ΔD與ΔZ的關(guān)系[9-11]。以ΔH、ΔD為縱坐標(biāo)，ΔZ為橫坐標(biāo)，建立一元回歸方程，則是相應(yīng)于的回歸直線的理論值，而則是相應(yīng)于的實測值。本文使用最小二乘法求取a（斜率）、b（截距）、（剩余均方差） 、r（相關(guān)系數(shù)）4個參數(shù)。當(dāng)rgt;0.8時稱為高度相關(guān)，當(dāng)rlt;0.3時稱為低度相關(guān)，其他時段為中度相關(guān)[12]。本文使用k值評價擬合誤差，k越大誤差越大，k越小誤差越小[13]。山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾幅度散點圖與擬合曲線見圖2。山西地磁臺陣受高壓直流輸電干擾幅度參考擬合公式與擬合誤差見表2[14-15]。相關(guān)計算公式如下：

4 "結(jié)論與討論

通過對山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）干擾幅度：山西地磁臺陣臺站至?xí)x南線高壓直流輸電垂直距離P懷仁（68 km）gt;P繁峙（50 km）gt;P應(yīng)縣（40 km）gt;P山陰（15 km）gt;P代縣（lt;1 km），干擾幅度ΔZ（代縣）gt;ΔZ（山陰）gt;ΔZ（應(yīng)縣）gt;ΔZ（繁峙）gt;ΔZ（懷仁），山西地磁臺陣受晉南線高壓直流輸電干擾Z分量變化幅度隨臺站位置至?xí)x南線垂直距離增加而減小。H分量變化幅度和D分量變化幅度較為復(fù)雜，認(rèn)為與晉南線的走向和臺站至?xí)x南線垂直距離相關(guān)。

（2）相關(guān)性：ΔZ參考范圍內(nèi)，代縣、繁峙、應(yīng)縣和懷仁的ΔH、ΔD與ΔZ均高度負(fù)相關(guān)；ΔZ參考范圍內(nèi)，山陰ΔH與ΔZ高度負(fù)相關(guān)，ΔD與ΔZ中度正相關(guān)。

（3）擬合誤差：山西地磁臺陣D分量擬合誤差大于H分量擬合誤差，即k（D）gt; k（H）。

（4）擬合公式：山陰地磁臺ΔD擬合誤差較大，擬合公式不建議使用，山陰地磁臺D分量受晉南線高壓直流干擾，變化幅度復(fù)雜，初步認(rèn)為與山陰地磁臺距換流站和接地極較近有關(guān)，需在今后工作中進(jìn)一步核實。其他參考擬合公式可用于山西地磁臺陣受晉南線高壓直流干擾日常處理。由于樣本數(shù)量有限，公式存在偏差，在使用擬合公式時，應(yīng)嚴(yán)格按照ΔZ參考范圍進(jìn)行擬合計算。

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[Abstract] """"In September 2014， Shanxi Earthquake Agency and the Institute of Geophysics， China Earthquake Administration jointly completed the construction of the geomagnetic station array in the Hengshan fault zone in the north of Shanxi. The geomagnetic station array is composed of 5 GM4 type fluxgate magnetometers， which are respectively installed in Daixian， Shanyin， Yingxian， Fanchi and Huairen to obtain the three-component magnetic field data in the observation area. The 5 measurement points of the geomagnetic station array are located near the grounding electrode of the Jinnan line of high-voltage direct current transmission. By comparing the GM4 type fluxgate magnetometer at the 5 measurement points of the geomagnetic station array with the geomagnetic second data of other stations， the interference amplitude of the high-voltage direct current transmission line （Jinbei-Nanjing） on the geomagnetic data of the Shanxi geomagnetic station array was measured， correlation and error analysis also were carried out， and the fitting formula was obtained. The results show that the variation amplitude of the Z"component disturbed by the Jinnan line high-voltage direct current transmission in the Shanxi geomagnetic station array decreases as the vertical distance from the station location to the Jinnan line increases， and the interference amplitudes of the H"and D"components are linearly correlated with the interference amplitude of the Z"component. Taking the variation of the Z"component as the dependent variable， using the reference fitting formula to obtain the variation of the H"and D"components can be applied to the daily processing work of the magnetic field interference of the Shanxi geomagnetic station array under the influence of the Jinnan line high-voltage direct current transmission.

[Keywords] HVDC transmission linear; relationship influence; interference amplitude

*通訊作者："劉素珍（1980-），女，高級工程師，主要從事地震電磁學(xué)和地震監(jiān)測預(yù)報研究。E-mail：liusuzhen@sxmu.edu.cn

作者簡介："范磊（1986-），男，工程師，主要從事地球物理場觀測與研究工作。E-mail：471557087@qq.com

基金項目："山西省地震局科研項目（SBK-2330-02）資助。