高壓直流輸電對地磁場觀測的影響

方 煒 晏 銳 邵輝成 張國強

1)長安大學地質工程與測繪工程學院，西安 710054

2)陜西省地震局，西安 710068

3)中國地震臺網中心，北京 100036

高壓直流輸電對地磁場觀測的影響

方 煒1，2)晏 銳3)邵輝成2)張國強2)

1)長安大學地質工程與測繪工程學院，西安 710054

2)陜西省地震局，西安 710068

3)中國地震臺網中心，北京 100036

2009年12月，甘肅天水、陜西乾陵等地磁臺Z分量觀測差值出現臺階式異常變化，同期陜西關中地區寶雞、乾陵、周至等臺站地電場觀測也出現同步異常變化。經調查落實，確認此變化是由寶雞—德陽±500kV直流輸電工程試運行引起的。高壓直流輸電是近年來新出現的地磁觀測中的一類干擾異常。根據對寶雞—德陽高壓直流輸電線路鄰近區域各地磁臺站實際觀測資料的分析，并結合安培定理和畢奧-薩伐爾定律計算了理想狀態下高壓直流輸電對地磁觀測的影響。結果表明，理論值與實際觀測值基本相符，從而從機理上解釋了高壓直流輸電對地磁觀測影響的原因。由于計算時沒有考慮不同地磁觀測系統的差異和地下電性結構等因素的影響，因此計算方法有待進一步完善。

高壓直流輸電 地磁觀測 同步異常 機理分析

0 引言

地震地磁觀測作為地震前兆觀測的一種重要手段，為地震的孕育和前兆機理研究提供了十分寶貴的資料(丁鑒海等，1994，2004;陳化然等，2009;胡久常等，2009;田山等，2009)。然而近年來，隨著高壓直流輸電網的快速建設，中國地磁觀測臺網觀測數據受高壓直流輸電工程的影響越來越大。如何判定、識別和排除高壓直流輸電對地磁觀測資料的干擾，提高地磁觀測數據質量，是擺在我們面前的一項重要課題，國內外學者對此也進行了不少探索(沈紅會等，2005;劉連光等，2009;周術等，2009)。

2009年12月，寶雞—德陽±500kV高壓直流輸電工程(簡稱寶—德直流輸電工程)投入試運行，受其影響，陜西關中地區寶雞、乾陵、周至等臺站地電場觀測出現一組明顯的臺階式同步上升(或下降)變化，由于異常期間寶—德工程多次以單回路方式試運行，這種同步異常變化在中國地電場觀測資料中十分罕見，具體變化過程和機理已另文發表(方煒等，2010)。那么，同樣作為地震前兆主要的觀測手段——地磁觀測，在上述異常期間是否有類似的同步異常變化?如果有，變化的規律和機理又是什么?針對這個問題，我們應用陜西、甘肅等省數字化地磁觀測資料，結合異常調查落實結果，就高壓直流輸電對地磁場觀測的影響機理進行分析。

1 地磁觀測系統和寶—德工程簡介

在本項工作中，我們選用的9個地磁觀測臺站是:乾陵臺、天水臺、臨夏臺、蘭州臺、格爾木臺、嘉峪關臺、成都臺、恩施臺和銀川臺，各臺使用的均為國產GM4磁通門磁力儀。該型號儀器主要用于測量地磁場水平、垂直和磁偏角3個方向的相對變化，與其他類型測磁儀器相比，磁通門傳感器具有分辨率高(最高可達10-11T)、測量弱磁場范圍寬(10-8T以下)、數字化、可靠、經濟、耐用等優點(王曉美等，2008)。由于我們選用同一類型的地磁觀測儀器，結果相對穩定，可比性強。此外，在9個地磁觀測臺中，除用來作為差分分析的格爾木臺、嘉峪關臺和銀川臺外，其他6個臺站均分布在寶—德工程兩側，分布相對集中，從日變形態對比分析來看，無需進行通化處理。

寶—德工程是國家跨區電網建設重點工程，起點為陜西寶雞換流站，終點為四川德陽換流站(圖1)，全長約534km。該工程于2008年5月開工建設，2009年12月份初步建成并投入試運行。在試運行期間，該工程多次以單回路方式進行高壓直流輸電，在單回路時穩定工作電流為2000A左右，飽和電流為3000A，最大過載飽和電流為3150A。

圖1 寶雞—德陽±500kV高壓直流輸電工程線路走向及地磁臺站分布Fig.1 The distributions of Baoji-Deyang ±500kV DC power line and geomagnetic observatories.

2 高壓直流輸電對地磁場影響變化特征

當高壓直流輸電采用單回路方式運行時，對地電場觀測影響嚴重(方煒等，2010)，同樣，在地震地磁觀測中，我們也發現了類似的同步異常變化。由于差值分析能很好地反映地磁觀測資料的相對變化，我們首先將研究區域內各臺地磁觀測的3個分量作相互差值，為方便與地電場資料對比，將地磁觀測的世界時統一為北京時。從差值結果來看，地磁場變化較大的主要有甘肅天水、陜西乾陵等臺，且主要反映在Z分量差值上。

圖2 區域地磁Z分量差值同步異常對比曲線(2009年12月6日)Fig.2 Synchronous abnormal contrast curves of Z-component difference of geomagnetic field(December 6，2009).

以2009年12月6日為例，選取天水臺作為參考臺站，將各臺與其分別作Z分量差值，結果發現:在寶—德高壓直流輸電線路單回路運行導致地電場觀測顯著改變的時段，各區域地磁觀測臺站與天水臺Z分量的差值也出現類似的同步臺階式異常變化(圖2)。在高壓直流輸電入地電流加載和卸載的2個時段，即10時06分至12時和18時30分至19時06分，各臺與天水臺地磁場Z分量的差值亦呈反向變化，變化幅度在3～11nT之間，出現臺階的時間點與直流輸電電流加卸載的時間點對應，說明天水臺受高壓直流輸電影響較大。對比分析相同時間段乾陵、寶雞等臺地電場變化曲線(方煒等，2010)可以看出，在地磁觀測出現顯著異常的時段，地電場觀測也出現同步異常變化，地磁的差值曲線與地電場的變化形態基本一致，說明它們可能屬于同源干擾。同樣，以乾陵臺為參考臺站，將各臺與其分別作Z分量差值，在相同的時間段，也會看到類似的臺階式變化(圖2)，但變化幅度明顯偏小，說明乾陵臺雖受高壓直流輸電的影響，但影響程度要小于天水臺。在其他遠離寶—德高壓直流輸電線路的臺站，如格爾木臺，則難以發現類似的臺階式變化，說明其受寶—德高壓直流輸電的影響不大。另外，還有一個現象是:天水臺和乾陵臺分別位于寶—德高壓直流輸電線路的兩側(圖1)，高壓直流輸電對它們的影響呈一增一減狀態(圖2)。以上是針對2009年12月6日的分析，對12月其他輸電加卸載時段的(方煒等，2010)分析也得到相似的結論。

3 高壓直流輸電對地磁場影響的機理分析

在上述地磁場異常變化期間，關中地區地電場觀測也出現了同步異常變化，通過多方面的走訪和落實，我們確定此現象屬2009年12月份國家電網寶雞—德陽±500kV直流輸電工程投入試運行后造成的。該工程試運行期間以單回路方式工作(圖3)，電流以通過接地極注入大地的方式形成回路，從而完成送電過程。下面分析這種工作方式對地磁觀測影響的可能機理。

圖3 寶雞—德陽±500kV直流輸電工程試運行示意圖Fig.3 Diagram showing trial operation of the Baoji-Deyang ±500kV DC transmission project.

假設高壓直流輸電單極運行時，通過接地極線入地的額定工作電流為Im，將安培定律應用于各載流導線，并將計算結果疊加，可求出導線周圍的磁場強度。采用鏡像法計算時，其基本原理是將大地的影響等效成為地下一等值反向電流所產生的影響，其鏡像深度d近似可取(張啟春等，2000):

式(1)中ρ為大地電阻率(Ω·m)，f為頻率(Hz)。

通常大地視電阻率為100～200Ω·m，直流輸電時，根據式(1)，鏡像深度d遠大于導線距地面的距離，所以可以忽略。根據畢奧-薩伐爾定律:載流導線上的電流元Idl在真空中某點P的磁感度的大小與電流元Idl的大小和從電流元到P點的位移矢量之間的夾角θ的正弦成正比，與大小的平方成反比，即

式(2)中μ0為真空中磁導率，數值為4π×10-7H/m。

現在對寶—德高壓直流輸電線路進行簡單的模型處理。假設將工作時單回路運行視為一長為L的直線導體，其上通有電流I，電流方向從Z1至Z2(圖4)，圖中Z1和Z2分別為寶雞和德陽換流站，P為地磁觀測站點，h為觀測點到高壓直流線路的垂直距離，θ1和θ2分別為直流導線兩端的電流元與其到P點的位移矢量之間的夾角，那么，由畢奧-薩伐爾定律可知，由于高壓直流輸電影響，引起地磁觀測臺站磁感應強度的改變量為

圖4 寶—德高壓直流輸電與地磁觀測臺站之間的關系示意圖Fig.4 Relation between Baoji-Deyang ±500kV DC transmission line and geomagnetic stations.

磁場改變量的方向以右手螺旋法則確定。在大地水平面上，產生的磁場改變量主要垂直于水平面，也就是說其影響的主要是各地磁觀測的Z分量。假設寶—德高壓直流輸電線路單回路運行加載的是飽和電流3000A，則根據公式(3)，結合各地磁觀測臺站與寶—德高壓直流輸電線路的位置關系，可以求出各地磁臺站應該觀測到的理論改變量 (表1)。從表1可見，各臺的理論值與實際觀測值較為吻合，特別是當地磁觀測臺站距離高壓直流輸電線路較近時，線路更接近為無限長直流導體，用上述模型的計算結果更符合實際，如天水臺;而地磁觀測臺站距離直流線路較遠時，隨著距離的增加，受高壓直流影響的地磁改變量將逐漸減小，加上地磁日變的經緯度效應，這種影響在實際觀測資料中將逐漸難以分辨，如格爾木臺。另外，由于地磁Z分量的數值對觀測點的地下電性結構的依賴性很大，不同臺站地下電性結構差異很大，這也會造成計算的結果與實際觀測結果有所出入。

4 結語

通過多方面的調查落實，我們確認2009年12月份陜西等省區域地磁觀測Z分量差值臺階式異常變化屬寶雞—德陽±500kV高壓直流輸電工程單回路運行造成的。高壓直流輸電對地磁場觀測干擾的特點是:主要對垂直分量Z造成干擾，單回路運行時影響嚴重。若不平衡電流、接地極和觀測臺站的位置已知，可以計算各臺的干擾幅值。根據2009年12月份實際觀測資料，我們計算了在飽和入地電流(3000A)的情況下，寶—德高壓直流輸電工程對鄰近地區地磁觀測的可能影響，計算結果表明，理論值與實際觀測值基本相符。需要說明的是，當地磁觀測臺站距離高壓直流輸電線路較遠時，直流線路不再符合無限長線性電流元這一要求，上述模型需進一步改進。另外，當各地磁臺站相距較遠時，由于地磁觀測點地下電性結構往往差異較大，加之地磁經緯度效應，地磁場日變形態也存在著差異，考慮到高壓直流輸電電流加卸載過程歷時較短，在進行差值計算時沒有對此作通化和地方時改正等處理，這對分析結果也有一定的影響。

隨著中國高壓直流輸電骨架網的形成，地磁場觀測受直流輸電影響的問題將越來越嚴重。為盡可能的降低這種影響，在建設地磁觀測臺站(或高壓直流輸電線路)時應合理地相互避讓。另外，如果在分析地磁觀測資料時，同時分析受影響區域內高壓直流輸電單回路運行的時間段和不平衡電流等數據，進而對地磁觀測結果進行校正，也不失為一個較好的方法。

致謝 在成文過程中得到南方電網技術研究中心李銳海老師的幫助，特此致謝。

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THE IMPACT OF HVDC ON GEOMAGNETIC FIELD OBSERVATION

FANGWei1，2)YAN Rui3)SHAO Hui-cheng2)ZHANG Guo-qiang2)
1)College of Geology Engineering and Geomatics，Chang'an University，Xi'an 710054，China
2)Earthquake Administration of Shaanxi Province，Xi'an 710068，China
3)China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China

In December 2009，synchronous abnormal variations in geoelectric field observation and Z-component difference of geomagnetic field in central China were observed.After a careful investigation，it was confirmed that this phenomenon was caused by the trial operation of Baoji-Deyang±500kV DC transmission project.HVDC is an importantmeans to solve power transmission of long distance，but it can cause new interference in seismic geoelectric and geomagnetic field observations.In this paper，we analyzed the geomagnetic observation data from the stations nearby this HVDC project and calculated the impact of HVDC on geomagnetic observation under ideal conditions based on Amp theorem and Biot-Savart law.According to the calculations，the theoretical values are basically identical with the observed values，so the results are explanatory to themechanism of the impactof HVDC on geomagnetic field observation.However，we did not take into account in the calculation the influencing factors，such as the difference between different geomagnetic observation systems and underground electrical structure，etc.so，the calculation method remains to be improved.

HVDC，geomagnetic observation，synchronous anomaly，mechanism analysis

P315.72+1

A

0253-4967(2012)01-0138-07

10.3969/j.issn.0253-4967.2012.01.013

2011-03-27收稿，2011-07-28改回。

中國地震局地震科技星火計劃項目(XH12043Y)和震情跟蹤項目(2012020409)共同資助。

方煒，男，1977年生，2002年畢業于中國地震局蘭州地震研究所固體地球物理專業，獲碩士學位，高級工程師，主要從事地震電磁學及相關研究，電話:029-88465330，E-mail:callfw@qq.com。