高壓直流輸電干擾對(duì)安徽地電場(chǎng)觀測(cè)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(cè)中心站，安徽 蚌埠233000；2.安徽省蒙城地球物理國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，安徽 蒙城233500）

隨著我國(guó)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(guó)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(shí)，會(huì)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(chǎng)臺(tái)站的正常觀測(cè)（唐波等，2013）。安徽地區(qū)地電場(chǎng)觀測(cè)均受到多條高壓直流輸電線路影響，由于目前尚無(wú)避免此類(lèi)干擾的可行性措施，因此準(zhǔn)確識(shí)別高壓直流輸電干擾影響下的地電場(chǎng)變化以及研究其變化機(jī)理，有助于分析預(yù)報(bào)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(cè)預(yù)報(bào)事業(yè)。本文在前人研究的基礎(chǔ)之上，對(duì)安徽地區(qū)蒙城、嘉山兩個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)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(shí)的變化特征進(jìn)行梳理分析，著重分析了地電場(chǎng)在不同干擾背景下呈現(xiàn)的各類(lèi)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(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站，這兩個(gè)臺(tái)站的地電場(chǎng)觀測(cè)項(xiàng)目均采用三方向和兩極距的三角形布極方式（見(jiàn)圖1）。蒙城臺(tái)共有NS、EW和N45°W三個(gè)方向，NS和EW的長(zhǎng)極距為226 m，短極距為113 m，N45°W長(zhǎng)極距為320 m，短極距為160 m。嘉山臺(tái)共有NS、EW和N45°E三個(gè)方向，NS向和EW向長(zhǎng)、短極距分別為240 m、160 m。N45°E向長(zhǎng)、短極距分別為339 m、226 m。其中兩臺(tái)站NS、EW方向長(zhǎng)短極距電極均為斜邊長(zhǎng)短極距共用，中心電極為NS、EW兩測(cè)道長(zhǎng)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(chǎng)儀，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的觀測(cè)運(yùn)行，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。

圖1 蒙城、嘉山地電場(chǎng)布極分布圖

據(jù)統(tǒng)計(jì)2020年度，安徽地電場(chǎng)臺(tái)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(mén)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(jiǎn)稱(chēng)晉南線、海駐線）（見(jiàn)表1）為例展開(kāi)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(guò)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(guò)程（見(jiàn)圖2）。正常運(yùn)行時(shí)，兩條輸電線電流值相等，方向相反，不會(huì)有不平衡電流傳入大地，或者僅會(huì)產(chǎn)生較小的入地電流，對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)不會(huì)造成干擾（艾紅杰等，2018）。當(dāng)出現(xiàn)輸電線路故障時(shí)，由于兩條線路電流不能出現(xiàn)等值，換流站接地電極就會(huì)利用大地充當(dāng)其回路，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)生較大的入地電流，入地電流對(duì)遠(yuǎn)端地電場(chǎng)測(cè)量電極附加一個(gè)電位，當(dāng)兩側(cè)測(cè)量電極產(chǎn)生附加電位差時(shí)，地電場(chǎng)數(shù)據(jù)就會(huì)發(fā)生畸變。輸電線路故障目前是高壓直流輸電對(duì)地電場(chǎng)觀測(cè)最為常見(jiàn)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(duì)安徽地電場(chǎng)影響特征分析

3.1 以晉南線為例

晉南線是至今為止對(duì)安徽地電場(chǎng)觀測(cè)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(tái)直線距離100 km，距嘉山臺(tái)直線距離只有10 km，在探究安徽地電場(chǎng)觀測(cè)在高壓直流輸電下的干擾特征時(shí)，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(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖（見(jiàn)圖3和圖4），從圖3可以看出：蒙城臺(tái)和嘉山臺(tái)在2020年3月9日14時(shí)—17時(shí)受到晉南線影響，地電場(chǎng)幅度陡變，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)3小時(shí)。從圖4可以看出：蒙城臺(tái)和嘉山臺(tái)在2020年6月9日13時(shí)—24時(shí)受到晉南線影響，地電場(chǎng)出現(xiàn)多組不規(guī)則變化，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)11小時(shí)。本文對(duì)兩臺(tái)站在晉南線干擾期間，地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的變化方向及變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

圖4 2020年6月9日蒙城臺(tái)、嘉山臺(tái)地電場(chǎng)分鐘值曲線

表3 地電場(chǎng)觀測(cè)受晉南線干擾變化幅度統(tǒng)計(jì)

圖3 2020年3月9日蒙城臺(tái)、嘉山臺(tái)地電場(chǎng)分鐘值曲線

表2 地電場(chǎng)觀測(cè)受晉南線干擾變化方向統(tǒng)計(jì)

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(tái)階變化，通過(guò)對(duì)比其他線路干擾以及外省臺(tái)站數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，矩形方波屬于高壓直流輸電干擾時(shí)最常見(jiàn)的畸變形態(tài)。依據(jù)電流連續(xù)定理，可參照公式（1）計(jì)算距點(diǎn)電流源距離r處的電場(chǎng)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(cè)數(shù)據(jù)雖然疊加了外部電場(chǎng)，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(jì)算出的附加電場(chǎng)E也恒定，故附加電場(chǎng)E變化趨勢(shì)上依然穩(wěn)定，所以單從變化形態(tài)上和無(wú)干擾時(shí)段并不存在差異。而干擾的開(kāi)始和結(jié)束對(duì)應(yīng)著入地電流出現(xiàn)和消失（羅詞建等，2019），所以在某個(gè)開(kāi)始或結(jié)束的時(shí)刻，數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生階變，由此呈現(xiàn)出矩形方波狀臺(tái)階。

從圖4發(fā)現(xiàn)6月9日數(shù)據(jù)在受到干擾時(shí)，不同時(shí)段分別出現(xiàn)了鋸齒形方波，以及類(lèi)似于地震波形態(tài)的短時(shí)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(shí)，干擾期間的各個(gè)時(shí)段的附加電場(chǎng)也各不相同，所以在整個(gè)干擾持續(xù)過(guò)程中，中間會(huì)出現(xiàn)小的臺(tái)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(lèi)似于地震波的變化形態(tài)，其干擾時(shí)間只有幾分鐘甚至幾十秒鐘，由于時(shí)間過(guò)短，往往在曲線變化趨勢(shì)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(jiàn)圖3和表2），蒙城臺(tái)NS測(cè)向、N45°W測(cè)向變化方向一致向下，EW測(cè)向向上；嘉山臺(tái)NS測(cè)向、N45°E測(cè)向變化方向一致向上，EW測(cè)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(shí)，變化幅度方向向上；當(dāng)疊加電位差為負(fù)時(shí)，變化幅度方向向下；當(dāng)疊加電位差為0時(shí)，數(shù)據(jù)不會(huì)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(guò)查詢(xún)相關(guān)文獻(xiàn)，有學(xué)者認(rèn)為各測(cè)向變化方向的一致性上與臺(tái)站的布極方式、換流站接地極和地電場(chǎng)各測(cè)向的相對(duì)位置有關(guān)（鮑海英等，2020），即當(dāng)各測(cè)向與換流站接地極相對(duì)位置一致時(shí)，變化方向一致，反之相反。從6月9日地電場(chǎng)分鐘值曲線（見(jiàn)圖4）發(fā)現(xiàn)，雖然整個(gè)干擾時(shí)段出現(xiàn)了多組不規(guī)則變化，但是可以看出各測(cè)向在每組變化方向的一致性上與3月9日（見(jiàn)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(tái)各測(cè)向變化幅度值均大于蒙城臺(tái)，根據(jù)表1參數(shù)，嘉山臺(tái)較蒙城臺(tái)距離盱眙換流站近。印證了公式（1）中，外部電場(chǎng)與距離r的平方成反比的關(guān)系。并發(fā)現(xiàn)同一測(cè)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(chǎng)干擾，當(dāng)干擾源距離觀測(cè)場(chǎng)地足夠遠(yuǎn)時(shí)，同一測(cè)向不同極距到干擾源的距離差可以忽略不計(jì)，因此可得r長(zhǎng)≈r短，推出E長(zhǎng)≈E短。

3.2 以海駐線為例

海駐線于2020年6月開(kāi)始投入運(yùn)行，雖然運(yùn)行時(shí)間較短且相對(duì)其他線路距離較遠(yuǎn)，但是由于試運(yùn)行期間會(huì)對(duì)輸電線路進(jìn)行調(diào)試，因此2020年下半年對(duì)安徽地區(qū)地電場(chǎng)臺(tái)站的干擾次數(shù)較為頻繁。以2020年7月24日為例，對(duì)當(dāng)日地電場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖（見(jiàn)圖5），并對(duì)干擾期間變化方向及變化幅度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（見(jiàn)表4、表5）。

表4 地電場(chǎng)觀測(cè)受海駐線干擾變化方向統(tǒng)計(jì)

表5 地電場(chǎng)觀測(cè)受海駐線干擾變化幅度統(tǒng)計(jì)

從畸變化形態(tài)上分析：由于駐馬店換流站距離兩臺(tái)站都相對(duì)較遠(yuǎn)，受干擾時(shí)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(tái)階，但是兩臺(tái)站畸變形態(tài)相對(duì)于晉南線干擾而言都不是特別明顯，且并沒(méi)有對(duì)單日數(shù)據(jù)曲線造成壓制，能夠直觀的看到地電場(chǎng)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(tái)N45°W測(cè)向變化方向朝上，NS和EW測(cè)向一致朝下；嘉山臺(tái)NS和N45°E測(cè)向變化方向一致朝上，EW測(cè)向朝下。通過(guò)對(duì)比表2和表4發(fā)現(xiàn)蒙城臺(tái)部分測(cè)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(tái)未發(fā)生改變，可知干擾時(shí)的變化幅度方向取決于電位差的正負(fù)，而各測(cè)向變化方向的一致性上與換流站接地極和地電場(chǎng)各測(cè)向的相對(duì)位置有關(guān)，因此可推出蒙城臺(tái)部分測(cè)向與換流站接地極的相對(duì)位置較晉南線發(fā)生改變，而嘉山臺(tái)未改變。

圖5 2020年7月24日蒙城臺(tái)、嘉山臺(tái)地電場(chǎng)分鐘值曲線

從干擾變化幅度上分析：通過(guò)表5對(duì)比兩臺(tái)站在受海駐線干擾時(shí)的變化幅度，發(fā)現(xiàn)距離駐馬店換流站較遠(yuǎn)的嘉山臺(tái)變化幅度與距其較近的蒙城臺(tái)變化幅度相當(dāng)，且嘉山臺(tái)有部分測(cè)向的變化幅度甚至大于蒙城臺(tái)的變化幅度。通過(guò)公式（1）知，電場(chǎng)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(tái)站到換流站的距離相差約200 km，造成此類(lèi)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(gè)角度對(duì)安徽地電場(chǎng)觀測(cè)受高壓直流輸電干擾時(shí)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(shí)長(zhǎng)有關(guān)，當(dāng)入地電流恒定時(shí)，雖疊加了外部電場(chǎng)，但是干擾期間變化趨勢(shì)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(shí)間較短時(shí)，呈現(xiàn)類(lèi)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(shí)，干擾變化幅度方向朝上；當(dāng)附加電位差為負(fù)時(shí)，干擾變化幅度方向朝下。地電場(chǎng)各測(cè)向變化方向的一致性上與各測(cè)向和換流站接地極的相對(duì)位置及觀測(cè)場(chǎng)地的布極方式有關(guān)。③變化幅度主要和地電場(chǎng)臺(tái)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(chǎng)干擾，所以同一測(cè)向不同極距變化幅度較為接近。