高压直流输电干扰对安徽地电场观测影响分析

尹天杰，孙亮亮，张明明

（1.安徽省地震局蚌埠地震监测中心站，安徽 蚌埠233000；2.安徽省蒙城地球物理国家野外科学观测研究站，安徽 蒙城233500）

随着我国经济的飞速发展和人民群众生活条件的日益提高，公共及居民用电量急剧增加。高压直流输电工程具有输送里程远、输送容量大等特点，目前在全国范围内已经广设分布。截至2020年底，投入使用的高压直流输电线路已经多达30余条。当出现输电故障时，会产生较大的不平衡电流，严重影响了一定范围内地电场台站的正常观测（唐波等，2013）。安徽地区地电场观测均受到多条高压直流输电线路影响，由于目前尚无避免此类干扰的可行性措施，因此准确识别高压直流输电干扰影响下的地电场变化以及研究其变化机理，有助于分析预报人员正确地进行数据处理，提取震前异常，更好服务于地震预测预报事业。本文在前人研究的基础之上，对安徽地区蒙城、嘉山两个地电场台站在受到晋北—南京、海南—驻马店两条高压直流输电线路干扰时的变化特征进行梳理分析，着重分析了地电场在不同干扰背景下呈现的各类变化形态；干扰变化幅度、变化方向与相关物理量之间的关系。

1 基本概况

目前，安徽省有蒙城和嘉山两个地电场台站，这两个台站的地电场观测项目均采用三方向和两极距的三角形布极方式（见图1）。蒙城台共有NS、EW和N45°W三个方向，NS和EW的长极距为226 m，短极距为113 m，N45°W长极距为320 m，短极距为160 m。嘉山台共有NS、EW和N45°E三个方向，NS向和EW向长、短极距分别为240 m、160 m。N45°E向长、短极距分别为339 m、226 m。其中两台站NS、EW方向长短极距电极均为斜边长短极距共用，中心电极为NS、EW两测道长短极距共用。线路均采用架空方式。配备主机均为ZD9A-2B型电场仪，经过多年来的观测运行，数据稳定。

图1 蒙城、嘉山地电场布极分布图

据统计2020年度，安徽地电场台站先后主要受到晋北—南京线、锡林郭勒—泰州线、海南—驻马店线、昌吉—宣城线、三门峡—常州线等数条线路影响，本文以晋北—南京、海南—驻马店两条典型线路（以下简称晋南线、海驻线）（见表1）为例展开分析。

表1 干扰线路基本参数

2 高压直流输电干扰机理

高压直流输电一般采用双极系统传输，传输原理是：通过送端换流站将交流电转换成直流电，传输到受端换流站，受端换流站再将直流电转换为交流电的工作过程（见图2）。正常运行时，两条输电线电流值相等，方向相反，不会有不平衡电流传入大地，或者仅会产生较小的入地电流，对地电场观测不会造成干扰（艾红杰等，2018）。当出现输电线路故障时，由于两条线路电流不能出现等值，换流站接地电极就会利用大地充当其回路，此时就会产生较大的入地电流，入地电流对远端地电场测量电极附加一个电位，当两侧测量电极产生附加电位差时，地电场数据就会发生畸变。输电线路故障目前是高压直流输电对地电场观测最为常见的干扰方式。

图2 高压直流输电运行示意图

3 高压直流输电对安徽地电场影响特征分析

3.1 以晋南线为例

晋南线是至今为止对安徽地电场观测影响频次最高的高压直流输电线路，仅2020年一年，影响频次就有十次以上。其受端换流站位于江苏省淮安市盱眙县，距蒙城台直线距离100 km，距嘉山台直线距离只有10 km，在探究安徽地电场观测在高压直流输电下的干扰特征时，晋南线毋庸置疑是最具有代表性的线路之一。选取2020年3月9日、2020年6月9日蒙城、嘉山地电场数据进行绘图（见图3和图4），从图3可以看出：蒙城台和嘉山台在2020年3月9日14时—17时受到晋南线影响，地电场幅度陡变，持续时间长达3小时。从图4可以看出：蒙城台和嘉山台在2020年6月9日13时—24时受到晋南线影响，地电场出现多组不规则变化，持续时间长达11小时。本文对两台站在晋南线干扰期间，地电场观测数据的变化方向及变化幅度进行统计，结果见表2、表3。

图4 2020年6月9日蒙城台、嘉山台地电场分钟值曲线

表3 地电场观测受晋南线干扰变化幅度统计

图3 2020年3月9日蒙城台、嘉山台地电场分钟值曲线

表2 地电场观测受晋南线干扰变化方向统计

从畸变形态上分析：从图3发现3月9日呈现的是矩形方波状的台阶变化，通过对比其他线路干扰以及外省台站数据发现，矩形方波属于高压直流输电干扰时最常见的畸变形态。依据电流连续定理，可参照公式（1）计算距点电流源距离r处的电场强度，其中Im为入地电流，γ为介质电导率（方炜等，2010）。在干扰期间，观测数据虽然叠加了外部电场，但是由于入地电流Im恒定，距点电流源距离r为常数，介质电导率γ为常数，由公式（1）计算出的附加电场E也恒定，故附加电场E变化趋势上依然稳定，所以单从变化形态上和无干扰时段并不存在差异。而干扰的开始和结束对应着入地电流出现和消失（罗词建等，2019），所以在某个开始或结束的时刻，数据会发生阶变，由此呈现出矩形方波状台阶。

从图4发现6月9日数据在受到干扰时，不同时段分别出现了锯齿形方波，以及类似于地震波形态的短时段突跳，有别于入地电流恒定的情况。当入地电流出现变化时，干扰期间的各个时段的附加电场也各不相同，所以在整个干扰持续过程中，中间会出现小的台阶或者突跳变化，所呈现出的就是锯齿形方波形态。而类似于地震波的变化形态，其干扰时间只有几分钟甚至几十秒钟，由于时间过短，往往在曲线变化趋势中呈现不了明显的阶变，而是一种形似地震波的尖峰突跳。

从变化方向上分析：以3月9日为例（见图3和表2），蒙城台NS测向、N45°W测向变化方向一致向下，EW测向向上；嘉山台NS测向、N45°E测向变化方向一致向上，EW测向向下。由干扰机理可知，造成数据畸变的原因是由于叠加了外部电位差。当叠加电位差为正时，变化幅度方向向上；当叠加电位差为负时，变化幅度方向向下；当叠加电位差为0时，数据不会发生变化。由此可得，变化方向取决于附加电位差的正负。通过查询相关文献，有学者认为各测向变化方向的一致性上与台站的布极方式、换流站接地极和地电场各测向的相对位置有关（鲍海英等，2020），即当各测向与换流站接地极相对位置一致时，变化方向一致，反之相反。从6月9日地电场分钟值曲线（见图4）发现，虽然整个干扰时段出现了多组不规则变化，但是可以看出各测向在每组变化方向的一致性上与3月9日（见图3）相同。由此佐证了上述结论。

从干扰变化幅度上分析：从表3可以看出，嘉山台各测向变化幅度值均大于蒙城台，根据表1参数，嘉山台较蒙城台距离盱眙换流站近。印证了公式（1）中，外部电场与距离r的平方成反比的关系。并发现同一测向不同极距变化幅度几乎一致，这是由于高压直流输电干扰多为远场干扰，当干扰源距离观测场地足够远时，同一测向不同极距到干扰源的距离差可以忽略不计，因此可得r长≈r短，推出E长≈E短。

3.2 以海驻线为例

海驻线于2020年6月开始投入运行，虽然运行时间较短且相对其他线路距离较远，但是由于试运行期间会对输电线路进行调试，因此2020年下半年对安徽地区地电场台站的干扰次数较为频繁。以2020年7月24日为例，对当日地电场数据进行绘图（见图5），并对干扰期间变化方向及变化幅度进行统计（见表4、表5）。

表4 地电场观测受海驻线干扰变化方向统计

表5 地电场观测受海驻线干扰变化幅度统计

从畸变化形态上分析：由于驻马店换流站距离两台站都相对较远，受干扰时变化幅度较小。从图5可以看出，畸变形态上虽然均呈现出矩形方波状的台阶，但是两台站畸变形态相对于晋南线干扰而言都不是特别明显，且并没有对单日数据曲线造成压制，能够直观的看到地电场的日变形态。

从变化方向上分析：从图5及表4发现，蒙城台N45°W测向变化方向朝上，NS和EW测向一致朝下；嘉山台NS和N45°E测向变化方向一致朝上，EW测向朝下。通过对比表2和表4发现蒙城台部分测向的变化方向及一致性上较晋南线发生了改变，而嘉山台未发生改变，可知干扰时的变化幅度方向取决于电位差的正负，而各测向变化方向的一致性上与换流站接地极和地电场各测向的相对位置有关，因此可推出蒙城台部分测向与换流站接地极的相对位置较晋南线发生改变，而嘉山台未改变。

图5 2020年7月24日蒙城台、嘉山台地电场分钟值曲线

从干扰变化幅度上分析：通过表5对比两台站在受海驻线干扰时的变化幅度，发现距离驻马店换流站较远的嘉山台变化幅度与距其较近的蒙城台变化幅度相当，且嘉山台有部分测向的变化幅度甚至大于蒙城台的变化幅度。通过公式（1）知，电场强度与距点电流源距离γ的平方成反比，与介质电导率也成反比，两台站到换流站的距离相差约200 km，造成此类变化幅度可能与传播介质的电导率不同有关（苏小芸等，2020）。

4 结论

本文以晋南线和海驻线为例，以干扰机理为基准，从畸化形态、变化幅度和变化方向三个角度对安徽地电场观测受高压直流输电干扰时的特征变化进行分析。得到以下结论：①畸变形态上主要有矩形方波、锯齿形方波和单峰突跳三种，造成形态不同的原因与入地电流和干扰时长有关，当入地电流恒定时，虽叠加了外部电场，但是干扰期间变化趋势依然稳定，呈现矩形方波状变化，反之呈现锯齿形方波状。当干扰时间较短时，呈现类似于地震波样的单峰突跳变化，且变化幅度越大，所呈现的畸变形态越明显。②变化方向取决于附加电位差的正负，当附加电位差为正时，干扰变化幅度方向朝上；当附加电位差为负时，干扰变化幅度方向朝下。地电场各测向变化方向的一致性上与各测向和换流站接地极的相对位置及观测场地的布极方式有关。③变化幅度主要和地电场台站距换流站接地极的距离以及传播介质电导率有关，与二者成反比关系。由于高压直流输电干扰多为远场干扰，所以同一测向不同极距变化幅度较为接近。