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(qiáng)

1)長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，西安 710054

2)陜西省地震局，西安 710068

3)中國地震臺網(wǎng)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(qiáng)2)

1)長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪工程學(xué)院，西安 710054

2)陜西省地震局，西安 710068

3)中國地震臺網(wǎng)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(xiàn)臺階式異常變化，同期陜西關(guān)中地區(qū)寶雞、乾陵、周至等臺站地電場觀測也出現(xiàn)同步異常變化。經(jīng)調(diào)查落實(shí)，確認(rèn)此變化是由寶雞—德陽±500kV直流輸電工程試運(yùn)行引起的。高壓直流輸電是近年來新出現(xiàn)的地磁觀測中的一類干擾異常。根據(jù)對寶雞—德陽高壓直流輸電線路鄰近區(qū)域各地磁臺站實(shí)際觀測資料的分析，并結(jié)合安培定理和畢奧-薩伐爾定律計(jì)算了理想狀態(tài)下高壓直流輸電對地磁觀測的影響。結(jié)果表明，理論值與實(shí)際觀測值基本相符，從而從機(jī)理上解釋了高壓直流輸電對地磁觀測影響的原因。由于計(jì)算時(shí)沒有考慮不同地磁觀測系統(tǒng)的差異和地下電性結(jié)構(gòu)等因素的影響，因此計(jì)算方法有待進(jìn)一步完善。

高壓直流輸電 地磁觀測 同步異常 機(jī)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(jī)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(wǎng)的快速建設(shè)，中國地磁觀測臺網(wǎng)觀測數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)質(zhì)量，是擺在我們面前的一項(xiàng)重要課題，國內(nèi)外學(xué)者對此也進(jìn)行了不少探索(沈紅會等，2005;劉連光等，2009;周術(shù)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(yùn)行，受其影響，陜西關(guān)中地區(qū)寶雞、乾陵、周至等臺站地電場觀測出現(xiàn)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(yùn)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(jī)理已另文發(fā)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(guī)律和機(jī)理又是什么?針對這個(gè)問題，我們應(yīng)用陜西、甘肅等省數(shù)字化地磁觀測資料，結(jié)合異常調(diào)查落實(shí)結(jié)果，就高壓直流輸電對地磁場觀測的影響機(jī)理進(jìn)行分析。

1 地磁觀測系統(tǒng)和寶—德工程簡介

在本項(xiàng)工作中，我們選用的9個(gè)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(guān)臺、成都臺、恩施臺和銀川臺，各臺使用的均為國產(chǎn)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(gè)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(dá)10-11T)、測量弱磁場范圍寬(10-8T以下)、數(shù)字化、可靠、經(jīng)濟(jì)、耐用等優(yōu)點(diǎn)(王曉美等，2008)。由于我們選用同一類型的地磁觀測儀器，結(jié)果相對穩(wěn)定，可比性強(qiáng)。此外，在9個(gè)地磁觀測臺中，除用來作為差分分析的格爾木臺、嘉峪關(guān)臺和銀川臺外，其他6個(gè)臺站均分布在寶—德工程兩側(cè)，分布相對集中，從日變形態(tài)對比分析來看，無需進(jìn)行通化處理。

寶—德工程是國家跨區(qū)電網(wǎng)建設(shè)重點(diǎn)工程，起點(diǎn)為陜西寶雞換流站，終點(diǎn)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(shè)，2009年12月份初步建成并投入試運(yùn)行。在試運(yùn)行期間，該工程多次以單回路方式進(jìn)行高壓直流輸電，在單回路時(shí)穩(wěn)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(dāng)高壓直流輸電采用單回路方式運(yùn)行時(shí)，對地電場觀測影響嚴(yán)重(方煒等，2010)，同樣，在地震地磁觀測中，我們也發(fā)現(xiàn)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(qū)域內(nèi)各臺地磁觀測的3個(gè)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(shí)統(tǒng)一為北京時(shí)。從差值結(jié)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(qū)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(jié)果發(fā)現(xiàn):在寶—德高壓直流輸電線路單回路運(yùn)行導(dǎo)致地電場觀測顯著改變的時(shí)段，各區(qū)域地磁觀測臺站與天水臺Z分量的差值也出現(xiàn)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(gè)時(shí)段，即10時(shí)06分至12時(shí)和18時(shí)30分至19時(shí)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(xiàn)臺階的時(shí)間點(diǎn)與直流輸電電流加卸載的時(shí)間點(diǎn)對應(yīng)，說明天水臺受高壓直流輸電影響較大。對比分析相同時(shí)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(xiàn)顯著異常的時(shí)段，地電場觀測也出現(xiàn)同步異常變化，地磁的差值曲線與地電場的變化形態(tài)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(shí)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(yuǎn)離寶—德高壓直流輸電線路的臺站，如格爾木臺，則難以發(fā)現(xiàn)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(gè)現(xiàn)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(cè)(圖1)，高壓直流輸電對它們的影響呈一增一減狀態(tài)(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(shí)段的(方煒等，2010)分析也得到相似的結(jié)論。

3 高壓直流輸電對地磁場影響的機(jī)理分析

在上述地磁場異常變化期間，關(guān)中地區(qū)地電場觀測也出現(xiàn)了同步異常變化，通過多方面的走訪和落實(shí)，我們確定此現(xiàn)象屬2009年12月份國家電網(wǎng)寶雞—德陽±500kV直流輸電工程投入試運(yùn)行后造成的。該工程試運(yùn)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(jī)理。

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

假設(shè)高壓直流輸電單極運(yùn)行時(shí)，通過接地極線入地的額定工作電流為Im，將安培定律應(yīng)用于各載流導(dǎo)線，并將計(jì)算結(jié)果疊加，可求出導(dǎo)線周圍的磁場強(qiáng)度。采用鏡像法計(jì)算時(shí)，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(chǎn)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(shí)，根據(jù)式(1)，鏡像深度d遠(yuǎn)大于導(dǎo)線距地面的距離，所以可以忽略。根據(jù)畢奧-薩伐爾定律:載流導(dǎo)線上的電流元Idl在真空中某點(diǎn)P的磁感度的大小與電流元Idl的大小和從電流元到P點(diǎn)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(dǎo)率，數(shù)值為4π×10-7H/m。

現(xiàn)在對寶—德高壓直流輸電線路進(jìn)行簡單的模型處理。假設(shè)將工作時(shí)單回路運(yùn)行視為一長為L的直線導(dǎo)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(diǎn)，h為觀測點(diǎn)到高壓直流線路的垂直距離，θ1和θ2分別為直流導(dǎo)線兩端的電流元與其到P點(diǎn)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(yīng)強(qiáng)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(guān)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(chǎn)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(shè)寶—德高壓直流輸電線路單回路運(yùn)行加載的是飽和電流3000A，則根據(jù)公式(3)，結(jié)合各地磁觀測臺站與寶—德高壓直流輸電線路的位置關(guān)系，可以求出各地磁臺站應(yīng)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(shí)際觀測值較為吻合，特別是當(dāng)?shù)卮庞^測臺站距離高壓直流輸電線路較近時(shí)，線路更接近為無限長直流導(dǎo)體，用上述模型的計(jì)算結(jié)果更符合實(shí)際，如天水臺;而地磁觀測臺站距離直流線路較遠(yuǎn)時(shí)，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(jīng)緯度效應(yīng)，這種影響在實(shí)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(shù)值對觀測點(diǎn)的地下電性結(jié)構(gòu)的依賴性很大，不同臺站地下電性結(jié)構(gòu)差異很大，這也會造成計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際觀測結(jié)果有所出入。

4 結(jié)語

通過多方面的調(diào)查落實(shí)，我們確認(rèn)2009年12月份陜西等省區(qū)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(yùn)行造成的。高壓直流輸電對地磁場觀測干擾的特點(diǎn)是:主要對垂直分量Z造成干擾，單回路運(yùn)行時(shí)影響嚴(yán)重。若不平衡電流、接地極和觀測臺站的位置已知，可以計(jì)算各臺的干擾幅值。根據(jù)2009年12月份實(shí)際觀測資料，我們計(jì)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(qū)地磁觀測的可能影響，計(jì)算結(jié)果表明，理論值與實(shí)際觀測值基本相符。需要說明的是，當(dāng)?shù)卮庞^測臺站距離高壓直流輸電線路較遠(yuǎn)時(shí)，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(jìn)一步改進(jìn)。另外，當(dāng)各地磁臺站相距較遠(yuǎn)時(shí)，由于地磁觀測點(diǎn)地下電性結(jié)構(gòu)往往差異較大，加之地磁經(jīng)緯度效應(yīng)，地磁場日變形態(tài)也存在著差異，考慮到高壓直流輸電電流加卸載過程歷時(shí)較短，在進(jìn)行差值計(jì)算時(shí)沒有對此作通化和地方時(shí)改正等處理，這對分析結(jié)果也有一定的影響。

隨著中國高壓直流輸電骨架網(wǎng)的形成，地磁場觀測受直流輸電影響的問題將越來越嚴(yán)重。為盡可能的降低這種影響，在建設(shè)地磁觀測臺站(或高壓直流輸電線路)時(shí)應(yīng)合理地相互避讓。另外，如果在分析地磁觀測資料時(shí)，同時(shí)分析受影響區(qū)域內(nèi)高壓直流輸電單回路運(yùn)行的時(shí)間段和不平衡電流等數(shù)據(jù)，進(jìn)而對地磁觀測結(jié)果進(jìn)行校正，也不失為一個(gè)較好的方法。

致謝 在成文過程中得到南方電網(wǎng)技術(shù)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(jì)劃項(xiàng)目(XH12043Y)和震情跟蹤項(xiàng)目(2012020409)共同資助。

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