HVDC入地電流對(duì)地電場(chǎng)的影響規(guī)律及入地極定位

章 鑫 范 曄 葉 青 錢銀蘋

1)廣東省地震局，廣州 510070

2)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心，北京 100036

0 引言

在固定地電場(chǎng)和地磁場(chǎng)觀測(cè)中，常疊加人工源強(qiáng)電流的干擾，使得臺(tái)站數(shù)據(jù)出現(xiàn)不同程度的脈沖擾動(dòng)、臺(tái)階變化、基準(zhǔn)值升高等現(xiàn)象。其中，高壓直流輸電(HVDC)的入地電流在固定電磁場(chǎng)觀測(cè)中造成的擾動(dòng)比較典型，換流站的入地電流在地電場(chǎng)中形成方波疊加(方煒等，2012；唐波等，2013；馬欽忠等，2014)，其單極運(yùn)行時(shí)導(dǎo)線中的強(qiáng)電流在地磁觀測(cè)中形成強(qiáng)感應(yīng)磁場(chǎng)，會(huì)在地磁觀測(cè)中產(chǎn)生類似的方波疊加(方煒等，2012；蔣延林等，2014)。此外，城市軌道交通的漏電也是類似的固定點(diǎn)電流源干擾(邱穎等，2009；張宇等，2016)，與空間平面源的區(qū)別較大(劉連光等，2016；葛小寧等，2017)。這類擾動(dòng)幾乎固定出現(xiàn)，在長期的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上易于識(shí)別，但其擾動(dòng)程度在不同的臺(tái)站具有較大的差異性。顯然，這種差異性取決于源電流到觀測(cè)點(diǎn)的傳播過程，尤其是對(duì)地電場(chǎng)的疊加，地球表面的斷裂帶、山脈、海洋效應(yīng)等都會(huì)影響臺(tái)站的響應(yīng)情況(魏敏敏等，2012；耿山等，2019)。那么，如果地震震源附近激發(fā)了地下自然電流，臺(tái)站對(duì)這種未知源的響應(yīng)必然也具有差異性，即地震電信號(hào)的傳播通道也具有選擇性(Sarlisetal.，1999；黃清華等，2010；馬欽忠等，2014)，傳播路徑差異導(dǎo)致有的更遠(yuǎn)的臺(tái)站能夠響應(yīng)某些信號(hào)，一些更近的臺(tái)站則不能。研究電流傳播路徑差異造成的臺(tái)站響應(yīng)差異，是識(shí)別和定位震源激發(fā)電流信號(hào)的關(guān)鍵之一，HVDC向地下注入大電流是很好的研究范例。

電力部門已對(duì)存在入地大電流情形下的地表電位分布開展了較為詳細(xì)的研究，包括一些特殊情形下的電位差異性分布。劉曲等(2007)研究了復(fù)合土壤模型下HVDC系統(tǒng)單極大地運(yùn)行時(shí)的電流分布，在考慮海洋影響的情形下，利用土壤水平分層和垂直分層后的格林函數(shù)，通過鏡像法推導(dǎo)出在復(fù)合分層土壤結(jié)構(gòu)中地表電位的解析公式。為模擬多層介質(zhì)并避免多重鏡像下的復(fù)雜計(jì)算，當(dāng)前業(yè)內(nèi)主流的方法為行波法，其主要思想是將接地極電流在土壤中傳播的過程類比為波在介質(zhì)中的傳播過程。任志超(2012)對(duì)基于各種模型的行波法、鏡像法進(jìn)行了詳細(xì)推導(dǎo)，發(fā)現(xiàn)在垂向分層上各層存在的電阻率差異導(dǎo)致電流密度在界面處重新分配，即等效為波在不均勻介質(zhì)間的傳播，故存在波的反射和折射。一些學(xué)者進(jìn)一步將行波法與鏡像法相結(jié)合，推導(dǎo)出在海岸模型、斷裂帶模型等特殊情形下的解析方程，并將其用于估計(jì)變壓器直流偏磁效應(yīng)、計(jì)算換流站入地極附近的跨步電壓(李泓志，2010；耿山等，2019；郭名文等，2019)。此類研究均只考慮入地極附近的幾十千米內(nèi)的情形，未考慮在入地極外幾百千米范圍的響應(yīng)，同時(shí)也未考慮在地下十幾千米左右的電流向地表傳播時(shí)的響應(yīng)差異，從而不能直接應(yīng)用于地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作中。

HVDC的入地電流是地電場(chǎng)觀測(cè)中最顯著的干擾源，在換流站附近幾百千米范圍內(nèi)的地電場(chǎng)觀測(cè)中均可引起較大階變(方煒等，2012；馬欽忠等，2014，2017)。在地電場(chǎng)日常觀測(cè)中，對(duì)HVDC干擾源的識(shí)別通常來源于地磁數(shù)據(jù)的判別，一般不是通過地電場(chǎng)的響應(yīng)直接識(shí)別干擾的來源方位。此外，向地下注入大電流時(shí)，可能造成較大區(qū)域內(nèi)地電場(chǎng)臺(tái)站的差異化響應(yīng)，因此其成為研究電流到達(dá)臺(tái)站通路過程的理想源。本文基于2個(gè)方面的目標(biāo)開展研究：1)基于地電場(chǎng)矢量觀測(cè)結(jié)果對(duì)高壓直流換流站進(jìn)行定位，依靠多個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的高壓直流響應(yīng)數(shù)據(jù)直接判別干擾來源；2)開展地電流到達(dá)臺(tái)站的選擇性通路研究，這種電性差異導(dǎo)致的差異性傳播模型可推廣應(yīng)用到對(duì)地震電信號(hào)的識(shí)別。

圖1 高壓直流線附近的臺(tái)站分布和構(gòu)造要素Fig.1 Distribution of stations and faults near HVDC lines.The red triangle represents the disturbed stations，and the blue ones represent other stations in the area.a ±800kV海駐線的臺(tái)站分布；b 寶德線入地極的位置和臺(tái)站分布；c 扎青線入地極的位置和臺(tái)站分布。紅色三角為被干擾臺(tái)站，藍(lán)色為區(qū)域內(nèi)其他臺(tái)站，黑色箭頭表示輸電端和受電端的方向

1 高壓直流干擾數(shù)據(jù)

1.1 高壓直流干擾的數(shù)據(jù)

HVDC干擾的原因是以雙線高壓直流方式輸電時(shí)，其中一條線路發(fā)生故障，另一條線路以大地作為回路的單極運(yùn)行模式(李泓志，2010)，此時(shí)會(huì)在送電端換流站的入地極形成很大的入地電流，在受電端的入地極形成極性相反的入地電流。本文約定排名在前的換流站為送電端，排名在后的換流站為受電端(圖1)，如扎青線的扎魯特極為送電端、青州極為受電端。

本文以海駐線(海南藏族自治州—駐馬店)、寶德線(寶雞—德陽)和扎青線(扎魯特—青州)為例(圖1)，選取研究區(qū)域內(nèi)沿線分布的58個(gè)地電場(chǎng)臺(tái)站的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，臺(tái)站信息見表1；另外還使用山東大山臺(tái)極低頻數(shù)據(jù)作為響應(yīng)差異的對(duì)比。海駐線兩側(cè)的地電場(chǎng)臺(tái)站分布相對(duì)均勻，入地極兩端也有較多的地電場(chǎng)臺(tái)站分布，涉及29個(gè)臺(tái)站；寶德線受影響的臺(tái)站較少(7個(gè))，影響范圍??；扎青線兩側(cè)的臺(tái)站基本都分布在換流站一側(cè)，極度不均勻，但影響的空間范圍大，涉及22個(gè)臺(tái)站。

表1 臺(tái)站信息及階變量計(jì)算結(jié)果Table 1 Station information and partial results of step changes

地電場(chǎng)的儀器響應(yīng)頻率為DC-0.01Hz，采樣頻次為1min，每天產(chǎn)出1440個(gè)數(shù)據(jù)。這些臺(tái)站均采用 “多方向、多極距”的地電場(chǎng)觀測(cè)方法(席繼樓，2019；章鑫等，2020)。本文約定EX、EY和NE分別表示長極距的NS向、EW向和NE向(斜道)分量，ex、ey和ne分別表示短極距的NS向、EW向和NE向(斜道)分量。大山臺(tái)為地電場(chǎng)和極低頻同臺(tái)觀測(cè)，極低頻儀器的觀測(cè)頻段為3.9～0.001Hz，采樣率為16Hz，2個(gè)正交通道(LEX、LEY)同時(shí)觀測(cè)，本文使用2020年4月23日的數(shù)據(jù)。

高壓直流對(duì)地電場(chǎng)的干擾本質(zhì)上是換流站不平衡入地電流的加載，單極運(yùn)行時(shí)不平衡電流的峰值為額定電流的1.5倍(李泓志，2010)，且持續(xù)時(shí)間達(dá)到幾十分鐘。這種干擾的幅度在換流站附近最大，電流影響周圍約500km范圍內(nèi)的地電場(chǎng)觀測(cè)。但這是一種差異化的影響，如在海駐線受干擾的臺(tái)站中，離兩側(cè)入地極最近的都蘭臺(tái)和嘉山臺(tái)尤為顯著，其他遠(yuǎn)端臺(tái)站的階變量較小。具體干擾的數(shù)值參見表1。

高壓直流入地電流對(duì)地電場(chǎng)有3種加載方式，并形成3類響應(yīng)，分別為臺(tái)階狀階變、脈沖狀響應(yīng)及脈沖+半臺(tái)階狀響應(yīng)。其形成的原因分別為：

(1)靠近入地極的地電場(chǎng)臺(tái)站受到單個(gè)入地極電流的影響，地電場(chǎng)2個(gè)電極附近的電位被抬高，與大地電流形成的原始日變化曲線相比，出現(xiàn)了上升或下降臺(tái)階(具體為上升還是下降取決于觀測(cè)方位與入地極的相對(duì)方位和入地極的極性)；當(dāng)入地極無大電流注入時(shí)，觀測(cè)電位將恢復(fù)到原始日變化形態(tài)，此時(shí)形成了下降或上升臺(tái)階，與注入電流時(shí)的臺(tái)階反向(圖2b)。

圖2 不同位置的臺(tái)站受到海駐線影響的結(jié)果Fig.2 Results of different stations that are affected by Hainanzhou-Zhumadian line.a 代表性響應(yīng)臺(tái)站及其位置示意圖；b—d 都蘭臺(tái)、鳳翔臺(tái)和大山臺(tái)受影響的觀測(cè)曲線；圖b為第1類響應(yīng)，只受到一側(cè)極的影響；圖c為第2類響應(yīng)，同時(shí)受到兩側(cè)極的影響且影響幾乎相當(dāng)；圖d為第3類響應(yīng)，受到兩側(cè)極的影響且以一側(cè)極為主。 干擾發(fā)生的時(shí)間為2020年7月11日和2020年4月23日

(2)處于2個(gè)入地極中間位置的臺(tái)站受到2個(gè)入地極電流的共同影響，一個(gè)入地極的電位使地電場(chǎng)的正常曲線上升，而另一個(gè)入地極的電流極性相反，會(huì)使其電位下降、地電場(chǎng)曲線小幅下降，形成脈沖型響應(yīng)。此外，2個(gè)入地電流引起的場(chǎng)是同時(shí)形成的，故在中間區(qū)域的臺(tái)站電位上應(yīng)表現(xiàn)為互相抵消。但該響應(yīng)是入地電流的一階微分、入地極的系統(tǒng)響應(yīng)和地電場(chǎng)觀測(cè)裝置傳遞函數(shù)三者的卷積，故地電場(chǎng)電極對(duì)電位的響應(yīng)存在延遲，先響應(yīng)一個(gè)入地極的電位(上升或下降)，再響應(yīng)另一個(gè)入地極(下降或上升)，由此形成了脈沖型響應(yīng)(圖2c)。

(3)處于2個(gè)入地極的中間地帶但離其中一個(gè)入地極偏近的臺(tái)站，將受到一個(gè)入地極的主要影響和另一個(gè)入地極的次要影響，因此近處的入地極使其出現(xiàn)臺(tái)階，遠(yuǎn)處的入地極使其部分臺(tái)階恢復(fù)、形成脈沖，其結(jié)果即為臺(tái)階+脈沖的形態(tài)。同時(shí)應(yīng)注意到，圖2b 中都蘭臺(tái)的臺(tái)階起始時(shí)間為1011分，而菏澤臺(tái)的臺(tái)階起始時(shí)間為1013分，即受電端的響應(yīng)延遲了2min，這就證實(shí)了脈沖型響應(yīng)或臺(tái)階+脈沖響應(yīng)由2個(gè)入地極分別作用所引起，且送電端(都蘭臺(tái))先出現(xiàn)響應(yīng)。

大山臺(tái)的脈沖+臺(tái)階響應(yīng)較為典型，我們獲取了同時(shí)段的極低頻觀測(cè)數(shù)據(jù)作為對(duì)比。圖3a、b為地電場(chǎng)觀測(cè)的數(shù)據(jù)，可見2020年5月23日大山臺(tái)受到2條高壓直流輸電線路的干擾，臺(tái)階之間相互疊加，扎青線的干擾先行結(jié)束；還需注意到，另外一條線路的干擾僅為臺(tái)階狀，說明大山臺(tái)只受到其中1個(gè)入地極的影響。圖3c 為極低頻數(shù)據(jù)的響應(yīng)情況，LEX在3～4h段有1個(gè)緩變臺(tái)階與圖3a 中同時(shí)段的臺(tái)階+脈沖對(duì)應(yīng)，但在該臺(tái)階的恢復(fù)階段(6～7h)LEX無明顯擾動(dòng)；在23h附近地電場(chǎng)EX分量有明顯的向上階變現(xiàn)象，在同時(shí)段LEX有明顯的向下波動(dòng)與之對(duì)應(yīng)。此外，LEY全時(shí)段無明顯響應(yīng)，同時(shí)圖3b 中地電場(chǎng)分量EY對(duì)高壓直流的響應(yīng)也較弱，說明這2條高壓直流干擾都主要影響地電場(chǎng)分量EX和極低頻分量LEX。圖3d 和 圖3f 為D1、D2時(shí)段的放大圖，圖3e 和圖3g 為E時(shí)段的放大圖，可以看出極低頻觀測(cè)具有與地電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的高壓直流干擾響應(yīng)，與換流站連線垂直的LEX分量更為強(qiáng)烈，與換流站位置連線平行的LEY分量更弱。

圖3 大山臺(tái)地電場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)與極低頻觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)高壓直流的響應(yīng)比較Fig.3 Comparison of the responses of geoelectric field data and extremely low frequency data to HVDC at Dashan station.a 地電場(chǎng)EX分量；b 地電場(chǎng)EY分量；c大山臺(tái)極低頻電場(chǎng)的觀測(cè)值；d、f D1、D2時(shí)段的放大圖；e、g E時(shí)段的放大圖。LEX表示極低頻電場(chǎng)的EX分量，LEY表示極低頻電場(chǎng)的EY分量；圖3d—g 表示截取典型響應(yīng)的臺(tái)階(或脈沖)時(shí)段。D1和D2 表示2個(gè)獨(dú)立的干擾階段，E表示擾動(dòng)時(shí)段同時(shí)存在于地電場(chǎng)觀測(cè)與極低頻觀測(cè)中

1.2 階變量的校正

為改善直接采用原始曲線計(jì)算分幅度值造成較大差別的不足，我們采用同臺(tái)站、同方向的正常日變化量對(duì)階變幅度進(jìn)行校正。首先，計(jì)算入地電流引起的階變量S：

S=max(E(i))-min(E(i))

(1)

其中，S表示階變的幅度，E(i)為原始時(shí)間序列；i為階變發(fā)生的時(shí)段，i的取值為擾動(dòng)階變的起始到終止。

其次，計(jì)算擾動(dòng)發(fā)生前、后2d中1d正常的日變量，選取曲線比較光滑的日變曲線計(jì)算日變化幅度。計(jì)算前先對(duì)日變曲線進(jìn)行濾波，采用40階FIR低通濾波器，通帶截止頻率為0.001Hz：

D=max(E(j))-min(E(j))

(2)

其中，D為日變幅度，E(j)為原始時(shí)間序列，j為正常日變化的時(shí)段，取值為1～1440min。最后取兩者的比值R：

R=S/D

(3)

計(jì)算出兩者比值后，即完成對(duì)原始階變幅度的日變放縮校正。該方法的關(guān)鍵在于2個(gè)方面：1)求出準(zhǔn)確的階變，一些臺(tái)站的階變量很小，從而容易受到其他因素的影響，而準(zhǔn)確量取入地電流影響的階變量是比較困難的；2)選取正常的日變曲線，由于地電場(chǎng)觀測(cè)對(duì)環(huán)境電磁干擾非常敏感，從4d的數(shù)據(jù)中選取相對(duì)光滑的1d的日變曲線也比較困難。

2 地電場(chǎng)對(duì)高壓直流的響應(yīng)特點(diǎn)

單個(gè)高壓直流入地極加載時(shí)，階變量由近到遠(yuǎn)逐漸減小。從臺(tái)站與駐馬店換流站的距離來看，圖4a 中EW向階變量SEX隨距離的增加逐漸遞減。但SEX的大小還取決于臺(tái)站所在換流站的方位，觀測(cè)方位接近于入地極徑向方位上的電位差必然大于其他方位，因此單一近NS向的觀測(cè)結(jié)果并不能真實(shí)地反映距離的影響。此外，SEX的響應(yīng)時(shí)間有延遲，一些臺(tái)站的延遲可達(dá)3min(圖4b，c)，這可能有2個(gè)方面的原因：1)該響應(yīng)是入地電流的一階微分、入地極系統(tǒng)的響應(yīng)和地電場(chǎng)觀測(cè)裝置的傳遞函數(shù)三者的卷積；2)地電場(chǎng)儀器本身存在鐘差的影響。

圖4 按照距離排列的駐馬店入地極附近臺(tái)站EX分量的階變情況(a)及階變延遲信息(b、c)Fig.4 The EX order variables that are arranged by distance of stations near the Zhumadian ground electrode(a)and step delay information(b，c).

由于階變量與臺(tái)站到入地極的距離有關(guān)，我們計(jì)算了受影響臺(tái)站的階變幅度或脈沖幅度，同時(shí)還考慮不受高壓直流影響下的日變化幅度。圖5 和圖6 中的階變量比是2個(gè)正交方位幅度比合成后的幅度RC，計(jì)算方式為

(4)

式中，REX和REY分別為2個(gè)分量的階變幅度。此外，合成階變量SC的計(jì)算方式為

(5)

其中REX和REY分別為2個(gè)分量的階變幅度。圖6 為海南藏族自治州入地極的合成階變量，并按照與換流站的距離進(jìn)行排列。從圖5a 中可以看出，階變的影響范圍約達(dá)580km，原始階變幅度SC隨距離的變化并不明顯，日變化幅度D也沒有明顯的規(guī)律。但在求取與日變化幅度的比值RC后(圖5b)，結(jié)果顯示RC與臺(tái)站所處的位置明顯相關(guān)，即RC具有隨距離(與換流站的距離)遞減的變化規(guī)律，且基本符合一元二次函數(shù)的衰減趨勢(shì)(圖5b 中的黑色曲線)。此外，一些臺(tái)站的觀測(cè)場(chǎng)地受到的干擾比較復(fù)雜，根據(jù)濾波后求出的S和D都存在一些誤差，導(dǎo)致RC的衰減關(guān)系與擬合曲線有一定的偏差。

圖5 駐馬店入地極附近臺(tái)站的階變量、日變化幅度(a)及兩者比值(b)Fig.5 The step changes，daily variation range，and their ratio of stations near the Zhumadian grounding electrode.

圖6 為海南藏族自治州入地極的階變幅度情況，距離入地極較近的臺(tái)站較少。天祝臺(tái)陣與入地極的距離基本相當(dāng)，且與入地極的方位相差不大，但其SC卻差異較大，且D和S都相差較大(表1，圖6a 中的300km處)。與圖5b 相比，圖6b 中的遞減趨勢(shì)更為明顯，但響應(yīng)范圍較小，影響距離最遠(yuǎn)約為500km。處于單個(gè)入地極影響范圍外的合陽、鳳翔等臺(tái)站受到了2個(gè)入地極的共同影響，其響應(yīng)為脈沖狀或臺(tái)階+脈沖狀，且SC不滿足遞減規(guī)律。

圖6 海南藏族自治州入地極附近臺(tái)站的階變量、日變化幅度(a)及兩者比值(b)Fig.6 The step changes，daily variation range，and their ratio of stations near the Hainanzhou grounding electrode.

3 利用方向和幅度開展入地極定位的結(jié)果

3.1 定位原理

在均勻各向同性的電性條件下，電位分布是由入地點(diǎn)向外圍均勻擴(kuò)散的。那么在觀測(cè)點(diǎn)處的電位差取決于大圓路徑的徑向分量在2個(gè)正交方位的投影。因此，在觀測(cè)正確的情況下SEX和SEY有明顯差異，可以通過2個(gè)正交方位的電位差合成矢量SCP(表示具有指向性的階變量合成值)，該矢量即指向入地極的位置，如圖7a、b中南京臺(tái)。根據(jù)將2個(gè)正交方位階變量合成的矢量SCP具有指向電流源位置的性質(zhì)，可基于單個(gè)臺(tái)站的數(shù)據(jù)對(duì)電流源進(jìn)行定向。在1個(gè)入地極附近有多個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生階變時(shí)，通過多臺(tái)SCP的反向交會(huì)，能夠初步定位入地極的位置(圖7c)。

圖7 高壓直流的電位方向性響應(yīng)及電位方向差異定位原理Fig.7 Potential directional response of HVDC and the principle of locating by potential direction difference of HVDC.a 南京臺(tái)短極距對(duì)三常線(三峽—常州，年5月9日的階變；b 南京臺(tái)短極距階變的方向性響應(yīng)；c 基于2個(gè)虛擬臺(tái)站的電位方向差異的定位原理示意圖

3.2 階變比值矢量方向定位

海駐線兩端位于青海海南藏族自治州共和縣(龍羊峽附近)和河南省駐馬店市上蔡縣。我們采用了階變與日變幅度比值的方法對(duì)海駐線2個(gè)入地極的位置進(jìn)行定位，即先計(jì)算有入地電流時(shí)的階變量，再取其與正常日變化量的比值。圖8 是采用矢量歸一化(對(duì)矢量模的大小進(jìn)行歸一化，把所有矢量的長度都?xì)w算為歸一化定位的結(jié)果，階變比值合成的矢量對(duì)于入地極的指向性更明顯。在入地電流的注入階段，海南藏族自治州入地極的階變比矢量都遠(yuǎn)離入地極的位置；在恢復(fù)階段，海南藏族自治州入地極階變比矢量指向入地極的位置。而在駐馬店入地極附近，階變比矢量的方向與海南藏族自治州入地極相反，即注入階段指向入地極，恢復(fù)階段遠(yuǎn)離入地極。此外，處于2個(gè)入地極中段位置的幾個(gè)臺(tái)站(虛線橢圓內(nèi))的SCP無明顯指向性，但傾向于垂直2個(gè)入地極的連線。

圖8 海駐線階變比的矢量歸一化定位結(jié)果Fig.8 The locating result of Hainanzhou-Zhumadian line by using composite vector of step changes.

圖9 階變量合成矢量歸一化的方向Fig.9 Direction of composite vector of step changes.a 扎青線入地極的定位結(jié)果；b 寶德線入地極的定位結(jié)果

對(duì)于扎青線2個(gè)入地極(圖9a)，扎魯特入地極附近的臺(tái)站都分布在東側(cè)，青州入地極的臺(tái)站幾乎分布在西側(cè)。使用扎青線這種臺(tái)站嚴(yán)重分布不均勻的線路進(jìn)行定位且得到了較好的結(jié)果，說明一般性的高壓直流入地極也能被定位。一端的SCP在電流注入開始階段遠(yuǎn)離入地極，在電流恢復(fù)階段指向入地極；另一端則相反。在圖9a 中，扎魯特東側(cè)的SCP基本都指向扎魯特入地極，扎魯特南側(cè)的2個(gè)臺(tái)站(阜新臺(tái)和錦州臺(tái))的SCP也指向北側(cè)的入地極；在青州換流站西北側(cè)的地電場(chǎng)臺(tái)站中，其SCP也幾乎指向青州入地極所在的位置。與海駐線相似，在2個(gè)入地極之間的昌黎臺(tái)SCP指向不明顯，傾向于垂直于2個(gè)入地極的連線。

寶德線是500kV的高壓直流輸電線，建成于2009年，前人對(duì)該線路的干擾研究較多(方煒等，2012)。這條線路的額定電流為3000A，單極運(yùn)行時(shí)向地下注入的電流較小，影響范圍較小，在本文所選的例子中僅影響了7個(gè)臺(tái)站?；谶@些臺(tái)站的階變數(shù)據(jù)對(duì)入地極的定位結(jié)果與前述2條線路類似，北側(cè)寶雞入地極附近的臺(tái)站密集、響應(yīng)明顯，對(duì)其入地極位置的定位比較明確；南側(cè)德陽附近僅有成都臺(tái)和江油臺(tái)，對(duì)德陽入地極的定位效果不理想。當(dāng)臺(tái)站周邊無多個(gè)換流站時(shí)，也能依靠SCP粗略定位判斷所屬的干擾源。

3.3 矢量幅度定位

高壓直流引起的階變，其變化量的幅度信息也可被用于對(duì)入地極的定位中。在表1 中，我們可以通過觀測(cè)臺(tái)站的階變量初步判斷入地極距離某個(gè)臺(tái)站最近，如海駐線的大武臺(tái)和周口臺(tái)、寶德線的寶雞臺(tái)、扎青線的阜新臺(tái)等。但一些臺(tái)站并非位于入地極附近，其階變量卻是最大的，如海駐線中的應(yīng)城臺(tái)，通過這些臺(tái)站還不能準(zhǔn)確判斷入地極的位置。另外，雖然SCP矢量的方向可指示換流站位置，但由于距入地極較近的臺(tái)站較少，而遠(yuǎn)處臺(tái)站的SCP難以在一個(gè)很小的范圍內(nèi)交會(huì)，從而影響了定位的準(zhǔn)確性。為此，我們使用經(jīng)過日變化幅度校正的RC作為定位的補(bǔ)充。圖10 為海駐線的RC在平面上的投影。在入地電流開始注入和恢復(fù)雙極運(yùn)行時(shí)，入地極附近的RC均為最大，能夠在入地極被臺(tái)站包圍較好的情況下指示入地極的位置。此處的RC經(jīng)過了日變化幅度校正，故單獨(dú)使用幅度信息時(shí)，可以認(rèn)為RC出現(xiàn)極大值的位置即為最靠近換流站位置；遠(yuǎn)離換流站時(shí)則幅度變小。因此，若臺(tái)站足夠密集，并正確地獲取幅度信息時(shí)，其定位的結(jié)果也能夠反映入地極的位置。

圖10 階變比值的強(qiáng)度排序Fig.10 Intensity rank of step change and diurnal variation ratio of Hainanzhou-Zhumadian line.a 海駐線電流開始注入階段；b 海駐線電流恢復(fù)階段

4 討論

前人的研究多只關(guān)注一個(gè)入地極的影響，而電力部門一般只關(guān)注單個(gè)入地極引起的跨步電壓，不關(guān)心2個(gè)入地極共同作用下的脈沖型響應(yīng)。在2個(gè)入地極間的臺(tái)站受到了2個(gè)入地極的共同影響，其響應(yīng)特點(diǎn)具有特殊性(圖11)。與臺(tái)階響應(yīng)不同，受到一個(gè)臺(tái)站向上階變、另一個(gè)臺(tái)站向下階變的疊加，2個(gè)換流站之間的地電場(chǎng)響應(yīng)多以脈沖形式出現(xiàn)。距其中一個(gè)入地極近時(shí)，其脈沖受到該入地極的影響較大、另一個(gè)入地極的影響較小，可能會(huì)出現(xiàn)脈沖+臺(tái)階的形式。且正交觀測(cè)的脈沖合成矢量不一定指向入地極位置，因此根據(jù)2個(gè)換流站之間的臺(tái)站很難準(zhǔn)確定位入地極。這是由于階變量之間相互疊加而無法準(zhǔn)確量取每個(gè)入地極的影響，且脈沖式的響應(yīng)不能準(zhǔn)確反映電位差異。

圖11 理想導(dǎo)電狀況下的電位分布及電位差衰減Fig.11 Potential distribution and difference attenuation under ideal conduction condition. a 2個(gè)入地極附近的電位取對(duì)數(shù)(log10)的分布，單位為mV；b、c 對(duì)圖a中沿y軸求電位差的結(jié)果，在范圍每隔100km取1條線，單位為mV/km；d、e 對(duì)圖a中沿y軸求電位差的結(jié)果，在范圍每隔10km取1條線，除通 原點(diǎn)的線，單位為mV/km。入地電流強(qiáng)度為4000A，電阻率為150Ω·m，埋深100m

根據(jù)圖11 中入地點(diǎn)電流源引起的電位分布情況發(fā)現(xiàn)，文中得到電位差的影響范圍與理論值相差較大。如海駐線的大山臺(tái)與駐馬店入地極的距離超過550km，扎青線的德都臺(tái)與扎魯特入地極的距離超過650km，均遠(yuǎn)超模型給出的200km影響范圍。此外，重慶仙女山臺(tái)的響應(yīng)距離接近750km，馬欽忠等(2017)和趙文舟等(2022)的研究也顯示仙女山臺(tái)對(duì)其他線路的換流站有遠(yuǎn)場(chǎng)響應(yīng)，這或許說明存在某些 “敏感點(diǎn)”臺(tái)站，對(duì)入地電流的響應(yīng)距離非常遠(yuǎn)，且這種現(xiàn)象在東部平原區(qū)域比較明顯。西部寶德線的2個(gè)入地極和海南藏族自治州入地極的影響范圍都比較有限，除了處于2個(gè)入地極之間的臺(tái)站外，海南藏族自治州入地極與其北部最遠(yuǎn)的武威臺(tái)相距約300km。郭名文等(2019)加入斷裂模型后的模擬結(jié)果表明，距離超過30km后斷裂對(duì)電位的分布響應(yīng)很小，地電場(chǎng)臺(tái)站幾乎都處于入地極30km外，但從地電場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果來看其影響并不小。由此可見，現(xiàn)存的入地電流引起的電位差模型還需要進(jìn)行較大改進(jìn)，如存在某些低阻的電流通道，將使入地電流經(jīng)過通道形成新的電位源，從而影響到較遠(yuǎn)的臺(tái)站。

此外，本文的定位方法還存在一些局限性，主要體現(xiàn)在觀測(cè)的準(zhǔn)確性和臺(tái)站分布2個(gè)方面。受到觀測(cè)中其他干擾(如地鐵運(yùn)營)或觀測(cè)系統(tǒng)(如極性接反)的影響，計(jì)算入地電流引起的階變時(shí)存在誤差，影響了最終合成矢量方向的準(zhǔn)確性。此外，一些臺(tái)站的位置特殊(如沿電流通道分布)，可能存在不均勻電流源現(xiàn)象，即電位差的梯度方位不是入地極方位，而地電場(chǎng)觀測(cè)階變反映的是電位的梯度方向，這一差異影響了定位的準(zhǔn)確性。

同時(shí)，臺(tái)站分布的影響也較大，主要受限于入地極周圍的臺(tái)站數(shù)量和分布是否環(huán)繞入地極。理想情況下，臺(tái)站越密集且越靠近入地極，反映的入地電流電位分布特征越準(zhǔn)確，也就能夠更準(zhǔn)確地定位源的位置，反之則很難準(zhǔn)確定位。即在臺(tái)站數(shù)量多且分布基本環(huán)繞入地極的情況下定位效果較好，反之則較差。在本文的例子中，海駐線西側(cè)海南藏族自治州入地極的臺(tái)站基本分布在其周圍，定位效果較好；扎青線扎魯特極附近的臺(tái)站基本分布在入地極東南一側(cè)，其SCP的指向基本正確，但比海駐線的效果稍差；寶德線的寶雞入地極附近臺(tái)站分布相對(duì)均勻且環(huán)繞入地極，定位效果較好，而德陽入地極附近臺(tái)站少，其SCP未能準(zhǔn)確反映入地極的位置。

研究入地電流對(duì)地面地電場(chǎng)、地磁場(chǎng)的影響，可進(jìn)一步推廣到對(duì)地震電磁場(chǎng)響應(yīng)的探索中。地震電磁場(chǎng)觀測(cè)臺(tái)站通常布設(shè)在斷裂帶附近，依靠這些臺(tái)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，能夠?qū)σ欢l件下強(qiáng)震的發(fā)生做出趨勢(shì)性預(yù)測(cè)，并給出地震發(fā)生的空間范圍和時(shí)間窗口。但對(duì)震源附近電磁場(chǎng)信號(hào)如何傳播到觀測(cè)臺(tái)站的解釋還不很令人滿意，時(shí)常一些較遠(yuǎn)的臺(tái)站有異常、而就近的臺(tái)站無異常，即差異化響應(yīng)比較明顯。且這種預(yù)測(cè)一般難以做到臨震預(yù)測(cè)，即異常信號(hào)可能來自于震源區(qū)，但不一定是由該次地震活動(dòng)所激發(fā)，這就需要考量這種震源區(qū)的信號(hào)是如何傳播到臺(tái)站的，為何造成了差異化響應(yīng)等問題。當(dāng)然，典型的同震電磁信號(hào)被認(rèn)為是由地震波所激發(fā)，且已被理論推導(dǎo)和一些實(shí)際觀測(cè)所證實(shí)(Gaoetal.，2014；Renetal.，2018)，但其信號(hào)的主要頻帶在固定地電、地磁觀測(cè)的主要頻帶之外。固定地電場(chǎng)臺(tái)站能夠識(shí)別的是直流—準(zhǔn)直流信號(hào)，地磁臺(tái)站主要觀測(cè)震源激發(fā)電流的感應(yīng)磁場(chǎng)，研究入地電流信號(hào)的傳播特點(diǎn)有助于從觀測(cè)數(shù)據(jù)中識(shí)別與震源過程有關(guān)的電磁現(xiàn)象。此外，本文對(duì)入地電流在地電場(chǎng)觀測(cè)中的響應(yīng)研究表明，僅依靠多極距多方位共同響應(yīng)來判斷 “遠(yuǎn)源”信號(hào)這一方法具有較大的局限性，還需要考量響應(yīng)的方向性、傳播通道等因素。

5 結(jié)論

本文以海駐線、寶德線和扎青線的58個(gè)臺(tái)站為例，陳述了地電場(chǎng)受到高壓直流入地電流影響的響應(yīng)規(guī)律，并利用響應(yīng)的階變量定位入地極的位置，得出結(jié)論如下：

(1)與高壓直流入地電流距離不同的地電場(chǎng)觀測(cè)響應(yīng)具有臺(tái)階狀、脈沖狀和臺(tái)階+脈沖狀響應(yīng)特征，分別對(duì)應(yīng)于入地極附近、2個(gè)入地極中間和入地極中間偏一側(cè)的位置。

(2)通過單臺(tái)階變量的合成矢量可判斷干擾源的方位，再通過多臺(tái)階變信息可粗定位干擾源的位置；通過階變的幅度也可補(bǔ)充判斷入地極的位置。

(3)地電場(chǎng)受到的影響主要是入地電流傳播引起的電位差，這種傳播符合點(diǎn)源擴(kuò)散的半空間格林函數(shù)，通過行波法可求解入地極電流引起的電位差分布，但是電性的嚴(yán)重不均勻性影響了一些臺(tái)站的響應(yīng)。

致謝山東大山臺(tái)工作人員的辛勤付出為本研究提供了極低頻觀測(cè)數(shù)據(jù)；地電場(chǎng)數(shù)據(jù)來自中國地震臺(tái)網(wǎng)中心前兆臺(tái)網(wǎng)部。在此一并表示感謝!