地震电磁卫星监测输电线谐波辐射研究综述

吴 静 付静静

（中国北京100191北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院）

地震电磁卫星监测输电线谐波辐射研究综述

吴 静 付静静

（中国北京100191北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院）

输电线谐波辐射已成为近地空间环境的一种人为污染源.介绍了磁层中输电线谐波辐射现象的研究历史与现状，涉及到与其相关的地基观测和天基观测结果，以及对其形成机理所开展的定性和定量研究等.特别介绍了近年来利用DEMETER地震电磁卫星观测到的输电线谐波辐射现象.根据现有的研究结果，提出一些尚未解决的问题.随着我国电网的发展，以及地震电磁监测试验卫星的研制和发射，研究我国上层空间的输电线谐波辐射现象具有重要意义.

输电线谐波辐射 电离层 磁层 DEMETER卫星 电磁扰动

引言

我国电力工业正处于高速发展阶段.随着一系列750kV、1 000kV高压交流工程的建设，我国电网已步入特高压时代.在高压电网中，电力谐波（谐波次数在2—40之间）问题引起了国内外学者的广泛关注，在电力谐波发生、传输、测量、危害及抑制等方面已取得了相当多的研究成果.可以说，在过去的几十年里，电力谐波之所以被关注，主要原因在于它会对公用电网及其它地面系统产生严重的危害.然而，大量的地基和天基观测结果表明，电网中的谐波不仅会对地面上的系统造成危害，还会对空间电离层和磁层产生影响.这种影响主要是通过输电线谐波辐射（power line harmonic radiation，简写为PLHR）造成的.目前，国外多数学者认为，随着全球电力消耗的增长，PLHR现象将愈加明显.PLHR不仅会影响电离层和磁层的状态，这种地面主动激发波的增生，结合被动收测甚低频发射，又会帮助人们直接获取电离层和磁层的能态粒子流数据，以便研究其中的各种动力学过程 （熊皓，2004）.因此，研究PLHR现象具有重要的意义.

对于PLHR现象的研究不仅涉及到电气工程、地球物理、大气物理、空间物理等多学科交叉理论的研究，还涉及到对相关现象的地基观测和空间观测研究，具有较大难度.通过调研发现，国内尚未开展专门的研究工作，但我国地震电磁监测试验卫星的研制和发射已提上日程（张润宁等，2009），这将为深入研究PLHR现象创造有利条件.

本文主要介绍PLHR的地基观测和天基观测结果，DEMETER卫星探测到的PLHR现象，PLHR形成机理的研究历史，以及在我国开展相关研究的现实意义.

1 对PLHR的观测研究

磁层中的PLHR现象最早记录于1965年（Helliwell，1965），但是当时它们并没有被识别出来.20世纪70年代，人们开始对PLHR的地基观测进行研究.能够说明PLHR会对电离层和磁层造成影响的主要地基观测站位于南极洲的Siple站和加拿大魁北克的Roberval站，它们为地球磁共轭点；另一对磁共轭观测站位于南极洲的Helley Bay站和加拿大纽芬兰的St Anthony站.

1975年，美国斯坦福大学无线电科学实验室的Helliwell等学者分析了Siple站和Roberval站的观测数据，发现在Roberval站出现了以60Hz为基波频率的谐波辐射谱线.他们认为这些辐射来自于加拿大电力系统，通过与电离层、磁层的等离子体之间的线性和非线性作用，传播到另一半球的Siple站，因为同一时间在Siple站也观测到了一些谱线，尽管这些谱线的频率间隔并不是准确的60Hz（Helliwelletal，1975）.由Helliwell和Park带领的团队对这种现象开展了深入研究.1978年，他们发现在当地时间6—18时之间，3kHz附近的PLHR达到峰值（Park，Helliwell，1978）.1979年，他们对Siple站2—4kHz频率范围内的磁层波进行研究，发现了PLHR的周日效应（Sunday effect）（Park，Miller，1979），即相比于一周内的其它时间，周日的磁层波强度较小.这种效应与地面的电力消耗情况密切相关，如图1所示.1983年，他们得出磁层中的强哨声波通常是由PLHR触发的结论.这些触发波在kHz频带内占据着重要的位置.由于磁层中的波粒相互作用以及波波相互作用，PLHR在穿透赤道区的过程中将被放大，当其强度超过一定阈值时，便有可能激发一些波，而这些激发波的频率将偏离PLHR的原始频率（Park，Helliwell，1983）.Helliwell等观测到的PLHR大都出现在地磁扰动期间.

图1 一周内在Siple站观测到的PLHR（a）以及Roberval站的电力消耗（b）（引自Park，Miller，1979）Fig.1 PLHR events observed at Siple（a）in one week and the power consumption at Roberval（b）（by Park，Miller，1979）

图2 PLHR频谱示例（引自Luette etal，1979）Fig.2 Spectrum example of PLHR（by Luette etal，1979）

1981年，Yearby等学者对Halley Bay站和St Anthony站的地基观测数据进行分析，得到了纽芬兰上空频率间隔在（50±90）Hz范围内变化的PLHR谱线（Matthews，Yearby，1981）.他们认为这些谱线的特征之所以与Siple站的观测结果不同，是因为纽芬兰采用的是50Hz和60Hz混合的电力系统.除了上述地基观测结果外，还存在PLHR现象的卫星观测结果.自1976年起，英国谢菲尔德大学物理系的Bullough等学者通过研究Ariel－3和Ariel－4卫星上的探测数据，指出北美上空辐射波强度的最大值主要是由于PLHR造成的，部分是由于闪电造成的（Bulloughetal，1976；Tatnalletal，1983；Bullough，1983；Bulloughetal，1985）.基于Ariel－3和Ariel－4卫星的探测数据，Kaiser及其团队从地理位置、强度、磁暴时间、季节、太阳活动周期等几方面研究了PLHR的全球分布，以及电离层中与之相关的辐射波.1979年，Luette给出了从OGO－4卫星观测到的南美上空PLHR实例，如图2所示，谱峰间隔约为100Hz（Luetteetal，1979）.1982年，Bell等利用ISEE－1卫星观测到了北美上空与PLHR相关的辐射波，其频率范围为3—4kHz.与地基观测结果类似，这些谱线的频率也偏离电网的谐波频率（Belletal，1982）.这一时期从S3－3、ISIS－2等卫星上均观测到了PLHR现象.1983年，日本电气通信大学的Tomizawa等学者利用探测气球对大气以及顶部电离层中的PLHR与磁亚暴之间的关系进行了研究.结果表明，磁亚暴会使6次、9次、12次谐波频率的辐射增强（Tomizawa，Yoshino，1984）.1985年，他们利用OHZORA卫星探测数据，定量研究了东亚上空顶部电离层中输电线辐射的磁场强度.结果表明，60Hz的输电线辐射分布于日本岛上空，而50Hz的输电线辐射分布在我国华东地区上空（Tomizawa，Yoshino，1985）.20世纪90年代，Parrot等对近地轨卫星Aureol－3自1981年10月—1983年12月探测到的电磁场强度进行了系统的分析，同样发现了PLHR现象，而且这种现象并不总是出现在工业发达国家的上空（Parrot，1990，1994；Parrotetal，1991）.1995年，Molchanov和Parrot（1995）总结了从卫星上观测到的PLHR现象所具有的特征.

也有学者对PLHR的大小以及实验模拟等进行了研究.Tatnall等（1983）和Yearby等（1983）的研究结果表明，在以3.2kHz为中心的1kHz频带内，北美上空的PLHR的总功率小于100W，其中由纽芬兰工业区中的典型输电线产生的PLHR总功率甚至小于1μW.Park和Chang（1978）利用甚低频发射机做的实验表明，在适当条件下，利用0.5W的功率便可模拟出由PLHR在磁层中触发的甚低频发射.Helliwell等（1980）通过实验指出，能够使透入磁层中的相干VLF信号增强且触发新辐射的PLHR的功率阈值为1W，测量该值可诊断磁层的不稳定水平.

正是由于输电线谐波辐射的功率较小，因而PLHR现象曾一度引起争议.1979年，Thorne等针对PLHR能影响地球辐射带的观点提出疑义（Thorne，Tsurutani，1981）.1981年，Tsurutani和Thorne对Luetter等提出的PLHR能影响磁层的观点提出了质疑（Luetteetal，1977；Tsurutani，Thorne，1981）.Helliwell团队与他们展开了激烈的讨论.1985年，Koons又提出了在波粒相互作用的外磁层中PLHR并不起重要作用（Koons，1985）.对于研究者所观测的PLHR是由原始的输电线场传播进入电离层和磁层造成的，还是由原始的输电线场通过与电离层和磁层的等离子体或波的相互作用而激发的新的辐射，即磁层线辐射（magnetospheric line radiation，简写为 MLR），也有学者展开了讨论（Molchanov，Parrot，1995；Volland，1995）.

2 DEMETER卫星与PLHR

自20世纪60年代以来，国内外学者对地震前后的电离层状态进行了大量研究.结果表明，大地震前电离层扰动（电磁辐射、等离子体参数变化和高能粒子沉降等）普遍存在.分析电离层扰动已成为地震短临期预测的重要手段.2004年6月，法国国家空间研究中心发射了一颗专门服务于地震电磁监测的微型卫星DEMETER，其采用的是与太阳同步的圆形轨道，倾角为98.23°，高度为710km（从2005年12月中旬开始改为660km），有效载荷包括感应式磁力仪、电场探测仪、等离子体分析仪、朗缪尔探针和能量粒子探测仪.该卫星的发射不仅为研究由地震－电磁效应造成的电离层扰动提供了有利条件，也为研究人类活动，如PLHR、VLF发射机和高频传播站等，造成的电离层扰动提供了天基探测数据.

2005年，Parrot等利用DEMETER卫星探测数据得到了接近于50Hz或16Hz（对应于铁路供电系统频率）间隔的谱线（Parrotetal，2005）.该文献中给出了4个典型的PLHR事件：2004年7月23日09：12：30—09：23：34UT，赤道上空；2004年9月8日07：23：35—07：27：00UT，伊朗和伊拉克上空；2005年1月21日19：41：04—19：48：30UT，埃及、地中海和土耳其上空；2005年1月23日02：04：10—02：08：30UT，印度尼西亚群岛上空.研究结果表明，这些PLHR事件均出现在中强磁暴期间.Nemec等对DEMETER卫星运行第一年所获得的探测数据进行了分析，发现了多个以50/100Hz、60/120Hz为间隔的PLHR事件，这些事件的出现与地磁活动水平无关（Nemecetal，2006，2007）.另外，部分事件表明，PLHR是以右旋偏振哨声模传播的.利用DEMETER卫星探测数据得到了以50/100Hz、60/120Hz为频率间隔的PLHR地理分布图，如图3所示.图中，大黑点表示所观测到的PLHR事件的地理位置；细线和小黑点表示磁力线和观测点的位置.

目前，国内外已有学者利用DEMETER卫星探测数据对我国大地震（例如云南普洱地震、四川汶川地震等）发生前的电离层扰动开展了研究（朱荣等，2008；朱涛，2010；安张辉等，2010），尚未有学者利用该卫星探测数据研究过我国空间的PLHR现象.

图3 由DEMETER卫星获得的PLHR分布 （引自Nemec etal，2007）（a）以50/100Hz为间隔；（b）以60/120Hz为间隔Fig.3 Distribution of PLHR observed by DEMETER（by Nemec etal，2007）（a）Frequency separation of 50/100Hz；（b）Frequency separation of 60/120Hz

3 PLHR现象的机理研究

尽管PLHR现象曾引起争议，但是随着多年地基观测和卫星探测数据的积累，PLHR现象已得到公认.Kikuchi（1983）指出，地面上方由多个导体构成的输电系统根据传播模式的不同，可分为金属回路和大地回路两种.金属回路是指仅由架空导线构成的电流通路，而大地回路是指由架空导线和大地构成的电流通路.据此，输电线辐射可分为两类：由金属回路中的不连续点或终端产生的辐射；由大地的有限电导率和电容率造成的Cerenkov辐射.在低于截止频率（10—100MHz）的低频侧，Cerenkov辐射被认为是穿透电离层、进入磁层的主要辐射源.输电线辐射并不是以工频（50Hz或者60Hz）为主，而是以谐波为主，例如由输电线的电晕放电、气体放电、终端负载的非线性等造成的谐波辐射.Schumann（1952）指出地球和电离层构成了一个谐振腔体，其谐振频率主要由地球的尺寸决定.对于低于100Hz的极低频输电线辐射，地球－电离层的波导理论是其产生的理论基础.随着输电线谐波频率的增大（＞1kHz），其辐射的电磁能量便有可能通过“哨声模”穿透地球－电离层谐振腔而进入磁层内.1983年，Tatnall等研究了以大地为回路的输电线中流过不平衡谐波电流时产生的辐射场模型（Tatnalletal，1983）.1984年，Inan等利用回旋共振理论，研究了由地基VLF发射所引起的电子沉降现象（Inanetal，1984）.1991年，Molchanov等研究了从地面传播到电离层的波的特征，用以解释PLHR对磁层极低频发射的影响（Molchanovetal，1991）.1994年，Bullough等定性地解释了PLHR现象（Volland，1995）.如图4所示，输电线产生的谐波辐射（约数kHz）穿过低电离层，沿着场向导管进入赤道区，在那里与逆流的高能电子发生相互作用.这种波粒相互作用将放大PLHR波并触发甚低频发射.到达南半球的部分辐射波将发生反射，反射波可以在磁共轭点之间来回传播多次，形成回波列.1996年，Parrot和Zaslavski对人类活动对磁层的影响的物理机制进行了总结（Parrot，Zaslavski，1996）.2002年，Ando等假定电离层是各向异性的均匀介质，研究了PLHR在电离层中的传播规律（Andoetal，2002）.2005年，Werner等利用有限差分法计算了脉动信号在地球－电离层波导中的辐射场（Werneretal，2005）.

尽管已有文献对PLHR的形成机理进行了研究，但是由于PLHR的传播媒质，如电离层和磁层等，往往具有随机不均匀的时空变化特点和复杂的边界条件，甚至具有各向异性和非线性，因此对于PLHR在由地球、中性层、电离层、磁层等构成的耦合空间中的传播模型仍需深入研究.这是解释诸多疑问的关键.例如，功率较小的PLHR为何能够影响电离层和磁层状态；PLHR会对电离层和磁层造成多大的影响；在电网结构并无太大差异的地区，为何有的地区空间存在PLHR现象，而有的地区空间又不存在这种现象；磁层中的PLHR是由原始的电力线谐波辐射直接传播进入电离层和磁层造成的，还是由原始的电力线谐波辐射通过与电离层和磁层的等离子体或波的相互作用而触发的新的辐射，等等.

图4 PLHR原理示意图Fig.4 Schematic diagram of PLHR

4 讨论与结论

我国是电力生产与消费的大国，年发电量仅次于美国.目前，我国电力系统的发展已进入西电东送、南北互供和全国联网的新阶段，由1 000kV交流输电系统和±800kV直流输电系统构成的特高压电网，已代表了世界输电技术的最高水平.电源点建设规模的扩大、输变电技术的革新、电力设备的更换等，在很大程度上保证了电网的可靠和稳定运行，但同时也使谐波污染日益严重.首先，在以三相交流为主的电力系统中，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致，这便使电源或多或少会产生谐波；三相电力变压器在设计时，考虑到经济性，其铁心的工作点通常选择在磁化曲线的近饱和段上，这样在实际运行时很容易使变压器铁心饱和，从而导致谐波.其次，对于目前推行的高压直流输电系统，其需要整流装置和变流装置，而这些电力电子装置也是重要的谐波源.另外，大量非线性用电设备的使用，如开关电源、变频装置、家用电器等，也使电网中不可避地的存在谐波.

根据已有研究结果可知，出现PLHR现象的区域大多位于高、中纬度，例如美国、法国、芬兰、日本、印度等，而我国大部分地区都处于中纬度.我国电力系统除了额定电压等级、频率等与国外发达国家有所不同外，电力系统结构与国外并无太大差异，可以说很多新技术和电力设备也是借鉴国外的.作者认为，随着我国电力系统规模的迅速发展，加之谐波污染的日益严重，电离层或磁层中也会存在PLHR现象，但这个观点还需要试验事实来验证.

考虑到我国地震电磁监测试验卫星项目已提上日程，其主要目标是：在全国乃至全球范围内获取空间电场、磁场和电磁辐射与高能粒子数据，研究与地震孕育发生相关联的电磁场和电离层变化，为地球系统科学等相关领域的研究与国际合作提供数据共享服务.该卫星的发射可为深入研究我国的PLHR现象提供重要的天基观测数据.另外，由于输电线谐波辐射同样会对电离层和磁层造成扰动，因此研究这种扰动的特征，对于认识地球的空间环境，特别是电离层环境，具有一定的科学价值；对地震电磁卫星记录的低频电磁效应的识别，地震电离层前兆信息的提取，以及与地震孕育过程相关联的机理研究等，也具有一定的参考意义.

随着全球电力消耗的增长，PLHR现象将变得更加显著.只有通过更多的地基、天基观测数据，合理的数学模型，恰当的数值仿真方法等，才能科学地阐释这种现象的形成机理以及对电离层和磁层造成的影响.我国尚未对PLHR现象开展专门的研究工作，有关PLHR现象的中文资料相当少.但是结合电力系统发展以及电磁监测卫星发射等国情，我国对PLHR现象开展研究将具有重要的现实意义和长远意义.

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吴 静 北京航空航天大学讲师.2006年清华大学电气工程专业毕业，获工学博士学位.一直从事电磁场理论及其应用方面的研究与教学工作.现主要研究高压输电线的电磁环境.

A review on power line harmonic radiation monitored by DEMETER satellite

Wu Jing Fu Jingjing
（SchoolofAutomationScienceandElectricalEngineering，BeihangUniversity，Beijing100191，China）

The power line harmonic radiation（PLHR）becomes a man－made pollution source to the near－Earth space.Both the research history and present status of PLHR were introduced.The research involves the observations of such phenomenon on the ground and onboard satellites，and the qualitative and quantitative analysis of its generation mechnism.Especially，the PLHR observed recently on DEMETER satellite were introduced.Based on the present research result，some unsolved problems were put forward.With the development of electrical industry and the launch of the testing satellite monitoring seismic electromagnetic signals in China，PLHR in upper space needs to pay close attention.

power line harmonic radiation；ionosphere；magnetosphere；DEMETER satellite；electromagnetic disturbance

10.3969/j.issn.0253－3782.2011.06.013

P315.62

A

吴静，付静静.2011.地震电磁卫星监测输电线谐波辐射研究综述.地震学报，33（6）：828－－836.

Wu Jing，Fu Jingjing.2011.A review on power line harmonic radiation monitored by DEMETER satellite.ActaSeismologicaSinica，33（6）：828－－836.

电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室基金（SKLD09KM06）资助.

2010－12－16收到初稿，2011－04－21决定采用修改稿.

e－mail：wujing06＠buaa.edu.cn