高压直流输电对地磁场观测的影响

方 炜 晏 锐 邵辉成 张国强

1)长安大学地质工程与测绘工程学院，西安 710054

2)陕西省地震局，西安 710068

3)中国地震台网中心，北京 100036

高压直流输电对地磁场观测的影响

方 炜1，2)晏 锐3)邵辉成2)张国强2)

1)长安大学地质工程与测绘工程学院，西安 710054

2)陕西省地震局，西安 710068

3)中国地震台网中心，北京 100036

2009年12月，甘肃天水、陕西乾陵等地磁台Z分量观测差值出现台阶式异常变化，同期陕西关中地区宝鸡、乾陵、周至等台站地电场观测也出现同步异常变化。经调查落实，确认此变化是由宝鸡—德阳±500kV直流输电工程试运行引起的。高压直流输电是近年来新出现的地磁观测中的一类干扰异常。根据对宝鸡—德阳高压直流输电线路邻近区域各地磁台站实际观测资料的分析，并结合安培定理和毕奥-萨伐尔定律计算了理想状态下高压直流输电对地磁观测的影响。结果表明，理论值与实际观测值基本相符，从而从机理上解释了高压直流输电对地磁观测影响的原因。由于计算时没有考虑不同地磁观测系统的差异和地下电性结构等因素的影响，因此计算方法有待进一步完善。

高压直流输电 地磁观测 同步异常 机理分析

0 引言

地震地磁观测作为地震前兆观测的一种重要手段，为地震的孕育和前兆机理研究提供了十分宝贵的资料(丁鉴海等，1994，2004;陈化然等，2009;胡久常等，2009;田山等，2009)。然而近年来，随着高压直流输电网的快速建设，中国地磁观测台网观测数据受高压直流输电工程的影响越来越大。如何判定、识别和排除高压直流输电对地磁观测资料的干扰，提高地磁观测数据质量，是摆在我们面前的一项重要课题，国内外学者对此也进行了不少探索(沈红会等，2005;刘连光等，2009;周术等，2009)。

2009年12月，宝鸡—德阳±500kV高压直流输电工程(简称宝—德直流输电工程)投入试运行，受其影响，陕西关中地区宝鸡、乾陵、周至等台站地电场观测出现一组明显的台阶式同步上升(或下降)变化，由于异常期间宝—德工程多次以单回路方式试运行，这种同步异常变化在中国地电场观测资料中十分罕见，具体变化过程和机理已另文发表(方炜等，2010)。那么，同样作为地震前兆主要的观测手段——地磁观测，在上述异常期间是否有类似的同步异常变化?如果有，变化的规律和机理又是什么?针对这个问题，我们应用陕西、甘肃等省数字化地磁观测资料，结合异常调查落实结果，就高压直流输电对地磁场观测的影响机理进行分析。

1 地磁观测系统和宝—德工程简介

在本项工作中，我们选用的9个地磁观测台站是:乾陵台、天水台、临夏台、兰州台、格尔木台、嘉峪关台、成都台、恩施台和银川台，各台使用的均为国产GM4磁通门磁力仪。该型号仪器主要用于测量地磁场水平、垂直和磁偏角3个方向的相对变化，与其他类型测磁仪器相比，磁通门传感器具有分辨率高(最高可达10-11T)、测量弱磁场范围宽(10-8T以下)、数字化、可靠、经济、耐用等优点(王晓美等，2008)。由于我们选用同一类型的地磁观测仪器，结果相对稳定，可比性强。此外，在9个地磁观测台中，除用来作为差分分析的格尔木台、嘉峪关台和银川台外，其他6个台站均分布在宝—德工程两侧，分布相对集中，从日变形态对比分析来看，无需进行通化处理。

宝—德工程是国家跨区电网建设重点工程，起点为陕西宝鸡换流站，终点为四川德阳换流站(图1)，全长约534km。该工程于2008年5月开工建设，2009年12月份初步建成并投入试运行。在试运行期间，该工程多次以单回路方式进行高压直流输电，在单回路时稳定工作电流为2000A左右，饱和电流为3000A，最大过载饱和电流为3150A。

图1 宝鸡—德阳±500kV高压直流输电工程线路走向及地磁台站分布Fig.1 The distributions of Baoji-Deyang ±500kV DC power line and geomagnetic observatories.

2 高压直流输电对地磁场影响变化特征

当高压直流输电采用单回路方式运行时，对地电场观测影响严重(方炜等，2010)，同样，在地震地磁观测中，我们也发现了类似的同步异常变化。由于差值分析能很好地反映地磁观测资料的相对变化，我们首先将研究区域内各台地磁观测的3个分量作相互差值，为方便与地电场资料对比，将地磁观测的世界时统一为北京时。从差值结果来看，地磁场变化较大的主要有甘肃天水、陕西乾陵等台，且主要反映在Z分量差值上。

图2 区域地磁Z分量差值同步异常对比曲线(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日为例，选取天水台作为参考台站，将各台与其分别作Z分量差值，结果发现:在宝—德高压直流输电线路单回路运行导致地电场观测显著改变的时段，各区域地磁观测台站与天水台Z分量的差值也出现类似的同步台阶式异常变化(图2)。在高压直流输电入地电流加载和卸载的2个时段，即10时06分至12时和18时30分至19时06分，各台与天水台地磁场Z分量的差值亦呈反向变化，变化幅度在3～11nT之间，出现台阶的时间点与直流输电电流加卸载的时间点对应，说明天水台受高压直流输电影响较大。对比分析相同时间段乾陵、宝鸡等台地电场变化曲线(方炜等，2010)可以看出，在地磁观测出现显著异常的时段，地电场观测也出现同步异常变化，地磁的差值曲线与地电场的变化形态基本一致，说明它们可能属于同源干扰。同样，以乾陵台为参考台站，将各台与其分别作Z分量差值，在相同的时间段，也会看到类似的台阶式变化(图2)，但变化幅度明显偏小，说明乾陵台虽受高压直流输电的影响，但影响程度要小于天水台。在其他远离宝—德高压直流输电线路的台站，如格尔木台，则难以发现类似的台阶式变化，说明其受宝—德高压直流输电的影响不大。另外，还有一个现象是:天水台和乾陵台分别位于宝—德高压直流输电线路的两侧(图1)，高压直流输电对它们的影响呈一增一减状态(图2)。以上是针对2009年12月6日的分析，对12月其他输电加卸载时段的(方炜等，2010)分析也得到相似的结论。

3 高压直流输电对地磁场影响的机理分析

在上述地磁场异常变化期间，关中地区地电场观测也出现了同步异常变化，通过多方面的走访和落实，我们确定此现象属2009年12月份国家电网宝鸡—德阳±500kV直流输电工程投入试运行后造成的。该工程试运行期间以单回路方式工作(图3)，电流以通过接地极注入大地的方式形成回路，从而完成送电过程。下面分析这种工作方式对地磁观测影响的可能机理。

图3 宝鸡—德阳±500kV直流输电工程试运行示意图Fig.3 Diagram showing trial operation of the Baoji-Deyang ±500kV DC transmission project.

假设高压直流输电单极运行时，通过接地极线入地的额定工作电流为Im，将安培定律应用于各载流导线，并将计算结果叠加，可求出导线周围的磁场强度。采用镜像法计算时，其基本原理是将大地的影响等效成为地下一等值反向电流所产生的影响，其镜像深度d近似可取(张启春等，2000):

式(1)中ρ为大地电阻率(Ω·m)，f为频率(Hz)。

通常大地视电阻率为100～200Ω·m，直流输电时，根据式(1)，镜像深度d远大于导线距地面的距离，所以可以忽略。根据毕奥-萨伐尔定律:载流导线上的电流元Idl在真空中某点P的磁感度的大小与电流元Idl的大小和从电流元到P点的位移矢量之间的夹角θ的正弦成正比，与大小的平方成反比，即

式(2)中μ0为真空中磁导率，数值为4π×10-7H/m。

现在对宝—德高压直流输电线路进行简单的模型处理。假设将工作时单回路运行视为一长为L的直线导体，其上通有电流I，电流方向从Z1至Z2(图4)，图中Z1和Z2分别为宝鸡和德阳换流站，P为地磁观测站点，h为观测点到高压直流线路的垂直距离，θ1和θ2分别为直流导线两端的电流元与其到P点的位移矢量之间的夹角，那么，由毕奥-萨伐尔定律可知，由于高压直流输电影响，引起地磁观测台站磁感应强度的改变量为

图4 宝—德高压直流输电与地磁观测台站之间的关系示意图Fig.4 Relation between Baoji-Deyang ±500kV DC transmission line and geomagnetic stations.

磁场改变量的方向以右手螺旋法则确定。在大地水平面上，产生的磁场改变量主要垂直于水平面，也就是说其影响的主要是各地磁观测的Z分量。假设宝—德高压直流输电线路单回路运行加载的是饱和电流3000A，则根据公式(3)，结合各地磁观测台站与宝—德高压直流输电线路的位置关系，可以求出各地磁台站应该观测到的理论改变量 (表1)。从表1可见，各台的理论值与实际观测值较为吻合，特别是当地磁观测台站距离高压直流输电线路较近时，线路更接近为无限长直流导体，用上述模型的计算结果更符合实际，如天水台;而地磁观测台站距离直流线路较远时，随着距离的增加，受高压直流影响的地磁改变量将逐渐减小，加上地磁日变的经纬度效应，这种影响在实际观测资料中将逐渐难以分辨，如格尔木台。另外，由于地磁Z分量的数值对观测点的地下电性结构的依赖性很大，不同台站地下电性结构差异很大，这也会造成计算的结果与实际观测结果有所出入。

4 结语

通过多方面的调查落实，我们确认2009年12月份陕西等省区域地磁观测Z分量差值台阶式异常变化属宝鸡—德阳±500kV高压直流输电工程单回路运行造成的。高压直流输电对地磁场观测干扰的特点是:主要对垂直分量Z造成干扰，单回路运行时影响严重。若不平衡电流、接地极和观测台站的位置已知，可以计算各台的干扰幅值。根据2009年12月份实际观测资料，我们计算了在饱和入地电流(3000A)的情况下，宝—德高压直流输电工程对邻近地区地磁观测的可能影响，计算结果表明，理论值与实际观测值基本相符。需要说明的是，当地磁观测台站距离高压直流输电线路较远时，直流线路不再符合无限长线性电流元这一要求，上述模型需进一步改进。另外，当各地磁台站相距较远时，由于地磁观测点地下电性结构往往差异较大，加之地磁经纬度效应，地磁场日变形态也存在着差异，考虑到高压直流输电电流加卸载过程历时较短，在进行差值计算时没有对此作通化和地方时改正等处理，这对分析结果也有一定的影响。

随着中国高压直流输电骨架网的形成，地磁场观测受直流输电影响的问题将越来越严重。为尽可能的降低这种影响，在建设地磁观测台站(或高压直流输电线路)时应合理地相互避让。另外，如果在分析地磁观测资料时，同时分析受影响区域内高压直流输电单回路运行的时间段和不平衡电流等数据，进而对地磁观测结果进行校正，也不失为一个较好的方法。

致谢 在成文过程中得到南方电网技术研究中心李锐海老师的帮助，特此致谢。

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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。

中国地震局地震科技星火计划项目(XH12043Y)和震情跟踪项目(2012020409)共同资助。

方炜，男，1977年生，2002年毕业于中国地震局兰州地震研究所固体地球物理专业，获硕士学位，高级工程师，主要从事地震电磁学及相关研究，电话:029-88465330，E-mail:callfw@qq.com。