宝德线高压直流输电附加电场变化特征

罗词建

（陕西省地震局，西安 710068）

0 引言

随着国家经济社会快速发展，中国电网建设规模也越来越大，基本形成“西电东送，南北互供，全国联网”的电发展格局[1]。在传输方式上，优点突出的高压直流输电系统已经被普遍应用。然而，有研究表明，高压直流输电对地震观测中电磁观测的影响是客观存在的。

蒋延林等[2]研究认为，在工程试运行阶段及运行出现故障时，会产生较大的不平衡电流，在输电线及换流站周围产生的干扰磁场将影响正常的电磁观测，尤其是对输电线路两侧300 km内范围的电磁观测影响尤为剧烈。

唐波等[3]指出，高压直流输电线路对地电场观测的干扰主要为线路极导线的合成场的干扰和换流站接地极入地电流的干扰；葛光祖[4]分析了直流输电系统对地电场观测的干扰机理和干扰特点，结合直流输电系统运行方式和地电场观测仪器的观测原理，认为直流输电系统极导线合成场和接地极入地电流会对地电场观测造成电磁干扰。宝德线路较短，本文不考虑合成场的影响，着重研究入地电流的影响。

王向阳等[5]以山西地磁场观测台站和山西、宁夏、山东部分地电场台站观测为例，分析其受宁夏—山东±660 kV直流输电工程运行的干扰情况，结果表明，高压直流输电工程的运行对山西地磁场观测及送受端换流站附近的宁夏、山东地电场观测影响明显。这也表明了高压直流输电对地磁场和地电场的干扰是同步的。也就是说在工程试运行调试阶段或运行出现故障时，线路产生较大的不平衡电流，从而产生感应磁场或通过接地极流入大地，致使一定范围内的地磁观测受到影响，一定范围内的地电场观测也会同时受到影响。

宝鸡—德阳±500 kV高压直流输电工程途经陕西、甘肃、四川三省，分布在线路两端及周边500 km范围内的陕、甘、宁、晋、豫、鄂、渝、川等省（市、区）的20多个地电场观测台站受到不同程度的影响。这些地电场台站分布在多个不同的地震断裂构造带附近，通过研究高压直流输电对线路周边地电场观测干扰的特征和规律，有助于获得地电场台站监测范围内的地下介质的电性参数变化，对地震监测预报中震前异常判定具有极其重要的意义。

1 宝鸡—德阳±500 kV高压直流输电工程简介

宝鸡—德阳±500 kV高压直流输电工程（以下简称宝德线）于2009年12月28日建成投入运行。宝德线起点为陕西宝鸡（凤翔县柳林镇）换流站，落点为四川德阳（罗江区御营镇）换流站，线路全长约534 km，途经陕西、甘肃、四川3省[6]。线路额定电压为±500 kV，额定容量为3 000 MW，额定电流3 000 A，最大持续电流3 390 A，最大短时电流4 500 A。宝鸡换流站接地极极址位于千阳县城北8 km处的张家塬，与换流站相距约27 km；德阳换流站接地极极址位于绵阳市安县永河镇梓潼村，与换流站相距约25 km[7]。

宝德线作为“南北互供”线路，其送电方向会因时因需而变。德阳换流站作为整流站，宝鸡换流站作为逆变站运行时，称为功率正送运行方式；德阳换流站作为逆变站，宝鸡换流站作为整流站运行时，称为功率反送运行方式。德宝直流输电工程主要在正送方式下运行即常规送电方向为从四川的德阳换流站至陕西的宝鸡换流站。四川、陕西两地分别利用各自的水资源和煤矿资源进行发电，并形成“南北互供”。丰水期，将四川的“水电”通过功率正送方式输送到陕西；枯水期，将陕西的“火电”通过功率反送方式输送到四川，形成“水火互济”，优化了两地能源资源，提高了两地的用电水平，同时也为研究提供了更丰富的资料。

2 地电场观测台站

图1 为宝德线的线路走向及其周边地电场台站分布图。如图所示，在线路东北侧主要分布有陕西的凤翔、宝鸡、周至、乾陵、合阳台及山西的临汾、夏县和河南的洛阳、周口等台；在线路西北侧分布有宁夏的固原（彭堡）、中卫、银川台以及甘肃的平凉（崆峒）、天水、兰州台和天祝地电场台阵；线路西南侧有甘肃的汉王、四川的江油、成都、玛曲、甘孜等台；线路东南侧有重庆的武隆（仙女山）、巫溪（红池坝）及湖北的应城台。观测仪器型号为ZD9A型或GEF-II型大地电场仪，频率范围为：0～0.1 Hz，采样率：1次/min。这些台站都是多极距布设装置系统，即在东西、南北、北东（或北西）方向上布设了两道长短不一的极距，以便排除噪声，从而监测到真正的地电场信号。各电场台站的电极布极均采用双“L”型，即每个台站在两个正交方向NS、EW和斜道方向NE（或NW）均有两个测道，即长、短极距观测。在此需要说明的是，凤翔台的电极布设虽然也为双“L”型，但其斜道的方向为NS，两正交方向是NE和NW。

图1 宝德线的线路走向及其周边地电场台站分布图

3 地震地质背景

马钦忠[8-11]等研究人工源地电场空间变化区域性特征时，认为在许多地电场台站可以观测到来自人工源的附加地电场信号，且该附加地电场信号的强度和变化特征与本区地质构造密切相关。本文研究区域主要涉及到鄂尔多斯地块西南缘的断裂带、汾渭地震带、秦岭构造带、龙门山断裂带等。这些断裂带均属于大尺度范围的断裂带，也是电性结构非均匀性地带；在局部还存在小规模的活动断裂，如布设有多个地电场观测台站的六盘山地震带由第四纪活动十分强烈的断裂构成，主要表现为挤压逆冲和左旋走滑运动。历史上发生过10多次7级以上强震或大震，仅20世纪以来，就先后发生了包括l920年海原8.5级地震的多次大震。其频度之高，强度之大，在中国大陆实属少见。地电场观测规范规定台站一般布设在地震断裂带附近。在宝德线北端附近的陕西省地电场观测台网中的凤翔台，地质构造上处于陇县-岐山马召断裂附近；乾陵台处于渭河断陷盆地中段与陕北黄土高原分界线附近，在关山-口镇断裂以南、乾县-富平断裂的北侧；宝鸡台处于控制渭河断陷盆地的秦岭北缘断裂以北、渭河断裂的南侧，渭河EW向断裂与虢镇-固关NW向断裂的交汇部位附近；周至台处于陇县-岐山-马召断裂与周至-余下断裂交汇处，距离秦岭北缘断裂约4 km；合阳台处于韩城断裂与从测区西3～5 km处通过的合阳-蒲城隐伏断裂之间，靠近韩城断裂附近。甘肃平凉台，宁夏的固原台、银川台、中卫台都是布设在六盘山断裂带附近。

南端的主要断裂带为龙门山断裂带，由3条大断裂构成，分别是：龙门山后山大断裂，其范围大致是汶川—茂县—平武—青川一线；龙门山中央大断裂的范围大致是映秀—北川—关庄一线；龙门山主山前边界大断裂的范围大致是都江堰—汉旺—安县一线。成都、江油台基本都布设在上述断裂带附近。宝德线的走向与南北地震带走向基本平行，且与其近年来地震频发的中段距离非常近。

4 地电场变化特征分析

当高压直流输电线路故障或调试时，在线路接地极附近一定范围内的地电场观测会受到某种程度的影响，在地震观测中将这种影响称为“高直干扰”，其具体表现是在正常的地电场观测曲线上叠加了高压直流输电线路产生的附加电场。本文研究的来自宝德线的高直干扰实际就是一种人工源附加电场，只不过这种人工源产生的入地电流不是人为刻意注入的，而是高压直流输电线路调试和运行出故障时产生的，在全国范围地电场和地磁场观测中高直干扰是普遍存在的。蒋延林等在分析高压直流输电对地磁观测影响的特征时指出，位于高压直流输电线路两侧的地磁台站受高直干扰时，其Z分量变化方向相反，基本满足右手螺旋定则[2]。因此，可以通过高直干扰产生时地磁场Z分量的变化方向来判断线路的电流方向。来自宝德线的高直干扰每年次数并不固定，有的年份多，有的年份少。但从总体上看，在每年春夏之交、秋冬之交，也就是上半年4—5月、下半年11—12月，因改变供电方向时需要调试系统，干扰次数较其他时段多得多。宝德线随季节而调整的特殊供电方式，为判断线路的电流方向提供了参考，同时也为本文研究地电场观测受高直干扰时的附加电场变化特征提供了更多的基本资料。下面分别分析3次典型的附加电场的变化特征。

4.1 四川德阳向陕西宝鸡供电时产生附加电场的特征

2015年6月14日，宝德线从四川德阳向陕西宝鸡方向供电，北京时间2时1分至3时29分线路周边多个地电场台记录到其附加电场。图2给出了这些地电场台站观测到的附加地电场波形图，表1计算了各台各分量附加地电场变化幅值。在表1中，为了表述方便将NE方向的数据填写在表格EW栏内；分别表示NS方向地电场长、短极距电场分量，其他方向均如此表示。表1给出了能够观测到该附加地电场的各台站每个分量最大幅值的观测数据。

由图2和表1可以看出，当附加电场产生时，测区地电场的变化特征表现为以下4个方面。

表1 2015年6月14日宝德线周边地电场台站观测到的地电场信号特征

图2 2015年6月14日宝德线周边地电场台站观测到的附加电场波形图

1）高直干扰的影响范围特征。产生干扰时，在距离信号源（宝鸡或德阳换流站）28～412 km范围内的多个台记录到附加电场。从记录到的附加电场变化幅值来看，随着与信号源距离的增加，附加地电场变化幅值随之减小，但存在远距离台站的观测幅值大于近距离台站观测幅值的现象。凤翔台距离信号源仅28 km，记录到的信号幅值最大，距离信号源100 km处的乾陵台观测到的幅值比距离信号源51 km宝鸡台的大，与乾陵台到信号源距离相当的周至台记录的附加电场变化幅值反而比乾陵台记录到的小很多，甚至与距离376 km的夏县台、412 km的临汾台记录的变化幅值相当。

2）附加电场变化形态和极化方向特征（变化方向）。当附加电场产生时，在距离较近的凤翔台、乾陵台、成都台观测到了完整的方波，其他台站观测到的波形均发生了不同程度的畸变。附加电场极化方向特征是指地电场观测中异常信号的增长方式，即正增长或负增长。如图2所示，在宝鸡端有的台站记录的是正向附加电场，如凤翔台、平凉台的6个分量附加电场全部为正；有的台站记录的是负向附加电场，如宝鸡台、合阳台的6个分量附加电场全部为负。在德阳端武隆台6个分量记录的是正向附加电场，无台站记录到6个分量全为负向的附加电场。其余台站三个分量记录的附加电场中有的是正向，有的是负向，各台站并不一致，但各台站同方向上长、短极距记录的附加电场方向是一致的，要么都为正向，要么都为负向。

3）记录到本次附加电场的台站中最近的台是28 km（即表1中的r值）处的凤翔台，其长极距NS分量幅值达236.04 mV•km-1，最远的台是r为412 km的临汾台。但也存在距离较近而未记录到附加电场的台站，如r分别为116 km的天水台、335 km的兰州台、362 km的中卫台、399 km的银川台均未记录到附加电场；处在线路中段且距宝鸡换流站249 km、距德阳换流站221 km的汉王台到线路的垂直距离约为115 km，未记录到附加电场。最为特殊的是距离宝鸡换流站仅116 km的天水台也未记录到附加电场。距离宝鸡换流站400～500 km范围内的天祝地电场台阵均未观测到该信号。另外，距离宝鸡换流站480 km、距离德阳换流站367 km的玛曲台当时记录到的电场波形畸变程度大，且变化幅度小，很难判断是本次干扰，在此不作深入分析。

4）从附加电场信号衰减速度看，宝鸡端东侧记录到信号最远的是412 km处的临汾台，宝鸡端西侧记录到信号最远的是176 km处的固原台。德阳端西侧221 km处的汉王台未记录到附加电场，而在东侧386 km处的武隆台记录到的附加电场非常清晰。

5）在地电场均匀度，即长、短极距信号幅值比方面，临汾台最大可达4.1，凤翔台最大为4.2，其余台站附加地电场的均匀度均较好，即长、短极距信号幅值比约为1。

4.2 陕西宝鸡向四川德阳供电时产生附加电场的特征

2016年11月22日，宝德线从陕西宝鸡向四川德阳方向供电，北京时间11时52分至16时22分，线路周边多个地电场台记录到附加电场。图3给出了各地电场台站观测到的附加地电场波形图，表2计算了各台各分量附加地电场变化幅值。

由图3和表2可以看出，当附加电场产生时，测区地电场的变化特征表现为以下5部分。

表2 2016年11月22日各台站观测到的地电场信号特征

图3 2016年11月22日宝德线周边地电场台站观测到的附加电场波形图

1）高直干扰的影响范围。此次干扰产生时，在距离信号源（宝鸡或德阳换流站）28～376 km范围内的多个台记录到附加电场，相比2015年6月14日记录的情况，能够记录到附加电场的范围似乎更小，而实际情况是因为当时正常的大地电场变化幅度较大造成的。

2）附加电场变化形态和变化方向。如图3所示，变化形态与2015年6月14日的情况一致，在距离信号源较近的凤翔台、乾陵台、成都台、江油台均观测到了完整的方波，其他台站观测到的波形均发生了不同程度的畸变。无论在北端还是在南端，各台各分量的变化方向正好与2015年6月14日的方向相反，在此不再赘述。

3）记录到本次附加电场的台站中最近的台是28 km处的凤翔台，其长极距NS分量幅值达-235.27 mV·km−1，最远的是376 km处的夏县台。但也存在记录波形不清晰和未记录到的台站，如r分别为386 km的武隆台、399 km的银川台、105 km的平凉台记录的附加电场与当时变化幅度较大的正常背景叠加在一起，附加电场波形难以区分，变化幅值读取不准（相应附加电场信息量与天然电场噪声相当，而无法识别）；r值分别为116 km的天水台、221 km的汉王台、335 km的兰州台、362 km的中卫台、412 km的临汾台、447 km的巫溪台均未记录到附加电场。

4）从附加电场信号衰减速度看，也与2015年6月14日的情况一致，这通过对比表1和表2的附加电场幅度值的绝对值就可以看出来。无论在宝鸡端还是在德阳端，其附加电场在线路东侧传输距离都比西侧传输距离远，说明在西侧衰减快，在东侧衰减慢。

5）在地电场均匀度方面，凤翔台最大为4.1，其余台站附加地电场的均匀度均较好，各台的均匀度与2015年6月14日的基本相同。如2016年11月22日凤翔台长极距3个分量变化幅度值差异较大，EW分量其长短极距变化幅度差异也较大。

4.3 2018年4月28—29日记录的附加电场特征

2018年4月28—29日，宝德线由四川德阳向陕西宝鸡供电，线路周边较大范围的地电场台站记录到了附加电场。由图4可见，分别处于线路北、南两端的凤翔、江油台长极距各分量记录到的附加电场实际分为两部分，即两个时段。其第一个时段是4月28日10时20分至4月29日10时17分，第二个时段是4月29日11时32分至12时26分。两个时段的变化幅度明显不同，如凤翔台NS分量第一 时 段 变 化 幅 度 为99.48 mV·km−1，第 二 时 段为201.51 mV·km−1。凤翔台其他分量和江油台的各分量记录的两次附加电场变化幅度也不一致。通过对比多个台站记录情况，发现凤翔、乾陵、江油等台均能记录到两个时段的附加电场，除此之外的台站只能记录到第二个时段的附加电场。线路北端能记录到附加电场的较远台站分别是甘肃天祝地电场观测台阵中的松山、古丰台以及宁夏的银川台，南端能记录到附加电场的较远台站有重庆武隆仙女山台、巫溪红池坝台以及湖北的应城台（应城台的r为853 km，由于其分辨率低、可信度有限，本文不予考虑）。结合线路两边地磁台Z分量干扰变化幅度可以看出，两个时段来自信号源的信号强度大小明显不同。根据地磁场所和地电场受高压直流干扰的机理可知，两个时段从接地极进入大地的电流大小不同是导致两个时段记录的附加电场幅值产生差异的直接原因。

图4 2018年4月28—29日多个地电场台长极距NS分量附加电场波形图

4.4 比值曲线变化特征

以距离最近、变化幅度最大的凤翔台长极距NS分量的附加电场值为准，其他台站附加电场值与之相比，得出比值曲线如图5所示。图中，黑色线为2015年6月14日的比值曲线；红色线为2016年11月22日的比值曲线。可以看出，两次高直干扰产生的附加电场比值曲线基本重合。经计算分析，多次干扰时各台产生的附加电场变化幅值比值曲线也基本重合。由此可推出，当某台的比值出现较大偏差时，说明幅值变化异常，产生的原因可能是观测系统故障或其他干扰，也可能是台站位置电性参数发生改变。

图5 多台长极距NS分量附加电场变化幅度比值曲线

5 讨论与结论

附加电场的变化主要体现在幅值、变化形态和变化方向3个方面。

1）附加电场的幅值。各台记录的附加电场的幅值大小决定了高直干扰的影响范围。归结起来，附加电场的幅值大小主要受信号源和传输介质两个方面的因素影响。

据方炜等[12]研究，高压直流输电对地电场观测的影响与入地电流成正比，与地电场观测场地到换流站接地极的距离的平方和影响区域的电导率成反比。也就是说，对于同一个地电台来说，当入地电流增大时，地电场受影响的幅度也随之增大；在入地电流不变时，距离接地极越近的地电台受影响幅度也越大，与接地极距离相等的地电台受影响幅度取决于台站所在区域的电导率，电导率越大的台站受影响的幅度越小，符合欧姆定律揭示的电场与电导率的关系。

马钦忠等[8-11]在对比研究陕甘宁晋地区、川滇地区、山东半岛等处的附加电场信号特征时，认为这些区域中的断裂带均属于大尺度范围的电性结构非均匀性地带，对地下电流的传播有一定影响。不同地区的地质构造、断裂带的分布规模和走向及地下电性结构均相差很大，导致不同地区地电场的空间变化特征存在差异。

本文研究显示：

①在距离信号源（宝鸡或德阳换流站）28 ～412 km范围内的多个地电场台记录到附加电场，总体上看，附加电场幅值大小与线路中供电电流的大小有关，且随着与信号源距离的增加附加地电场变化幅值随之减小，但存在远距离台站变化幅值大于近距离台站变化幅值和近距离台站记录不到的现象。

②比较多个台站记录的附加电场，可看出附加电场信号在不同区域传播的距离远近也不同，似乎显示一定的方向性分布特征，揭示各地区的地电场变化的区域性差异。这与马钦忠等研究的结果类似，宝德线高压直流输电线路产生的附加电场信号在地震断裂带（如鄂尔多斯地块的西南缘的断裂带、汾渭地震带）走向传输较远，在垂直（跨越）断裂带走向的方向传输较近，甚至记录不到的情况。也就是说，地震断裂带对电场信号的传输在垂直走向上具有阻隔作用，在沿走向方向上有传导作用。

③同一台站不同分量记录的附加电场变化幅度存在较大差异，相同分量不同极距记录的附加电场变化幅度比即均匀度差别也较大，即同一方位上，长短不同的极距所测得的附加电场值呈现比较复杂的情况。供电方向和大小相同时，多台相同分量多次记录的附加电场变化幅度比值基本保持不变。

2）附加电场变化形态和变化方向。

通过对上述3次典型附加电场变化情况的研究可以看出：

①附加电场信号存在方向性。附加电场的变化方向主要取决于线路供电方向（即入地电流的方向）。对于同一个台站同一个分量来说，两次不同方向供电时，产生的附加电场方向正好相反；两次相同方向供电时，产生的附加电场方向也一致。这种一致性可以用来对线路影响范围内地电场观测系统接线正确与否进行判断[13]。

②附加电场信号的波形主要表现为方波，但存在着随台站与信号源距离的增加畸变程度增大的现象。一些台站只能记录到大电流开始和结束时的尖峰脉冲信息。由高压直流输电线路产生的附加电场形成机理可知，在接地极附近一定范围内的台站均会受到入地电流的影响。对于像宝德线这样全长仅约为534 km（两极球面距离为446 km）的线路，处在其中段附近的台站将会同时受到两个接地极入地电流的影响，两个极的电流方向相反。本研究中，唯一处在线路中段的台站是距宝鸡换流站249 km、距德阳换流站221 km的汉王台，其到线路的垂直距离约为115 km，但未记录到附加电场。除此之外，再无合适台站资料来研究本条线路中段台站记录附加电场波形特征。

③对于某次附加电场来说，同一个地电场台相同分量的长、短极距记录到的附加电场变化方向总是一致的，但不同分量记录到的附加电场变化方向并不完全一致；不同台站相同分量的变化方向有的一致，也有不一致的，还有反向的。各台站地下电性结构的差异性是导致其观测到的电磁信号存在差异性的重要原因，台站测区下方的电性结构非均匀性对附加地电场在某个方向上的均匀程度有很大影响。