高压直流输电对新疆区域地电场观测的影响分析①

雷 晴, 关冬晓, 李晓东, 朱治国

(新疆维吾尔自治区地震局，新疆 乌鲁木齐 830011)

高压直流输电(High Voltage Direct Current简称HVDC)工程，是国家实施“疆电外送”的输电工程。昌吉—古泉±1 100 kV高压直流输电线路[1-2]工程起于新疆准东换流站，止于安徽宣城换流站(以下简称昌宣线高压直流输电工程)，途经6省区，线路总长度约3 304.7 km，输送容量12×106kW，电压为±1 100 kV，为世界最高电压的工程应用。由于昌宣线高压直流输电工程在新疆区域内的投入运行，对地电场观测资料造成了较大范围的影响。

目前，全国有32条高压直流输电线路在运行，电磁观测资料受到不同程度影响。唐波[3]、葛光祖[4]等对高压直流输电线路和换流站接地电流影响下的地电场资料进行了相关研究；方炜[5]等对高压直流输电入地电流与土壤电导率下的地电场强度进行研究；陈俊、蒋延林[6]等研发了1套高压直流输电线路判别系统。全国各地震台站电磁观测资料受到的高压直流输电干扰线路不同。有的台站受到单线路高压直流输电干扰，而有的台站则受到多条线路的高压直流输电干扰，且各台站与高压直流输电站所受扰的相对位置、影响大小都不相同。因此，不同区域电磁台站应结合所受干扰情况做具体详实的分析研究。

新疆区域共有5个台站的5套地电场仪对地电场水平分量进行长期监测，观测资料具有多年连续性和稳定性特点。新疆区域地电场观测分别位于新疆北部、西部和南部，台站和仪器型号分别为乌鲁木齐台ZD9A-II地电场仪、红浅观测点GEF-2地电场仪、温泉老台GEF-2地电场仪、乌什GEF-2地电场仪、和田台ZD9A-II地电场仪。由于2018年10月昌宣线高压直流输电的架设和运行，位于北疆区域的3个台站的3套地电场观测资料受到了不同程度的影响。受昌宣线高压直流输电干扰的地电场台站为乌鲁木齐台、克拉玛依红浅观测点和温泉老台，距准东换流站的距离分别约为160、330、620 km。而位于新疆西部、南部，距准东换流站距离约880 km的乌什台、1 150 km的和田台地电场观测资料未受其影响。

本文中主要针对新疆区域地电场受昌宣线高压直流输电的环境干扰，分析各地电场观测资料受其干扰影响的成因及变化特征。同时采用最小二乘拟合法对干扰资料进行处理，产出可靠的地电场观测资料，提高新疆区域地电场观测资料的准确性和可靠性，对地电观测资料于地震监测的应用效果具有一定的实用意义。

1 新疆区域受扰台站地电场观测资料简介

新疆区域共有乌鲁木齐、红浅观测点、温泉老台、乌什、和田5个地电场观测台站，地电场观测台站均为“十五”项目建设，采用中国地震局预测研究所研制的ZD9A-Ⅱ地电仪进行6测向地电场测量[7-9]。地电场观测均采用南北和东西2条正交测线进行布设，布极方式呈 “L”型布设，极距的选择遵循长短极距比为1∶1.5的标准。其中，乌鲁木齐台、红浅观测点、和田台、乌什台地电场均布设NS、EW、N45°E 3个方向；温泉老台布设了NS、EW、N45°W 3个方向，长短极距共6道观测数据。2018年11月，由于昌宣线高压直流输电干扰的全面建成和运行，北疆区域内的乌鲁木齐台、红浅观测点和温泉台地电场观测资料受到干扰。

乌鲁木齐台地电场观测站于2007年1月正式观测，构造处于天山中段北麓、准噶尔盆地南缘。克拉玛依地震台红浅观测点地电场于2007年1月开始观测，构造处于答拉布特—克拉麦里泥盆—石炭纪残余洋盆准噶尔盆地西缘，西部是盆地的界山加依东山，南依天山北麓，东临古尔班通古特沙漠。温泉老台地电场观测场2008年7月正式观测，构造处于准噶尔界山与博罗霍洛构造带的交汇部位，博尔塔拉河谷的台地[10]，周围有多处泉水出露，与博尔塔拉河谷大断裂有密切关系。

乌鲁木齐台、克拉玛依台、红浅观测点各地电场观测装置长极距分别为225、300、200 m； 短极距分别为150、200、150 m；斜道长极距分别为318、425、283 m；斜道短极距分别为212、283、212 m；电缆线均采取地埋布设，电极埋深分别为6、5、5 m。新疆区域内±1 100 kV昌宣线高压直流输电线路走向及各地电场台站分布如图1所示。

2 高压直流输电对地电场观测资料的影响

2.1 高压直流输电对地电场影响机理

高压直流输电的供电线路布线方式为双向线路。当输电线路正常工作时，电流从2条架空线上经过，方向相反，大小基本相当，只有少部分不平衡电流入地，此时产生的电磁场相互抵消，对地电场台站影响极小。而当高压直流输电系统出现故障或调试时，利用大地作为回路进行电力的输送[11-14]就会产生较大不平衡电流的外泄，进而对地电场观测资料造成一定影响。

新疆区域地电观测场监测范围内的观测环境相对稳定。受昌宣线高压直流输电工程全面建设影响，北疆区域地电场观测资料受到场地环境干扰。在高压直流输电的影响下，地电场观测资料主要受线路和入地电流2种因素干扰[3-4]。① 线路干扰机理：空间电荷沿着电力线方向运动形成了离子电流，从而产生了电场。此电场与线路所带电荷产生的静电场合成了直流输电线路下的空间电场。当空间电场发生变化时，地电场观测就会记录到相应的空间感应电场，感应电场叠加在测区大地电场上，对地电场观测资料造成影响；② 入地电流干扰机理：当高压直流输电系统发生故障或调试时，会有大量的不平衡电流注入大地，从而引起测区内接地极的地电电位发生改变，影响测量极之间的电场，造成地电场观测资料受到干扰。

对于引起地电场观测资料的2种干扰，以入地电流造成的干扰为主。昌宣线高压直流输电线路以准东换流站为起点，由西向东进行电力的输送。使得北疆区域内离换流站和高压直流输电线路约160 km的乌鲁木齐台、330 km红浅观测点和约620 km的温泉老台地电场受到了不同程度的扰动。

2.2 地电场观测数据的受扰形态特征

地电场观测数据受地理位置、地下构造、布极环境、装置系统运行等不同因素的影响，曲线形态呈现多样性和复杂性[15-16]。中国大陆地电场曲线日变形态主要有4种类型：“峰-谷”型、近直线型、无序变化型、混合型[17-18]。新疆区域内受到高压直流输电干扰的3个地电场观测资料日变形态均为“峰-谷”型。

2018年11月乌鲁木齐地电场观测资料首次记录到高压直流输电干扰。截至2020年，新疆区域各地电场观测共记录到昌宣线高压直流输电干扰179次。其中乌鲁木齐台地电场观测记录到干扰61次，红浅观测点记录到干扰100次，温泉老台记录到干扰18次。高压直流输电干扰频次较高，表明故障或调试频发。而高压直流输电干扰频次较低，则表明输电线路运行基本正常，故障或调试频率较小。

当地电场测区内受到高压直流输电的干扰时，观测数据在表现形式上有台阶、尖峰、畸变等变化形态。数据变化形态一般为方波的干扰形态，这与高压直流输电较高的入地电流影响有关。受昌宣线高压直流输电干扰，2018年12月19日乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉台的地电场观测数据出现了一组较为明显的同步台阶变化，表现形态为方波。乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台的地电场长极距NS向观测受昌宣线高压直流输电干扰见图2。

图2 新疆区域地电场2018年12月19日受昌宣线高压直流输电干扰分钟值数据曲线图(a) 乌鲁木齐台长极距NS向 (b) 红浅观测点长极距NS向 (c) 温泉老台长极距NS向Fig.2 Minute data value of geo-electric field disturbed by Changji-Xuancheng HVDC transmissionin Xinjiang region on December 19,2018

根据昌宣线±1 100 km高压直流输电单极大地返回的机理，大量电流注入接地极，引起接地极的地电位升高，从而导致地电场观测数据显著变化。2018年12月19日11时08分至12时43分，乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台的地电场各测道观测数据出现了急剧上升或下降的台阶变化，台阶数据持续时间基本相同。表明高压直流输电对地电场观测数据的干扰在电流注入和停止时产生1组台阶变化，注入电流停止后各台站各测道的数据恢复正常。

根据电磁同源异相的特点，当地电场观测受到高压直流输电干扰时，地磁观测也会受到相应的干扰变化。如图3所示，乌鲁木齐台FHDZ-M15和FGM-01 2套地磁观测资料于2018年12月19日世界时间03时08分至04时43分记录到高压直流输电干扰。同时，查阅国家地磁台网中心发布的地磁台网高压直流输电判别处理系统，该系统能实时同步高压直流输电对各地磁台站干扰时间及强度，表明此次干扰来源于昌宣线高压直流输电。

图3 乌鲁木齐台地磁场2018年12月19日受昌宣线高压直流输电干扰分钟值数据曲线图(a) FHDZ-M15垂直分量 (b) FGM-01垂直分量Fig.3 Minute data value of geomagnetic field at Urumqi station disturbed by high voltage DC transmissionof Changji-Xuancheng line on December 19, 2018

在此次高压直流输电干扰下，各台站地电场观测受扰变幅不同。乌鲁木齐台地电场长极距NS向受扰变幅达1.85 mV/km，红浅观测点地电场长极距NS向受扰变幅达3.22 mV/km，温泉老台地电场长极距NS向受扰变幅达3.75 mV/km。图1表明，距离高压直流输电工程较近的乌鲁木齐台地电场观测变化幅度反而小于距离较远的温泉老台地电场观测。产生这种变化幅度的原因与乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台3个台站地电场测区内的土壤电导率有关。

高压直流输电采用大地作为回流电路，即假设单极直流接地点为点电流源(半球形接地体，且电流较稳定)，在理想状态下使用均匀土壤介质，可根据公式(1)计算距离点电流源空间距离为r处的电场强度，

(1)

式(1)中Im为入地电流大小，单位A，γ为土壤电导率，单位s/m。

公式(1)表明，高压直流输电对地电场观测的影响与入地电流成正比，与土壤电导率、与换流站接地极距离的平方成反比。因此，乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台3个台站地电场观测受同1次高压直流输电影响的变幅不仅受距离的影响，同时受测区内的土壤电导率的影响。

2018～2020年新疆区域乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台地电场观测受高压直流输电典型干扰影响的部分统计情况见表1。表中列举了新疆区域2018～2020年期间同台不同时段、不同台相同时段如2019年12月30日各地电场受扰的变幅及变化形态，变幅量正表示为正向台阶变化，负表示为负向台阶变化。

表1 2018～2020年新疆区域地电场观测受昌宣线高压至输电影响部分统计

由于昌宣线高压直流输电线路走向，北疆区域的3个地电场观测资料均受到了影响。数据曲线表现出时间同步，变化形态一致，台阶变化幅度约在0.5～25 mV/km范围内。地理位置上，影响范围从距离约为130 km的乌鲁木齐台至距离约680 km的温泉台。由于各地电场台站电极布设方式不同，导致各台站受扰时的台阶方向及变幅有所差异。

在同一次高压直流输电干扰下，各地电场不同分量的变化方向未必完全一致，但各分量长短极距的变化方向确具有一致性(表1)。这是由于高压直流输电换流站相对于地电场长短极距的距离大很多，对于地电场的干扰属于远场干扰。当地电场的受远场干扰时，在各向同性质的均匀连续介质中，同一方向上长、短极距观测到的地电场强度应具有一致性[19]。根据表1各地电场受扰的变幅大小，同一方向的干扰变幅比值情况如表2所示。

表2 2018～2020年新疆区域各地电场同一方向干扰幅度比值

受高压直流输电干扰，乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台地电场观测的长短极距变幅比接近于1(表2)。进一步说明，高压直流输电对于各地电场的干扰属于远场干扰，对同一方向上造成的干扰幅度基本相同。

2.3 受干扰观测数据的抑制

最小二乘拟合是数据处理中常用的曲线拟合方法。在地电场的观测中，王兰炜[20]等采用最小二乘拟合法对地电场受扰数据进行消除。采用最小二乘拟合法处理受扰数据，未对地电场观测数据的原有信息、变化形态造成影响。实验中，采用最小二乘拟合法对新疆区域受高压直流输电干扰数据进行处理，保留地电场观测数据原信息量和变化形态。

实验对新疆区域受高压直流输电干扰的乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台地电场受扰数据进行最小二乘拟合法消除干扰。2019年12月27日，乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台地电场长极距NS分量受扰数据进行处理，见图4。

图4 地电场长极距NS分量受高压直流输电干扰分钟值数据曲线及处理后曲线(a) 乌鲁木齐台受扰信号 (b) 乌鲁木齐台最小二乘拟合后的信号 (c) 红浅观测点受扰信号(d) 红浅观测点最小二乘拟合后的信号 (e) 温泉老台受扰信号 (f) 温泉老台最小二乘拟合后的信号Fig.4 Minute data and processed curves of long pole distance NS componentof geoelectric field disturbed by HVDC transmission

2019年12月27日乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台地电场观测数据受昌宣线高压直流输电干扰，干扰期间与正常数据背景下出现一个较为明显的方波。27日20时21分和21时06分，3个受扰地电场长极距出现急剧上升或下降的同步台阶变化，数据台阶变化的持续时间在20时22分～21时05分之间。由此确定，高压直流输电干扰对地电场观测数据的干扰仅在入地电流注入和停止供电时产生一组相应的台阶变化。入地电流注入时间内，电场稳定，地电场观测数据稳定。实验图件中画框部分为各观测点地电场长极距NS分量受扰时段数据，采用最小二乘法进行插值拟合后，数据曲线形态未受影响、趋势清晰。

3 结论

由于受昌宣线高压直流输电干扰的影响，新疆区域乌鲁木齐台、红浅观测点、温泉老台3个地电场观测数据受到了较大的影响。通过对受扰的地电场观测数据进行分析研究及实验，得出以下结论:

(1) 根据±110 kV昌宣线高压直流输电线路走向及换流站的位置，新疆区域内乌鲁木齐台、红浅观测点和温泉老台3个地电场观测资料受到不同程度的扰动，影响距离达到620 km。高压直流输电干扰时，各地电场在受其干扰的开始和结束时间，呈现出大幅的台阶变化，构成方波的变化形态。受扰的地电场观测数据出现变化时间同步、形态基本一致的特征。

(2) 高压直流输电对地电场观测数据变化幅度的大小，与观测场地和换流站的距离远近、入地电流大小、观测场区的土壤电导率有关。受高压直流输电干扰的同一观测场地，长短极距变幅大小的比值接近于1，属于远场干扰。

(3) 受昌宣线高压直流输电线路走向及换流站的位置影响，乌鲁木齐台和温泉老台地电场各方向观测数据受其影响，台阶方向均为同步向上或向下的变化，而红浅观测点则表现出EW方向与NS、NE 向相反的台阶方向。地电场数据受扰的方向与高压直流线路的距离、接地极的距离、各地电场台站电极布设方式等因素有关，导致各台站观测资料受扰时的台阶方向及变幅有所差异。

(4) 最小二乘拟合法适用于受高压直流输电干扰的地电场数据，采用最小二乘拟合法进行干扰消除后的数据曲线趋势清晰，保留了原信号的信息量和变化形态。

高压直流输电干扰是新疆区域地电场观测资料近2年才出现的干扰事件。通过对新疆区域受扰的地电场观测资料变化形态、变幅大小、变化方向等进行分析研究，为新疆区域地电场观测受高压直流输电线路干扰的识别、判定和处理提供相应的参考依据。