羅詞建

（陜西省地震局，西安 710068）

0 引言

隨著國家經(jīng)濟社會快速發(fā)展，中國電網(wǎng)建設規(guī)模也越來越大，基本形成“西電東送，南北互供，全國聯(lián)網(wǎng)”的電發(fā)展格局[1]。在傳輸方式上，優(yōu)點突出的高壓直流輸電系統(tǒng)已經(jīng)被普遍應用。然而，有研究表明，高壓直流輸電對地震觀測中電磁觀測的影響是客觀存在的。

蔣延林等[2]研究認為，在工程試運行階段及運行出現(xiàn)故障時，會產(chǎn)生較大的不平衡電流，在輸電線及換流站周圍產(chǎn)生的干擾磁場將影響正常的電磁觀測，尤其是對輸電線路兩側(cè)300 km內(nèi)范圍的電磁觀測影響尤為劇烈。

唐波等[3]指出，高壓直流輸電線路對地電場觀測的干擾主要為線路極導線的合成場的干擾和換流站接地極入地電流的干擾；葛光祖[4]分析了直流輸電系統(tǒng)對地電場觀測的干擾機理和干擾特點，結(jié)合直流輸電系統(tǒng)運行方式和地電場觀測儀器的觀測原理，認為直流輸電系統(tǒng)極導線合成場和接地極入地電流會對地電場觀測造成電磁干擾。寶德線路較短，本文不考慮合成場的影響，著重研究入地電流的影響。

王向陽等[5]以山西地磁場觀測臺站和山西、寧夏、山東部分地電場臺站觀測為例，分析其受寧夏—山東±660 kV直流輸電工程運行的干擾情況，結(jié)果表明，高壓直流輸電工程的運行對山西地磁場觀測及送受端換流站附近的寧夏、山東地電場觀測影響明顯。這也表明了高壓直流輸電對地磁場和地電場的干擾是同步的。也就是說在工程試運行調(diào)試階段或運行出現(xiàn)故障時，線路產(chǎn)生較大的不平衡電流，從而產(chǎn)生感應磁場或通過接地極流入大地，致使一定范圍內(nèi)的地磁觀測受到影響，一定范圍內(nèi)的地電場觀測也會同時受到影響。

寶雞—德陽±500 kV高壓直流輸電工程途經(jīng)陜西、甘肅、四川三省，分布在線路兩端及周邊500 km范圍內(nèi)的陜、甘、寧、晉、豫、鄂、渝、川等?。ㄊ?、區(qū)）的20多個地電場觀測臺站受到不同程度的影響。這些地電場臺站分布在多個不同的地震斷裂構(gòu)造帶附近，通過研究高壓直流輸電對線路周邊地電場觀測干擾的特征和規(guī)律，有助于獲得地電場臺站監(jiān)測范圍內(nèi)的地下介質(zhì)的電性參數(shù)變化，對地震監(jiān)測預報中震前異常判定具有極其重要的意義。

1 寶雞—德陽±500 kV高壓直流輸電工程簡介

寶雞—德陽±500 kV高壓直流輸電工程（以下簡稱寶德線）于2009年12月28日建成投入運行。寶德線起點為陜西寶雞（鳳翔縣柳林鎮(zhèn)）換流站，落點為四川德陽（羅江區(qū)御營鎮(zhèn)）換流站，線路全長約534 km，途經(jīng)陜西、甘肅、四川3省[6]。線路額定電壓為±500 kV，額定容量為3 000 MW，額定電流3 000 A，最大持續(xù)電流3 390 A，最大短時電流4 500 A。寶雞換流站接地極極址位于千陽縣城北8 km處的張家塬，與換流站相距約27 km；德陽換流站接地極極址位于綿陽市安縣永河鎮(zhèn)梓潼村，與換流站相距約25 km[7]。

寶德線作為“南北互供”線路，其送電方向會因時因需而變。德陽換流站作為整流站，寶雞換流站作為逆變站運行時，稱為功率正送運行方式；德陽換流站作為逆變站，寶雞換流站作為整流站運行時，稱為功率反送運行方式。德寶直流輸電工程主要在正送方式下運行即常規(guī)送電方向為從四川的德陽換流站至陜西的寶雞換流站。四川、陜西兩地分別利用各自的水資源和煤礦資源進行發(fā)電，并形成“南北互供”。豐水期，將四川的“水電”通過功率正送方式輸送到陜西；枯水期，將陜西的“火電”通過功率反送方式輸送到四川，形成“水火互濟”，優(yōu)化了兩地能源資源，提高了兩地的用電水平，同時也為研究提供了更豐富的資料。

2 地電場觀測臺站

圖1 為寶德線的線路走向及其周邊地電場臺站分布圖。如圖所示，在線路東北側(cè)主要分布有陜西的鳳翔、寶雞、周至、乾陵、合陽臺及山西的臨汾、夏縣和河南的洛陽、周口等臺；在線路西北側(cè)分布有寧夏的固原（彭堡）、中衛(wèi)、銀川臺以及甘肅的平?jīng)觯ㄡ轻迹?、天水、蘭州臺和天祝地電場臺陣；線路西南側(cè)有甘肅的漢王、四川的江油、成都、瑪曲、甘孜等臺；線路東南側(cè)有重慶的武隆（仙女山）、巫溪（紅池壩）及湖北的應城臺。觀測儀器型號為ZD9A型或GEF-II型大地電場儀，頻率范圍為：0～0.1 Hz，采樣率：1次/min。這些臺站都是多極距布設裝置系統(tǒng)，即在東西、南北、北東（或北西）方向上布設了兩道長短不一的極距，以便排除噪聲，從而監(jiān)測到真正的地電場信號。各電場臺站的電極布極均采用雙“L”型，即每個臺站在兩個正交方向NS、EW和斜道方向NE（或NW）均有兩個測道，即長、短極距觀測。在此需要說明的是，鳳翔臺的電極布設雖然也為雙“L”型，但其斜道的方向為NS，兩正交方向是NE和NW。

圖1 寶德線的線路走向及其周邊地電場臺站分布圖

3 地震地質(zhì)背景

馬欽忠[8-11]等研究人工源地電場空間變化區(qū)域性特征時，認為在許多地電場臺站可以觀測到來自人工源的附加地電場信號，且該附加地電場信號的強度和變化特征與本區(qū)地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。本文研究區(qū)域主要涉及到鄂爾多斯地塊西南緣的斷裂帶、汾渭地震帶、秦嶺構(gòu)造帶、龍門山斷裂帶等。這些斷裂帶均屬于大尺度范圍的斷裂帶，也是電性結(jié)構(gòu)非均勻性地帶；在局部還存在小規(guī)模的活動斷裂，如布設有多個地電場觀測臺站的六盤山地震帶由第四紀活動十分強烈的斷裂構(gòu)成，主要表現(xiàn)為擠壓逆沖和左旋走滑運動。歷史上發(fā)生過10多次7級以上強震或大震，僅20世紀以來，就先后發(fā)生了包括l920年海原8.5級地震的多次大震。其頻度之高，強度之大，在中國大陸實屬少見。地電場觀測規(guī)范規(guī)定臺站一般布設在地震斷裂帶附近。在寶德線北端附近的陜西省地電場觀測臺網(wǎng)中的鳳翔臺，地質(zhì)構(gòu)造上處于隴縣-岐山馬召斷裂附近；乾陵臺處于渭河斷陷盆地中段與陜北黃土高原分界線附近，在關(guān)山-口鎮(zhèn)斷裂以南、乾縣-富平斷裂的北側(cè)；寶雞臺處于控制渭河斷陷盆地的秦嶺北緣斷裂以北、渭河斷裂的南側(cè)，渭河EW向斷裂與虢鎮(zhèn)-固關(guān)NW向斷裂的交匯部位附近；周至臺處于隴縣-岐山-馬召斷裂與周至-余下斷裂交匯處，距離秦嶺北緣斷裂約4 km；合陽臺處于韓城斷裂與從測區(qū)西3～5 km處通過的合陽-蒲城隱伏斷裂之間，靠近韓城斷裂附近。甘肅平?jīng)雠_，寧夏的固原臺、銀川臺、中衛(wèi)臺都是布設在六盤山斷裂帶附近。

南端的主要斷裂帶為龍門山斷裂帶，由3條大斷裂構(gòu)成，分別是：龍門山后山大斷裂，其范圍大致是汶川—茂縣—平武—青川一線；龍門山中央大斷裂的范圍大致是映秀—北川—關(guān)莊一線；龍門山主山前邊界大斷裂的范圍大致是都江堰—漢旺—安縣一線。成都、江油臺基本都布設在上述斷裂帶附近。寶德線的走向與南北地震帶走向基本平行，且與其近年來地震頻發(fā)的中段距離非常近。

4 地電場變化特征分析

當高壓直流輸電線路故障或調(diào)試時，在線路接地極附近一定范圍內(nèi)的地電場觀測會受到某種程度的影響，在地震觀測中將這種影響稱為“高直干擾”，其具體表現(xiàn)是在正常的地電場觀測曲線上疊加了高壓直流輸電線路產(chǎn)生的附加電場。本文研究的來自寶德線的高直干擾實際就是一種人工源附加電場，只不過這種人工源產(chǎn)生的入地電流不是人為刻意注入的，而是高壓直流輸電線路調(diào)試和運行出故障時產(chǎn)生的，在全國范圍地電場和地磁場觀測中高直干擾是普遍存在的。蔣延林等在分析高壓直流輸電對地磁觀測影響的特征時指出，位于高壓直流輸電線路兩側(cè)的地磁臺站受高直干擾時，其Z分量變化方向相反，基本滿足右手螺旋定則[2]。因此，可以通過高直干擾產(chǎn)生時地磁場Z分量的變化方向來判斷線路的電流方向。來自寶德線的高直干擾每年次數(shù)并不固定，有的年份多，有的年份少。但從總體上看，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，因改變供電方向時需要調(diào)試系統(tǒng)，干擾次數(shù)較其他時段多得多。寶德線隨季節(jié)而調(diào)整的特殊供電方式，為判斷線路的電流方向提供了參考，同時也為本文研究地電場觀測受高直干擾時的附加電場變化特征提供了更多的基本資料。下面分別分析3次典型的附加電場的變化特征。

4.1 四川德陽向陜西寶雞供電時產(chǎn)生附加電場的特征

2015年6月14日，寶德線從四川德陽向陜西寶雞方向供電，北京時間2時1分至3時29分線路周邊多個地電場臺記錄到其附加電場。圖2給出了這些地電場臺站觀測到的附加地電場波形圖，表1計算了各臺各分量附加地電場變化幅值。在表1中，為了表述方便將NE方向的數(shù)據(jù)填寫在表格EW欄內(nèi)；分別表示NS方向地電場長、短極距電場分量，其他方向均如此表示。表1給出了能夠觀測到該附加地電場的各臺站每個分量最大幅值的觀測數(shù)據(jù)。

由圖2和表1可以看出，當附加電場產(chǎn)生時，測區(qū)地電場的變化特征表現(xiàn)為以下4個方面。

表1 2015年6月14日寶德線周邊地電場臺站觀測到的地電場信號特征

圖2 2015年6月14日寶德線周邊地電場臺站觀測到的附加電場波形圖

1）高直干擾的影響范圍特征。產(chǎn)生干擾時，在距離信號源（寶雞或德陽換流站）28～412 km范圍內(nèi)的多個臺記錄到附加電場。從記錄到的附加電場變化幅值來看，隨著與信號源距離的增加，附加地電場變化幅值隨之減小，但存在遠距離臺站的觀測幅值大于近距離臺站觀測幅值的現(xiàn)象。鳳翔臺距離信號源僅28 km，記錄到的信號幅值最大，距離信號源100 km處的乾陵臺觀測到的幅值比距離信號源51 km寶雞臺的大，與乾陵臺到信號源距離相當?shù)闹苤僚_記錄的附加電場變化幅值反而比乾陵臺記錄到的小很多，甚至與距離376 km的夏縣臺、412 km的臨汾臺記錄的變化幅值相當。

2）附加電場變化形態(tài)和極化方向特征（變化方向）。當附加電場產(chǎn)生時，在距離較近的鳳翔臺、乾陵臺、成都臺觀測到了完整的方波，其他臺站觀測到的波形均發(fā)生了不同程度的畸變。附加電場極化方向特征是指地電場觀測中異常信號的增長方式，即正增長或負增長。如圖2所示，在寶雞端有的臺站記錄的是正向附加電場，如鳳翔臺、平?jīng)雠_的6個分量附加電場全部為正；有的臺站記錄的是負向附加電場，如寶雞臺、合陽臺的6個分量附加電場全部為負。在德陽端武隆臺6個分量記錄的是正向附加電場，無臺站記錄到6個分量全為負向的附加電場。其余臺站三個分量記錄的附加電場中有的是正向，有的是負向，各臺站并不一致，但各臺站同方向上長、短極距記錄的附加電場方向是一致的，要么都為正向，要么都為負向。

3）記錄到本次附加電場的臺站中最近的臺是28 km（即表1中的r值）處的鳳翔臺，其長極距NS分量幅值達236.04 mV?km-1，最遠的臺是r為412 km的臨汾臺。但也存在距離較近而未記錄到附加電場的臺站，如r分別為116 km的天水臺、335 km的蘭州臺、362 km的中衛(wèi)臺、399 km的銀川臺均未記錄到附加電場；處在線路中段且距寶雞換流站249 km、距德陽換流站221 km的漢王臺到線路的垂直距離約為115 km，未記錄到附加電場。最為特殊的是距離寶雞換流站僅116 km的天水臺也未記錄到附加電場。距離寶雞換流站400～500 km范圍內(nèi)的天祝地電場臺陣均未觀測到該信號。另外，距離寶雞換流站480 km、距離德陽換流站367 km的瑪曲臺當時記錄到的電場波形畸變程度大，且變化幅度小，很難判斷是本次干擾，在此不作深入分析。

4）從附加電場信號衰減速度看，寶雞端東側(cè)記錄到信號最遠的是412 km處的臨汾臺，寶雞端西側(cè)記錄到信號最遠的是176 km處的固原臺。德陽端西側(cè)221 km處的漢王臺未記錄到附加電場，而在東側(cè)386 km處的武隆臺記錄到的附加電場非常清晰。

5）在地電場均勻度，即長、短極距信號幅值比方面，臨汾臺最大可達4.1，鳳翔臺最大為4.2，其余臺站附加地電場的均勻度均較好，即長、短極距信號幅值比約為1。

4.2 陜西寶雞向四川德陽供電時產(chǎn)生附加電場的特征

2016年11月22日，寶德線從陜西寶雞向四川德陽方向供電，北京時間11時52分至16時22分，線路周邊多個地電場臺記錄到附加電場。圖3給出了各地電場臺站觀測到的附加地電場波形圖，表2計算了各臺各分量附加地電場變化幅值。

由圖3和表2可以看出，當附加電場產(chǎn)生時，測區(qū)地電場的變化特征表現(xiàn)為以下5部分。

表2 2016年11月22日各臺站觀測到的地電場信號特征

圖3 2016年11月22日寶德線周邊地電場臺站觀測到的附加電場波形圖

1）高直干擾的影響范圍。此次干擾產(chǎn)生時，在距離信號源（寶雞或德陽換流站）28～376 km范圍內(nèi)的多個臺記錄到附加電場，相比2015年6月14日記錄的情況，能夠記錄到附加電場的范圍似乎更小，而實際情況是因為當時正常的大地電場變化幅度較大造成的。

2）附加電場變化形態(tài)和變化方向。如圖3所示，變化形態(tài)與2015年6月14日的情況一致，在距離信號源較近的鳳翔臺、乾陵臺、成都臺、江油臺均觀測到了完整的方波，其他臺站觀測到的波形均發(fā)生了不同程度的畸變。無論在北端還是在南端，各臺各分量的變化方向正好與2015年6月14日的方向相反，在此不再贅述。

3）記錄到本次附加電場的臺站中最近的臺是28 km處的鳳翔臺，其長極距NS分量幅值達-235.27 mV·km?1，最遠的是376 km處的夏縣臺。但也存在記錄波形不清晰和未記錄到的臺站，如r分別為386 km的武隆臺、399 km的銀川臺、105 km的平?jīng)雠_記錄的附加電場與當時變化幅度較大的正常背景疊加在一起，附加電場波形難以區(qū)分，變化幅值讀取不準（相應附加電場信息量與天然電場噪聲相當，而無法識別）；r值分別為116 km的天水臺、221 km的漢王臺、335 km的蘭州臺、362 km的中衛(wèi)臺、412 km的臨汾臺、447 km的巫溪臺均未記錄到附加電場。

4）從附加電場信號衰減速度看，也與2015年6月14日的情況一致，這通過對比表1和表2的附加電場幅度值的絕對值就可以看出來。無論在寶雞端還是在德陽端，其附加電場在線路東側(cè)傳輸距離都比西側(cè)傳輸距離遠，說明在西側(cè)衰減快，在東側(cè)衰減慢。

5）在地電場均勻度方面，鳳翔臺最大為4.1，其余臺站附加地電場的均勻度均較好，各臺的均勻度與2015年6月14日的基本相同。如2016年11月22日鳳翔臺長極距3個分量變化幅度值差異較大，EW分量其長短極距變化幅度差異也較大。

4.3 2018年4月28—29日記錄的附加電場特征

2018年4月28—29日，寶德線由四川德陽向陜西寶雞供電，線路周邊較大范圍的地電場臺站記錄到了附加電場。由圖4可見，分別處于線路北、南兩端的鳳翔、江油臺長極距各分量記錄到的附加電場實際分為兩部分，即兩個時段。其第一個時段是4月28日10時20分至4月29日10時17分，第二個時段是4月29日11時32分至12時26分。兩個時段的變化幅度明顯不同，如鳳翔臺NS分量第一 時 段 變 化 幅 度 為99.48 mV·km?1，第 二 時 段為201.51 mV·km?1。鳳翔臺其他分量和江油臺的各分量記錄的兩次附加電場變化幅度也不一致。通過對比多個臺站記錄情況，發(fā)現(xiàn)鳳翔、乾陵、江油等臺均能記錄到兩個時段的附加電場，除此之外的臺站只能記錄到第二個時段的附加電場。線路北端能記錄到附加電場的較遠臺站分別是甘肅天祝地電場觀測臺陣中的松山、古豐臺以及寧夏的銀川臺，南端能記錄到附加電場的較遠臺站有重慶武隆仙女山臺、巫溪紅池壩臺以及湖北的應城臺（應城臺的r為853 km，由于其分辨率低、可信度有限，本文不予考慮）。結(jié)合線路兩邊地磁臺Z分量干擾變化幅度可以看出，兩個時段來自信號源的信號強度大小明顯不同。根據(jù)地磁場所和地電場受高壓直流干擾的機理可知，兩個時段從接地極進入大地的電流大小不同是導致兩個時段記錄的附加電場幅值產(chǎn)生差異的直接原因。

圖4 2018年4月28—29日多個地電場臺長極距NS分量附加電場波形圖

4.4 比值曲線變化特征

以距離最近、變化幅度最大的鳳翔臺長極距NS分量的附加電場值為準，其他臺站附加電場值與之相比，得出比值曲線如圖5所示。圖中，黑色線為2015年6月14日的比值曲線；紅色線為2016年11月22日的比值曲線?？梢钥闯?，兩次高直干擾產(chǎn)生的附加電場比值曲線基本重合。經(jīng)計算分析，多次干擾時各臺產(chǎn)生的附加電場變化幅值比值曲線也基本重合。由此可推出，當某臺的比值出現(xiàn)較大偏差時，說明幅值變化異常，產(chǎn)生的原因可能是觀測系統(tǒng)故障或其他干擾，也可能是臺站位置電性參數(shù)發(fā)生改變。

圖5 多臺長極距NS分量附加電場變化幅度比值曲線

5 討論與結(jié)論

附加電場的變化主要體現(xiàn)在幅值、變化形態(tài)和變化方向3個方面。

1）附加電場的幅值。各臺記錄的附加電場的幅值大小決定了高直干擾的影響范圍。歸結(jié)起來，附加電場的幅值大小主要受信號源和傳輸介質(zhì)兩個方面的因素影響。

據(jù)方煒等[12]研究，高壓直流輸電對地電場觀測的影響與入地電流成正比，與地電場觀測場地到換流站接地極的距離的平方和影響區(qū)域的電導率成反比。也就是說，對于同一個地電臺來說，當入地電流增大時，地電場受影響的幅度也隨之增大；在入地電流不變時，距離接地極越近的地電臺受影響幅度也越大，與接地極距離相等的地電臺受影響幅度取決于臺站所在區(qū)域的電導率，電導率越大的臺站受影響的幅度越小，符合歐姆定律揭示的電場與電導率的關(guān)系。

馬欽忠等[8-11]在對比研究陜甘寧晉地區(qū)、川滇地區(qū)、山東半島等處的附加電場信號特征時，認為這些區(qū)域中的斷裂帶均屬于大尺度范圍的電性結(jié)構(gòu)非均勻性地帶，對地下電流的傳播有一定影響。不同地區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造、斷裂帶的分布規(guī)模和走向及地下電性結(jié)構(gòu)均相差很大，導致不同地區(qū)地電場的空間變化特征存在差異。

本文研究顯示：

①在距離信號源（寶雞或德陽換流站）28 ～412 km范圍內(nèi)的多個地電場臺記錄到附加電場，總體上看，附加電場幅值大小與線路中供電電流的大小有關(guān)，且隨著與信號源距離的增加附加地電場變化幅值隨之減小，但存在遠距離臺站變化幅值大于近距離臺站變化幅值和近距離臺站記錄不到的現(xiàn)象。

②比較多個臺站記錄的附加電場，可看出附加電場信號在不同區(qū)域傳播的距離遠近也不同，似乎顯示一定的方向性分布特征，揭示各地區(qū)的地電場變化的區(qū)域性差異。這與馬欽忠等研究的結(jié)果類似，寶德線高壓直流輸電線路產(chǎn)生的附加電場信號在地震斷裂帶（如鄂爾多斯地塊的西南緣的斷裂帶、汾渭地震帶）走向傳輸較遠，在垂直（跨越）斷裂帶走向的方向傳輸較近，甚至記錄不到的情況。也就是說，地震斷裂帶對電場信號的傳輸在垂直走向上具有阻隔作用，在沿走向方向上有傳導作用。

③同一臺站不同分量記錄的附加電場變化幅度存在較大差異，相同分量不同極距記錄的附加電場變化幅度比即均勻度差別也較大，即同一方位上，長短不同的極距所測得的附加電場值呈現(xiàn)比較復雜的情況。供電方向和大小相同時，多臺相同分量多次記錄的附加電場變化幅度比值基本保持不變。

2）附加電場變化形態(tài)和變化方向。

通過對上述3次典型附加電場變化情況的研究可以看出：

①附加電場信號存在方向性。附加電場的變化方向主要取決于線路供電方向（即入地電流的方向）。對于同一個臺站同一個分量來說，兩次不同方向供電時，產(chǎn)生的附加電場方向正好相反；兩次相同方向供電時，產(chǎn)生的附加電場方向也一致。這種一致性可以用來對線路影響范圍內(nèi)地電場觀測系統(tǒng)接線正確與否進行判斷[13]。

②附加電場信號的波形主要表現(xiàn)為方波，但存在著隨臺站與信號源距離的增加畸變程度增大的現(xiàn)象。一些臺站只能記錄到大電流開始和結(jié)束時的尖峰脈沖信息。由高壓直流輸電線路產(chǎn)生的附加電場形成機理可知，在接地極附近一定范圍內(nèi)的臺站均會受到入地電流的影響。對于像寶德線這樣全長僅約為534 km（兩極球面距離為446 km）的線路，處在其中段附近的臺站將會同時受到兩個接地極入地電流的影響，兩個極的電流方向相反。本研究中，唯一處在線路中段的臺站是距寶雞換流站249 km、距德陽換流站221 km的漢王臺，其到線路的垂直距離約為115 km，但未記錄到附加電場。除此之外，再無合適臺站資料來研究本條線路中段臺站記錄附加電場波形特征。

③對于某次附加電場來說，同一個地電場臺相同分量的長、短極距記錄到的附加電場變化方向總是一致的，但不同分量記錄到的附加電場變化方向并不完全一致；不同臺站相同分量的變化方向有的一致，也有不一致的，還有反向的。各臺站地下電性結(jié)構(gòu)的差異性是導致其觀測到的電磁信號存在差異性的重要原因，臺站測區(qū)下方的電性結(jié)構(gòu)非均勻性對附加地電場在某個方向上的均勻程度有很大影響。