0 引言

现代HVDC输电技术源自20世纪30年代的瑞典和德国，其早期工业化应用是1951年莫斯科与卡希拉和1954年哥特兰岛与瑞典大陆的HVDC输电工程(Arrillaga，1998；Hingorani，1996).1989年我国第一条“葛州坝至上海”的HVDC输电工程开建.随着水电、风电、太阳能发电等清洁能源的大规模快速发展，我国电网已成为世界发电增长最快的电网，越来越多的HVDC输电工程在全国范围内开工建设和投入运行.至2016年已建设18条高压和特高压线路，额定电流从最初的1200 A演化到5000 A，额定电压从500 kV至800 kV，甚至更大的1100 kV，HVDC输电工程建设势不可挡(安婷等，2017；沈红会等, 2005a, b；张军等，2013).随着工程实施，HVDC输电干扰问题已成为全国电磁工作者不可避免的共性问题，马钦忠等(2014, 2016)对受HVDC输电干扰的地电场空间变换特征做了深入的分析和解释，然而关于HVDC输电干扰对地磁场的变化特征集中在地磁场Z分量受干扰特征的研究，对地磁场其他要素的干扰特征目前没有相对深入的研究成果发表.对受HVDC输电干扰的地磁场各要素观测数据进行排查和干扰排除，涉及地磁场观测资料的真实性和应用研究的科学性，是数据科研应用的前提，在只是靠搬迁电磁台站已不能解决实际问题的现状下，对各要素干扰特征的深入分析已成为数据应用的基础条件.

随着全国地磁观测受到HVDC输电干扰的范围越来越广，2015年8月国家地磁台网中心在浙江金华召开了全国HVDC输电对电磁观测环境影响对策研讨与培训工作会议，为了正确预处理HVDC干扰数据，提高产出资料的精确性，中心搭建了Z分量高压干扰信息发布系统.多位相关领域学者也做了大量的研究工作.唐波等(2011, 2012)提出HVDC对地磁观测干扰是线路极导线电流差引起的，干扰幅度计算可以忽略电流在大地流动的情况，但是接地极附近HVDC干扰是由极址地面上电流产生磁场引起的.并推导了HVDC对Z分量干扰的精确计算公式，在对于距离线路10 km内的台站计算误差不大于5%.于长春等(2011)分析了HVDC干扰的理论磁异常特征.方炜等(2010)根据宝鸡—德阳HVDC输电线路周边台站干扰情况，结合安培定理和毕奥—萨伐尔定律计算了理想状态下HVDC输电对Z分量的干扰大小.蒋延林等(2014)通过对HVDC输电技术的介绍和故障分析，以及地磁观测日变形态，主要分析了HVDC输电对地磁场Z分量的影响特征，并根据台站距离估算了Z分量干扰幅度.陈俊等(2014)介绍了地磁台网高压直流输电判别处理系统设计.贾华等(2015)分析了宁东—山东高压直流输电系统对河北地磁观测Z分量的干扰情况.

但是随着HVDC输电额定电压和额定电流的增大，对H和D的影响也日益凸显.虽然对于多数台站，HVDC干扰在Z分量表现最为明显，但是对于接地极周边台站和某些处于特定地理位置和地质构造或输电线路特殊位置的台站，H和D的干扰幅度存在近于或大于Z分量干扰幅度的情况，对我们提出了新的研究方向和要求.并且随着HVDC输电线路的建设，换流站和接地极的增多，更加剧了对地磁台站H和D的干扰.以电能输入大省山东省为例，由于靠近宁东HVDC输电线路诸城接地极，安丘台的地磁观测Z、H、D均受到较大干扰，加之近期建设完成的内蒙古扎鲁特到山东青州的HVDC输电线，安丘台的地磁面临更严重的干扰.贯穿山东西南部的锡林郭勒盟至江苏泰州的额定电压±1000 kV的HVDC输电线路主体工程已于2017年6月底完工，2014年底开工建设的内蒙古上海庙至山东临沂的额定电流6250 A额定电压±800 kV的HVDC输电线路已于2017年12月底完成，地磁观测面临严峻的HVDC干扰考验(安婷等，2017).

本文分析了地磁场水平分量H、磁偏角D受HVDC输电的干扰特征，对宁东线H、D干扰幅度的全体性比例关系进行了分析研究，对H和D干扰产生的机理进行了深入的定性分析，并根据得到的干扰特征的结论，提出了以红山台Z、H、D干扰幅值为输入的宁东线10个台站的Z、H、D干扰幅度的算法.

1 地磁观测系统和宁东线简介

在本文研究中，我们选用了12个地磁台站的观测资料:红山台、涉县台、广平台、定襄台、昔阳台、太原台、泰安台、安丘台、大山台、济南台、榆林台以及蒙城台(图 1).其中蒙城台作为干扰幅度量取的参考台站，另外11个台站为宁东线附近Z干扰幅度较大的台站，也是距离宁东线直线距离较近的台站.之所以选择这些台站是考虑根据毕奥—萨伐尔定律以及右手螺旋法则，理论上这11个台站的H和D干扰幅度也应该相对较大，考虑H和D干扰幅度本身的微小，所以选择幅度相对较大的台站能够更加凸显H和D干扰幅度的规律，而不至于被背景噪声所淹没.12个台站中广平台、定襄台、昔阳台、安丘台、济南台5个台站使用的是FHD型质子矢量磁力仪，其余7个台使用的均为GM4磁通门磁力仪.FHD型质子矢量磁力仪，是一种连续测量和记录地磁场总强度(F)、水平强度(H)和磁偏角(D)时间变化的相对记录仪.尽管F是绝对值，由于记录的是绝对值的相对变化，所以将FHD型磁力仪归类为相对记录仪，分辨率0.1 nT，对磁偏角D的测量结果可精确到0.01 nT.GM4磁通门磁力仪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0.01 nT)、数字化、可靠、经济、耐用等优点(王晓美等，2008).经过多年观测结果对比，FHD和GM4观测数据具有非常高的一致性，可以用于观测数据的对比分析.

±660 kV银东直流输电工程(简称宁东线)起于宁夏灵武市的银川东换流站，东至胶州换流站，全程1333 km，其中山东黄河大跨越3.3 km，输电能力4000 MW，设计电流3000 A，导线采用4*JL/G3A-1000/45钢芯铝绞线，地线采用LBGJ-150-20AC铝包钢绞线，全线架设OPGW复合光缆一根.宁东线自2010年11月开始单极运行，2011年3月双极正式投入运行.宁东线银川东换流站接地极位于灵武东部的红柳沟，胶州换流站接地极位于诸城尚家庄村西500 m，南张洛村西偏北500 m的位置.

2 H、D受干扰特征分析 2.1 H、D受干扰的同步性

HVDC输电干扰的机理，在大量文献中有详细的阐述，可简单归结为当故障或调试时造成输电线路由双极运行变为单极运行，由此产生不平衡电流(唐波等，2011；方炜等，2010；蒋延林等，2014).当不平衡电流产生时，线路两侧台站同时受到干扰，而且不论是Z还是H和D，均同时受到干扰，关于此特性学者已经有大量的研究，也得到了广泛的认同，在此不再赘述.

2.2 H、D受干扰的偏向性

经过前期分析和基础研究，我们根据不平衡电流的方向，将HVDC干扰分为两种情况考虑，即不平衡电流方向由银川东至胶州(定义为正向电流)和不平衡电流方向由胶州至银川东(定义为反向电流)，当不平衡电流为正向电流时，我们选择了21次干扰事件进行分析，11个台站的干扰幅度见图 2a、b，其中图 2b为对图 2a进行了放大，以突显H和D的情况，从图可见，当电流方向为正向时，11个台站21次干扰事件共计231次干扰数据中，H为负值的次数为205，占所有干扰的88.74%，D为负值的次数为193，占所有干扰的83.55%.值得注意的是21次干扰中广平台磁偏角D有11次为正值.当电流方向为反向时，我们选择了20次干扰事件进行分析，11个台站的干扰幅度见图 2c、d，同样图 2d为对图 2c进行了放大.共计220次干扰数据中H为正值的次数为199，占所有干扰的90.45%，D为正值的次数为164，占74.55%.20次干扰中广平台磁偏角D有15次为负值，所以我们认为广平台HVDC干扰对磁偏角D的干扰特性有殊性.但是即便如此，H和D干扰与干扰电流的方向有明显相关性，随不平衡电流方向的改变表现出明显的偏向性.这种偏向性与HVDC线路两侧台站Z分量干扰方向的对称性表现特征类似，但是产生机制明显不同，对此，下文中有详细的说明.

2.3 H和D干扰幅度具有线性关系

考虑到H和D干扰机制的复杂性和干扰成分的多样性，所以我们延续之前的思路，将干扰分为正向电流干扰和反向电流干扰分别进行分析，之后进行综合分析.在研究干扰幅度时，我们采用与前人类似的研究方法，即以红山台的干扰幅度为参考，其余10个台站的干扰幅度与之进行数据相关分析.表 1~3为10个台站与红山台H、D、Z干扰幅度的相关系数.通过表 1~3的对比，我们可以发现：

(1) H和D干扰幅度均为正相关，表明同一HVDC线路两侧的台站的H和D干扰表现出同向性，即2.2节中所说的偏向性，方向随干扰电流方向的变化而变化.而并未表现出Z分量干扰所呈现的干扰方向与台站在HVDC线路两侧的分布有关的方向差异，而是线路两侧台站H和D干扰方向均相同.表 3中不同台站相关系数存在有正有负的情况，与图 1所示台站在HVDC线路两侧的不同位置分布对应.

(2) 对于HVDC线路附近的台站，H和D干扰幅度也呈现出一定的线性关系，如表 1正向电流干扰时，红山台与涉县台、太原台、泰安台、大山台的H分量干扰幅度相关系数均大于0.9，表现出明显的线性关系，而表 3中，正向电流干扰时，即使对于长期以来一直认为有明显比例关系的Z分量干扰幅度，红山台与广平台、定襄台、大山台、榆林台Z分量干扰幅度的相关系数均小于0.9，甚至与大山台相关系数仅有0.62.所以可以认为，宁东线两侧的台站，H和D干扰幅度也表现出线性比例关系，只是由于干扰幅度太小，该比例关系受到背景噪声或仪器分辨率的干扰和限制，未能明显的表现出来.

(3) 广平台D分量干扰幅度与红山台D分量干扰幅度相关系数极低，仅为0.15，与2.2节中所表现的特征一致，所以我们认为该台的D分量干扰具有特殊性.

我们发现相关系数较小的台站多为使用FHD型质子矢量磁力仪的台站，根据多年的观测经验，初步认为是由于FHD背景噪声较大造成的.为了进一步分析某些台站干扰幅度与红山台相应分量干扰幅度相关系数较小的原因，我们选取了11个台站2014年的观测数据，计算了11个台站的背景噪声水平，见表 1~3最后一行，可见高背景噪声与低相关系数相对应.背景噪声水平通过原始观测数据也可以清晰定性地判定，图 3为2014年7月22日H和D干扰幅度相关系数最小的4个台站与红山台原始波形数据，从图 3可见，无论是H还是D，相关系数最小的4个台站的原始波形曲线变化幅度明显大于红山台的变化幅度，即背景噪声水平明显高于红山台的背景噪声水平.所以我们认为由于H和D干扰幅度相对于Z干扰幅度的微小性，相关系数小的台站的背景噪声是造成这些台站H和D干扰幅度与红山台相应分量干扰幅度相关系数小的主要原因，即背景噪声影响了H和D干扰幅度量取的精度，所以我们认为宁东线HVDC线路两侧台站H和D干扰幅度具有线性关系，只是由于H和D干扰幅度明显小于Z干扰幅度，受到同等强度背景噪声的影响时，H和D受影响表现更加明显，所以有些台站的线性关系表现不明显.

2.4 接地极附近台站Z、H、D干扰幅度的线性关系

安丘台为接地极附近的台站，距离诸城接地极距离约为22 km，是宁东线附近所有台站距离接地极最近的台站.为了进行对比，计算了11个台站各自Z、H、D干扰幅度的相关系数，见表 4.从表 4可见安丘台的Z、H、D干扰幅度存在着高度的相关性，同样也有台站Z和H分量干扰幅度之间的相关系数较高，但总体上线路两侧的10个台站的相关性明显弱于安丘台Z、H、D的相关性，所以我们认为，接地极附近台站Z、H、D干扰幅度具有线性关系.

2.5 H和D干扰产生的机理分析

根据毕奥—萨伐尔定律：

(1)

电流源Idl在真空中某点产生的磁场dB，大小与r²成反比，与Idl成正比，方向与Idl×r方向一致.

对于Z分量的干扰，可以将HVDC输电线路分为多段载流直导线，各段载流直导线在某台站产生的磁场强度的叠加即为该台Z分量干扰的幅值(唐波等，2012；方炜等，2010；蒋延林等，2014)，而且虽然某段HVDC输电线路可能存在高程变化，但是这种高程变化相对于HVDC输电线路的长度和线路与台站的距离可以忽略不计，即台站和HVDC输电线路可以近似认为在同一水平面，所以各段HVDC输电线路在任一台站产生的Z分量干扰方向相同，所以可以认为这种叠加是同向线性叠加，即算数和，而非矢量叠加.

对于H分量的干扰，产生的因素有以下几种：

(1) 铁塔间弧形导线产生水平磁场.由于HVDC输电线本身的重力，虽然所有的电线都有钢芯，但由于铁塔跨度较大，所有铁塔间的输电线呈弧形，根据右手螺旋法则，弧形导线产生与导线所在平面垂直的磁场，根据H和D干扰的实际情况，我们认为这是HVDC输电线路两侧台站H和D干扰产生的主要因素.

(2) HVDC输电线路的地球球面弧度.宁东线位于北纬37°附近，该纬度地球的轴心圆周长约为32004 km，宁东线全长1333 km，根据宁东线两端接地极的经纬度，宁东线直线距离约1199 km，相当于该纬度13.49°的轴心角，所以线路产生与地球磁场方向大致平行但有一定夹角的磁场，而且低于输电线路高程和高于输电线路高程的台站相当于在内磁场和外磁场，即相当于在磁铁内部和外部，二者磁场方向相反.基于宁东线两端接地极的经纬度差，宁东线地球球面弧度产生磁场方向与地理经线夹角约为7.7°，具体对于每一个台站则需要与台站当地磁偏角进行投影.

(3) 线路与台站存在高程差，Z分量干扰的水平分量.

(4) 宁东线两端换流站高程差.银川东换流站高程约1400 m，胶东换流变电站高程约100 m，研究认为地磁场Z分量的强度随高度增加而衰减，幅度为-15.368 nT/km(冯彦等，2013).所以总体上宁东线HVDC输电线路产生与线路总体方向平行的水平磁场，磁场强度约为Z分量强度的1/1000.综上所述，上述4个因素共同作用，4个因素产生的H分量磁场互相矢量叠加，形成我们最终观测到的H分量的干扰结果.

D分量的干扰主要是H分量干扰的东西方向的分量，即H_EW，上述我们分析H主要是因素(1)产生，基于宁东线的走向，见图 1，H的方向主要是南北方向，所以H_EW分量相对较小.于是我们推测经度走向的线路D分量干扰幅度会相对较大，于是我们选取从内蒙古呼伦贝尔伊敏换流站(48.6°N，119.8°E)至辽宁穆家换流站(41.1°N，122.7°E)的呼辽线10个台站5次干扰进行分析，并与宁东线进行对比，我们发现宁东线两侧台站451次干扰中同一台站D分量干扰幅度小于H分量干扰幅度1/5的占80.7%，而呼辽线50次干扰中同一台站D分量干扰幅度小于H分量干扰幅度的1/5的仅占40%，甚至50次干扰中有20%同一台站D分量干扰幅度大于H分量干扰幅度的情况，于是上述推论得到验证，也说明了我们分析结果的科学性和客观性.

3 应用及误差分析

经过以上分析，可知HVDC输电线路两侧台站的H和D干扰幅度可以通过标准台站的干扰幅度估算，我们以红山台为宁东线的标准台站，对宁东线其余10个台站的H、D干扰幅度进行估算.安丘台H和D干扰幅度可以通过该台的Z干扰幅度进行估算.在计算时，为了计算结果的准确性和精确性，同样需要根据干扰电流的方向分别进行估算.

对宁东线两侧10个台站与红山台相应观测分量干扰幅度进行线性拟合，对于与红山台相关系数高的台站，如涉县台，数据与拟合曲线一致性较好，数据拟合方差小，而对于与红山台相关系数低的台站，如广平台，数据相对离散，拟合方差较大.

以对安丘台的H、D和Z进行线性拟合(图 4)，其中图 4a、b为正向电流时H和D分别与Z的线性关系，图 4c、d为反向电流时H和D分别与Z的线性关系.红色直线为拟合的关系曲线，黑色虚线为一倍方差线.对HVDC输电线路两侧台站计算，根据表 1~3所有台站的相关系数，正向电流时，昔阳台的H采用安丘台的H进行计算.广平台、泰安台、大山台与涉县台的D相关系数更高，所以用涉县台计算此3个台的D.反向电流时，涉县台与安丘台相关系数最高，采用安丘台的H计算涉县台的H，涉县台、榆林台与太原台相关系数最高，用太原台计算此2台的D，泰安台、大山台与安丘台相关系数最高，用安丘台计算此2台的D.

为了对本文的估算结果进行验证，基于目前Z分量干扰幅度已有实用化的产出，所以对本文的计算结果和目前国家地磁台网中心自动发布系统的计算结果进行对比分析(图 5)，10个台站顺序依次为涉县台、广平台、定襄台、昔阳台、太原台、泰安台、安丘台、大山台、济南台、榆林台，可见定襄台、太原台与泰安台两种计算结果平均误差接近，其余7个台站本文计算结果的平均误差均小于目前系统发布的计算结果误差，其中广平台、安丘台、榆林台用本文计算结果平均误差降幅均大于0.5 nT，安丘台降幅最大，相对平均误差水平降幅达42.9%.

所以可以认为，本文拟合的受宁东线HVDC输电干扰的台站的Z、H、D干扰幅度的线性关系优于目前采用的干扰幅度比例关系，本文计算的结果更接近于实际观测值.

4 结论和讨论

本文以受宁东线HVDC干扰相对严重的11个地磁台站为研究对象，以蒙城台为干扰幅度量取的参考台站，研究了地磁场水平分量H、磁偏角D受HVDC输电的干扰特征，得到以下结论：

(1) H和D干扰具有同步性.

(2) H、D干扰具有偏向性，即对某一次干扰，HVDC线路两侧的台站的H和D的干扰方向一致，并非像Z干扰所表现出的同一次干扰HVDC线路两侧台站干扰方向相反.

(3) HVDC线路两侧台站H和D干扰幅度具有线性关系.即与Z分量干扰幅度的比例关系类似，HVDC线路两侧台站H和D干扰幅度也表现出线性相关性.

(4) 接地极附近台站Z、H、D干扰幅度具有线性关系.

之后我们对H和D干扰产生的机理进行了深入分析，并根据得到的干扰特征，拟合了以红山台Z、H、D为输入的宁东线附近干扰幅度较大台站的H和D的计算方法和程序，并计算了使用此方法和程序的结果.将本文的计算结果和目前国家地磁台网中心自动发布系统的计算结果进行对比分析，发现本文计算结果更接近于实际观测值.

本文采用451次干扰数据的庞大样本容量，以及50次干扰数据的对比验证样本容量，对H和D受HVDC干扰进行了相对深入的研究，研究结果有以下特点：

(1) 是在H和D受HVDC干扰的情况凸显后，首次对H和D受HVDC干扰情况的综合性研究.

(2) 颠覆了学界近两年通过稀疏样本认为H和D干扰幅度无相关性的观念.

(3) 首次对H和D受干扰的机理进行了分析，并通过对比验证样本证明了结论的科学性.

基于H和D产生机理的复杂性，本文未实现通过建模来精确计算H和D干扰幅度，尚需进一步深入研究.

致谢  感谢蒋延林研究员、张秀霞高级工程师和胡星星副研究员对作者在成文过程中的指导和帮助.