0 引言

杂散电流是指存在于指定线路以外的电流。随着城市建设规模逐步增大，城市轨道交通和高压直流输电线路网的建设规模越来越大，由于轨道交通电流传输设备对地的不完全绝缘和输电网络接地极的布设，不可避免地产生了大量直流杂散电流，进而对地下金属设施产生影响（陈志光等，2010；程明等，2010）。当杂散电流在土壤中传输时，由于土壤介质电阻率不同，会在金属表面形成电流而导致电化学腐蚀现象，进而腐蚀埋地金属部件（Schwalm et al，1969；Martin，2006；Bertolini et al，2007；尹国耀等，2008），且等值交流电对金属部件造成的腐蚀作用较直流电要弱得多（Jones，1978；Uhlig，1985），因此，直流入地杂散电流对于金属设备的腐蚀具有较好的研究意义，而高压直流接地极放电即属于较为典型的直流入地杂散电流。

目前，地铁供电轨所造成的接地极放电电流量难以定性判断，但高压直流输电过程中的接地极放电电流强度已有多次明确记载（马钦忠等, 2016, 2017），可以利用此数据对地电场台站观测系统干扰进行定量分析。高压直流输电（HVDC）按照回路类型分为单极大地回路系统和双极大地回路系统，双极大地回路系统运行时仅有小部分双极不平衡电流进入大地，对设备影响较小；一旦某极出现故障，则会形成单极大地回路系统，强大电流注入地下形成恒定直流电场（王洪亮，2007；蒋延林等，2014）。借助“地磁台网高压直流输电判别系统”（陈俊等，2010），能够准确定位对地磁观测台网产生影响的高压直流输电线路，以此为标定点可对地电场台站接收的干扰信号进行分析。因此，以高压直流输电系统单次接地极放电电流强度信息为基准，可以计算接地极放电电流对地电场观测设备造成的腐蚀量。

本文通过对上海地区3个地电场台站观测资料的持续跟踪分析，基于多极距分析方法和高压直流输电判别系统，截取地电场观测仪记录的接地极放电电流信号，结合高压直流输电电流强度信息，计算高压直流输电入地电流对金属部件的影响数值，分析并解释对地电观测系统埋地设备造成的影响。

1 上海地电场观测台网

上海地电台网现有3个地电场台站，分别为崇明台、长江农场台、青浦金泽台。上海地区地电台网分布及周边高压直流接地极示意图见图 1。

地电台网配备中国地震局地震预测研究所研制的ZD9A-Ⅱ观测仪进行地电场观测。仪器采样频率均为DC—0.005 Hz，采样率1次/min。各台站地电测量电极布设示意见图 2，在NS、EW、NE/NW方向上分别布设长短极距。测量电极采用Pb-PbCl₂不极化电极，电极埋深1—1.5 m；除长江农场台外线路采用埋地方式外，青浦金泽台、崇明台外线路均采用架空方式。3个台站观测系统稳定性、时间准确性和布极区状况均符合观测规范（中国地震局科技监测司，2001；席继楼等，2009）。

连续观测数据选取原则：每日原始数据，剔除观测仪器和电极故障、暴雨雷电及周边工业设施和农业生产所带来的干扰。对上海地区地电台网地电场资料进行分析，发现青浦金泽台、崇明台、长江农场台对于高压直流接地极放电信号具有良好响应，有助于研究发射极至接收极之间地下介质的变化及接地极放电电流对地电场观测系统的影响。

2 接地极放电电流腐蚀公式

高压直流输电线路接地极工作时附近大地电场分布与地质结构有关。在接地极附近，高压直流输电入地电流主要在上层土壤中传输；在距接地极较远处时，入地电流将逐渐转入导电性能良好的下层土壤中流动。通常将无穷远处的大地电位看作零电位，接地极总是存在一定的对地电阻，接地极电流通过接地电阻时会产生变化。在上层土壤中，此高电位随着与接地极距离的增加而逐渐下降，下降速度与地质条件有关，土壤电导率越小，下降越慢。在接地电阻较大区域电位下降较慢，电流分布的影响范围会扩大（王明新等，2005）。

假设土壤介质电阻率均匀，接地极放电时电流线垂直于接地极等效半球体表面并向外辐射，且大地中任意半径的半球表面上各点的电流密度均匀且相等（迟兴和等，2008），接地极周围某点的电流密度J（国网武汉高压研究院，2006；魏德军，2008）可按下式计算

$ J=\frac{I}{2 \mathsf{ π} L^{2}} $

(1)

式中：J为距离接地极中心L处的大地电流密度，单位A/m²；I为通过接地极流入大地的电流，单位A；L为计算点与接地极中心的距离，单位m。

忽略集中埋设金属设施对接地极电场分布的影响，求解1年内地电流对金属设施的电腐蚀深度A，公式如下

$ A=\frac{J Z}{\rho_{\mathrm{m}}} $

(2)

将式（2）代入式（1），则有

$ A = \frac{{IZ}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}{L^2}{\rho _{\rm{m}}}}} $

(3)

式中，A为1年内金属设施电腐蚀深度，单位m/a；Z为金属材料的电化学当量，单位kg/A·a；ρ_m为金属材料的质量密度，单位kg/m³。

当地下金属设施在接地极径向有一定长度和面积时，地下电位分布会发生变化，流经金属设施的电流不再是其所处位置的大地电流。由于金属设施的电阻率比周围土壤小得多，因而提供了一个低电阻通路，使大地电流向金属设施集中，即集流效应。假设满足以下条件：①大地电阻率均匀；②金属设施距接地极足够远；③金属设施面积有限。据魏德军（2008）的分析，地下金属设施在1年内的面腐蚀量（即电腐蚀深度）计算公式如下

$ A = \frac{{IZ\rho }}{{{\rm{ \mathsf{ π} }}{L^2}{\rho _{\rm{m}}}{R_0}{S_0}}} \times {10^{ - 6}} $

(4)

式中：ρ为大地电阻率，单位Ω·m；R₀为金属设施的单位长度电阻，单位Q/m；S₀为金属设施的截面积，单位m²。然而，ρ表示均匀层状介质电阻率，鉴于地下电性结构的非均匀性，引入视电阻率ρ_s进行计算。ρ_s是地下电性结构不均匀体和地形起伏的一种综合反映（非岩石真电阻率），可利用其变化规律以发现和查明地下介质的不均匀性。ρ_s可表示为

$ \rho_{\mathrm{s}}=\rho_{1} r^{2} \int\limits_{0}^{\infty}[1+2 B(m)] J_{1}(m r) m \mathrm{d} m $

(5)

式中，B(m)称为核函数，J₁(mr)为一阶贝塞尔函数。至此，将式（5）的ρ_s代入式（4）取代ρ，便可得到层状非均匀性结构下的金属设施面腐蚀量。

3 接地极放电电流源信号变化及腐蚀特征 3.1 接地极放电电流特征分析

目前已知4条高压直流输电线路对上海地区地电场观测产生影响，分别是锦苏线（凉山—苏州）、向上线（向家坝—上海）、葛上线（葛洲坝—上海）、三上线（宜昌—上海）；对应的距上海最近的4个高压直流接地极分别为同里换流站接地极（下文简称同里极）、奉贤接地极（下文简称奉贤极）、南桥接地极（下文简称南桥极）、华新接地极（下文简称华新极）。

3.1.1 接地极放电调查结果

鉴于南桥极和华新极未获得2013年以后较为准确的接地极放电电流强度数据，因此本次研究仅使用同里极和奉贤极放电信息。结合实际调查及马钦忠等（2016）对高压直流输电的统计结果，对同里极和奉贤极获得如下放电信息：①同里极——2013年7月25日4 516 A、2016年2月21日4 000 A、2016年3月11日2 800—3 200 A；②奉贤极——2010年5月5日4 000 A、2015年7月14日4 000 A、2015年7月21日792 A。

同里极和奉贤极高压直流接地极放电对青浦金泽台、崇明台、长江农场台观测记录均产生明显的影响，相应信号变化特征统计结果见表 1，其中E_NS^L、E_NS^S、E_EW^L、E_EW^S、E_NE^L、E_NE^S分别表示地电场观测中NS、EW、NE向长、短极距记录信号。

3.1.2 干扰信号特征

以2015年7月14日和2016年2月21日崇明台、长江农场台、青浦金泽台所受高压直流输电入地电流干扰为例，分析3个地电台站干扰数据特征。图 3展示了上述2个时间段上海3个地电场台站附加地电场观测信号曲线，可见在高压直流接地极放电之前，地电场数据较为平稳，各测道变化幅度在1—30 mV·km^-1，并未超出整体数据变化趋势；而当接地极放电后，地电场6个测道的观测数据同步出现明显的阶跃变化。

由图 3可见：①2015年7月14日奉贤极放电：方波始于北京时间2时50分、结束于3时40分前后。放电电流强度仅792 A，而地电场瞬时变化幅度在平静时段的2倍以上，方波信号显著，且持续时间与接地极放电时间呈正相关性。放电停止，方波信号随即减弱并消失，曲线变化形态与未放电前趋于一致；②2016年2月21日同里极放电：存在2段方波信号，一段始于北京时间0时28分、结束于1时26分前后，另一段始于1时50分、结束于6时20分前后。放电电流强度达到4 000 A，方波信号显著，且方波变化时间与放电时间呈正相关。青浦台与同里极、奉贤极的距离分别为50 km和43 km，同里极放电电流强度是奉贤极的4倍以上，理想状态下，同里极放电时青浦台附加电场变化幅度应为奉贤极放电时的2—4倍，但二者变化幅度相近，具体数值参见表 1，可见二者的附加电场变化幅度不成正比，具体原因有待进一步分析。

2015年7月14日奉贤极放电期间，青浦台地电场NE向长、短极距呈反向变化特征，而同时段该台观测仪器和装置及场地环境、干扰信号源等均未发生改变，出现该现象应与接地极所处位置有关。

3.2 理想状态下的电腐蚀数据计算

以2013年7月25日同里极放电电流强度4 516 A对金属电极产生的影响为例，计算铁电极、铅电极在年度时间内的腐蚀量（因16 A相对于总的电流强度可以忽略不计，且为了简化计算，在后续计算中电流强度取值4 500 A）。铁和铅相关参数见表 2。文中金属电极截面积取0.25 m²，接地极至电极的距离L取值范围为100—10 000 m。地层参数参考上海市科委项目中所获得的MT电测深资料，地表至地下25 km时电阻率大致可分为3层，各层厚度分别为2 000 m、6 000 m、17 000 m，相对应的电阻率分别为18 Ω·m、31 Ω·m、100 Ω·m，将上述参数带入式（5），计算得到视电阻率ρ_s，并将ρ_s代入式（4）替换ρ，计算接地极放电电流对金属接地装置的腐蚀量，结果见表 3。

由表 3可知，当埋设金属电极距接地极仅100 m时，铁质和铅质电极的年腐蚀量分别为0.22 mm和0.388 mm，则理论上10年腐蚀量即为2.2 mm和3.88 mm。然而，通常一个接地极的放电时间有限，最大应为小时级别，故表 3所得金属电极腐蚀数据远大于实际情况。对于现有观测场地而言，为了满足地电学科台站建设规范，上海市各地电台站与接地极源的距离均在10 km以上，虽然均可接收到接地极放电信号，但对埋地电极所产生的腐蚀量则可以忽略不计。

4 讨论

利用“地磁台网高压直流输电判别系统”，可精准定位对本区域地电台站产生影响的高压直流输电线路，有助于分析不同接地极放电对台站的影响。上海地区3个地电场台阶式同步上升或下降变化与各个接地极负载变化时间一致，且可以观测到持续加载或持续卸载现象，台阶变化幅度与各接地极放电电流强度密切相关，变化形态和各测道的变化方向与台站布设方式及台站和接地极的相对位置密切相关。

由历年观测数据可知，对上海地电台站产生影响的4条高压直流输电线路，放电现象集中在每年1—2月、5—7月及10—11月间，持续时间在几分钟至2小时不等，接地极放电电流强度在几百安至4 000 A。从接地极放电的持续时间和强度分析，对于一台使用年限10年以内的观测仪器，接地极放电对地电场现有埋地设备基本无腐蚀影响。

需要注意的是，若已知接地极附近较为精细的地下电性结构参数，要求测算接地极放电电流强度I，可利用地电场观测设备对接地极进行密集观测，在小距离尺度下，地电场电场强度存在如下公式

$ E = \frac{{{\rho _{\rm{s}}}I}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}{r^2}}} $

(6)

式中：I为入地电流强度，单位A；ρ_s为土壤视电阻率，单位Ω·m；r为接地极至观测装置的距离，单位m；E为电场强度，单位mV·km^-1。

若将地电场观测设备布设在接地极附近，可据式（6）反向测算I，而由（5）式可知腐蚀量A与L²成反比，距离越近、观测时间越长，产生的腐蚀量越大。由上文可知，当观测装置距离接地极仅10 m时，铁、铅埋设物年腐蚀量高达22.04 mm和38.86 mm，进行年尺度或者半年尺度的连续观测时，将对埋地金属电极产生严重腐蚀，进而造成观测数据产生严重偏差。

5 结论

（1）高压直流输电线路接地极入地电流会对地电场观测数据产生影响，在观测曲线上表现为阶变，与前人研究结果（蒋延林等，2014；马钦忠等, 2016, 2017）一致。从目前获得的接地极放电电流强度和接收的信号强度，结合模拟计算结果，上海地区4个接地极不会对现有3个地电场埋地观测设备造成实质性影响。

（2）当需要对接地极进行近距离观测以获得更多信息时，接地极放电电流的高强度、近距离观测和长时间连续观测，均可能对观测设施的埋地设备造成不可逆的影响。因此，在进行地电场观测时，需关注埋地设备是否有残缺或受损现象，一旦出现应尽快更换，以保证观测数据的可靠性和准确性。