趙文舟 李 偉 溫燕林 陳 遷

1）中國上海200062 上海市地震局

2）中國上海200062 上海佘山地球物理國家野外科學觀測研究站

0 引言

雜散電流是指存在于指定線路以外的電流。隨著城市建設規(guī)模逐步增大，城市軌道交通和高壓直流輸電線路網的建設規(guī)模越來越大，由于軌道交通電流傳輸設備對地的不完全絕緣和輸電網絡接地極的布設，不可避免地產生了大量直流雜散電流，進而對地下金屬設施產生影響（陳志光等，2010；程明等，2010）。當雜散電流在土壤中傳輸時，由于土壤介質電阻率不同，會在金屬表面形成電流而導致電化學腐蝕現象，進而腐蝕埋地金屬部件（Schwalm et al，1969；Martin，2006；Bertolini et al，2007；尹國耀等，2008），且等值交流電對金屬部件造成的腐蝕作用較直流電要弱得多（Jones，1978；Uhlig，1985），因此，直流入地雜散電流對于金屬設備的腐蝕具有較好的研究意義，而高壓直流接地極放電即屬于較為典型的直流入地雜散電流。

目前，地鐵供電軌所造成的接地極放電電流量難以定性判斷，但高壓直流輸電過程中的接地極放電電流強度已有多次明確記載（馬欽忠等，2016，2017），可以利用此數據對地電場臺站觀測系統(tǒng)干擾進行定量分析。高壓直流輸電（HVDC）按照回路類型分為單極大地回路系統(tǒng)和雙極大地回路系統(tǒng)，雙極大地回路系統(tǒng)運行時僅有小部分雙極不平衡電流進入大地，對設備影響較?。灰坏┠硺O出現故障，則會形成單極大地回路系統(tǒng)，強大電流注入地下形成恒定直流電場（王洪亮，2007；蔣延林等，2014）。借助“地磁臺網高壓直流輸電判別系統(tǒng)”（陳俊等，2010），能夠準確定位對地磁觀測臺網產生影響的高壓直流輸電線路，以此為標定點可對地電場臺站接收的干擾信號進行分析。因此，以高壓直流輸電系統(tǒng)單次接地極放電電流強度信息為基準，可以計算接地極放電電流對地電場觀測設備造成的腐蝕量。

本文通過對上海地區(qū)3 個地電場臺站觀測資料的持續(xù)跟蹤分析，基于多極距分析方法和高壓直流輸電判別系統(tǒng)，截取地電場觀測儀記錄的接地極放電電流信號，結合高壓直流輸電電流強度信息，計算高壓直流輸電入地電流對金屬部件的影響數值，分析并解釋對地電觀測系統(tǒng)埋地設備造成的影響。

1 上海地電場觀測臺網

上海地電臺網現有3 個地電場臺站，分別為崇明臺、長江農場臺、青浦金澤臺。上海地區(qū)地電臺網分布及周邊高壓直流接地極示意圖見圖1。

圖1 地電場觀測臺站及接地極位置分布Fig.1 Distribution map of the geoelectric stations and ground electrodes

地電臺網配備中國地震局地震預測研究所研制的ZD9A-Ⅱ觀測儀進行地電場觀測。儀器采樣頻率均為DC—0.005 Hz，采樣率1 次/min。各臺站地電測量電極布設示意見圖2，在NS、EW、NE/NW 方向上分別布設長短極距。測量電極采用Pb-PbCl2不極化電極，電極埋深1—1.5 m；除長江農場臺外線路采用埋地方式外，青浦金澤臺、崇明臺外線路均采用架空方式。3 個臺站觀測系統(tǒng)穩(wěn)定性、時間準確性和布極區(qū)狀況均符合觀測規(guī)范（中國地震局科技監(jiān)測司，2001；席繼樓等，2009）。

圖2 地電場臺站電極布設示意Fig.2 Sketch map of the electrode layout of geoelectric stations

連續(xù)觀測數據選取原則：每日原始數據，剔除觀測儀器和電極故障、暴雨雷電及周邊工業(yè)設施和農業(yè)生產所帶來的干擾。對上海地區(qū)地電臺網地電場資料進行分析，發(fā)現青浦金澤臺、崇明臺、長江農場臺對于高壓直流接地極放電信號具有良好響應，有助于研究發(fā)射極至接收極之間地下介質的變化及接地極放電電流對地電場觀測系統(tǒng)的影響。

2 接地極放電電流腐蝕公式

高壓直流輸電線路接地極工作時附近大地電場分布與地質結構有關。在接地極附近，高壓直流輸電入地電流主要在上層土壤中傳輸；在距接地極較遠處時，入地電流將逐漸轉入導電性能良好的下層土壤中流動。通常將無窮遠處的大地電位看作零電位，接地極總是存在一定的對地電阻，接地極電流通過接地電阻時會產生變化。在上層土壤中，此高電位隨著與接地極距離的增加而逐漸下降，下降速度與地質條件有關，土壤電導率越小，下降越慢。在接地電阻較大區(qū)域電位下降較慢，電流分布的影響范圍會擴大（王明新等，2005）。

假設土壤介質電阻率均勻，接地極放電時電流線垂直于接地極等效半球體表面并向外輻射，且大地中任意半徑的半球表面上各點的電流密度均勻且相等（遲興和等，2008），接地極周圍某點的電流密度J（國網武漢高壓研究院，2006；魏德軍，2008）可按下式計算

式中：J為距離接地極中心L處的大地電流密度，單位A/m2；I為通過接地極流入大地的電流，單位A；L為計算點與接地極中心的距離，單位m。

忽略集中埋設金屬設施對接地極電場分布的影響，求解1 年內地電流對金屬設施的電腐蝕深度A，公式如下

將式（2）代入式（1），則有

式中，A為1 年內金屬設施電腐蝕深度，單位m/a；Z為金屬材料的電化學當量，單位kg/A·a；ρm為金屬材料的質量密度，單位kg/m3。

當地下金屬設施在接地極徑向有一定長度和面積時，地下電位分布會發(fā)生變化，流經金屬設施的電流不再是其所處位置的大地電流。由于金屬設施的電阻率比周圍土壤小得多，因而提供了一個低電阻通路，使大地電流向金屬設施集中，即集流效應。假設滿足以下條件：①大地電阻率均勻；②金屬設施距接地極足夠遠；③金屬設施面積有限。據魏德軍（2008）的分析，地下金屬設施在1 年內的面腐蝕量（即電腐蝕深度）計算公式如下

式中：ρ為大地電阻率，單位Ω·m；R0為金屬設施的單位長度電阻，單位Q/m；S0為金屬設施的截面積，單位m2。然而，ρ表示均勻層狀介質電阻率，鑒于地下電性結構的非均勻性，引入視電阻率ρs進行計算。ρs是地下電性結構不均勻體和地形起伏的一種綜合反映（非巖石真電阻率），可利用其變化規(guī)律以發(fā)現和查明地下介質的不均勻性。ρs可表示為

式中，B(m)稱為核函數，J1(mr)為一階貝塞爾函數。至此，將式（5）的ρs代入式（4）取代ρ，便可得到層狀非均勻性結構下的金屬設施面腐蝕量。

3 接地極放電電流源信號變化及腐蝕特征

3.1 接地極放電電流特征分析

目前已知4 條高壓直流輸電線路對上海地區(qū)地電場觀測產生影響，分別是錦蘇線（涼山—蘇州）、向上線（向家壩—上海）、葛上線（葛洲壩—上海）、三上線（宜昌—上海）；對應的距上海最近的4 個高壓直流接地極分別為同里換流站接地極（下文簡稱同里極）、奉賢接地極（下文簡稱奉賢極）、南橋接地極（下文簡稱南橋極）、華新接地極（下文簡稱華新極）。

3.1.1接地極放電調查結果。鑒于南橋極和華新極未獲得2013 年以后較為準確的接地極放電電流強度數據，因此本次研究僅使用同里極和奉賢極放電信息。結合實際調查及馬欽忠等（2016）對高壓直流輸電的統(tǒng)計結果，對同里極和奉賢極獲得如下放電信息：①同里極——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奉賢極——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。

同里極和奉賢極高壓直流接地極放電對青浦金澤臺、崇明臺、長江農場臺觀測記錄均產生明顯的影響，相應信號變化特征統(tǒng)計結果見表1，其中分別表示地電場觀測中NS、EW、NE 向長、短極距記錄信號。

3.1.2干擾信號特征。以2015 年7 月14 日和2016 年2 月21 日崇明臺、長江農場臺、青浦金澤臺所受高壓直流輸電入地電流干擾為例，分析3 個地電臺站干擾數據特征。圖3 展示了上述2 個時間段上海3 個地電場臺站附加地電場觀測信號曲線，可見在高壓直流接地極放電之前，地電場數據較為平穩(wěn)，各測道變化幅度在1—30 mV·km-1，并未超出整體數據變化趨勢；而當接地極放電后，地電場6 個測道的觀測數據同步出現明顯的階躍變化。

由圖3 可見：①2015 年7 月14 日奉賢極放電：方波始于北京時間2 時50 分、結束于3 時40 分前后。放電電流強度僅792 A，而地電場瞬時變化幅度在平靜時段的2 倍以上，方波信號顯著，且持續(xù)時間與接地極放電時間呈正相關性。放電停止，方波信號隨即減弱并消失，曲線變化形態(tài)與未放電前趨于一致；②2016 年2 月21 日同里極放電：存在2 段方波信號，一段始于北京時間0 時28 分、結束于1 時26 分前后，另一段始于1 時50 分、結束于6 時20 分前后。放電電流強度達到4 000 A，方波信號顯著，且方波變化時間與放電時間呈正相關。青浦臺與同里極、奉賢極的距離分別為50 km 和43 km，同里極放電電流強度是奉賢極的4 倍以上，理想狀態(tài)下，同里極放電時青浦臺附加電場變化幅度應為奉賢極放電時的2—4 倍，但二者變化幅度相近，具體數值參見表1，可見二者的附加電場變化幅度不成正比，具體原因有待進一步分析。

圖3 地電場臺站觀測的高壓直流接地極放電附加電信號(a—c) 2015 年7 月14 日崇明臺、長江農場臺、青浦金澤臺變化曲線；(d—f) 2016 年2 月21 日崇明臺、長江農場臺、青浦金澤臺變化曲線Fig.3 Additional electrical signals observed at the geoelectric field stations by HVDC ground electrode discharge

表1 高壓直流接地極放電時地電場觀測信號變化幅度Table 1 The amplitude of the signals observed by the geoelectric field observation when the HVDC ground electrodes discharge

2015 年7 月14 日奉賢極放電期間，青浦臺地電場NE 向長、短極距呈反向變化特征，而同時段該臺觀測儀器和裝置及場地環(huán)境、干擾信號源等均未發(fā)生改變，出現該現象應與接地極所處位置有關。

3.2 理想狀態(tài)下的電腐蝕數據計算

以2013 年7 月25 日同里極放電電流強度4 516 A 對金屬電極產生的影響為例，計算鐵電極、鉛電極在年度時間內的腐蝕量（因16 A 相對于總的電流強度可以忽略不計，且為了簡化計算，在后續(xù)計算中電流強度取值4 500 A）。鐵和鉛相關參數見表2。文中金屬電極截面積取0.25 m2，接地極至電極的距離L取值范圍為100—10 000 m。地層參數參考上海市科委項目中所獲得的MT 電測深資料，地表至地下25 km 時電阻率大致可分為3 層，各層厚度分別為2 000 m、6 000 m、17 000 m，相對應的電阻率分別為18 Ω·m、31 Ω·m、100 Ω·m，將上述參數帶入式（5），計算得到視電阻率ρs，并將ρs代入式（4）替換ρ，計算接地極放電電流對金屬接地裝置的腐蝕量，結果見表3。

表2 鐵、鉛電化學當量Z、密度ρm 和電阻R0Table 2 Electrochemical equivalent,density and resistance of iron and lead

表3 上海接地極放電電流4 500 A 對鐵和鉛電極的電化學腐蝕程度Table 3 Electrochemical corrosion degree of Shanghai ground electrodes by 4 500 A current on iron and lead materials

由表3 可知，當埋設金屬電極距接地極僅100 m 時，鐵質和鉛質電極的年腐蝕量分別為0.22 mm 和0.388 mm，則理論上10 年腐蝕量即為2.2 mm 和3.88 mm。然而，通常一個接地極的放電時間有限，最大應為小時級別，故表3 所得金屬電極腐蝕數據遠大于實際情況。對于現有觀測場地而言，為了滿足地電學科臺站建設規(guī)范，上海市各地電臺站與接地極源的距離均在10 km 以上，雖然均可接收到接地極放電信號，但對埋地電極所產生的腐蝕量則可以忽略不計。

4 討論

利用“地磁臺網高壓直流輸電判別系統(tǒng)”，可精準定位對本區(qū)域地電臺站產生影響的高壓直流輸電線路，有助于分析不同接地極放電對臺站的影響。上海地區(qū)3 個地電場臺階式同步上升或下降變化與各個接地極負載變化時間一致，且可以觀測到持續(xù)加載或持續(xù)卸載現象，臺階變化幅度與各接地極放電電流強度密切相關，變化形態(tài)和各測道的變化方向與臺站布設方式及臺站和接地極的相對位置密切相關。

由歷年觀測數據可知，對上海地電臺站產生影響的4 條高壓直流輸電線路，放電現象集中在每年1—2 月、5—7 月及10—11 月間，持續(xù)時間在幾分鐘至2 小時不等，接地極放電電流強度在幾百安至4 000 A。從接地極放電的持續(xù)時間和強度分析，對于一臺使用年限10 年以內的觀測儀器，接地極放電對地電場現有埋地設備基本無腐蝕影響。

需要注意的是，若已知接地極附近較為精細的地下電性結構參數，要求測算接地極放電電流強度I，可利用地電場觀測設備對接地極進行密集觀測，在小距離尺度下，地電場電場強度存在如下公式

式中：I為入地電流強度，單位A；ρs為土壤視電阻率，單位Ω·m；r為接地極至觀測裝置的距離，單位m；E為電場強度，單位mV·km-1。

若將地電場觀測設備布設在接地極附近，可據式（6）反向測算I，而由（5）式可知腐蝕量A與L2成反比，距離越近、觀測時間越長，產生的腐蝕量越大。由上文可知，當觀測裝置距離接地極僅10 m 時，鐵、鉛埋設物年腐蝕量高達22.04 mm 和38.86 mm，進行年尺度或者半年尺度的連續(xù)觀測時，將對埋地金屬電極產生嚴重腐蝕，進而造成觀測數據產生嚴重偏差。

5 結論

（1）高壓直流輸電線路接地極入地電流會對地電場觀測數據產生影響，在觀測曲線上表現為階變，與前人研究結果（蔣延林等，2014；馬欽忠等，2016，2017）一致。從目前獲得的接地極放電電流強度和接收的信號強度，結合模擬計算結果，上海地區(qū)4 個接地極不會對現有3 個地電場埋地觀測設備造成實質性影響。

（2）當需要對接地極進行近距離觀測以獲得更多信息時，接地極放電電流的高強度、近距離觀測和長時間連續(xù)觀測，均可能對觀測設施的埋地設備造成不可逆的影響。因此，在進行地電場觀測時，需關注埋地設備是否有殘缺或受損現象，一旦出現應盡快更換，以保證觀測數據的可靠性和準確性。