引言

电磁观测是地球物理观测的主要手段之一，为基于电磁学的地震危险区域研判和震情跟踪分析等提供重要的资料，特别是在中短期地震的预测研究中发挥着不可或缺的作用（中国地震局监测预报司，2002）。众多震例研究已证实，在一些中强地震发生前，周边部分台站的电磁观测数据会呈现明显的异常现象（冯志生等，2001，2004；彭玉柱等，2015；王立凤等，2017；马钦忠，2018）。随着现代经济建设的发展和人类社会活动的加剧，许多电磁台站的观测环境均遭到了不同程度的破坏，产出的观测数据质量日渐下降，同时也制约了电磁观测活动的正常开展。为了降低观测环境干扰的影响，针对我国的一些大型电气化项目，科研人员进行了很多针对性的研究，如蒋延林等（2014）和鲍海英等（2020）分别研究了高压直流输电对地磁和地电场观测的影响特征，钟李彬等（2017）和陈志刚等（2019）分别对高铁运行所产生的地磁和地电场观测数据的干扰进行测试，详细讨论了大型电力工程对电磁观测数据的影响，对保护地震台站的电磁观测环境具有重要的现实意义。

在持续发展战略的推动下，国家将新能源发电作为代替不可再生能源、实现电力资源持续利用的重要举措，并明确规定风电、光伏发电等为可再生能源的重点发展领域（牛微，李珊珊，2005）。然而，这些需要建设在人口稀少地区的大规模巨型发电设施，不可避免地会与地震电磁观测台站的观测区域产生交集，使得地震观测环境更加复杂。这些新生环境要素已超出现有地震行业标准中的规范内容，对保护台站观测环境和约束工程施工建设等工作提出了极大的挑战。为此，本文以电磁同台观测的天津市徐庄子地震台为依托，针对周边近年来出现的风电和光伏发电厂区，拟通过野外测量研究厂区周边的电磁分布情况，并基于该台站的连续电磁观测数据，对比实地观测环境变化对电磁观测数据的干扰，从不同角度深入剖析观测数据的时空变化，旨在探寻风力发电、光伏发电的建设和运行对电磁观测环境的影响特征，为地震行业中关于建设类似新能源发电设备对电磁观测环境的保护与评价提供参考。

1.   场地环境概述

徐庄子地震台位于天津市滨海新区小王庄镇徐庄子村，台址的出露岩性为第四纪松散沉积层，在地质构造上位于黄骅坳陷中部，距东南方向的港东断裂约10 km，距西北方向的沧东断裂拐点约12 km。电磁观测是徐庄子台重要的地球物理测项，主要包括地电阻率、地电场、相对地磁和绝对地磁等观测，可为首都圈地区震情分析提供连续、稳定、可靠的基础观测数据。该台站四周地势平坦开阔，基本以农田为主，无大型工厂，电磁观测环境良好。自2018年以来，在台站的西侧和西南方向陆续建起了风力发电塔和光伏发电阵列（图1），致使台站周边的观测环境日益复杂。

图  1  天津徐庄子台的基础观测环境

Figure  1.  Basic observation environment of Xuzhuangzi station，Tianjin

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徐庄子台自1968年建台起便实施地电阻率观测，观测系统选用北南向和东西向的十字交叉型布设方式，经多次改造后，现今供电极距为1000 m，测量极距为300 m，使用ZD8M地电仪进行时值采样，记录分项为NS和EW测道的地电阻率和自然电位。地电场观测始于2000年，使用ZD9A-2B地电场仪进行分钟值观测，测线沿北南和东西两个方向采用双L型布极方式布设，每个方向均布设两个独立的测道，其中长极距为400 m，短极距为200 m。相对地磁观测使用GM4磁通门磁力仪，于2008 年正式入网进行秒值采样记录，测量分项为地磁场的磁偏角、水平分量（H）、垂直分量（Z）和观测环境温度。绝对地磁观测项目于1978年开始正式观测，目前使用FHD-2质子矢量磁力仪进行分钟值的连续观测，观测室为无磁白沙砖混结构，观测场地磁场均匀分布。徐庄子台各测点的分布情况如图1所示，所有测项均通过基于TCP/IP 协议的网络功能进行远程监控、数据汇集、远程网页访问等服务，每日的观测数据经台站预处理后同步至天津地震局台网中心数据库，实现数据的交换与共享。

2.   数据观测与分析

2.1   风力发电对电磁观测的影响

徐庄子台附近的风力发电设备于2018年4月建设，2018年10月启动运行。该项目共计33台1.5 MW风机，距离台站最近的一台风机位于台站西侧约700 m处。所有风机采用一机一变单元接线方式，每台风机接一台1.9 MVA箱式升压变压器，将机端电压0.69 kV升压至35 kV，然后以四回路35 kV地埋电缆送至风电场总升压站（图2）。每台风力发电设备的底部根基为钢筋混凝土浇筑的圆形承台，使用钢筋约为47.7 t，地面直立的支撑塔高80 m，塔架重124.7 t，塔顶水平放置的发电机机舱重56.8 t，机舱前端配有叶片3个，风轮旋转直径93 m，叶轮重38 t，粗略估计每台风机中影响电磁观测环境的铁磁性物质总量不低于200 t。

图  2  风力发电工作原理示意图

Figure  2.  Schematic diagram of working principle of the wind power generation

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风力发电风机的分布较为分散，研究风力发电对电磁观测环境的影响可以只分析距离测点最近的一台风机对观测数据的影响。每台发电风机的现场建设相对比较简单，主要包括承基建筑、设备进场、电缆埋设、机械吊装和连接装配等几个步骤。根据雷晴等（2020）的研究可知，工程机械、大型基建设施等铁磁性物质可以改变周围的电磁环境，当这些铁磁性物质在距离电磁观测系统较近的位置运动或堆积时，会导致观测数据出现脉冲或阶跃式干扰信号。

2.1.1   对地电观测的影响分析

建设一台1.5 MW的风机至少需要使用200 t的铁磁性材料，当其全部被运送至安装位置后必然会改变周围原有的电磁场分布。徐庄子台附近的风机距离地电场东的长测量极约200 m，距离地电阻率观测系统东的供电电极约150 m，但在地电场和地电阻率的连续观测中数据并未产生明显的阶跃变化。在风机组装过程中主要是以螺栓连接为主，附近的地电场和地电阻率观测也未记录到干扰信息。在风机一年多的持续运行中，也未发现地电场和地电阻率观测存在明显的干扰趋势影响。

2.1.2   对地磁观测的影响分析

距离徐庄子台最近的风机位于台站地磁观测点东侧约700 m，在风机的安装和运行过程中地磁观测数据均未产生明显的异常变化。马永和陈志刚（2017）以及毕金孟等（2020）分别对徐庄子台的电磁观测数据干扰进行了分类研究，其结果显示，经过台站附近道路上的大型车辆仅会引起距离测点约100 m处地磁场的磁偏角和水平分量出现正弦波形状的脉冲，对其它测项的观测数据无明显影响。为研究一台完整风机的磁场干扰范围，我们另选了一台周边空旷的风机，使用G856T质子磁力仪，以风机为中心，5 m的采样间距向四周辐射（图1），测量了风机静止状态下东西南北四个方向的地磁总场强度变化情况，结果如图3a所示，图中插图为水平坐标相同位置处放大的显示结果。从四个方向的测量结果可见，北侧和西侧的观测数据呈正向变化，即随距离的增大而增大，观测数值由低值逐渐趋于正常，而南侧和东侧呈反向变化，即距离增大时，观测值由高值逐渐趋于正常，且两个对称方向的干扰幅值基本一致。受风机升压变压器和测量时机舱朝向的影响，四个方向的初始值与稳定值的差略有不同，东、西侧稍大于南、北侧，但最终在170 m以外的距离都趋于稳定值，与此时台站FHD-2质子矢量磁力仪记录的总场强度基本一致。

图  3  风力发电设备周围磁场变化曲线

（a） 风机静止时不同方向的磁场变化；（b） 风机静止和旋转发电状态下南侧的磁场变化

Figure  3.  Magnetic field variation curve around the wind power equipment

（a） The magnetic field variation in different directions when the fan is stationary；（b） The magnetic field variation on the south side when the wind turbine is stationary and rotating，respectively

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在风机工作发电时，升压变压器在运行过程中会产生地磁辐射，工频电磁场分布复杂，为此我们测量了风机静止和运行两种状态下，沿线路传输大致方向（南侧）的地磁总场强度变化，具体情况如图3b所示。对比测量结果显示，在我们选择的测量方向上，由于变压器产生的电磁辐射改变了地磁分量强度的分布比，工作发电时风机附近地磁总场强度的最大影响幅值小于静止状态时风机对磁场环境的影响值。

2.2   光伏发电对电磁观测的影响

徐庄子台附近的光伏发电项目于2019年3月开工建设，2020年8月正式入网运行。本项目采用分块发电、集中并网模式，选用370 W单晶双玻双面光伏组件5万4080块，装机容量为20 MW。所有光伏组件由5个箱变-逆变子系统组成，每个子系统由1台3125 kW集中型逆变器和26台直流汇流箱构成，每台汇流箱由16个光伏单元并联而成，每个组由26块光伏组件串联组成，每组光伏组件使用管桩固定式支架固定，安装倾角为31°，5组汇流箱和逆变器均匀分散于整个光伏组件阵列之中。电流由光伏组件串连接入直流汇流箱，然后经直流汇流箱汇流后接入集中型逆变器，逆变后的三相交流电经3125 kVA升压变压器升压至10 kV，再通过电缆送至35 kV升压站升压后输入国家电网（图4）。

图  4  光伏发电工作原理示意图

Figure  4.  Schematic diagram of the photovoltaic power generation working principle

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光伏发电与风力发电在设备分布结构方面存在明显不同，风力发电的风机呈分散式点状分布，而光伏发电设备是集中片状分布状态，其占地面积广，影响范围大，在分析其对观测环境的影响时，需要将其视作一个整体。除此以外，光伏发电的建设工序复杂，持续时间较长，对周边环境造成的影响也就越大。

2.2.1   对地电场观测的影响分析

在光伏发电的建设过程中，安装光伏组件的固定支架一般为槽钢结构，需要将立柱与管桩端板进行现场焊接，而电焊施工会产生脉冲干扰，使得电磁数据中伴有随机噪声和不同形态的脉冲干扰，特别是那些观测精度高又具有外线观测系统的仪器，对台站周边场地环境的要求就更严格。徐庄子台附近的光伏发电站在焊接支架立柱时，对台站的地电场观测数据造成了明显的干扰（图5）。由于施工建设场地位于地电场观测系统的西南方向且地电场的西长电极处于施工场地内部，所以地电场东西向和北西向的观测数据呈明显突跳，其中长极距最大干扰幅值为4.1 mV/km，相应测道的短极距最大干扰为1.1 mV/km。根据已知的电极间距，按照均匀的电场衰减系数计算，只有在观测布极区域800 m以外的位置进行同等作业时才不会影响地电场的正常观测。

图  5  光伏发电建设施工对徐庄子台地电场观测数据的干扰曲线

Figure  5.  Interference curves of photovoltaic power generation construction on the geoelectric field observation data of Xuzhuangzi station

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2.2.2   对地电阻率观测的影响分析

光伏发电设施占地面积大，为了避免雷电可能引起的绕击、侧击和球雷等情形，依据国家电力系统有关规定的要求，需要建设与发电厂区同等范围的避雷地网。该项目的避雷接地网采用以50 mm×5 mm热镀锌扁钢的水平拼接方孔地网为主、以2500 mm×50 mm×5 mm热镀锌角钢的垂直接地极为辅的复合模式，并将其焊接成边缘闭合的整体接地网。埋设庞大的闭合地网必定会改变地下的电性结构布局，铺设地网后徐庄子台的地电阻率观测数据变化明显（图6）。地电阻率观测供电时，由于供电电极的部分电流优先流向接地金属网，又因金属网线分布在测区内，当电流再次由金属网流向大地时，相当于变相改变了供电电极之间的距离，从而使地电阻率观测数据出现明显的阶跃变化。地电阻率北南向的南供电极位于避雷地网内部，导致该测道观测数据出现0.07 Ω·m的干扰，东西向的西供电极在避雷地网外侧约100 m处，与北南测道相比要远一些，引起的干扰幅值为0.01 Ω·m。面对这一现象，2020年6月徐庄子台遵照现有地震行业标准（中国地震局，2019）与施工方协商，取出所有电极周围200 m以内的避雷铁网，并由原地埋改为架空形式，调整后的避雷结构依然会使南北向和东西向的地电阻率观测值分别降低0.33 Ω·m和0.10 Ω·m。

图  6  徐庄子台2017—2020年地电阻率观测日均值变化曲线

Figure  6.  Variation curve of daily mean georesistivity observation at the station Xuzhuangzi from 2017 to 2020

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从图6中可以看出，光伏发电建设前地电阻率的观测数据稳定，自然电位的年动态变化规律明显，建设光伏发电避雷网之后破坏了原有的观测环境，使观测数据背景值呈现新的变化动态。在光伏发电的建设中，除了要建设避雷网外，还要在光伏组件阵列周围埋设铁丝保护围栏，虽然在架设时新围栏的表面进行了浸塑处理，但是随着时间的推移，浸塑表面遭到腐蚀脱落后同样会与大地之间形成一个闭合回路，为后续的地电阻率观测环境埋下了极大的安全隐患。

通过对徐庄子台地电阻率干扰的观测与分析，我们认为光伏发电的建设与运行对地电阻率观测环境的影响非常严重，需将其列为重大干扰源之类。光伏发电建设过程中徐庄子台地电阻率观测数据的异常变化表明，对待这种大范围的金属网线不应像现行标准中以施工边界到测项中心点的距离规定保护范围，而是应将地电观测系统作为一个整体，使其与包含所有电极的椭圆形边界之间的距离大于1000 m。

2.2.3   对地磁观测的影响分析

建设光伏发电需要在场地内埋设大量的支撑管桩，往复运动的打桩机械是影响地磁观测的主要因素。在光伏发电系统建成后，为了确定运行状态下对地磁观测数据的具体影响，我们分别使用G856T质子磁力仪和GM4磁通门磁力仪对光伏发电组件阵列外围的空间干扰距离和连续观测影响进行试验测量。图7是发电厂区东侧和北侧两个方向以5 m为采样点记录的地磁总场强度变化曲线，图中两条曲线的变化形态基本一致，两个方向的最大干扰强度分别为822 nT和1242 nT，而且观测数据均在距离为85 m处开始趋于稳定。由于光伏发电的输出功率随阳光强度的变化而变化，为了检验前文测定的安全距离，我们在发电厂东侧100 m的位置临时架设了一台GM4磁通门磁力仪进行连续观测，并将测量结果与徐庄子台的GM4观测数据进行对比。图8是截取的两台GM4磁通门磁力仪同一时段三个分量的观测数据曲线，从图中不难看出，两台仪器的观测数据变化同步，且具有良好的一致性。由此可以说明，在光伏发电设备正常运行的情况下，对于100 m以外的地磁观测无明显干扰。

图  7  光伏发电组件阵列周边不同距离的磁场变化曲线

Figure  7.  Magnetic field variation curves at different distances around photovoltaic power generation module array

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图  8  光伏发电组件阵列旁连续观测的磁场变化曲线

Figure  8.  Continuously observed magnetic field variation curves next to the photovoltaic power generation module array

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3.   讨论与结论

本文利用天津市徐庄子地震台电磁观测项目，针对台站周边观测区域内近年来出现的风电和光伏发电设施，通过野外试验测量和台站的连续观测数据变化，从多个角度深入剖析了不同观测环境中电磁观测数据在时间和空间上的变化形态，分别总结了风力发电、光伏发电在建设和运行状态下对电磁观测环境干扰的影响特征，并通过本研究的对比分析，对干扰距离进行了量化。风电建设工期短，发电设备现场组装快，在建设过程中只有运输大量铁磁性材料的过往工程车辆会对约100 m距离内的地磁观测数据产生正弦波形的干扰，对地电观测未发现明显干扰。建成后的风电设备对地磁观测环境的最大影响距离是170 m，风机运行和静止两种状态的干扰形态和距离区别较小，对距离约150 m和200 m的地电阻率和地电场观测数据无明显影响。光伏发电设备建设工期长、面积广，建设过程中的焊接工序会导致地电场观测数据出现尖峰脉冲干扰，埋设的闭合金属避雷地网和金属环形保护围栏会引起地电阻率观测数据背景值的明显变化。建成后的光伏发电阵列对地磁观测环境的最大干扰距离是85 m，处于距离100 m以外的地磁观测项目不受发电功率变化的影响，正常运行状态下的光伏发电厂对地电观测数据无明显干扰。

综合分析看来，因风力发电机组和光伏发电设备的组件材料多、占地范围广，均对周边的电磁观测环境存在一定程度的影响，但风力发电对电磁观测环境的影响明显小于光伏发电。因此，在电磁观测环境规范中，可将风电设备视为一个干扰点，考虑其与就近观测设施的距离。然而，若要保证光伏发电不影响地震电磁观测，需要将两者分别视为一个整体，确保两个系统之间有足够大的距离。目前，新能源发电设备对台站电磁观测环境影响的研究较少，希望本研究能够为地震行业中关于建设类似新能源发电设施对电磁观测环境的保护与测评提供参照，为保护地震台站观测环境和约束工程施工建设等工作提供参考。此外，对于新能源设备干扰范围以内二维平面的电磁分布情况有待进一步研究。