这是一项针对葡萄牙大陆高压输电网开展的地磁感应电流（Geomagnetically Induced Currents, GICs）估算与验证的原创性研究，发表于期刊《Space Weather》。主要作者为Joana Alves Ribeiro（第一兼通讯作者），其所属机构包括科英布拉大学物理系（CITEUC）和里斯本大学科学学院（Instituto Dom Luiz）。其他合作者分别来自上述两所机构及葡萄牙国家输电运营商REN（Redes Energéticas Nacionais）。该论文于2022年12月16日收稿，2023年3月23日被接收。

该研究属于空间天气（Space Weather）对技术基础设施影响的交叉学科领域，核心科学问题是地磁扰动（Geomagnetic Disturbance, GMD）如何在地面导电系统中产生有害的准直流电流。太阳活动抛射的高能粒子和电磁辐射引发电离层与磁层电流剧烈变化，进而在大地中感应出电场，驱动沿输电线路、管道等长距离导体流动的GICs。极端GICs可导致变压器过热、谐波增加、电压波动乃至全网崩溃，如1989年加拿大魁北克大停电事件。尽管中低纬度地区通常被认为风险较低，但南非和新西兰已报道过重大故障。因此，准确评估特定区域电网的GIC风险，对建设更具韧性的输电网至关重要。本研究旨在利用葡萄牙全国首个三维地壳-地幔电导率模型和完整的电网参数，提升该国GIC估算的准确性，识别高风险变电站，并通过实测试验证模型。

研究的详细工作流程主要包含以下五个递进环节：首先，建立三维地下电导率模型。研究团队在MAG-GIC项目框架下，利用覆盖葡萄牙全国的31个宽带大地电磁测深点（Magnetotelluric, MT），反演得到了名为B-S电导率模型。该模型首次提供了葡萄牙西部区域地壳和上地幔的三维电阻率图像，水平切片清晰揭示了不同大地构造分区的电性差异，例如伊比利亚中部带（Central Iberian Zone, CIZ）为高阻区，而卢西塔尼亚盆地（Lusitanian Basin）为低阻区。由于使用的MT数据频段限制，该模型仅能可靠约束地表以下40至50公里深度的电阻率结构。其次，是获取地磁源信号并计算感应地电场。研究选取了第24太阳活动周期间，对科英布拉磁暴观测站（COI）影响最强的8次地磁暴事件。对于境内每个计算网格点，采用最近邻法选用COI或西班牙圣费尔南多观测站（SFS）的地磁场水平分量数据，并结合B-S模型导出的地表阻抗张量，计算时空分布的感应地电场。地磁暴的起止时间采用急始（SSC）标准和SYM-H指数回归平静值的判据来界定，并以GIC序列的标准差而非峰值来表征风暴的整体GIC活动水平，以规避离群值和极化方向突变带来的误导。第三，是执行电网GIC计算。葡萄牙大陆输电网络包含137个变电站、356台变压器和334条输电线路，覆盖150、220和400千伏三个电压等级。由REN提供了详尽的电路参数，如线路电阻、长度、变压器特性和变电站的接地电阻。计算采用Lehtinen和Pirjola的矩阵方程，将输电线路径近似为直线，沿路径积分感应电场得到电动势，进而求解每个变压器中性点的GIC。对于跨越边境连接西班牙电网的线路，则采用等效电路模型处理。第四，是部署霍尔效应传感器进行GIC实测验证。自2021年8月底起，一套自研的GIC测量样机安装在距离科英布拉约35公里的Paraimo变电站（SPI），该装置将一个LEM HOP 1000-SB型霍尔效应传感器钳接在TRF6变压器的中性点接地线上，信号由24位高精度模数转换器采集，并基于树莓派（Raspberry Pi）单板机开发。经实验室标定，系统的真实灵敏度为4.25毫伏/安，噪声标准差为0.056安。第五，是进行不确定性和敏感性分析。研究评估了B-S电导率模型在更深层（岩石圈和软流圈）的非唯一性所带来的误差，通过修改40公里以下深度层的电阻率，生成多个测试模型（如A6模型），对比其对GIC计算的影响；同时，也为那些不属于REN管辖的变电站，测试了将默认的0.2欧姆接地电阻替换为邻近同地质单元内REN变电站实际阻值后，GIC结果的变化。

本研究获得的主要结果如下：第一，GIC的地理分布受地质构造强烈控制。对8次地磁暴的平均标准差分析显示，葡萄牙电网中GIC水平最高的变电站无一例外地集中在西北部，即波尔图-托马尔剪切带（Porto-Tomar Shear Zone, PTSZ）附近。该区域是电阻性极高的CIZ和导电性较好的卢西塔尼亚盆地的交界，与海岸线共同构成了剧烈的电导率突变边界，导致感应电场在此处发生严重扭曲并增强。相比之下，南部的阿尔加维盆地和南葡萄牙带（SPZ）等电阻率较低且陆内电性差异平缓的区域，GIC水平明显偏低。分组统计定量证实，“卢西塔尼亚盆地/CIZ”组的GIC强度显著高于其他地质单元组。尽管北部地区400千伏长距离线路密集，拓扑效应（线路端点的“边缘效应”）也对高GIC有贡献，但地理分布的主控因素仍是地下电导率结构。第二，GIC模型通过实测数据的验证。对比2021年9月17日一个小型地磁暴期间SPI变电站的实测与模拟GIC时间序列，两者的皮尔逊相关系数达到0.60。为了精细评估模型性能，利用巴特沃斯（Butterworth）滤波器将信号分为高、中、低三个频段。结果显示，在高频段，测量信号被幅值约为0.02-0.03安的仪器噪声主导；在中频段，模拟与实测吻合良好，相关系数达到0.67，这一结果令人鼓舞；在低频段，相关系数很低，且存在数小时的相位漂移。第三，不确定性来源的定量评估。对比B-S模型和深部更导电的A6模型表明，由于地下深层电导率未知，导致所有变电站计算出的GIC标准差系统性地减小了约40%，这是目前GIC估算中的最大误差源。而将非REN变电站接地电阻由标准值替换为合理估计值后，GIC标准差的平均变化仅为2%，属于次要误差源。然而，对于个别变电站，接地电阻的不确定性仍可引起高达60%的GIC变化。

本研究结论及其意义在于，首次为葡萄牙全国提供了基于真实三维地电结构和完整电网参数的高精度GIC分布图，确证了地质构造界面是决定中低纬度国家GIC风险分布的核心因素。尽管在第24太阳活动周期最强风暴条件下，输电网中变压器承受的GIC峰值（最高15.1安）仍处于较低暴露水平，无直接损坏风险，但本工作建立了一套完备的从建模、计算到实测验证的研究体系。其科学价值在于揭示了地壳电性不连续性对感应电场和电流的放大效应，而应用价值则直接体现在为电网运营商识别薄弱站点、优化规划和防护策略提供了量化依据。在亮点方面，该研究的创新性突出体现在三点：一是使用了首个覆盖葡萄牙全境的实测三维电导率模型；二是首次在葡萄牙电网实地安装了自研的霍尔效应GIC监测装置并获得了用于模型验证的宝贵数据；三是系统地量化了电导率模型和电路参数两种误差源对最终GIC估算结果的不同影响权重。

作为补充，文中还详细探讨了电导率模型的局限性及未来改进方向。由于宽带MT探测深度不够，对数百公里深度的地幔电性缺乏约束，这被认为是低频段模拟与实测偏差的主因。敏感性测试表明，提高岩石圈电阻率虽能略微提升相关系数和性能参数P，但改善不显著，这暗示仅靠简单一维层状模型修正不足以解决局部复杂地质（如PTSZ区域）带来的问题，未来需部署长周期MT测深乃至利用GIC测量进行反演。同时，加密MT测点网格对于捕捉小尺度电性结构、进一步提高感应电场路径积分和GIC估算的准确性至关重要。目前，研究团队正致力于开发更高灵敏度的测量系统，并计划在更多不同地质背景的变电站部署传感器，以持续校验和精化GIC模型。