地電阻率觀測的工頻干擾分析★

郭文峰 楊林森

(1.山西省地震局,山西 太原 030021; 2.懷仁市地震局,山西 懷仁 038300)

0 引言

自20世紀(jì)60年代邢臺(tái)地震以來，我國開始大量的建設(shè)、發(fā)展地電阻率觀測臺(tái)網(wǎng)。幾十年的觀測數(shù)據(jù)表明，地電阻率在許多大震、中強(qiáng)震前出現(xiàn)了較為明顯的中、短期異常，多以趨勢下降變化、破年變?yōu)橹?錢復(fù)業(yè)等,1982；桂燮泰等,1989;Lu et al.1999;杜學(xué)彬等,2007;張學(xué)民等,2009;杜學(xué)彬,2010;高曙德等,2010; Huang,2011)。但隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國電力事業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，國內(nèi)的高壓電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)、特高壓直流電網(wǎng)不斷鋪設(shè)，這些電網(wǎng)及其相關(guān)設(shè)備會(huì)在周圍一定范圍內(nèi)形成較強(qiáng)的電磁環(huán)境。對于我國的地電阻率觀測臺(tái)網(wǎng)而言，這些電磁環(huán)境已嚴(yán)重影響到數(shù)據(jù)的觀測精度，干擾了地震電磁研究者的視線，因此合理地消除這些電磁環(huán)境干擾顯得極為迫切。

本文首先對高壓輸電線前后的地電阻率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到輸電線對地電阻率的干擾影響；然后從工頻干擾方式及工頻干擾原理進(jìn)行系統(tǒng)分析，得出工頻干擾影響的物理機(jī)制；最后依據(jù)產(chǎn)生干擾的物理機(jī)制，通過抑制輸電鐵塔產(chǎn)生的漏電電流很好地消除了工頻干擾對地電阻率的影響。

1 代縣地電阻率臺(tái)站概況

代縣地電阻率觀測場地位于山西斷陷帶的忻定盆地，北部以恒山斷塊隆起與大同盆地相隔，南部以石嶺關(guān)隆起與太原盆地分開(見圖1a))。忻定盆地自北向南由代縣、原平和定襄三個(gè)凹陷組成，代縣地電阻率位于代縣凹陷，屬于滹沱河沖積平原，緊鄰五臺(tái)山北麓斷裂。臺(tái)站布極中心點(diǎn)與觀測室相距約500 m，從東西、南北兩條測線進(jìn)行觀測，布極方位互相垂直，其中SN道與山前主干斷裂帶垂直，EW道與斷裂帶平行或斜交。測區(qū)周圍地形開闊，環(huán)境穩(wěn)定，無大的用電設(shè)備和工廠。近年來在測區(qū)里鋪設(shè)了一條近南北向的高壓線，架設(shè)了3個(gè)輸電鐵塔(見圖1b))，靠近NS測道B2供電電極以及N2測量電極附近均有1個(gè)輸電鐵塔，形成了復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境，對觀測數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的影響。

2 代縣臺(tái)地電阻率變化分析

代縣地電阻率的觀測資料(如圖2所示)顯示，代縣地電阻率呈現(xiàn)出規(guī)律性的年變化特征：每年4月份，5月份降雨量增加時(shí)觀測值開始上升，8月份，9月份后降雨量減少時(shí)電阻率相應(yīng)地下降，表現(xiàn)為“夏高冬低”的反向年變特征。研究表明，年變主要是由地電阻率測區(qū)的表層介質(zhì)隨季節(jié)性降雨而產(chǎn)生的。換言之降雨使得表層介質(zhì)的含水飽和度出現(xiàn)了明顯的上升，介質(zhì)含水飽和度高時(shí)表層介質(zhì)電阻率降低，引起地電阻率觀測值也降低；反之干旱季節(jié)表層介質(zhì)含水飽和度較小導(dǎo)致表層介質(zhì)電阻率上升，引起地電阻率觀測值也上升，大多數(shù)臺(tái)站的地電阻率年變形態(tài)符合“夏低冬高”這類正常年變。而代縣地電阻率“夏高冬低”稱之為反向年變，錢家棟(1985)，Lu(2004)等認(rèn)為，反向年變是由于這些臺(tái)站表層介質(zhì)的影響系數(shù)為負(fù)數(shù)引起的。

由代縣地電的電測深曲線反演結(jié)果可知，測區(qū)可等效的劃分為KQ型結(jié)構(gòu)(見表1),根據(jù)上述參數(shù)運(yùn)用濾波器算法求出不同極距下的地電阻率值，并與原始的電測深觀測值進(jìn)行對比，結(jié)果顯示兩者一致性較好(見圖3a))。在該水平層狀模型下計(jì)算了測區(qū)各層介質(zhì)電阻率變化對地電阻率觀測的影響系數(shù)(O’Neill，Merrick，1984；錢家棟等,1985)，如圖3b)所示。在代縣地電阻率供電極(AB/2=400 m)的極距下，表層地電阻率的影響系數(shù)為負(fù)值，表層地電阻率減小時(shí)，視電阻率值反而增大，這與實(shí)際觀測值是相符的。

表1 代縣地電阻率電測深反演結(jié)果

由圖2可知：代縣地電阻率值在高壓線后出現(xiàn)了明顯的高頻成分。對架設(shè)高壓線前后的數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析(如圖4所示)可知：架設(shè)高壓線前后都存在著明顯的日變特征，即存在著24 h的全日波頻譜周期，這可能是主要受溫度影響(戴勇等，2013)。在架設(shè)高壓線之后，頻譜上出現(xiàn)了半日波等“高頻”現(xiàn)象，并且振幅幅度增加了近5倍，這是由于每天用電高峰期基本固定，并且在這些時(shí)段引起幅度較大的擾動(dòng)性變化造成的。

3 工頻干擾的機(jī)制研究

工頻干擾(50 Hz及其倍頻干擾)主要是電力系統(tǒng)產(chǎn)生的，這主要與我國采用50 Hz電力供電系統(tǒng)密切相關(guān)。近年來隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國電力事業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，國內(nèi)的高壓電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)、特高壓直流電網(wǎng)不斷鋪設(shè),這些輸電線及其相關(guān)設(shè)備形成的電磁環(huán)境已嚴(yán)重影響到地震電磁數(shù)據(jù)的觀測，給地震電磁研究者帶來很大的困擾。前人研究(席繼樓，2015；羅娜，2016)表明：高壓線電磁環(huán)境的干擾主要包括電磁感應(yīng)電流與接地漏電電流。感應(yīng)電流主要是由架空的超高壓交流輸電線路、電氣化鐵路的電力饋線等引起，在平行于該線路附近地表的一定范圍內(nèi)，存在比較大的感應(yīng)電流，形成干擾電場。漏電電流主要是由大型變電設(shè)施、工業(yè)生產(chǎn)用電設(shè)施以及民用生活等用電設(shè)備通過接地系統(tǒng)向大地產(chǎn)生強(qiáng)度不等的泄漏電流，在地表產(chǎn)生干擾電場。

對數(shù)據(jù)分析可知:地電阻率南北向整點(diǎn)值幾乎每天(用電高峰期)都有大于7 Ω·m(3%)的突跳，地電阻率東西向數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定；初步斷定可能是高壓鐵塔接地漏電造成的干擾，因?yàn)楦袘?yīng)電流在空間上呈現(xiàn)對稱的指數(shù)型衰減規(guī)律，而高壓線走向與地電阻率電極已固定，因此產(chǎn)生的感應(yīng)電流對電阻率的影響也基本穩(wěn)定。為了進(jìn)一步核實(shí)工頻干擾產(chǎn)生的機(jī)理，省局預(yù)報(bào)人員與臺(tái)站工作人員共同完成了輸電鐵塔對地電位測量，測量結(jié)果見表2。從表中測量結(jié)果可以看出，三個(gè)輸電鐵塔對地電位差較大，顯著大于地電場觀測的測區(qū)電位差，說明鐵塔存在漏電現(xiàn)象。采取對輸電鐵塔避雷線進(jìn)行絕緣改造措施：把鐵塔頂部的避雷線和鐵塔用絕緣子隔離，使得鐵塔不再向大地泄漏電流，增加一個(gè)避雷器以達(dá)到避雷作用。對輸電線鐵塔避雷線絕緣改造后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)高頻成分消失了，NS向日變幅度由改造前的最大7 Ω·m(3%)下降為改造后的小于0.2 Ω·m(0.09%)，恢復(fù)到了架設(shè)高壓線前的水平。對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行頻譜分析可得(如圖5所示)：半日波等高頻成分消失了，振幅也削弱到了高壓線前的水平。輸電鐵塔避雷線絕緣改造徹底解決了代縣地電阻率NS向因高壓鐵塔漏電導(dǎo)致的數(shù)據(jù)大幅突跳現(xiàn)象。

表2 輸電鐵塔漏電測試表

4 結(jié)語

1)代縣地電阻率呈現(xiàn)出規(guī)律性的年變特征，每年4月份，5月份降雨量增加時(shí)觀測值開始上升，8月份，9月份后降雨量減少時(shí)電阻率相應(yīng)地下降，表現(xiàn)為“夏高冬低”的反向年變特征，這是由于表層介質(zhì)的影響系數(shù)為負(fù)數(shù)造成的。

2)漏電電流是工頻干擾的主要表現(xiàn)形式，廣泛存在于高壓輸電、用電設(shè)施及用戶周圍，在代縣地電阻率測區(qū)通過輸電鐵塔向大地釋放電流，主要表現(xiàn)為限幅畸變及高頻等干擾現(xiàn)象。

3)采用輸電鐵塔避雷線絕緣改造很好地抑制了代縣地電阻率測區(qū)的工頻干擾現(xiàn)象，也徹底解決了高壓線引起的數(shù)據(jù)大幅突跳以及高頻等問題。

代縣臺(tái)同事們在高壓鐵塔對地電位測試中付出了艱辛的努力，預(yù)報(bào)中心寧亞靈在文章的撰寫過程中提供了很大的幫助，在此表示感謝。