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60年代邢臺地震以來，我國開始大量的建設、發(fā)展地電阻率觀測臺網(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?錢復業(yè)等,1982；桂燮泰等,1989;Lu et al.1999;杜學彬等,2007;張學民等,2009;杜學彬,2010;高曙德等,2010; Huang,2011)。但隨著我國經濟的迅速發(fā)展，我國電力事業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，國內的高壓電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)、特高壓直流電網(wǎng)不斷鋪設，這些電網(wǎng)及其相關設備會在周圍一定范圍內形成較強的電磁環(huán)境。對于我國的地電阻率觀測臺網(wǎng)而言，這些電磁環(huán)境已嚴重影響到數(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行系統(tǒng)分析，得出工頻干擾影響的物理機制；最后依據(jù)產生干擾的物理機制，通過抑制輸電鐵塔產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，緊鄰五臺山北麓斷裂。臺站布極中心點與觀測室相距約500 m，從東西、南北兩條測線進行觀測，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，無大的用電設備和工廠。近年來在測區(qū)里鋪設了一條近南北向的高壓線，架設了3個輸電鐵塔(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個輸電鐵塔，形成了復雜的電磁干擾環(huán)境，對觀測數(shù)據(jù)產生一定的影響。

2 代縣臺地電阻率變化分析

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月份降雨量增加時觀測值開始上升，8月份，9月份后降雨量減少時電阻率相應地下降，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)的表層介質隨季節(jié)性降雨而產生的。換言之降雨使得表層介質的含水飽和度出現(xiàn)了明顯的上升，介質含水飽和度高時表層介質電阻率降低，引起地電阻率觀測值也降低；反之干旱季節(jié)表層介質含水飽和度較小導致表層介質電阻率上升，引起地電阻率觀測值也上升，大多數(shù)臺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)等認為，反向年變是由于這些臺站表層介質的影響系數(shù)為負數(shù)引起的。

由代縣地電的電測深曲線反演結果可知，測區(qū)可等效的劃分為KQ型結構(見表1),根據(jù)上述參數(shù)運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行對比，結果顯示兩者一致性較好(見圖3a))。在該水平層狀模型下計算了測區(qū)各層介質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)為負值，表層地電阻率減小時，視電阻率值反而增大，這與實際觀測值是相符的。

表1 代縣地電阻率電測深反演結果

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。對架設高壓線前后的數(shù)據(jù)進行頻譜分析(如圖4所示)可知：架設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，并且在這些時段引起幅度較大的擾動性變化造成的。

3 工頻干擾的機制研究

工頻干擾(50 Hz及其倍頻干擾)主要是電力系統(tǒng)產生的，這主要與我國采用50 Hz電力供電系統(tǒng)密切相關。近年來隨著我國經濟的迅速發(fā)展，我國電力事業(yè)也得到了迅猛發(fā)展，國內的高壓電網(wǎng)、超高壓電網(wǎng)、特高壓直流電網(wǎng)不斷鋪設,這些輸電線及其相關設備形成的電磁環(huán)境已嚴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電流與接地漏電電流。感應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，存在比較大的感應電流，形成干擾電場。漏電電流主要是由大型變電設施、工業(yè)生產用電設施以及民用生活等用電設備通過接地系統(tǒng)向大地產生強度不等的泄漏電流，在地表產生干擾電場。

對數(shù)據(jù)分析可知:地電阻率南北向整點值幾乎每天(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，因為感應電流在空間上呈現(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，因此產生的感應電流對電阻率的影響也基本穩(wěn)定。為了進一步核實工頻干擾產生的機理，省局預報人員與臺站工作人員共同完成了輸電鐵塔對地電位測量，測量結果見表2。從表中測量結果可以看出，三個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，增加一個避雷器以達到避雷作用。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%)，恢復到了架設高壓線前的水平。對觀測數(shù)據(jù)進行頻譜分析可得(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月份降雨量增加時觀測值開始上升，8月份，9月份后降雨量減少時電阻率相應地下降，表現(xiàn)為“夏高冬低”的反向年變特征，這是由于表層介質的影響系數(shù)為負數(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。

代縣臺同事們在高壓鐵塔對地電位測試中付出了艱辛的努力，預報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。