高壓輸電線對激電法、磁法工作的影響淺析

張 勇，費(fèi)雯麗

(湖北省地質(zhì)調(diào)查院,湖北 武漢 430034)

高壓輸電網(wǎng)是高效快捷的能源輸送通道和優(yōu)化配置平臺,在現(xiàn)代能源供應(yīng)體系中發(fā)揮著重要的樞紐作用。據(jù)中國國家電網(wǎng)網(wǎng)站信息,截至2018年底,110 kV及以上輸電線路長度103.3萬km、變電(換流)容量46.6億kVA(kW),截至2019年,特高壓線路中國已建成“九交十直”、核準(zhǔn)在建“三交一直”工程,已投運(yùn)特高壓工程累計(jì)線路長度27 570 km、累計(jì)變電(換流)容量29 620萬kVA(kW),特高壓輸電通道累計(jì)送電超過11 457.77億kW·h。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和輸電電壓等級的不斷提高,輸電線路的電磁感應(yīng)場對激電法、磁法等相關(guān)物探勘查方法應(yīng)用的影響也隨之增大。本文以單回交流500 kV超高壓線路為例,介紹輸電線路附近電磁干擾產(chǎn)生的機(jī)制及其感應(yīng)的電場、磁場分布特征；通過電、磁法2個物探勘查工作實(shí)例,揭示高壓輸電線路對其附近觀測數(shù)據(jù)的影響大小和范圍；以期引起對該類干擾的重視。

1 高壓輸電線路的電磁場

1.1 高壓輸電線路簡介

架空線路主要指架設(shè)在地面之上,用絕緣子將輸電導(dǎo)線固定在直立于地面的桿塔上以傳輸電能的輸電線路；架空線路的主要部件有：導(dǎo)線和避雷線(架空地線)、桿塔、絕緣子、金具、桿塔基礎(chǔ)、拉線和接地裝置等。一般電壓等級越高,上下導(dǎo)線垂直距離就越大,線路離地也越高。

在中國,輸電網(wǎng)電壓等級一般分為高壓、超高壓和特高壓,其中交流電壓等級中,高壓指110 kV和220 kV；超高壓指330 kV、500 kV和750 kV；特高壓指1 000 kV；直流電壓等級中,超高壓指±500 kV和±660 kV,特高壓指±800 kV。目前,500 kV電壓等級的交流輸電線路是國內(nèi)區(qū)域間較長距離送電網(wǎng)的重要組成部分。

1.2 輸電線路的電磁場

根據(jù)麥克斯韋方程組,電流或變化的電場可以產(chǎn)生磁場,變化的磁場可以產(chǎn)生感應(yīng)電場。中國交流電源的頻率采用50 Hz(工頻電),輸變電設(shè)施產(chǎn)生的工頻電場、工頻磁場頻率僅為50 Hz,比日常生活中的電磁波頻率低得多,屬于極低頻場。輸電線周圍的電磁場主要由2部分構(gòu)成，一部分是輸電線上的電流、電壓產(chǎn)生的工頻電場、磁場；另一部分是輸電線電暈放電、絕緣子串表面閃絡(luò)等引起的高頻電磁場。工頻電場是由帶電導(dǎo)體在其周圍感應(yīng)產(chǎn)生的空間場,工頻磁場則是由于電流流過導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的場[1]。

輸電線路下方的工頻電場、工頻磁場的理論計(jì)算一般采用國際大電網(wǎng)會議第36.01工作組推薦的等效電荷法[2]。500 kV輸電線路理論計(jì)算的線電壓取525 kV,電流取值500 A,導(dǎo)線采用水平排列；以中相導(dǎo)線的地面投影位置取為坐標(biāo)原點(diǎn)。500 kV單回輸電線路下方距地面1.5 m處工頻電場、磁場計(jì)算以及線路實(shí)測結(jié)果對比見圖1。

圖1 500 kV輸電線路工頻電場、磁場分布Fig.1 Distribution of power frequency electric and magnetic fields in 500 kV transmission lines

從圖1中可以看出,工頻電場、磁場以中相導(dǎo)線在地面的投影點(diǎn)為中心呈對稱分布,并隨著其與線路水平距離的增加呈迅速降低趨勢,降低幅度隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈減小趨勢[3]。電場、磁場強(qiáng)度最大值出現(xiàn)在邊相導(dǎo)線附近,并隨著導(dǎo)線對地距離的增加呈降低趨勢。其中,在導(dǎo)線對地距離為11 m時,工頻電場強(qiáng)度最大值為9.6 kV/m,工頻磁場強(qiáng)度最大值達(dá)30 μT(1 μT=103nT)。在運(yùn)行線路(線電壓527 kV,電流501 A,對地高度14 m)上的實(shí)測結(jié)果顯示,電場、磁場強(qiáng)度也是隨著距邊相導(dǎo)線距離的增加呈迅速降低趨勢,監(jiān)測值的變化趨勢與前述理論計(jì)算結(jié)果較一致。

2 對物探勘查工作影響實(shí)例

由于交流輸電線路在傳輸電能的同時,在周圍局部空間時刻會產(chǎn)生感應(yīng)電場和磁場,線路的輸送功率越大,產(chǎn)生的感應(yīng)工頻電磁場也越大。當(dāng)?shù)孛嫖锾娇辈楣ぷ鞯脑O(shè)備或者與設(shè)備連接的導(dǎo)線進(jìn)入該空間時,電磁場的感應(yīng)作用將對其造成干擾影響。

2.1 對地面磁測工作的影響

磁測工作使用的設(shè)備均為加拿大產(chǎn)GSM-19T型質(zhì)子磁力儀,測點(diǎn)距20 m。由圖2可以看出,在剖面1 200測點(diǎn)附近磁測數(shù)據(jù)出現(xiàn)了極低的負(fù)值異常,負(fù)極大值達(dá)13 910.9 nT,與剖面其他地段的觀測結(jié)果相差很大。該剖面位于陽新侵入體石英閃長巖(δοJ1)分布區(qū)內(nèi),地勢平緩。該區(qū)的地質(zhì)成果顯示,第四系的巖性主要為無磁性的砂、礫石、亞粘士等；石英閃長巖在地表多數(shù)已風(fēng)化,呈黃褐色,松散狀。原巖主要礦物成分有斜長石、石英、角閃石、鉀長石等,磁鐵礦等暗色礦物含量較低,<3%。區(qū)內(nèi)未見高磁性地質(zhì)體存在,經(jīng)過實(shí)地核查,有一條三相500 kV交流輸電線路從剖面的1 200測點(diǎn)斜穿通過,高壓線鐵塔距離剖面的測點(diǎn)較遠(yuǎn),判斷負(fù)值異常為其影響所致。

由圖3可以看出,在剖面1 100～1 500測點(diǎn)之間出現(xiàn)了雙峰狀的高磁異常,極大值達(dá)1 849.4 nT。該剖面位于志留系新灘組(S1x1)泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖分布區(qū)內(nèi),地勢較陡峭。該區(qū)的地質(zhì)成果顯示,泥質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖的物質(zhì)成分以石英為主,長石和巖屑少見,有時含較多的白云母,填隙物有鈣質(zhì)、少量鐵質(zhì)及粘土質(zhì)等,鐵質(zhì)含量<2%。區(qū)內(nèi)未見高磁性地質(zhì)體存在,經(jīng)過實(shí)地核查,有一條三相500 kV交流輸電線路從剖面的1 300測點(diǎn)附近垂直穿過,高壓輸電線的鐵塔距離剖面的測點(diǎn)較遠(yuǎn),判斷該高值磁異常為疊加了三相輸電線路的工頻磁場所致。

分析認(rèn)為,對三相導(dǎo)線,因相位不同,所形成的磁感應(yīng)強(qiáng)度水平和垂直分量都要考慮電流間的相角來合成,磁感應(yīng)強(qiáng)度由水平和垂直分量共同決定；在一段區(qū)

圖3 高椅山異常檢查區(qū)磁測剖面圖Fig.3 Magnetic profile of Gaoyishan anomaly inspection area1.泥質(zhì)粉砂巖；2.粉砂質(zhì)泥巖；3.變質(zhì)粉砂巖；4.變質(zhì)砂巖；5.斷層。

域內(nèi)水平分量起主要作用,在另一段區(qū)域內(nèi)垂直分量起主要作用[4]。在高壓線路附近由于工頻磁場的干擾一方面改變了測點(diǎn)處的磁場強(qiáng)度,另一方面由于電磁感應(yīng),變化的磁場也會在探頭線圈內(nèi)感應(yīng)出電流,從而影響探頭內(nèi)質(zhì)子旋進(jìn)的角速度。探頭線圈內(nèi)質(zhì)子的旋進(jìn)頻率f與磁通量密度即磁感應(yīng)強(qiáng)度有直接關(guān)系,氫質(zhì)子拉莫爾旋進(jìn)的角速度(角速度=2πf,該f為質(zhì)子旋進(jìn)頻率)與測點(diǎn)處的地磁場大小有關(guān)系,測點(diǎn)處地磁場越強(qiáng),旋進(jìn)就越快,反之越慢,造成測點(diǎn)處出現(xiàn)不正常的極高、極低磁測結(jié)果。

從上述可知,高壓輸電線對磁測的影響范圍均超過了200 m。所以在《地面高精度磁測技術(shù)規(guī)程》(DZ/T 0071—93)中規(guī)定：“遇有磁性干擾物(如鐵路、廠房、井場、高壓線、有磁性的巖坎或巖石堆等)時,須合理移動點(diǎn)位,避開干擾,并加注記以備日后核查?！?/p>

2.2 對激電法工作的影響

直流激電工作使用的設(shè)備為國產(chǎn)直流數(shù)字激電儀,供電時基4 s(0.25 Hz),供電周期16 s,雙向短脈沖方式連續(xù)供電,短導(dǎo)線方式工作；其中激電中梯剖面測量的AB供電極距1 600 m、MN=點(diǎn)距=20 m,激電測深采用對稱四極等比裝置,AB∶MN=10∶1,AB供電極距1 500 m。

由圖4中梯測量成果可以看出,在武當(dāng)巖群二段片巖分布區(qū)內(nèi)發(fā)現(xiàn)2處高激電異常(J1,J2)。初步成果推斷認(rèn)為激電異常J1屬于總體呈北東向分布、從西往東背景值漸增的高背景上的局部小異常,它的視極化率背景值3.0%,異常范圍3.5%～4.0%,極大值4.08%,伴生弱的相對低阻異常。該異常位于Ⅵ號金銀鎢礦體的南東側(cè),推斷可能為隱伏的伴生黃鐵礦化的多金屬礦化體的電性反映。激電異常J2呈北東向分布,視極化率異常下限為3.0%,異常值3.5%～4.0%,極大值4.97%,伴生弱的相對低阻異常。該異常規(guī)模較大,位于煌斑巖脈的南東側(cè),異常性質(zhì)不明。

圖4 王家臺金礦區(qū)視極化率等值線平面圖(局部)Fig.4 Plan of apparent polarizability isoline in Wangjiataigold mine area (local)1.第四系沖積物；2.武當(dāng)巖群二段片巖、淺粒巖；3.煌斑巖脈；4.金、鎢礦體；5.激電異常位置及編號；6.測深剖面位置及編號；7.高壓輸電線。

通過對異常性質(zhì)不明的J2異常實(shí)地核查發(fā)現(xiàn),該高激電異常位于山溝及斜坡上。該異常位于武當(dāng)巖群二段地層內(nèi),巖性主要為呈低極化特征的白云鈉長片巖、二云鈉長片巖等,地表未發(fā)現(xiàn)礦化、蝕變現(xiàn)象,也未伴生面積性化探異常。該異常展布方向基本與該處通過的一條三相500 kV交流輸電線路一致,初步判斷該高激電異常為三相輸電線路的工頻電磁場干擾所致。

由圖5的16線剖面激電測深成果可以看出,上述的中梯測量發(fā)現(xiàn)的異常J1在16線測深剖面的3 340～3 380測點(diǎn)之間以淺部異常的狀態(tài)再現(xiàn),同時在供電極距AB/2=240 m以下整個剖面出現(xiàn)一個明顯的呈斜坡狀分布的高極化率異常背景區(qū)；結(jié)合圖5中高壓線與測深剖面的位置關(guān)系看,測深點(diǎn)距離高壓線越近,其視極化率值越高的近線性變化特征,且基本延續(xù)到本次工作的最大供電極距上,視電阻率等值線斷面圖上則未見這種現(xiàn)象。據(jù)該區(qū)地質(zhì)資料,該地段的巖性主要為呈低極化特征的白云鈉長片巖、綠簾白云鈉長片巖等,地層傾向南東方向,傾角25°～40°。結(jié)合該剖面上已經(jīng)施工完成的ZK1601深部未見與地表差異的電性巖層存在,判斷該剖面深部的高極化異常背景主要是疊加了三相高壓輸電線路的工頻電磁場干擾所致。

圖5 王家臺金礦區(qū)16線激電測深等值線斷面圖Fig.5 Contour of 16 line IP sounding isoline in Wangjiatai gold mine area1.白云鈉長片巖；2.綠簾白云鈉長片巖；3.斷裂破碎帶；4.產(chǎn)狀

分析認(rèn)為,工頻磁場場強(qiáng)矢量的旋轉(zhuǎn)軌跡為一橢圓,它隨著空間位置的變化而變化,磁場強(qiáng)度的最大值(橢圓長軸)及其相位也隨之而變化[5]。由“麥克斯韋方程組”和“法拉第電磁感應(yīng)原理”,磁場變化產(chǎn)生電流。在地面電法施工中的測量導(dǎo)線閉合回來進(jìn)入輸電線路的磁場影響范圍時,由于電磁感應(yīng)作用,測量導(dǎo)線回路上感應(yīng)產(chǎn)生的電動勢將通過測量電極進(jìn)入設(shè)備的采集系統(tǒng),疊加在人工激發(fā)后產(chǎn)生的異常信號上,從而對觀測結(jié)果造成影響。隨著離輸電線路距離的增加,工頻磁場強(qiáng)度會快速降低,其對觀測系統(tǒng)的影響逐漸減弱。初步判斷,磁場強(qiáng)度變化在供電導(dǎo)線回路上產(chǎn)生的電流影響也是16線測深剖面深部出現(xiàn)斜坡狀高極化異常背景的原因之一。

從中梯和測深的實(shí)測結(jié)果可知,高壓輸電線對直流激電法的影響范圍超過了輸電線外200 m。

按照全區(qū)的中梯面積測量數(shù)據(jù)剔除>3倍標(biāo)準(zhǔn)離差后的平均值作為背景值,統(tǒng)計(jì)該區(qū)地層的極化率背景值ηs為2.3%；從離該高壓輸電線路相距1 100 m遠(yuǎn)處的3線激電測深成果看,測深成果與該背景值是基本吻合的；而16線中深部的斜坡狀分布的高極化率異常背景值最大達(dá)4.4%,同時激電異常(J2)的極大值為4.97%。初步判斷該區(qū)內(nèi),高壓線對近距離激電法的極化率參數(shù)最大影響可達(dá)100%。

3 結(jié)論及建議

(1) 高壓輸電線產(chǎn)生的工頻電磁場具有強(qiáng)度大、范圍廣的特點(diǎn)。結(jié)合實(shí)測結(jié)果,對地面磁測、激電法的影響范圍均超過輸電線路兩側(cè)200 m距離,對磁測的影響強(qiáng)度>直流激電法。

(2) 在目前沒有統(tǒng)一、有效的抑制該干擾的方法情況下,在物探工作的設(shè)計(jì)、施工階段預(yù)防性、合理的進(jìn)行線路布置、精細(xì)化野外數(shù)據(jù)采集,是降低該類干擾影響的有效措施。

(3) 加強(qiáng)對地面電法、磁法圈定異常的實(shí)地核查工作,減少對此類干擾引起的假異常的誤判,提高地質(zhì)解釋、推斷工作可靠性。

(4) 隨著中國電網(wǎng)走廊資源的緊張,輸電線路架設(shè)方式將向同塔雙回、同塔多回、交直流同塔等方式布設(shè)發(fā)展,線路周圍的電磁干擾情況也更加復(fù)雜,有必要加強(qiáng)對高壓輸電線的電磁干擾方面的研究。