地电阻率观测的工频干扰分析★

郭文峰 杨林森

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

0 引言

自20世纪60年代邢台地震以来，我国开始大量的建设、发展地电阻率观测台网。几十年的观测数据表明，地电阻率在许多大震、中强震前出现了较为明显的中、短期异常，多以趋势下降变化、破年变为主(钱复业等,1982；桂燮泰等,1989;Lu et al.1999;杜学彬等,2007;张学民等,2009;杜学彬,2010;高曙德等,2010; Huang,2011)。但随着我国经济的迅速发展，我国电力事业也得到了迅猛发展，国内的高压电网、超高压电网、特高压直流电网不断铺设，这些电网及其相关设备会在周围一定范围内形成较强的电磁环境。对于我国的地电阻率观测台网而言，这些电磁环境已严重影响到数据的观测精度，干扰了地震电磁研究者的视线，因此合理地消除这些电磁环境干扰显得极为迫切。

本文首先对高压输电线前后的地电阻率数据进行分析，得到输电线对地电阻率的干扰影响；然后从工频干扰方式及工频干扰原理进行系统分析，得出工频干扰影响的物理机制；最后依据产生干扰的物理机制，通过抑制输电铁塔产生的漏电电流很好地消除了工频干扰对地电阻率的影响。

1 代县地电阻率台站概况

代县地电阻率观测场地位于山西断陷带的忻定盆地，北部以恒山断块隆起与大同盆地相隔，南部以石岭关隆起与太原盆地分开(见图1a))。忻定盆地自北向南由代县、原平和定襄三个凹陷组成，代县地电阻率位于代县凹陷，属于滹沱河冲积平原，紧邻五台山北麓断裂。台站布极中心点与观测室相距约500 m，从东西、南北两条测线进行观测，布极方位互相垂直，其中SN道与山前主干断裂带垂直，EW道与断裂带平行或斜交。测区周围地形开阔，环境稳定，无大的用电设备和工厂。近年来在测区里铺设了一条近南北向的高压线，架设了3个输电铁塔(见图1b))，靠近NS测道B2供电电极以及N2测量电极附近均有1个输电铁塔，形成了复杂的电磁干扰环境，对观测数据产生一定的影响。

2 代县台地电阻率变化分析

代县地电阻率的观测资料(如图2所示)显示，代县地电阻率呈现出规律性的年变化特征：每年4月份，5月份降雨量增加时观测值开始上升，8月份，9月份后降雨量减少时电阻率相应地下降，表现为“夏高冬低”的反向年变特征。研究表明，年变主要是由地电阻率测区的表层介质随季节性降雨而产生的。换言之降雨使得表层介质的含水饱和度出现了明显的上升，介质含水饱和度高时表层介质电阻率降低，引起地电阻率观测值也降低；反之干旱季节表层介质含水饱和度较小导致表层介质电阻率上升，引起地电阻率观测值也上升，大多数台站的地电阻率年变形态符合“夏低冬高”这类正常年变。而代县地电阻率“夏高冬低”称之为反向年变，钱家栋(1985)，Lu(2004)等认为，反向年变是由于这些台站表层介质的影响系数为负数引起的。

由代县地电的电测深曲线反演结果可知，测区可等效的划分为KQ型结构(见表1),根据上述参数运用滤波器算法求出不同极距下的地电阻率值，并与原始的电测深观测值进行对比，结果显示两者一致性较好(见图3a))。在该水平层状模型下计算了测区各层介质电阻率变化对地电阻率观测的影响系数(O’Neill，Merrick，1984；钱家栋等,1985)，如图3b)所示。在代县地电阻率供电极(AB/2=400 m)的极距下，表层地电阻率的影响系数为负值，表层地电阻率减小时，视电阻率值反而增大，这与实际观测值是相符的。

表1 代县地电阻率电测深反演结果

由图2可知：代县地电阻率值在高压线后出现了明显的高频成分。对架设高压线前后的数据进行频谱分析(如图4所示)可知：架设高压线前后都存在着明显的日变特征，即存在着24 h的全日波频谱周期，这可能是主要受温度影响(戴勇等，2013)。在架设高压线之后，频谱上出现了半日波等“高频”现象，并且振幅幅度增加了近5倍，这是由于每天用电高峰期基本固定，并且在这些时段引起幅度较大的扰动性变化造成的。

3 工频干扰的机制研究

工频干扰(50 Hz及其倍频干扰)主要是电力系统产生的，这主要与我国采用50 Hz电力供电系统密切相关。近年来随着我国经济的迅速发展，我国电力事业也得到了迅猛发展，国内的高压电网、超高压电网、特高压直流电网不断铺设,这些输电线及其相关设备形成的电磁环境已严重影响到地震电磁数据的观测，给地震电磁研究者带来很大的困扰。前人研究(席继楼，2015；罗娜，2016)表明：高压线电磁环境的干扰主要包括电磁感应电流与接地漏电电流。感应电流主要是由架空的超高压交流输电线路、电气化铁路的电力馈线等引起，在平行于该线路附近地表的一定范围内，存在比较大的感应电流，形成干扰电场。漏电电流主要是由大型变电设施、工业生产用电设施以及民用生活等用电设备通过接地系统向大地产生强度不等的泄漏电流，在地表产生干扰电场。

对数据分析可知:地电阻率南北向整点值几乎每天(用电高峰期)都有大于7 Ω·m(3%)的突跳，地电阻率东西向数据基本稳定；初步断定可能是高压铁塔接地漏电造成的干扰，因为感应电流在空间上呈现对称的指数型衰减规律，而高压线走向与地电阻率电极已固定，因此产生的感应电流对电阻率的影响也基本稳定。为了进一步核实工频干扰产生的机理，省局预报人员与台站工作人员共同完成了输电铁塔对地电位测量，测量结果见表2。从表中测量结果可以看出，三个输电铁塔对地电位差较大，显著大于地电场观测的测区电位差，说明铁塔存在漏电现象。采取对输电铁塔避雷线进行绝缘改造措施：把铁塔顶部的避雷线和铁塔用绝缘子隔离，使得铁塔不再向大地泄漏电流，增加一个避雷器以达到避雷作用。对输电线铁塔避雷线绝缘改造后的数据进行分析，发现高频成分消失了，NS向日变幅度由改造前的最大7 Ω·m(3%)下降为改造后的小于0.2 Ω·m(0.09%)，恢复到了架设高压线前的水平。对观测数据进行频谱分析可得(如图5所示)：半日波等高频成分消失了，振幅也削弱到了高压线前的水平。输电铁塔避雷线绝缘改造彻底解决了代县地电阻率NS向因高压铁塔漏电导致的数据大幅突跳现象。

表2 输电铁塔漏电测试表

4 结语

1)代县地电阻率呈现出规律性的年变特征，每年4月份，5月份降雨量增加时观测值开始上升，8月份，9月份后降雨量减少时电阻率相应地下降，表现为“夏高冬低”的反向年变特征，这是由于表层介质的影响系数为负数造成的。

2)漏电电流是工频干扰的主要表现形式，广泛存在于高压输电、用电设施及用户周围，在代县地电阻率测区通过输电铁塔向大地释放电流，主要表现为限幅畸变及高频等干扰现象。

3)采用输电铁塔避雷线绝缘改造很好地抑制了代县地电阻率测区的工频干扰现象，也彻底解决了高压线引起的数据大幅突跳以及高频等问题。

代县台同事们在高压铁塔对地电位测试中付出了艰辛的努力，预报中心宁亚灵在文章的撰写过程中提供了很大的帮助，在此表示感谢。