洛阳台地电场近场地漏电干扰模拟试验

谢佳兴，侯博文，张翰博，刘庆华，郅红魁

（河南省地震局, 郑州 450018）

0 引言

中国地震台站大部分地处野外，地电场测量外线路一般采用电缆架空方式布设。近年，地电场台站进行了大规模的数字化技术改造和建设。同时，随着经济的快速发展，城市化进程的推进，工厂、城轨、高压直流输电线路等基础设施的建设，以及数字化仪器采样率与灵敏度的大幅度提高，地电场观测资料受到的电磁环境干扰影响日益增强，且复杂多样。一些干扰的形态特征和变幅量级易与震兆混淆，从而给地电场异常判别和地震预报中的实际应用带来困难[1-2]。

洛阳地震台（下文简称“洛阳台”）地电场观测场地位于龙门石窟景区和魏湾村住宅区，周边用电环境复杂，经常出现因环境干扰漏电造成的数据异常现象。据统计，2018 年因漏电干扰导致地电场数据异常5 次，2019 年3 次，2020 年7 次，漏电干扰频度逐年增加，对洛阳台地电观测造成严重的影响，也给漏电干扰排查附加了繁重的工作量。为进一步确定漏电干扰对洛阳台地电场观测的影响程度，在地电场测区开展实地观测实验[3]。通过近场地人工供电模拟漏电干扰，观察在测区周边正反向供电和不同电压供电时观测系统和漏电检查仪的对比变化，与观测系统漏电异常记录进行对比分析，探讨近场地漏电对洛阳台地电场的影响，得到数据干扰异常阶跃方向及幅度变化，为数据干扰及异常核实提供理论参考依据。

1 洛阳台地电场观测概况

1.1 地电场观测系统

洛阳台地电场观测系统于2007 年8 月1 日建成并投入运行，采用ZD9A-II 地电场仪进行地电场观测。地电观测系统测量通道6 个，数据产出为1 组/min；观测装置采用双L 形布设方式（图1）。其中，在NS、EW 向分别按照2 个极距布设，长极距为280 m、短极距为185 m，在斜道N45°E 方向，长、短极距分别为395 m、255 m；测量电极采用柱状铅电极，电极埋深3 m；测量外线路采用电缆架空方式，使用定制的多层、多芯绝缘铜导线，对地绝缘电阻大于50 MΩ[4]。地电场配电盒严格按照规范要求进行设置，2018 年12 月以前，各测道使用圆柱状（3.3×17/cm）铅电极，受场地条件限制，部分电极埋设深度较浅，地电场日常观测数据常受到地表浅层干扰源影响。2018 年12 月，电极统一更新为固体不极化电极，电极埋设深度略有增加（表1）。2020年9 月，在此基础上，对地电场室内观测系统进行标准化改造，将原有设备和避雷系统，进行统一安装、固定，并对各仪器接地、强弱电等重新进行绝缘固定处理，确保室内观测系统的稳定运行。

表1 洛阳台地电场观测电极埋设深度Table 1 Buried depth of geoelectric field observation electrode at Luoyang Seismic Station

图1 洛阳台地电场观测装置系统布设图Fig.1 Layout diagram of the geoelectric field observation device system at Luoyang Seismic Station

1.2 测区周边环境

洛阳台地电场测区位于洛阳市洛龙区魏湾村辖区内，测区内存在大型村庄，干扰隐患较多，主要干扰因素为测区内及周边的用电及附属设施：变压器、输电线路、路灯和测区周边施工造成的漏电等（图2）。随着城市开发和建设的不断深入，建筑施工越来越多，测区环境越来越差，干扰背景噪声较大，对观测资料质量影响很大。

图2 洛阳台地电测区周边环境示意图Fig.2 Schematic diagram of the surrounding environment of Luoyang Seismic Station geoelectric survey area

2 漏电干扰汇总统计

2018—2020 年，累计发生环境干扰漏电现象共计15 次，主要漏电源为魏湾村/西山宾馆/云成宫变压器和路灯，同时龙门石窟夜景灯线路年久失修，造成供电故障，产生干扰。以2020 年12 月17 日龙门石窟夜景灯线路年久失修漏电导致数据阶跃的影响较为显著，长、短极距NS 测道分别产生向上约17.5 mV/km 和17.1 mV/km 的数据阶跃，EW 测道分别产生向上约28.2 mV/km 和28.9 mV/km 的数据阶 跃，N45°E 测 道 分 别 产 生 向 下 约13.5 mV/km 和13.6 mV/km 的数据阶跃（图3），经多次协调龙门石窟管委会断电测试和相关异常核实调查，发现漏电点位于测区中心约北偏东20°方位，距离测区中心约1.2 km，采用万用表多次测量得到最大直流漏电量约为100 V，数据阶跃方向、幅度显著，因漏电点位距离地电场观测区较远，所以未对电极造成干扰极化影响，数据阶跃时间段与夜景灯开关时间点一致，未产生缓变和逐步恢复情况。漏电所影响数据的阶跃方向和漏电点位置有明显的对应关系：①测区外漏电：漏电点位于测区东、北侧，对测区NS、EW 测道影响均为正相关，对测区N45°E 测道影响均为负相关；②测区内漏电：漏电点位于测区中心，对测区NS、EW、N45°E 测道影响均为正相关；③距离电极较近区域漏电：根据所在电极位置，确定漏电影响测道及方向。主要干扰形态分类见表2。

表2 洛阳台地电场测区漏电干扰特征统计表Table 2 Statistical table of leakage interference characteristics in the survey area of Luoyang geoelectric field

图3 2020 年12 月17 日地电场观测数据Fig.3 Geoelectric field observation data on December 17, 2020

3 漏电干扰实验

漏电干扰实验是在观测系统测区周边采用人工供电方式，模拟漏电干扰源，将变频可调电源附加于地电场观测系统测区各方向位置，利用不同电流附加电压和改变方位来判别数据变化情况，对比观测，测区周边模拟漏电干扰前后 ZD9A-II 地电场仪与漏电检查仪数据阶跃幅度的一致性，进而分析漏电与地电场数据变化之间的对应关系。实验分2 次进行，第1 次2021 年7 月14 日，经数据检查分析发现部分数据缺失，且EW 测道数据受当天降雨影响，阶跃变化受压制无法使用；第2 次2021 年9 月2 日，在原有数据的分析基础上，查漏补缺，对公共极、EW 测道再次进行测试。

3.1 实验布局

3.1.1 设备连接

实验采用12 V、60 A 锂电池，配套1 000 W 纯正弦波逆变器，提供220 V 交流基础电源，提供给可控稳压电源，利用铜线正负极连接输出，与钢钎连接插入大地，形成实验基础供电设施（图4）。漏电检查仪利用铜线连接铜棒接入大地测试（图5）。

图4 实验设施连接示意图Fig.4 Connection diagram of experimental facilities

图5 漏电检查仪连接示意图Fig.5 Connection diagram of leakage detector

3.1.2 实验布线

布线利用直径1.5 mm 铜线分别在地电场测区公共长极和NS、EW、N45°E 测道附近，根据场地条件开展测试工作。1 号测线根据公共长极场地位置环境，在公共长极东侧1 m 处布设钢钎1，设定为公共长极W 测点，布线沿东西方向向东20 m 处布设钢钎2，设定为公共长极E 测点，中间采用铜线连接稳压电源进行供电测试，正反向供电时，一次供电钢钎1 为负、钢钎2 为正，二次供电钢钎1 为正、钢钎2 为负；2 号测线根据NS 测道场地位置环境，在平行于NS 测线靠近南短极东侧1 m 处布设测点，于南短极北侧布设钢钎1，设定为NS 测项N 测点，于南短极南侧布设钢钎2，设定为NS 测项S 测点，中间采用铜线连接稳压电源进行供电测试，正反向供电时，一次供电钢钎1 为负、钢钎2 为正，二次供电钢钎1 为正、钢钎2 为负；3 号测线根据N45°E 测道场地位置环境，在平行于N45°E 测线中间位置处布设测点，东侧布设钢钎1，设定为N45°E 测项E 测点，北侧布设钢钎2，设定为N45°E 测项N 测点，中间采用铜线连接稳压电源进行供电测试，正反向供电时，一次供电钢钎1 为正、钢钎2 为负，二次供电钢钎1 为负、钢钎2 为正；4 号测线根据EW 测道场地位置环境，采用在平行于EW 测线靠近西长极北侧1 m 处布设测点，于西长极北侧布设钢钎1，设定为EW 测项W 测点，于西短极北侧布设钢钎2，设定为EW 测项E 测点，中间采用铜线连接稳压电源进行供电测试，正反向供电时，一次供电钢钎1 为负、钢钎2 为正，二次供电钢钎1 为正、钢钎2 为负。漏电检查仪根据公共极和NS、EW 测道布线位置，分别布设于距离测线负极约5 m 处实时监控；布线点位由手持GPS 进行定位存档记录，布线距离根据GPS 点位距离测试获得（表3、图6）。

表3 模拟漏电点信息表Table 3 Simulated leakage point information table

图6 实验测试布线示意图Fig.6 Schematic diagram of experimental test wiring

3.1.3 实验测试

实验数据主要分为观测系统记录数据和漏电检查仪记录数据。实验于2021 年7 月14 日和2021 年9 月2 日上午分别开始记录，采用人工直流电压接地供电模式，通过控制供电方向、大小来判别数据干扰影响：①采用正/负双向30 V 直流供电，观察数据阶跃变化；②采用反向30 V、20 V、10 V 三种电压供电模式，观察数据阶跃变化；③对比数据阶跃变化方法与漏电点位（正/反）的对应关系，判别漏电点与观测区的大致方位；④对比不同电压漏电数据阶跃变化幅度，判断漏电量与阶跃幅度的对应关系；⑤总结实验漏电方位和数据阶跃变化的幅度，为判定观测系统漏电提供基础数据和决策依据。

3.2 数据分析

3.2.1 公共长极附近实验测试

实验选取数据时间段为第二次实验测试当日11:15—12:02 时，避开地电阻率供电干扰时段进行正反向供电和三次调压供电，漏电检查仪架设到测线西北侧约5 m 处实时记录（图7）；①通过30 V 直流正/反向供电，漏电检查仪NS、EW 测道均记录到向上/下的阶跃。因漏电点距离公共极较近，故长、短极距N45°E 测道变化不显著，观测系统只记录到NS、EW 测道同步正/反向供电时产生的向上/下阶跃；②通过反向30 V、20 V、10 V 供电，漏电检查仪观测记录到NS、EW 测道产生的向下阶跃变化，相应地，观测系统也记录到长（短）极距均产生向下的阶跃，变化幅度详见表4；因30 V 供电时间段正好与地电场仪器滤除电阻率供电干扰门限值设定时间重叠，导致数据阶跃后未恢复，故本段数据仅作参考；N45°E 测道距离漏电点较远，由于供电电压较低和电压衰减，经实验现场测试，距离供电点30 m 以外距离，供电量基本衰减消失，故未产生显著变化。

表4 公共长极模拟供电变化Table 4 Public long pole analog power supply change

图7 公共极实验测试数据Fig.7 Test data of Public Pole

3.2.2 NS 测道实验测试

实验选取数据时间段为第一次实验测试当日14:20—14:50 和15:15—15:40，避开地电阻率供电干扰时段进行正反向供电和三次调压供电，漏电检查仪架设到测线西侧约5 m 处实时记录（图8）；①通过30 V 直流正/反向供电，漏电检查仪NS、EW 测道均记录到向下/上的阶跃。观测系统只记录到正向供电时产生的向上阶跃，负向供电时间刚好与电阻率供电滤波时间一致，故被消除，且NS 测道最明显，依次为N45°E 和EW 测道；②通过反向30 V、20 V、10 V 供电，漏电检查仪观测记录到NS 和EW测道产生向上阶跃变化，观测系统记录到长（短）极距均产生向下的阶跃，变化幅度详见表5，EW 测道30 V供电时产生微弱变化，其余影响不明显，因EW 测道距离漏电点较远，且受供电电压较低和电压衰减影响，经实验现场测试，距离供电点30 m 以外距离，供电量基本衰减消失，故未产生显著变化。

表5 NS 测道模拟供电变化Table 5 NS channel simulates power supply change

图8 NS 测道实验测试数据Fig.8 Test data of NS channel

3.2.3 N45°E 测道实验测试

实验选取数据时间段为第一次实验测试当日15:40—16:35，该测道未架设漏电检查仪，在避开地电阻率供电干扰时段进行正反向供电和三次调压供电，观察观测系统实时记录（图9）；①通过30 V 直流正/反向供电，观测系统记录到供电时产生的向上/下阶跃变化与供电时间一致，因测线距离南测量极较近，故短极距NS、N45°E 测道变化较明显；②通过反向30 V、20 V、10 V 供电，观测系统记录到短极距NS、N45°E 测道均产生向下阶跃，受实验测线距离较近影响，长极距未记录到显著变化。短极 距NS 测 道 依 次 变 化 幅 度 为25.4 mV/km、17.7 mV/km、3.5 mV/km；因测线距离西测量极较远，故EW 测道未产生明显影响；N45°E 测道依次变化幅度为20.6 mV/km、6.7 mV/km、3.0 mV/km。

图9 N45°E 测道实验测试数据Fig.9 Test data of N45°E channel

3.2.4 EW 测道实验测试

实验选取数据时间段为第二次实验测试当日15:40—16:35，避开地电阻率供电干扰时段进行正反向供电和三次调压供电，漏电检查仪架设到测线东南侧约5 m 处实时记录（图10）；①通过30 V 直流正/反向供电，漏电检查仪NS 测道记录到向下/上的阶跃，EW 测道记录到向上/下的阶跃。因漏电点距离西长极较近，故长、短极距NS 测道变化不显著，观测系统记录到长极距（短极距）EW 测道正/反向供电时产生的向下/上（上/下）的阶跃；记录到长极距（短极距）N45°E 测道正/反向供电时产生的向上/下（下/上）阶跃；②通过反向30 V、20 V、10 V供电，漏电检查仪观测记录到NS 测道产生向上阶跃变化，EW 测道产生向下阶跃变化。观测系统记录到长极距产生向上阶跃变化，短极距产生向下阶跃变化，变化幅度详见表6；因NS 测道距离漏电点较远，供电电压较低，电压逐渐衰减，经实验现场测试，距离供电点30 m 以外距离，供电量基本衰减消失，故未产生显著变化。

表6 EW 测道模拟供电变化Table 6 EW channel simulates power supply change

图10 EW 测道实验测试数据Fig.10 Test data of EW channel

3.3 漏电干扰论证

抽取洛阳台2020 年10 月15 日地电场原始观测数据，可发现当天17:00—21:00 时观测系统长、短极距EW测道产生向上约12.5 mV/km 和13.5 mV/km数据阶跃（图11），N45°E 测道产生向下约4.8 mV/km和5.1 mV/km 数据阶跃；依据漏电干扰实验论证，因异常未造成NS 测道数据异常，只造成EW、N45°E测道数据变化显著，故判定漏电点位于测区EW 测道西测电极附近；因异常造成EW 测道均产生向上阶跃变化，故异常点位于西测电极的东北侧方向，且长、短EW 测道数据均产生影响，短极距EW 测道数据阶跃幅度偏大，初步判断此次异常处于长、短极距中间且稍偏向于短极距位置；根据观测系统阶跃幅度和漏电实验，可判断本次数据阶跃为直流约6 V漏电量造成；经异常核实排查，漏电检查仪直接与外线路连接，数据变化EW 测道也出现阶跃干扰，但NS 测道不明显，确定为EW 测道外部环境和观测线路干扰引起，经绝缘、漏电检查确定观测线路正常后，第一时间进行外环境检查，对EW 测道周边变压器、无塔供水和路灯等干扰源一一排查后发现本次异常是由于云成宫太阳能照明灯故障漏电导致，漏电点位于短极距西测电极东北向约50 m处，万用表测量交流漏电电压约85 V，直流漏电电压约6.5 V，与实验推理结果一致。对电源进行切断后，数据逐步恢复正常，次日检查发现路灯接口处部分线路破损并与金属杆接触，对地漏电造成观测干扰影响，检修后测试恢复正常。

图11 2020 年10 月15 日地电场观测数据Fig.11 Geoelectric Field Observation Data on October 15, 2020

3.4 漏电实验特征

1）方向特征：30 V 直流正/反向模拟漏电，可判断近场地地电场观测信号的方向，依据漏电检查仪和观测系统记录数据阶跃变化方向，可确定当漏电点位于测区外侧东北方向时，观测系统数据阶跃为正向；当漏电点位于测区外侧西南方向时，观测系统数据阶跃为负向；当漏电点位于测区内侧时，观测系统数据阶跃一般为正向，若距离电极位置较近，则需根据观测系统各测道数据变化幅度判断距离哪一电极处较近，再进行详细排查；

2）幅度特征：30 V、20 V、10 V 三种电压供电模式，可判断近场地地电场观测信号的幅度特征：依据漏电检查仪和观测系统记录数据阶跃变化幅度范围，可判断漏电点位漏电量与数据阶跃幅度的对应关系：

①漏电检查仪一般架设于距离漏电点位约5 m处，根据漏电量和变化幅度可判定，最近测试点变化幅度约为漏电量的3 倍；

②模拟漏电点一般距离测道约5～10 m，根据较近观测系统测线漏电量判断，最近观测系统测道变化幅度与漏电量基本一致；

③根据漏电点位与各电极位置距离基本一致时，长极距变化量约为短极距变化量的2 倍；若漏电点距离某一电极位置较近，则需要进一步重点排查该处电极周边是否漏电；

反之，在发现观测系统异常等类似变化，反推测区漏电量及漏电方位，可快速、准确地确定异常点，地电场漏电干扰异常排查。

4 结论

随着电气化设备及电器设备的逐步普及，测区漏电干扰是造成地电场观测系统异常变化的显著因素，干扰事件逐年递增，造成观测数据异常，但其对地电场观测系统干扰影响有一定的方向性和规律性，通过模拟漏电干扰可总结归纳[5]：

1）通过实验30 V 直流正/反向模拟漏电，依据漏电检查仪和观测系统记录数据阶跃变化方向，可判断近场地地电场观测信号的方向特征，进一步确定漏电点位的参考位置。

2）通过实验30 V、20 V、10 V 三种电压供电模式，依据漏电检查仪和观测系统记录数据阶跃变化幅度范围，可判断近场地地电场观测信号的幅度特征：进一步判断漏电点位漏电量与数据阶跃幅度的对应关系，从而为异常判别处理提供依据。

3）实验依据洛阳台测区漏电造成的日常观测系统数据阶跃的方向变化和变化量，初步识别漏电点位和漏电量，可对数据异常核实提供参考。