高压输电线对激电法、磁法工作的影响浅析

张 勇，费雯丽

(湖北省地质调查院,湖北 武汉 430034)

高压输电网是高效快捷的能源输送通道和优化配置平台,在现代能源供应体系中发挥着重要的枢纽作用。据中国国家电网网站信息,截至2018年底,110 kV及以上输电线路长度103.3万km、变电(换流)容量46.6亿kVA(kW),截至2019年,特高压线路中国已建成“九交十直”、核准在建“三交一直”工程,已投运特高压工程累计线路长度27 570 km、累计变电(换流)容量29 620万kVA(kW),特高压输电通道累计送电超过11 457.77亿kW·h。

随着电网规模的不断扩大和输电电压等级的不断提高,输电线路的电磁感应场对激电法、磁法等相关物探勘查方法应用的影响也随之增大。本文以单回交流500 kV超高压线路为例,介绍输电线路附近电磁干扰产生的机制及其感应的电场、磁场分布特征；通过电、磁法2个物探勘查工作实例,揭示高压输电线路对其附近观测数据的影响大小和范围；以期引起对该类干扰的重视。

1 高压输电线路的电磁场

1.1 高压输电线路简介

架空线路主要指架设在地面之上,用绝缘子将输电导线固定在直立于地面的杆塔上以传输电能的输电线路；架空线路的主要部件有：导线和避雷线(架空地线)、杆塔、绝缘子、金具、杆塔基础、拉线和接地装置等。一般电压等级越高,上下导线垂直距离就越大,线路离地也越高。

在中国,输电网电压等级一般分为高压、超高压和特高压,其中交流电压等级中,高压指110 kV和220 kV；超高压指330 kV、500 kV和750 kV；特高压指1 000 kV；直流电压等级中,超高压指±500 kV和±660 kV,特高压指±800 kV。目前,500 kV电压等级的交流输电线路是国内区域间较长距离送电网的重要组成部分。

1.2 输电线路的电磁场

根据麦克斯韦方程组,电流或变化的电场可以产生磁场,变化的磁场可以产生感应电场。中国交流电源的频率采用50 Hz(工频电),输变电设施产生的工频电场、工频磁场频率仅为50 Hz,比日常生活中的电磁波频率低得多,属于极低频场。输电线周围的电磁场主要由2部分构成，一部分是输电线上的电流、电压产生的工频电场、磁场；另一部分是输电线电晕放电、绝缘子串表面闪络等引起的高频电磁场。工频电场是由带电导体在其周围感应产生的空间场,工频磁场则是由于电流流过导线在周围空间产生的场[1]。

输电线路下方的工频电场、工频磁场的理论计算一般采用国际大电网会议第36.01工作组推荐的等效电荷法[2]。500 kV输电线路理论计算的线电压取525 kV,电流取值500 A,导线采用水平排列；以中相导线的地面投影位置取为坐标原点。500 kV单回输电线路下方距地面1.5 m处工频电场、磁场计算以及线路实测结果对比见图1。

图1 500 kV输电线路工频电场、磁场分布Fig.1 Distribution of power frequency electric and magnetic fields in 500 kV transmission lines

从图1中可以看出,工频电场、磁场以中相导线在地面的投影点为中心呈对称分布,并随着其与线路水平距离的增加呈迅速降低趋势,降低幅度随着导线对地距离的增加呈减小趋势[3]。电场、磁场强度最大值出现在边相导线附近,并随着导线对地距离的增加呈降低趋势。其中,在导线对地距离为11 m时,工频电场强度最大值为9.6 kV/m,工频磁场强度最大值达30 μT(1 μT=103nT)。在运行线路(线电压527 kV,电流501 A,对地高度14 m)上的实测结果显示,电场、磁场强度也是随着距边相导线距离的增加呈迅速降低趋势,监测值的变化趋势与前述理论计算结果较一致。

2 对物探勘查工作影响实例

由于交流输电线路在传输电能的同时,在周围局部空间时刻会产生感应电场和磁场,线路的输送功率越大,产生的感应工频电磁场也越大。当地面物探勘查工作的设备或者与设备连接的导线进入该空间时,电磁场的感应作用将对其造成干扰影响。

2.1 对地面磁测工作的影响

磁测工作使用的设备均为加拿大产GSM-19T型质子磁力仪,测点距20 m。由图2可以看出,在剖面1 200测点附近磁测数据出现了极低的负值异常,负极大值达13 910.9 nT,与剖面其他地段的观测结果相差很大。该剖面位于阳新侵入体石英闪长岩(δοJ1)分布区内,地势平缓。该区的地质成果显示,第四系的岩性主要为无磁性的砂、砾石、亚粘士等；石英闪长岩在地表多数已风化,呈黄褐色,松散状。原岩主要矿物成分有斜长石、石英、角闪石、钾长石等,磁铁矿等暗色矿物含量较低,<3%。区内未见高磁性地质体存在,经过实地核查,有一条三相500 kV交流输电线路从剖面的1 200测点斜穿通过,高压线铁塔距离剖面的测点较远,判断负值异常为其影响所致。

由图3可以看出,在剖面1 100～1 500测点之间出现了双峰状的高磁异常,极大值达1 849.4 nT。该剖面位于志留系新滩组(S1x1)泥质粉砂岩、粉砂质泥岩分布区内,地势较陡峭。该区的地质成果显示,泥质粉砂岩、粉砂质泥岩的物质成分以石英为主,长石和岩屑少见,有时含较多的白云母,填隙物有钙质、少量铁质及粘土质等,铁质含量<2%。区内未见高磁性地质体存在,经过实地核查,有一条三相500 kV交流输电线路从剖面的1 300测点附近垂直穿过,高压输电线的铁塔距离剖面的测点较远,判断该高值磁异常为叠加了三相输电线路的工频磁场所致。

分析认为,对三相导线,因相位不同,所形成的磁感应强度水平和垂直分量都要考虑电流间的相角来合成,磁感应强度由水平和垂直分量共同决定；在一段区

图3 高椅山异常检查区磁测剖面图Fig.3 Magnetic profile of Gaoyishan anomaly inspection area1.泥质粉砂岩；2.粉砂质泥岩；3.变质粉砂岩；4.变质砂岩；5.断层。

域内水平分量起主要作用,在另一段区域内垂直分量起主要作用[4]。在高压线路附近由于工频磁场的干扰一方面改变了测点处的磁场强度,另一方面由于电磁感应,变化的磁场也会在探头线圈内感应出电流,从而影响探头内质子旋进的角速度。探头线圈内质子的旋进频率f与磁通量密度即磁感应强度有直接关系,氢质子拉莫尔旋进的角速度(角速度=2πf,该f为质子旋进频率)与测点处的地磁场大小有关系,测点处地磁场越强,旋进就越快,反之越慢,造成测点处出现不正常的极高、极低磁测结果。

从上述可知,高压输电线对磁测的影响范围均超过了200 m。所以在《地面高精度磁测技术规程》(DZ/T 0071—93)中规定：“遇有磁性干扰物(如铁路、厂房、井场、高压线、有磁性的岩坎或岩石堆等)时,须合理移动点位,避开干扰,并加注记以备日后核查。”

2.2 对激电法工作的影响

直流激电工作使用的设备为国产直流数字激电仪,供电时基4 s(0.25 Hz),供电周期16 s,双向短脉冲方式连续供电,短导线方式工作；其中激电中梯剖面测量的AB供电极距1 600 m、MN=点距=20 m,激电测深采用对称四极等比装置,AB∶MN=10∶1,AB供电极距1 500 m。

由图4中梯测量成果可以看出,在武当岩群二段片岩分布区内发现2处高激电异常(J1,J2)。初步成果推断认为激电异常J1属于总体呈北东向分布、从西往东背景值渐增的高背景上的局部小异常,它的视极化率背景值3.0%,异常范围3.5%～4.0%,极大值4.08%,伴生弱的相对低阻异常。该异常位于Ⅵ号金银钨矿体的南东侧,推断可能为隐伏的伴生黄铁矿化的多金属矿化体的电性反映。激电异常J2呈北东向分布,视极化率异常下限为3.0%,异常值3.5%～4.0%,极大值4.97%,伴生弱的相对低阻异常。该异常规模较大,位于煌斑岩脉的南东侧,异常性质不明。

图4 王家台金矿区视极化率等值线平面图(局部)Fig.4 Plan of apparent polarizability isoline in Wangjiataigold mine area (local)1.第四系冲积物；2.武当岩群二段片岩、浅粒岩；3.煌斑岩脉；4.金、钨矿体；5.激电异常位置及编号；6.测深剖面位置及编号；7.高压输电线。

通过对异常性质不明的J2异常实地核查发现,该高激电异常位于山沟及斜坡上。该异常位于武当岩群二段地层内,岩性主要为呈低极化特征的白云钠长片岩、二云钠长片岩等,地表未发现矿化、蚀变现象,也未伴生面积性化探异常。该异常展布方向基本与该处通过的一条三相500 kV交流输电线路一致,初步判断该高激电异常为三相输电线路的工频电磁场干扰所致。

由图5的16线剖面激电测深成果可以看出,上述的中梯测量发现的异常J1在16线测深剖面的3 340～3 380测点之间以浅部异常的状态再现,同时在供电极距AB/2=240 m以下整个剖面出现一个明显的呈斜坡状分布的高极化率异常背景区；结合图5中高压线与测深剖面的位置关系看,测深点距离高压线越近,其视极化率值越高的近线性变化特征,且基本延续到本次工作的最大供电极距上,视电阻率等值线断面图上则未见这种现象。据该区地质资料,该地段的岩性主要为呈低极化特征的白云钠长片岩、绿帘白云钠长片岩等,地层倾向南东方向,倾角25°～40°。结合该剖面上已经施工完成的ZK1601深部未见与地表差异的电性岩层存在,判断该剖面深部的高极化异常背景主要是叠加了三相高压输电线路的工频电磁场干扰所致。

图5 王家台金矿区16线激电测深等值线断面图Fig.5 Contour of 16 line IP sounding isoline in Wangjiatai gold mine area1.白云钠长片岩；2.绿帘白云钠长片岩；3.断裂破碎带；4.产状

分析认为,工频磁场场强矢量的旋转轨迹为一椭圆,它随着空间位置的变化而变化,磁场强度的最大值(椭圆长轴)及其相位也随之而变化[5]。由“麦克斯韦方程组”和“法拉第电磁感应原理”,磁场变化产生电流。在地面电法施工中的测量导线闭合回来进入输电线路的磁场影响范围时,由于电磁感应作用,测量导线回路上感应产生的电动势将通过测量电极进入设备的采集系统,叠加在人工激发后产生的异常信号上,从而对观测结果造成影响。随着离输电线路距离的增加,工频磁场强度会快速降低,其对观测系统的影响逐渐减弱。初步判断,磁场强度变化在供电导线回路上产生的电流影响也是16线测深剖面深部出现斜坡状高极化异常背景的原因之一。

从中梯和测深的实测结果可知,高压输电线对直流激电法的影响范围超过了输电线外200 m。

按照全区的中梯面积测量数据剔除>3倍标准离差后的平均值作为背景值,统计该区地层的极化率背景值ηs为2.3%；从离该高压输电线路相距1 100 m远处的3线激电测深成果看,测深成果与该背景值是基本吻合的；而16线中深部的斜坡状分布的高极化率异常背景值最大达4.4%,同时激电异常(J2)的极大值为4.97%。初步判断该区内,高压线对近距离激电法的极化率参数最大影响可达100%。

3 结论及建议

(1) 高压输电线产生的工频电磁场具有强度大、范围广的特点。结合实测结果,对地面磁测、激电法的影响范围均超过输电线路两侧200 m距离,对磁测的影响强度>直流激电法。

(2) 在目前没有统一、有效的抑制该干扰的方法情况下,在物探工作的设计、施工阶段预防性、合理的进行线路布置、精细化野外数据采集,是降低该类干扰影响的有效措施。

(3) 加强对地面电法、磁法圈定异常的实地核查工作,减少对此类干扰引起的假异常的误判,提高地质解释、推断工作可靠性。

(4) 随着中国电网走廊资源的紧张,输电线路架设方式将向同塔双回、同塔多回、交直流同塔等方式布设发展,线路周围的电磁干扰情况也更加复杂,有必要加强对高压输电线的电磁干扰方面的研究。