基于地電儀器供電波形的地電阻率超差現象識別

郅紅魁 付 靖 趙彥旭 謝佳興 尚淑珍 劉慶華

1）中國河南471000 河南省地震局洛陽地震臺

2）中國鄭州450008 河南衛生健康干部衛生學院

3）中國鄭州450016 河南省地震局

0 引言

中國地電臺網觀測系統主要由“九五” “十五”項目升級改造而來，距今已有10 多年，地電儀器、避雷裝置、外線路等老化現象較為嚴重，一些臺站需要進行技術升級和更新。而且，隨著我國經濟建設的快速發展，部分地電觀測場地環境因地鐵、鐵路、輕軌、高速公路等影響受到不同程度的破壞，導致地電阻率數據出現“超差”現象，嚴重影響地電觀測數據的質量和連續性。

地電臺站在完成日常觀測、資料預處理、跟蹤分析等工作的同時，若當地電阻率數據出現超差現象，需要落實數據變異原因。目前臺站多采用替換法來排查該超差現象，即更換主機、穩流源、避雷裝置、電極、閘刀等，并對觀測場地環境進行巡檢。然而，地電阻率的超差現象隨機性較強，不易捕捉，且因涉及面廣，加之傳統排查方法周期較長、效率較低、針對性差等缺點，使得排查難度加大。為了能夠快速處理地電阻率超差現象，本研究利用電壓采集儀，對地電觀測系統相關測道2 個測量極間的供電電位差秒數據進行實時采集，通過分析供電波形形態特征，識別造成超差現象的原因，從而準確判斷是觀測系統還是觀測場地周邊其他干擾所致。該方法的使用縮短了超差現象的排查周期，提高了檢測效率。

1 地電阻率超差現象判定原理

基于地電阻率、均方差、相對均方根誤差計算公式，了解地電阻率觀測系統供電電壓波形變化過程，有利于快速分析并判斷地電阻率超差成因。

地電阻率ρs計算公式如下

式中，K為裝置系數為常數；I為供電電流，一般固定在2 A 左右；ΔV為供電電位差。由式（1）可知，裝置系統K、供電電流I不變，ΔV為人工供電電位差，可通過測量得到，且其與地電阻率值成正比。而ΔV=（ΔV+Vsp）-Vsp，測量極之間的電位差Vsp和供電電位差ΔV出現變化都會引起電阻率的變化，可見二者的穩定性對地電阻率測量精度起到決定作用。

每小時地電阻率觀測值可視為n次地電阻率測值的平均值，公式如下

視電阻率觀測精度是所測視電阻率準確程度的度量，由系統誤差和偶然誤差2 部分組成（中國地震局，2001）。系統誤差可以采取措施加以克服，而偶然誤差是多種因素的綜合作用，使得觀測值在均值附近波動，其大小用均方差來表示。也就是說，均方差用于衡量隨機變量或1 組數據的離散程度。每組多次觀測值的均方根誤差計算公式如下

式中，n為觀測次數；ρsi為第i次觀測值；為n個ρsi的算術平均值。ρsi值離散度越大，均方差越大，說明測量所得供電電位差變化大，不穩定。σn-1值的大小反映了多個ρsi觀測值的離散度及觀測系統穩定性和環境影響大?。ê问栏?，2000）。在地電阻率觀測中，導致σn-1值變大的原因主要有主機故障、穩流電源故障、外線漏電、電極以及環境干擾等（張國清，2009）。

地電阻率相對均方根誤差Kσ計算公式如下

若Kσ≥3%，在ZD8BI、ZD8M 型地電儀器顯示器及網頁上則顯示超差現象，說明該組地電阻率值誤差大，觀測結果不可靠，觀測儀器將自動舍去該數值。

觀測過程中，對地電阻率儀器多次正反向供電，以測量不同時段的人工電位差，計算相應時段的地電阻率值，了解人工電位差變化特征。

若自然電位差平直穩定，說明地電觀測系統和觀測環境正常；反之，觀測環境受到干擾或觀測系統不穩定就會出現超差現象。人工供電電位差誤差越小，則均方差越小，表明觀測值精度越高。如果出現超差現象，說明地電觀測環境存在干擾或觀測系統不穩定，如主機內部電路故障、外線路破損漏電、電極故障、電極附近有環境干擾等。

2 地電阻率超差現象識別

在地電儀器觀測中，經常發現地電數據在儀器顯示屏顯示“超差”（圖1）?；贛、N測量電極間自然電位差時序變化特征可知，若測區觀測環境存在干擾或觀測系統不穩定，地電阻率測值會出現超差現象。以洛陽地震臺（下文簡稱洛陽臺）2020—2021 年地電阻率出現的超差現象為例，從觀測環境和觀測系統進行系統分析。

圖1 地電阻率出現超差Fig.1 Ground resistivity out of tolerance graph

2.1 地電外線路斷線引起的超差識別

洛陽臺地電阻率NS 向分量于2020 年10 月31 日14 時出現超差現象，自然電位同時出現異常跳動（圖1）。為判別導致超差現象的原因，采用連接法，將電壓采集儀（洛陽臺研制）的第1、2 測道接入地電觀測系統測量極M1、N1、M3、N3，其中，第1 測道接M1、M3地電外線路，第2 測道接N1、N3地電外線路（圖2），以快速判斷M1、N1電極是否出現問題，由此得到15 時地電阻率供電波形（圖3）。由圖3 可見，與B、C段相比，B1、C1段波形嚴重畸變，可見超差現象依然存在。

圖2 洛陽臺地電布極及測量方法示意Fig.2 Schematic diagram of Luoyang geoelectric pole arrangement andmeasurement method

圖3 M1—M3（a）、N1—N3（b）測量極電位差變化Fig.3 M1-M3,N1-N3 measuring pole potential difference change

將M1—M3、N1—N3測量極電位差曲線進行對比，認為N1外線路可能存在故障，主要體現在：A段自然電位差正常變化，A1段自然電位差為未觀測時數據已出現干擾；B1、C1段供電波形不穩定，B、C段供電波形相對清晰，說明儀器工作正常，表明地電阻率超差由N1或N3外線路故障造成，由于地電觀測儀器觀測值EW 向自然位和電阻率正常，因此排除M1故障，最終判斷為N1外線路斷線造成超差現象。使用絕緣搖表對該線路進行絕緣檢查，發現電阻大于500 MΩ，場地線路檢查發現，距N1測量極30 m 處地電外線被樹壓斷，處理后恢復正常。

洛陽市地鐵修建初期對地電阻率觀測的影響較大。2020 年12 月地鐵1 號線開通，進行低、中、高密度車輛通電試運行。12 月下旬中、高密度試車，31 日洛陽臺地電阻率NS 向數據連續4 h 出現超差，此后1 個月內經常出現連續幾小時的超差現象，初步認為由地鐵試運行流散電流所致。且隨著時間的延續，發現該超差現象只在NS 向地電阻率觀測數據中出現，2021 年1 月22 日超差持續6 h，于20 時接入電壓采集儀，記錄波形見圖4。

圖4 M1—N1（a）、M3—N3（b）測量極電位差Fig.4 M1-N1,M3-N3 measuring pole potential difference change diagram during ground resistivity observation at Luoyang Seismic Station

由圖4（a）可見，地電阻率數據出現超差時，NS 向供電波形B、C段嚴重畸形，而EW 向B1、C1段供電波形正常。若為地鐵干擾，則2 個方向將受到同步影響（圖5），表明NS 向地電阻率數據超差非地鐵引起，可能為NS 向觀測系統或外環境有問題所致。由圖4（b）可見，B1段供電波形正常，說明穩流電源和供電線路正常，問題出現在M1、N1電極NS 向裝置系統的測量線路上。圖4（a）中曲線顯示，A段自然電位差正常，說明M1、N1電極NS 向測量線路、外環境正常。通過以上分析和逐一排除法，判斷數據超差由地電阻率NS 向測量系統出現問題所致。圖4（a）中位置1 向下尖峰比圖4（b）中位置2 的供電起始時間提前15 s，而前者對應儀器內部AD 轉換板上NS 向繼電器吸合時自然電位差測量時間，該繼電器的作用是測量自然電位差和人工供電電壓，若其出現故障，易導致數據超差?；谝陨戏治?，判斷測量系統AD 板上繼電器故障造成超差。更換繼電器后觀測數據恢復正常，再無連續幾小時的超差現象出現。

2021 年2 月3 日14 時，洛陽臺地電阻率NS 向數據出現超差，而該分向測量極波形正常［圖5（a）］。由圖5（a）B段可見，相應位置人工供電電位高低不一，人工供電電位差變化較大，均方根誤差變大，相對均方根誤差Kσ＞3%，這使得NS 向地電阻率數據出現超差。圖5（a）中曲線B段顯示，供電波形高點電壓跳動約5 000 μV，而EW 向B1段約3 000 μV[圖5（b）]，相對穩定，均方根誤差較小，不會造成該分向地電阻率數據出現超差現象，說明地電觀測系統、外環境基本正常。洛陽軌道交通1 號線呈EW 向展布，距洛陽臺地電阻率觀測場地約13 km，對EW 向地電阻率數據干擾小，而2 號線呈NS 向展布，距該臺地電阻率觀測場地約5 km，NS 向地電阻率數據出現的干擾幅度較大，確定為地鐵干擾。節假日期間地鐵車次數成倍增加，使得B段、B1段供電波形高低點電壓上下跳動幅度大于10 000 μV，導致地電阻率觀測數據也會出現超差。

3 結束語

在日益復雜的電磁干擾環境下，地電阻率觀測面臨數據干擾排查的較大考驗。由于地電阻率觀測儀器為整點值觀測，在出現數據超差現象時，較難判斷具體故障原因或干擾源位置。通過地電儀器供電過程中電位差波形圖，可清晰觀察儀器觀測過程，分析供電波形前自然電位差變化和供電電位差波形異常變化的特征，最終確定數據超差原因，并可通過上述2 條測量曲線相互對比論證，快速、準確地判斷故障位置，這為今后地電阻率觀測數據的異常排查提供了一種新方法。