地电观测深井电缆的研制

胡哲 蒋延林 张秀霞 赵卫红杨恒勇 王福才 张骞

1）中国地震局地壳应力研究所，北京市海淀区西三旗安宁庄1号 100085

2）江苏省高邮地震台，江苏高邮 225601

3）江苏省地震局，南京 210014

4）江苏华能电缆股份有限公司，江苏高邮 225601

0 引言

地电观测深井电缆是承载机械负荷进行地电阻率测量的专用电缆。地电阻率观测是地震监测的主要方法之一，在地震监测预测中发挥着重要作用。1966年邢台地震后，我国开始开展地电阻率观测，50多年来积累了大量的观测数据和科学研究成果，在方法理论、观测技术、观测数据应用等方面取得了很大进展（钱复业等，1982；钱家栋等，1985；桂燮泰等，1989；杜学彬，2010；Ma，2002；Lu et al，2004；陈大元等，1983；陆阳泉等，1990；赵家骝等，1980），在地震监测预报中取得了实效（叶青等，2005；杜学彬等，2004）。目前，国内的地电阻率观测多采用对称四极法，其供电电极和测量电极的埋深为2～3m左右，供电极距多为1000～2000m，多方位布极，观测装置占地面积大，需要环境保护区的范围达2～5km2，较大的保护区使部分地电台站观测环境保护的任务越来越重（杜学彬等，2006；钱家栋等，2004）。随着地方经济建设的快速发展，地电观测环境逐渐遭到破坏，各种干扰严重影响了地电阻率观测的质量。故要将地电阻率的观测装置埋设在地下，以规避或弱化地表金属管线／网、灌溉、地表杂散电流等环境干扰（苏莺声等，1982；聂永安等，2010；解滔等，2012a、2012b；王兰炜等，2015；毛先进等，2014）。目前，国内已有一些台站采用了井下地电阻率观测方案，利用钻井的方式将观测电极埋到100～200m深处，并取得了较好的效果（刘昌谋等，1994；刘允秀，1985；康云生等，2013）。但是，地电阻率井下观测仍存在一些技术问题：①因地电观测不能使用金属装置，目前采用井下绳索吊装和固定电极，再回填土质，这样会在长期观测中造成电极位置的垂向位移，使观测装置不稳定。②如埋入深井中的电缆使得在对地绝缘性进行检查时需在电极处断开电极与连接电缆，这在实际中无法实现。③电缆在井下直接与电极（大地）连通，在高压下液体会顺着导电芯线与绝缘层间向电缆内部渗透，造成电缆导线的绝缘度下降。这些问题是井下地电阻率观测中亟待解决的问题，研制一种高抗拉强度、高压下能场保持高绝缘性的深井地电专用电缆是发展井下地电阻率观测技术的瓶颈问题之一。

1 室外线路的技术要求

在地电阻率观测中，为保障地电阻率观测数据长期可靠，室外线路对地绝缘性应符合以下技术要求（杜学彬等，2006；钱家栋等，2009）：

①供电导线漏电电流与供电电流的比值不应大于0.1%，供电导线漏电电位差的绝对值与人工电位差的比值不应大于0.5%。

②测量导线对地绝缘电阻不应小于5MΩ。

上述对地表观测装置室外线路的技术要求同样适用于井下地电阻率观测。另一方面，由于井下地电阻率观测一般井深在100m以上，电极植入井中联通电极的井下线路将被回填埋设，这样就需要井下线路还应满足以下技术要求：

①井下线路应采用铠装电缆，在电极自重为50kg范围内，拉断力大于2.0倍电极重量，并且拉断力不小于8k N。其目的是为了避免电极自重下移导致的地电阻率观测装置的变化影响观测装置的长期稳定性。

②一般来说，地下数10米至百米左右深度的浅层介质是饱水的，铠装电缆的芯线与铠（即金属屏蔽层）之间的绝缘电阻应大于1000MΩ／km，浸入水中时的绝缘电阻大于1000MΩ／km。这样可保障金属铠层对地的绝缘电阻足够大，而不至于影响地下介质电阻率观测数据的真实性。

③在地电阻率观测中，需要定期检测室外线路对地介质的绝缘电阻和回路电阻（即接地电阻定期测试的要求），这样需要在井下电缆与电极的接头处密封金属铠层，通过测量金属铠层对地绝缘性检测井下线路的测量线、供电线对地的绝缘性，用于检测观测装置的长期稳定性。

④测量导线、供电导线的线路电阻要小于10Ω／km，并要求埋入地下深处的导线须适应温压100℃、30MPa的防水抗压的物理环境。

上述对室外线路的技术要求，应能满足20年以上的连续深井地电阻率观测。

2 井下电缆设计

为使井下地电阻率观测的室外线路的技术指标满足上述技术要求，作者与江苏省高邮市江苏华能电缆股份有限公司合作，从一个全新角度对井下电缆的结构进行了设计、研制，生产了井下地电观测专用的承载防水电缆（WBUPF型电缆；其中符号W为承荷探测电缆（地电观测深井电缆），B为改性聚丙烯材料，U为弹性体护套材料，P为绝缘检测金属层，F为芳纶纤维抗拉层）。

2.1 电缆结构

新型井下电缆的结构设计如图1。电缆结构采用两芯导线（即图中导体）加密封层、绝缘检测层、阻水层、2股高抗拉纤维绳和抗压外护层。

图1 电缆结构

2芯导线：用于供电导线和测量导线，与金属电极焊接，链接到观测室内的测量仪器。导线电阻为4.61Ω／km，满足线路电阻小于10Ω／km的技术要求。

绝缘层：电缆中具有耐电压特定功能的绝缘材料组件，用于增加导线的电绝缘性。

密封层：在缆芯外面的非金属包覆层，用于密封绞合缆芯的间隙，阻挡水从缆芯间隙进入绝缘检测层。

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绝缘检测层：包裹在密封层上的金属材料，用于检测供电、测量导线对地的绝缘性。只要本绝缘层对地绝缘，就可以保障导线线路的绝缘性。

阻水层：绝缘检测层上非金属阻水包裹层，可阻止水进入绝缘检测层，与密封层在井下一端熔为一体。

抗拉纤维绳：芳纶纤维编织成的电缆承荷层，电缆承载破断拉力大于8000N。用于增大电缆的抗拉强度，保障电极在深井中的位置，使观测装置不宜发生变化。

抗压外护层：包裹在电缆最外层的非金属护套材料，增加电缆的抗压程度。

2.2 电缆选材

对深井电缆的选材，既要充分考虑到导体部分的导电性能，又要兼顾到绝缘材料的绝缘性能以及长期耐化学腐蚀性能。同时，还要考虑到承载材料的高强度抗拉、耐压性能以及护套材料的高韧及耐磨性能。以下是WBUPF电缆制造材料的详细参数。

对于导线芯线及地电检测层材料，选用了含铜量大于99.95%的优质无氧铜杆，确保了导体及地电检测层的良好导电性能。绝缘层材料选用的是改性聚丙烯绝缘料，其最高耐温可达150℃，而且改性聚丙烯具有很好的耐化学性能，能耐酸、耐碱、耐油、耐极性溶剂等。改性聚丙烯的主要技术参数见表1（王卫东，2011；徐应麟，2002）。非金属承载（抗拉）材料，选用的是高模量的芳纶纤维，具有超高抗拉强度、耐高温、耐酸耐碱、重量轻、绝缘、抗老化、生命周期长等优良性能。护套材料，选用的是聚醚型弹性体护套料，其具优良的耐磨、抗撕裂性能。

表1 改性聚丙烯的主要技术参数

2.3 电缆制造工艺

表2 各区的加工温度

图2 挤压式挤包示意图

检查井下电极装置稳定性的检测层需要与大地绝缘，以使密封层与阻水层形成一个绝缘体，因此在地电检测层井下一端密封制造时，井下一端电缆通过采用高强度阻水密封溶合剂并高温塑化，溶合密封层与井下一端的阻水层。

为确保地电深井观测电极垂直定位精度误差在可控范围内，选用了高强度的芳纶纤维材料。为了能提供更好的承载力，在制造过程中采用高抗拉纤维在阻水层外编织的方法，这样用高模量芳纶纤维两股便能承载8000N以上的力，芳纶纤维编织时收线张力和放线张力一般也能控制在2000N以上。

3 电缆可靠性检测

对研制的WBUPF电缆样品的可靠性进行物理检测实验。首先对电缆密封性进行了检测。在密封性检测过程中，将制造完工的电缆井下的一端浸入水中6hr，然后测量地电检测层的绝缘性能，最终检测结果显示，其绝缘电阻大于1000MΩ／km，满足地电观测的要求。其次，检测中从成品电缆上截取长度不小于电缆外径20倍，且不小于250mm长度的实验样本，进行承载负荷（抗拉）强度检测（图3）。由图3可见，在测程0～300kN的拉力实验机上做破断拉力实验，本电缆的实验结果达8210N（图3），其承载负荷有助于固定深埋入井下的电极不会因自重下移或尽可能避免弱化电极下移造成的观测装置变化。

图3 破断拉力实验曲线

最后，测试了电缆承载的伸长率。将编织好的芳纶纤维绳取样15m，挂重50kg，进行垂直伸长实验。实验时间持续5天，结果伸长15mm；实验10天，伸长20mm；实验15天，伸长22mm；实验20天，伸长23mm；实验25天，伸长23mm。根据此实验结果，可以得出在实验条件下芳纶纤维绳的伸长率小于0.2%。若将其应用于地电观测装置上，本电缆能够很好解决地电深井观测中的电极垂直定位精度问题。

垂直挂重实验后的电缆一端再次浸入水中6hr，然后测量地电检测层的绝缘性能，最终检测结果表明，其绝缘电阻仍为1000MΩ／km，能满足长期地电观测对外线路的电绝缘要求。

4 结论

本文针对目前我国井下地电观测的迫切需求，介绍了用于井下地电长期观测的WBUPF型号电缆的技术要求、电缆内部结构、制作工艺、制作材料、可靠性检测结果等。从对电缆样样本的检测结果看，WBUPF型号电缆适用于井下数百米深的地电观测，能长期（20年内）保障地电观测装置的稳定性，对规避地表干扰的井下地电观测有重要意义，有助于地电观测和地震监测研究的进一步深入。

5 结语

随着观测技术的发展，作为对一种新方法的探索，人们将越来越重视井下地电阻率观测，而如何保障观测系统的长期稳定性，是目前面临的重要课题，井下电缆的研制，为井下观测提供了技术支撑，即室外-井下线路。实验室测试结果表明，该电缆性能满足井下地电阻率观测需求，其各项性能指标达到并超过了“井下地电阻率观测技术指导意见”要求，有效解决了深井电缆绝缘漏电检测、承载重量及抗深井压力等问题。可以预期，将新型抗拉纤维、高强度阻水密封溶合剂、耐磨抗撕裂材料等新材料应用于地电观测深井电缆的制作，并结合电极耐用性问题的解决，可以有效地保证装置系统的长期稳定性。