地電觀測深井電纜的研制

胡哲 蔣延林 張秀霞 趙衛(wèi)紅楊恒勇 王福才 張騫

1）中國地震局地殼應力研究所，北京市海淀區(qū)西三旗安寧莊1號 100085

2）江蘇省高郵地震臺，江蘇高郵 225601

3）江蘇省地震局，南京 210014

4）江蘇華能電纜股份有限公司，江蘇高郵 225601

0 引言

地電觀測深井電纜是承載機械負荷進行地電阻率測量的專用電纜。地電阻率觀測是地震監(jiān)測的主要方法之一，在地震監(jiān)測預測中發(fā)揮著重要作用。1966年邢臺地震后，我國開始開展地電阻率觀測，50多年來積累了大量的觀測數(shù)據(jù)和科學研究成果，在方法理論、觀測技術、觀測數(shù)據(jù)應用等方面取得了很大進展（錢復業(yè)等，1982；錢家棟等，1985；桂燮泰等，1989；杜學彬，2010；Ma，2002；Lu et al，2004；陳大元等，1983；陸陽泉等，1990；趙家騮等，1980），在地震監(jiān)測預報中取得了實效（葉青等，2005；杜學彬等，2004）。目前，國內的地電阻率觀測多采用對稱四極法，其供電電極和測量電極的埋深為2～3m左右，供電極距多為1000～2000m，多方位布極，觀測裝置占地面積大，需要環(huán)境保護區(qū)的范圍達2～5km2，較大的保護區(qū)使部分地電臺站觀測環(huán)境保護的任務越來越重（杜學彬等，2006；錢家棟等，2004）。隨著地方經(jīng)濟建設的快速發(fā)展，地電觀測環(huán)境逐漸遭到破壞，各種干擾嚴重影響了地電阻率觀測的質量。故要將地電阻率的觀測裝置埋設在地下，以規(guī)避或弱化地表金屬管線／網(wǎng)、灌溉、地表雜散電流等環(huán)境干擾（蘇鶯聲等，1982；聶永安等，2010；解滔等，2012a、2012b；王蘭煒等，2015；毛先進等，2014）。目前，國內已有一些臺站采用了井下地電阻率觀測方案，利用鉆井的方式將觀測電極埋到100～200m深處，并取得了較好的效果（劉昌謀等，1994；劉允秀，1985；康云生等，2013）。但是，地電阻率井下觀測仍存在一些技術問題：①因地電觀測不能使用金屬裝置，目前采用井下繩索吊裝和固定電極，再回填土質，這樣會在長期觀測中造成電極位置的垂向位移，使觀測裝置不穩(wěn)定。②如埋入深井中的電纜使得在對地絕緣性進行檢查時需在電極處斷開電極與連接電纜，這在實際中無法實現(xiàn)。③電纜在井下直接與電極（大地）連通，在高壓下液體會順著導電芯線與絕緣層間向電纜內部滲透，造成電纜導線的絕緣度下降。這些問題是井下地電阻率觀測中亟待解決的問題，研制一種高抗拉強度、高壓下能場保持高絕緣性的深井地電專用電纜是發(fā)展井下地電阻率觀測技術的瓶頸問題之一。

1 室外線路的技術要求

在地電阻率觀測中，為保障地電阻率觀測數(shù)據(jù)長期可靠，室外線路對地絕緣性應符合以下技術要求（杜學彬等，2006；錢家棟等，2009）：

①供電導線漏電電流與供電電流的比值不應大于0.1%，供電導線漏電電位差的絕對值與人工電位差的比值不應大于0.5%。

②測量導線對地絕緣電阻不應小于5MΩ。

上述對地表觀測裝置室外線路的技術要求同樣適用于井下地電阻率觀測。另一方面，由于井下地電阻率觀測一般井深在100m以上，電極植入井中聯(lián)通電極的井下線路將被回填埋設，這樣就需要井下線路還應滿足以下技術要求：

①井下線路應采用鎧裝電纜，在電極自重為50kg范圍內，拉斷力大于2.0倍電極重量，并且拉斷力不小于8k N。其目的是為了避免電極自重下移導致的地電阻率觀測裝置的變化影響觀測裝置的長期穩(wěn)定性。

②一般來說，地下數(shù)10米至百米左右深度的淺層介質是飽水的，鎧裝電纜的芯線與鎧（即金屬屏蔽層）之間的絕緣電阻應大于1000MΩ／km，浸入水中時的絕緣電阻大于1000MΩ／km。這樣可保障金屬鎧層對地的絕緣電阻足夠大，而不至于影響地下介質電阻率觀測數(shù)據(jù)的真實性。

③在地電阻率觀測中，需要定期檢測室外線路對地介質的絕緣電阻和回路電阻（即接地電阻定期測試的要求），這樣需要在井下電纜與電極的接頭處密封金屬鎧層，通過測量金屬鎧層對地絕緣性檢測井下線路的測量線、供電線對地的絕緣性，用于檢測觀測裝置的長期穩(wěn)定性。

④測量導線、供電導線的線路電阻要小于10Ω／km，并要求埋入地下深處的導線須適應溫壓100℃、30MPa的防水抗壓的物理環(huán)境。

上述對室外線路的技術要求，應能滿足20年以上的連續(xù)深井地電阻率觀測。

2 井下電纜設計

為使井下地電阻率觀測的室外線路的技術指標滿足上述技術要求，作者與江蘇省高郵市江蘇華能電纜股份有限公司合作，從一個全新角度對井下電纜的結構進行了設計、研制，生產(chǎn)了井下地電觀測專用的承載防水電纜（WBUPF型電纜；其中符號W為承荷探測電纜（地電觀測深井電纜），B為改性聚丙烯材料，U為彈性體護套材料，P為絕緣檢測金屬層，F(xiàn)為芳綸纖維抗拉層）。

2.1 電纜結構

新型井下電纜的結構設計如圖1。電纜結構采用兩芯導線（即圖中導體）加密封層、絕緣檢測層、阻水層、2股高抗拉纖維繩和抗壓外護層。

圖1 電纜結構

2芯導線：用于供電導線和測量導線，與金屬電極焊接，鏈接到觀測室內的測量儀器。導線電阻為4.61Ω／km，滿足線路電阻小于10Ω／km的技術要求。

絕緣層：電纜中具有耐電壓特定功能的絕緣材料組件，用于增加導線的電絕緣性。

密封層：在纜芯外面的非金屬包覆層，用于密封絞合纜芯的間隙，阻擋水從纜芯間隙進入絕緣檢測層。

公司將秉承“礦業(yè)報國，振興民族經(jīng)濟”的核心價值觀努力發(fā)展，將成為世界500強的國際化大型礦業(yè)資源跨國公司作為企業(yè)目標。

絕緣檢測層：包裹在密封層上的金屬材料，用于檢測供電、測量導線對地的絕緣性。只要本絕緣層對地絕緣，就可以保障導線線路的絕緣性。

阻水層：絕緣檢測層上非金屬阻水包裹層，可阻止水進入絕緣檢測層，與密封層在井下一端熔為一體。

抗拉纖維繩：芳綸纖維編織成的電纜承荷層，電纜承載破斷拉力大于8000N。用于增大電纜的抗拉強度，保障電極在深井中的位置，使觀測裝置不宜發(fā)生變化。

抗壓外護層：包裹在電纜最外層的非金屬護套材料，增加電纜的抗壓程度。

2.2 電纜選材

對深井電纜的選材，既要充分考慮到導體部分的導電性能，又要兼顧到絕緣材料的絕緣性能以及長期耐化學腐蝕性能。同時，還要考慮到承載材料的高強度抗拉、耐壓性能以及護套材料的高韌及耐磨性能。以下是WBUPF電纜制造材料的詳細參數(shù)。

對于導線芯線及地電檢測層材料，選用了含銅量大于99.95%的優(yōu)質無氧銅桿，確保了導體及地電檢測層的良好導電性能。絕緣層材料選用的是改性聚丙烯絕緣料，其最高耐溫可達150℃，而且改性聚丙烯具有很好的耐化學性能，能耐酸、耐堿、耐油、耐極性溶劑等。改性聚丙烯的主要技術參數(shù)見表1（王衛(wèi)東，2011；徐應麟，2002）。非金屬承載（抗拉）材料，選用的是高模量的芳綸纖維，具有超高抗拉強度、耐高溫、耐酸耐堿、重量輕、絕緣、抗老化、生命周期長等優(yōu)良性能。護套材料，選用的是聚醚型彈性體護套料，其具優(yōu)良的耐磨、抗撕裂性能。

表1 改性聚丙烯的主要技術參數(shù)

2.3 電纜制造工藝

表2 各區(qū)的加工溫度

圖2 擠壓式擠包示意圖

檢查井下電極裝置穩(wěn)定性的檢測層需要與大地絕緣，以使密封層與阻水層形成一個絕緣體，因此在地電檢測層井下一端密封制造時，井下一端電纜通過采用高強度阻水密封溶合劑并高溫塑化，溶合密封層與井下一端的阻水層。

為確保地電深井觀測電極垂直定位精度誤差在可控范圍內，選用了高強度的芳綸纖維材料。為了能提供更好的承載力，在制造過程中采用高抗拉纖維在阻水層外編織的方法，這樣用高模量芳綸纖維兩股便能承載8000N以上的力，芳綸纖維編織時收線張力和放線張力一般也能控制在2000N以上。

3 電纜可靠性檢測

對研制的WBUPF電纜樣品的可靠性進行物理檢測實驗。首先對電纜密封性進行了檢測。在密封性檢測過程中，將制造完工的電纜井下的一端浸入水中6hr，然后測量地電檢測層的絕緣性能，最終檢測結果顯示，其絕緣電阻大于1000MΩ／km，滿足地電觀測的要求。其次，檢測中從成品電纜上截取長度不小于電纜外徑20倍，且不小于250mm長度的實驗樣本，進行承載負荷（抗拉）強度檢測（圖3）。由圖3可見，在測程0～300kN的拉力實驗機上做破斷拉力實驗，本電纜的實驗結果達8210N（圖3），其承載負荷有助于固定深埋入井下的電極不會因自重下移或盡可能避免弱化電極下移造成的觀測裝置變化。

圖3 破斷拉力實驗曲線

最后，測試了電纜承載的伸長率。將編織好的芳綸纖維繩取樣15m，掛重50kg，進行垂直伸長實驗。實驗時間持續(xù)5天，結果伸長15mm；實驗10天，伸長20mm；實驗15天，伸長22mm；實驗20天，伸長23mm；實驗25天，伸長23mm。根據(jù)此實驗結果，可以得出在實驗條件下芳綸纖維繩的伸長率小于0.2%。若將其應用于地電觀測裝置上，本電纜能夠很好解決地電深井觀測中的電極垂直定位精度問題。

垂直掛重實驗后的電纜一端再次浸入水中6hr，然后測量地電檢測層的絕緣性能，最終檢測結果表明，其絕緣電阻仍為1000MΩ／km，能滿足長期地電觀測對外線路的電絕緣要求。

4 結論

本文針對目前我國井下地電觀測的迫切需求，介紹了用于井下地電長期觀測的WBUPF型號電纜的技術要求、電纜內部結構、制作工藝、制作材料、可靠性檢測結果等。從對電纜樣樣本的檢測結果看，WBUPF型號電纜適用于井下數(shù)百米深的地電觀測，能長期（20年內）保障地電觀測裝置的穩(wěn)定性，對規(guī)避地表干擾的井下地電觀測有重要意義，有助于地電觀測和地震監(jiān)測研究的進一步深入。

5 結語

隨著觀測技術的發(fā)展，作為對一種新方法的探索，人們將越來越重視井下地電阻率觀測，而如何保障觀測系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性，是目前面臨的重要課題，井下電纜的研制，為井下觀測提供了技術支撐，即室外-井下線路。實驗室測試結果表明，該電纜性能滿足井下地電阻率觀測需求，其各項性能指標達到并超過了“井下地電阻率觀測技術指導意見”要求，有效解決了深井電纜絕緣漏電檢測、承載重量及抗深井壓力等問題。可以預期，將新型抗拉纖維、高強度阻水密封溶合劑、耐磨抗撕裂材料等新材料應用于地電觀測深井電纜的制作，并結合電極耐用性問題的解決，可以有效地保證裝置系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性。