0 引言

地电阻率观测是地球物理观测中的重要观测手段之一，多次预报实践证明，地电阻率观测可能对测项周边400 km范围内的强震有一定指示意义。目前新建地电阻率台站大多采用地埋方式铺设观测线路。与架空方式相比，地埋方式在减少风扰、线路防雷、线路防破坏等方面具有更大优势，然而，地埋线缆若出现破损则不易探查。以浚县地电台为例，该台在钻洞机施工时不慎对地埋线缆造成损坏；农田灌溉埋设管道时，开沟机挖掘不慎造成地埋线缆破损。一般处理结果是重新开沟布线，耗时费力，且严重影响地电阻率观测数据的连续性和稳定性。

电力部门对于地埋线缆漏电点的定位技术已经相当成熟，某电缆故障测试仪可通过低压脉冲法实现漏电点距离的估测（许珉等，2007）；根据电磁感应原理可实现地埋线缆的寻迹；通过差分电位法（跨步电压法）或高压放电声测法可实现漏电点的精测（许东升等，2009）。该电缆故障测试仪较为昂贵，一般地震台站少有配置。在以上检测漏电点的方法中，除差分电位法原理可根据其理论推测能使用地电台常备兆欧表和万用表进行模拟，其他方法均难以通过地电台站现有观测设备进行模拟。本文希望通过利用兆欧表和万用表结合起来的简易装置，模拟差分电位法原理，精确定位地电台地埋线缆高阻漏电点。

1 原理与方法 1.1 背景介绍

浚县地电台是中国地震背景场项目建设台站，始建于2013年。台站地电布极采用对称四极方式，设NS和EW两个测道，其中供电极距均为1 000 m，测量极距均为300 m，线路采用埋地方式铺设，8个铅板电极埋深3.0 m，线路埋深1.5 m，观测室距中心点232 m（图 1）。因台站建设较为规范，周边干扰源较少，地电观测数据质量较高。

2022年5月2日11时，浚县地电台EW向测道地电阻率突然下降6.02 Ω·m，自然电位差同步下降183.2 mV。现场调查发现，西侧地埋线缆上方地面新埋设多根线杆，使用兆欧表测量，该地对地绝缘电阻小于0.1 MΩ，怀疑线杆埋设施工造成地埋线缆损坏，线缆漏电导致上述变化。借鉴前人经验（周志雄等，2008；王新胜等，2009），采用诸多方法并尝试使用接地电阻测试仪确定地埋电缆漏电点位置，均未获得成功。接地电阻测试仪的测量结果显示，该漏电点接地电阻在2 000 Ω以上，分析认为，其为高阻漏电点，超出接地电阻测试仪的测量范围。后借用河北兴济地电台地埋电缆故障测试仪，漏电点被成功定位，根据现场挖掘，实际漏电点与仪器定位点位置精度在1 m以内。

据使用手册和现场操作，推测地埋电缆故障测试仪工作原理是，通过激发单向高压脉冲信号，基于差分电位法原理确定高阻漏电点位置。但该仪器较为昂贵，有必要利用现有仪器设备开展地埋线缆漏电点定位工作。根据差分电位法的原理，检测装置需能激发较高电压，地电台站常用兆欧表额定电压1 000 V，满足装置要求。因此，设计一种简易装置，即采用兆欧表作为电压激发装置，万用表（直流电压档）作为信号接收装置，用以定位地埋线缆的高阻漏电点。

1.2 差分电位法原理

当在地埋电缆一端供电而另一端悬空时，漏电点可视为地表偶极源，其在周围产生的电势等势面为围绕漏电点的同心圆。如图 2所示，在漏电点附近选取a点和b点，使两点连线的延长线指向漏电点方向，基于均匀电流场和点源电流场模型（李金铭，2005），则漏电点在两点之间产生的电压（人工电位差）U为

$ U=\frac{\rho I}{2 \pi}\left(\frac{1}{R_{\mathrm{a}}}-\frac{1}{R_{\mathrm{b}}}\right) $

(1)

式中，ρ为地电阻率，在漏电点附近可视为恒定值；I为漏电电流；R_a和R_b分别为a点和b点与漏电点的距离。由式（1）可知，U仅与电流I以及两点与漏电点的距离有关。

保持a、b点的相对距离不变，沿地埋电缆方向平移a、b点的位置，当施加电压时人工电位差由正转负或由负转正，即说明到达漏电点附近（图 2），此即为差分电位法。

1.3 实现方法

采用兆欧表+万用表的简易装置进行高阻漏电点定位，需要甲、乙2位观测人员配合，具体操作如下：首先在被测地埋线缆两端（两端分别在地电观测室和电极杆）断开与其他设备的连接，甲在地电观测室内或电极杆上，将兆欧表一根线接地，另一根线接被测线缆，乙循地埋线缆路径，将万用表（直流电压档200 mV）红黑表笔分别插入土壤，距离1 m，方向与地埋线缆平行，甲摇动兆欧表施加电压，乙观察万用表读数变化。一般，万用表插入土壤，电压值缓慢变化，若甲摇动兆欧表时万用表无突变，则证明乙距漏电点位置较远，应将红黑表笔插入土壤点循地埋线缆路径向前平移，注意保持红黑表笔相对位置不变；若电压变化突然变大或者反向变化，说明乙接近漏电点位置，此时应向前方缓慢平移表笔；若万用表电压读数变化值与上次变化值互为正负，表明漏电点位于2次测量红黑表笔位置之间。

2 兆欧表模拟实验

实验发现，兆欧表在连接不同负载时激发的电压也不同，通常负载电阻越大，激发的电压越大，电流越小。查阅相关文献（刘志万等，1992）可知，兆欧表产生的电流与测试电源等效内阻、兆欧表测量电路LG端钮间的电阻值有关。为确定兆欧表在不同负载下产生的电流值，设计图 3所示模拟电路，模拟不同地埋线缆高阻漏电环境，检测兆欧表在不同环境下的漏电电流。

图 3中模拟电路由兆欧表（型号ZC25-4，额定电压1 000 V）、数字直流电流表（型号OHR-D300N-DC-12-D，量程0.00—19.99 mA）、金属膜电阻组成。更换不同阻值的金属膜电阻，模拟不同高阻漏电环境下，兆欧表所能激发的电流值。

实验发现，电流与电阻呈类似指数对应关系，并非线性关系（图 4），说明兆欧表输出电压并非恒定不变，而是随电阻值增大而增大，线路间最大电流为2.42 mA。将电流和电阻进行指数拟合，设电流为I（单位为mA），电阻为R（kΩ），对应公式为

$ I=0.59211+1.81047 \times 0.99705^R $

(2)

兆欧表只能测量兆欧级别的绝缘电阻，而常规直流电源最大输出电压一般在48 V安全电压内，无法基于欧姆定律用来计算高阻漏电（kΩ级别）数值。由模拟实验给出的电流与电阻的对应关系曲线（图 4）可知，在实验中，可基于串联的数字直流电流表读数，判断对地漏电环境下具体地电阻值大小。

3 实地实验 3.1 实验方法和结果

参照图 1所示电极布设线路，根据浚县地电实际，设线缆埋深1.5 m，万用表的2个测针分别布设在距地埋线缆漏电位置地表镜像点同一侧的1 m和2 m处，在电路中串联电阻值不同的金属膜电阻，模拟不同阻值下的漏电环境，观察万用表能否在漏电点两侧测出相反的电压变化，进而判断本简易检测装置在对地绝缘电阻的适用范围（图 5）。更换不同规格的金属膜电阻，记录万用表测得的电压变化值和线路间电流值，实验结果见表 1。

3.2 实验结果分析

实验证明，即使金属膜电阻值增加到900 kΩ，万用表依然能记录到兆欧表在a、b两点间供电产生的电势差（表 1）。

实验中发现，万用表测针插入地面后其电压读数稳定用时约几分钟，电压读数稳定后可观察到兆欧表供电在2个探针位置产生0.1 mV以上的人工电位差（电压变化量）。而实地查找漏电点可能需多次测量，若每次测量都等待电压读数稳定，则所需时间叠加起来可能较长，将严重影响工作效率。实验中也发现，当兆欧表供电在万用表2个探针位置产生的人工电位差（电压变化量）大于1 mV时，因兆欧表供电导致的瞬间电压值变化较万用表电压读数稳定期的瞬时变化量大得多，则不必等待电压值稳定即可清晰判断电压值变化是否由兆欧表供电导致。据表 1，电压变化量大于1 mV，线路内电流应大于1.32 mA，高阻漏电环境应低于300 kΩ。在本实验电路中除金属膜电阻外，模拟漏电点对地也存在未知电阻值，则金属膜电阻值不能认为等于漏电点绝缘电阻值，将线路内电流代入公式（2），计算得到模拟方法中高阻漏电环境下绝缘电阻应低于308.4 kΩ，与实地检测结果相近。

因模拟实验中a点距漏电点位地表镜像点1 m，可以认为，采用兆欧表+万用表的检测方法进行定位，漏电点位置误差为1 m。

4 结论

根据兆欧表模拟实验结果，兆欧表供电电流由回路内电阻决定，且电流最大为2.42 mA，可知兆欧表供电对局部电场不会产生影响，从而不会影响地电阻率观测，适用于查找地电场地地埋线缆漏电点位置。

将兆欧表模拟实验和实地实验结果相互验证，可知在浚县地电台采用ZC25-4型兆欧表和普通万用表结合的方式，可在绝缘电阻小于约300 kΩ的漏电环境下较准确地定位到漏电点，位置误差小于1 m。在实验中将模拟漏电环境下最大金属膜电阻增加到7 MΩ，在万用表上依然观测到0.1 mV的电压变化，证明兆欧表可用于高阻漏电点的查找。因此，兆欧表+普通万用表的检测方法造价低，操作方便，且效果显著，适用于地电台站地埋线缆漏电点的查找。

实验过程中使用不同型号的兆欧表进行供电，其中ZC25-4型兆欧表效果最好。科学研究应严肃、严谨，该地埋线缆漏电点检测方法进行推广时，建议使用金属膜电阻和电流表进行实验，了解兆欧表真实性能后开展工作。