基于電磁法的地下電纜檢測電路設計

熊治文，莫勝撼

（廣西機電職業(yè)技術學院電氣工程學院，廣西南寧，530007）

0 引言

當前使用最廣泛的探測技術是應用檢測儀來實現(xiàn)對地下線纜具體接線情況的勘探工作，高級的功能還可以對以上的情況實現(xiàn)實時跟蹤，

而且還甚至可以與地下排水管線電纜故障輔助檢測分析儀一起同時工作,作為電纜故障輔助檢測儀的一個重要的故障輔助檢測設備即可查找電纜故障觸發(fā)點進而有效解決電纜故障。

電力行業(yè):確定電纜位置需求最強烈的行業(yè)，鋪設的電纜需要定時的進行排查以免出現(xiàn)危險的后果。此時為了準確的找到電纜故障所在位置,減少電纜開挖的成本和工程量以及縮短尋找故障時間,就非常需要充分利用智能電纜路徑故障檢測儀系統(tǒng)來快速而準確的幫助確定和找出電力電纜的故障路徑。

通信行業(yè):無線通信中包含有很多無線通信傳輸電纜和廣播電視通信電纜,當這些通信線纜可能出現(xiàn)質量故障或者需要重新檢測時也可能需要重新確定其傳輸路徑。

建筑行業(yè):在項目工程施工中為了有效避免操作者在開挖工地過程中破壞地下的運輸管線,減少不必要的社會經(jīng)濟損失和大量時間資源浪費,加快項目建設的速度，需要準確的讓人知道地下已經(jīng)埋藏的運輸管線的具體位置。

城市規(guī)劃項目建設行業(yè):由于各種技術原因從而使得地下傳輸電纜的管線資料經(jīng)常丟失,這樣就可能使得城市規(guī)劃建設中的規(guī)劃管理部門對該行業(yè)城市下的電纜管線的資料分布位置情況往往不能準確的進行掌握,導致其在城市規(guī)劃建設過程中就會出現(xiàn)很多樣的問題,在這種樣的情況下就我們應該重新對地下電纜管線資料進行地下路徑圖的檢測,并對其資料進行長期保存。

從以上的行業(yè)應用實例可以看出，用于檢測電纜位置的檢測儀在很多領域大有作為，避免了一些不必要的安全隱患，減少了檢查的工作強度，及時有效的定位具體方位。

所以，在這個基礎上，本篇論文主要從電纜檢測儀為著手點，來研究檢測儀能實現(xiàn)的技術難點和具體實施方法，分析了各種檢測儀器的不用的特點和應用場景，提出了基于磁感應的地下電纜路徑測量檢測儀的系統(tǒng)結構理論模型。

1 地下電纜檢測原理

■1.1 通電導線周圍產(chǎn)生磁場

我們都知道通電的導體怎么產(chǎn)生磁場，這種磁效應是因為電流的原因，電流的強度和磁場的強度往往成正比，也就是說導體上通過的電流越大，產(chǎn)生的磁場也就越強。由于地下進行埋設的各種電力電纜的延伸長度和埋設深度都遠遠的大于自身，所以線纜也可以看做一個通電的導體，利用的延伸直徑，載流直導線路來進行電流分析,這樣就完全可以把電纜線路中的回路 電流和電流密度等同于自身延伸比較長、密度比較大的電力線路中電流。

利用畢奧-薩伐爾定律：B正比于I/r。長直載通電導線周圍的電場磁感應電流強度的大小與導線距離成反比與感應電流大小成正比。在長直載通電導線點上任意選取一處電流元I dl,它在場點P處產(chǎn)生的磁場強度dB等于：

設一個位于P上的點上所移動產(chǎn)生的dB的電流方向強度垂直于單向導線的紙面向里,則一條單向導線的所有移動的電流元在一個位于P上的點上所移動產(chǎn)生的電流元和dB在其移動時的方向都相同,因此,磁感應強度B積分值在計算時的形式為:

因此，

1θ，2θ分別表示電流載入后的導線兩端的兩個輸入電流元與其兩端連接到載入電流源點P矢量r的夾角，如圖1所示。

圖1 載流直導線周圍P點的磁場

假設通過電流的導線的長度無限，那么1θ=0，2θ=π代入（4）得：

由此我們可以清楚看出,無限長的直載導線在其周圍任意一點的電磁感應強度大小與導線垂直距離強度a之間成一次反比關系。設無限長用于直載供電導線上的作用點周圍為一個圓心,作用點垂直于無限長用作直載供電導線的一個同心圓,則視作無限長的供電導線在其周圍各點的磁感應電場強度B方向等于將沿該同心點圓的切線方向。

■1.2 單個線圈的Bx、|Bz|曲線

(1)相同電流下不同位置的單線圈Bx曲線

以單個線圈進行分析研究，如圖2所示，水平坐標表示線圈和電纜的水平運動，而垂直坐標表示接收線圈的磁場強度的水平分量。

圖2 相同電流不同位置的Bx曲線圖

由圖可得:當x=0時，線圈的磁場水平分量Bx為最大，代入式（5）得：

即在電纜的正上面有極大值，從而確定電纜的平面位置。當埋設的位置不斷增加時，Bx最大值快速下降，當大于4m時，Bx曲線下降平緩。

如圖3所示，水平坐標表示線圈相對于電纜的水平位移，垂直坐標表示線圈接收的磁場強度的垂直分量的絕對值。

圖3 相同的電流不同的深度的曲線圖

2 預處理電路設計

預處理電路的主要功能就是把磁信號轉化得來的電壓信號進行提取，過濾掉對應的干擾信號并且我國通常用50赫茲的交流電進行供電，因此，對采集的電壓信號進行濾波處理，論文設計了兩個濾波電路，一個是通有50Hz的地下電纜，另外一個是對未知頻率的情況下，可通過排除50Hz的信號干擾。

■2.1 50Hz帶通濾波電路

帶通濾波器電路的作用是使信號在某個頻率范圍內(nèi)通過，同時阻塞該頻率范圍外的信號，消除高頻范圍內(nèi)和低頻范圍內(nèi)的干擾和噪聲，因此可以等效為帶有高通濾波器的低通濾波器。

根據(jù)公式6中心頻率即f0=50Hz，品質因數(shù)Q=10，得以下的帶通濾波仿真結果如圖4所示。

圖4 50Hz帶通濾波電路

利用Multisim 14對50赫茲帶通濾波器進行頻率特性的仿真，其特性如圖5所示，中心頻率為50Hz，因此該電路滿足設計的要求。

圖5 帶通濾波電路仿真結果

■2.2 50Hz帶阻濾波電路

電纜斷電不運行時，此時檢測儀的檢測信號不再是50Hz的正弦信號，此時可以通過頻率搜索的功能將信號頻率進行搜索，此時線圈感應電信號的最大干擾信號是50Hz工頻信號，論文設計了一個通過50Hz的帶阻濾波電路對信號進行濾波處理，帶阻濾波器的作用即在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，而在此頻帶之外，信號能夠順利通過。

設計的帶阻濾波器電路設計如圖6所示，輸入信號頻率經(jīng)過一個有電阻和電容元件兩個T形網(wǎng)絡進行采樣。

圖6 帶阻濾波電路圖

由圖7可以看出，其中電路對輸入50Hz信號的衰減為16db。

圖7 帶通濾波電路仿真結果

3 放大電路設計

根據(jù)磁感應電路所得，由于地面上感應線圈檢測到的信號十分微波，因此，利用Multisim14對放大電路進行仿真，利用三極管直接耦合式進行放大調試。其電路圖與仿真圖如8與9所示。

圖9 放大電路仿真圖

由圖 8-9可知，將1000Hz，幅度為1V交流信號加載到放大電路的輸入端，得到的輸出波形幅值為12V，可知放大電路對輸入信號放大12倍。

圖8 放大電路

4 結束語

本文核心是以地下電纜檢測為對象設計了基于電磁法的預處理電路和放大電路，通過仿真可以得知，電纜在不同深度，感應強度不同，通過濾波放大預處理電路后，利用這個原理，單片機對檢測到的信號強弱判斷。便可得到電纜準確位置。

結果顯示，在靠近電線的情況下，檢測裝置指示燈亮，液晶屏顯示的數(shù)值顯示線流（產(chǎn)生磁場）的強弱，越靠近電線，液晶屏顯示的數(shù)值就越大。同時在沒有電流的情況下，靠近電纜指示燈會亮，但液晶屏顯示的數(shù)值為零。