基于磁場分量波形分析的地下電纜弱磁探測技術

李海寧 楊恒勇 董鉑 武阿林 喬文瑋

摘? 要：在減市配電網(wǎng)改革中。許多直立式的老舊線纜具體位置仍然不詳，這也給迅線和定位故障線纜的工作人員造成了相當?shù)膯栴}困難。該文還研究了一個采用電磁分量波形分析技術的地下光纜監(jiān)測方法，也應用于對水底光纜的監(jiān)測中。這個技術通過磁道的傳感器對較弱的電纜磁性進行檢測，能夠被獨立檢測出的分量，為三個彼此垂直的分量。為仿真現(xiàn)實的帶電線路，設置了一種虛擬的電纜磁場。其實測結果表明，3個電磁分數(shù)中，至少二個分數(shù)均有某種頂飾和波谷，峰谷是于電纜的高度有關。通過二個分量波形的分布特點，就能夠正確地判別出電纜的類型不同。結果表明，當比對AC電鏡的磁場頻卑成取樣次數(shù)的整數(shù)倍后，就能夠得到最有效的檢測結果。本文中提供了一個可以通過研究電磁的輔助方法來確定地下電纜方向和深度的途徑，有很大的實用價值。

關鍵字：電磁探測法;磁場分量波;電纜方向

引言：由于全國經(jīng)濟的發(fā)展，居民用電負擔也越來越重，同時社會各界對于電能保障的需求也日漸增加，而部分老舊的線路早已無從適應需要。為此，國家電網(wǎng)公司進行了城市供電改造，改革的一項主要內容便是利用地底線纜取代了原來的傳統(tǒng)架空式線路。此外，由于中國海上礦產(chǎn)開發(fā)的日趨發(fā)展以及利用海洋風能等新能源，對電能輸送技術的要求也日漸提高？同時如何分析電纜弱磁也是一大問題。

一、現(xiàn)狀

目前，中國全國城市供電大部分通過電力電纜的線路輸配電。但是，由于城市化的迅速發(fā)展，原有地貌和地下管道狀況均有了很大改變，再加上供電改變、電纜遷移以及故障電纜檢修等因素，目前原圖已無法真實體現(xiàn)電纜敷設路線和深埋狀況，特別是隨著近些年市內基礎建設的提高，外力對線纜的損害日益突出，已成為了影響線纜安全運營的最主要原因，給電網(wǎng)安全造成了極大危險。因此為了確保線纜的安全運營，需對線纜進行有效檢查，并形成完備的光纜線路管理制度。

電磁探測技術是目前電纜路徑檢測和深度監(jiān)測最普遍而高效的工作方式，在采用電磁探測技術工作后，將具備激發(fā)和檢測過程無需接地、檢測系統(tǒng)輕松省電、工作方法簡單靈活多樣，以及對地下管道可持續(xù)跟蹤等優(yōu)勢。本文提供了一個利用磁場強度來確定地下導線方向和深度的途徑，并針對若干問題提出具體的方法，實踐證明，該技術具備很大的實用價值。

二、實現(xiàn)原理

電磁法檢測線纜一般是運用了電磁感應基本原理，當使用發(fā)送機給待測線纜施以（直連或電感）了某種頻率的信號電壓之后，該電流在待測線纜中流動并在其附近空間形成了一種電磁場，而使用接收器在地球表面上通過測定該電磁場的強度與分布，便可判斷被測線纜的位移與深度，并進行對被測線纜的定位。

A點附近是在地下的待測電纜（此時也已加上了電流I），待測電纜在接通后的磁場中以同心圓的形式向外擴，而OA是垂直于地層產(chǎn)狀方向的一條直線。P是此時地臺上人員所在測位置，H則是P所在的電磁高度，而Hx、鴻燁依次是電磁高度H在地層高低方位和垂直度方位上的分數(shù)。R為待測光纜至地上測點間的距離，d為地下光纜離大地的水深。α為AP兩點連線與大地垂直度位置OA的角度。m為P點到O點的間距。

三、探測水平位置和深度

地面測點水平方位磁場Hx的具體特性包括：

（1）當m=0時，Hx得到最大值：;

（2）Hxmax由于管線的埋設深度增大，而成反比下降;

（3）在公式方法中，當m/d=一或-1時，則在測量點遠離地下電纜部位規(guī)定水深的一段距離時，所測得的Hx為Hx最大的一零點五，所以有該點就可成為檢驗測量深度正確性的重要特征點。

（4）當m=零時，Hy=0時，即當豎直信號通過管道時正上方的場強變化很小，可以用此特性來判斷通過管道的情況;

（5）對公式方法加以求導，如：當m/d=一或-1時，在Hy中將得到極值，若是，則在此時可得到點下的電纜深度為d。

四、關鍵問題及解決方法

因為地下電纜狀況的非常復雜多變，因此電磁法在實際測試會受許多的影響。主要有旁線干涉和信號偏弱，具體的解決辦法如下：

1、旁線干擾問題：在實測時，由于旁線所具有得其水準分數(shù)Hx，所以假若有a根旁線干涉，實際上量測的水準分數(shù)，導致了地下電纜定位時發(fā)生偏移。為了克服對旁邊電纜所產(chǎn)生的影響，人們可能采取措施削弱相鄰管線的信號強度，具體措施包括：

（1）、對于地下水管道密集區(qū)，避免了采用傳感法進行增加探測信息，而采用較具體的單線傳感法或垂直接入等方式;

（2）、用歸納的辦法也就是在信息感應區(qū)內選擇與其鄰近管線的間隔，或選擇定向引導的方式;

（3）、若采用共同地線或任何電氣接地管道的隔斷方式近端，則切斷電器連線只能避免信號并聯(lián)，但切斷電器連線的方式遠端則可避免干擾

2、信號微弱：其原因大多在于光纜埋設得很深，在一般狀況下，信號偏微弱，會給勘測工作增加一定性的難度，對于勘測工作的工作人員也是一項挑戰(zhàn)。而測試結果則指出，當峰值信噪降到某個程度的時候，Hy的峰值就會產(chǎn)生不穩(wěn)定性，而因為信息的不確定性，就會導致對電纜確定的方向或是的阻礙。訊號質量和噪音是影響信噪比的最主要二個問題，首先因為人們對外部噪音很難控制，所以人們一般屏蔽噪聲的方法都是通過鎖定放大器的濾波值的方法，窄帶濾光器就能夠較好地提高信噪比;然后就是要進一步提高磁場訊號質量了，一般可以采用如下方法：

（1）、在安全的區(qū)域內，增加發(fā)射器的輸出功率，以增加信號強度;

（2）、選用比較合適的方法進行信號加入，比如，改感應法或直聯(lián)法等;

（3）、針對長距離的管道，可通過較低的速率來防止訊號過快的減弱。

五、結論

隨著地與海底電纜的大規(guī)模使用，如何快速精確地定位這些線纜仍然是一項科研問題。因此本文主要研究了一個可以通過弱磁探測來定位地下線纜的新技術。本方案的核心內容，是通過使用磁通門探測和解析電磁矢量的三個分量，并根據(jù)電磁特性來定位導線。本文中選擇了典型的三十五kV單芯導線，并使用了500A50Hz的交流電，再結合了試驗和模擬，得到如下結果。

1）確定是否存在電纜有一定的依據(jù)可言，在電纜磁場一個分量存在兩個波谷和一個定式，另一個分量存在一個波谷，當這個波谷與上一個分量的定式的中間對稱中心和對稱軸，存在即存在電纜，不存在即不存在電纜。用對各種電磁分量的波形變化綜合分析后，來確定周圍磁場的方位，可以消除干擾和增加診斷的準確性。

2）測試結果顯示，當檢測體系的取樣頻次能被電纜電流頻次整除時，所測試得出的結論才是平穩(wěn)可讀的，這為探測器體系取樣頻次的合理選擇提出了必要的理論指導。

3）電纜的屏蔽層對電纜的磁性有比較顯著的降低影響，在實踐中要求磁性檢測器具有相應的靈敏度。

4）在本研究中，對線纜進行定位的基礎條件是電磁空間布局的變化特性，而并非電磁空間布局的具體對物值，也不受恒定的背景地磁場變化、線纜電流額定值，以及〈br〉探測器的水平運動面等高度影響。

區(qū)別于傳統(tǒng)使用標量定位線纜地址的方式，如海洋磁力儀，通過本文研究的方式使用三軸信號獲取了更多關于空間電磁矢量場的信號，從而大大提高了線纜地址的準確性和強抗干擾力量。

六、結束語

城市建筑向飛躍型發(fā)展，地下電纜現(xiàn)狀也愈漸復雜，對地下電纜檢查的任務也越來越迫切和重要，因此文中提供的基于磁場強度確定地下電纜方位和深度的檢查方式，有很大的參考價值。

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作者簡介：李海寧（1985-），工程師，江蘇華能電纜股份有限公司營銷副總經(jīng)理

通訊作者：喬文瑋（1965-），正高級工程師，江蘇華能電纜股份有限公司總工程師