探地雷達(dá)技術(shù)在電力建設(shè)中的應(yīng)用研究

耿宵慧,陳秋航

(1.國網(wǎng)襄陽供電公司樊城供電中心,湖北 襄陽 441000;2.重慶電力高等?？茖W(xué)校,重慶 400053)

2020年,我國在聯(lián)合國大會(huì)上首次提出“碳中和”目標(biāo)。習(xí)近平總書記也曾多次在重大國際會(huì)議上表明了我國對(duì)于實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的決心。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),勢(shì)必需要電力行業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí),兼顧高質(zhì)量發(fā)展,即在穩(wěn)步提升發(fā)電、供電能力的同時(shí),注重供電質(zhì)量的保障和提升。在電力建設(shè)方面,2022年國家電網(wǎng)的投資90%以上集中在輸變電電網(wǎng)方面。在2023年9月國家電網(wǎng)公司召開的“六精四化——綠色化”現(xiàn)場(chǎng)會(huì)上,國家電網(wǎng)公司提出在電網(wǎng)建設(shè)時(shí),做到綠色設(shè)計(jì)、綠色施工。這一切都與數(shù)字化、智能化技術(shù)的應(yīng)用密不可分。在輸電線路施工和變電站建設(shè)中,地層情況的探測(cè)一直都是重中之重。以變電站為例,由于當(dāng)前部分變電站投入運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng),難免存在地層布線資料不準(zhǔn)確,甚至缺失的現(xiàn)象。地層情況不明為改造開挖帶來了諸多不便。考慮到盲目開挖的破壞性,故需要對(duì)該類場(chǎng)景的地層情況進(jìn)行更精準(zhǔn)、細(xì)致探測(cè)。

目前對(duì)地層介質(zhì)和地下管線的探測(cè)并無定法。胡玉洋等[1]基于寧波市的軌道交通管線,總結(jié)了在非開挖管線中常見的探測(cè)方法,例如PCM+探測(cè)儀法、導(dǎo)向儀法、慣性陀螺儀法等。以陀螺儀法為例,雖然其探測(cè)精度高,但其無法識(shí)別電纜,且收費(fèi)昂貴,市場(chǎng)價(jià)在3萬元/斷面左右。李小飛等[2]將AP-1和RD8000 2種地下管線探測(cè)儀應(yīng)用到地下管線的探測(cè)當(dāng)中,其埋深差可控制在5 cm以內(nèi),并可根據(jù)不同的地下介質(zhì)確定各自的最佳探測(cè)頻率。但該方式無法滿足多種地下管線和介質(zhì)并存的探測(cè)情況,且該方法無法自動(dòng)識(shí)別地下介質(zhì)的種類。張鵬等[3]提出了一種基于“三點(diǎn)定圓”的判斷地下管線管徑的新方法,并將探地雷達(dá)(ground penetrating radar,GPR)應(yīng)用于工業(yè)園區(qū)的地下管線探測(cè)中,取得了較好的效果。文獻(xiàn)[4]提出了一種區(qū)別于傳統(tǒng)一維、二維成像方式的探地雷達(dá)系統(tǒng),該系統(tǒng)通過三維成像方法定位地下介質(zhì)具體的空間位置,并通過改進(jìn)BP算法對(duì)成像和定位結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)。但該方法僅對(duì)非帶電體進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),對(duì)于電纜等回波情況復(fù)雜的地下介質(zhì),該探測(cè)方法缺乏有效的探測(cè)驗(yàn)證實(shí)例。

探地雷達(dá)技術(shù)的起源可追溯到20世紀(jì)初。得益于分辨率高、組裝方便、無須進(jìn)行地下開挖(無損探測(cè))等特點(diǎn),目前探地雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘探、城市地下管線檢測(cè)等領(lǐng)域,其對(duì)于避免各類施工中的管道誤挖、避免工期延誤、減少地陷事故的發(fā)生等具有重要意義。

目前,我國正處于興建和改建變電站,以及建設(shè)特高壓輸電線路的高峰期,降本增效、避免無謂的施工延誤和事故是重中之重。鑒于探地雷達(dá)技術(shù)便捷、無損的探測(cè)特點(diǎn),本文提出將探地雷達(dá)運(yùn)用到電力建設(shè)的場(chǎng)景中。本文以變電站、輸電線路地下的主要介質(zhì)作為探地雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象進(jìn)行分析,在探地雷達(dá)工作原理的基礎(chǔ)上,選取2種主要的地下介質(zhì),分析了其灰度圖和A-Scan圖特征,并通過某變電站的實(shí)地探測(cè),驗(yàn)證探地雷達(dá)進(jìn)行地下介質(zhì)探測(cè)的準(zhǔn)確性。

1 探地雷達(dá)的工作原理

探地雷達(dá)作為當(dāng)今地下探測(cè)的一種行之有效的手段,其工作原理如圖1所示。通過配套的電腦主機(jī)上的探測(cè)軟件可以設(shè)置不同的探測(cè)頻率,并利用雷達(dá)發(fā)射機(jī)將設(shè)定好頻率的高頻電磁波經(jīng)由發(fā)射天線發(fā)射。同時(shí),利用電腦軟件還可以設(shè)置采樣間隔、增益系數(shù)等參數(shù),以適應(yīng)不同的探測(cè)場(chǎng)景。高頻電磁波可以有效穿透地層到達(dá)介質(zhì)表面,在遇到不同類型和不同地下位置的介質(zhì)時(shí),高頻電磁波會(huì)產(chǎn)生不同形式的反射及散射。

圖1 探地雷達(dá)工作原理圖

接收天線接收到不同形狀和振幅的散射波形后,便可結(jié)合不同的波形特征確定地下介質(zhì)的種類及其埋深。

考慮到空氣對(duì)高頻電磁波具有一定的削弱作用,會(huì)影響探測(cè)精度,故探地雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)工作時(shí),通常需要緊貼地面或是墻面?；诖?地下介質(zhì)的深度可表示為

(1)

式中:t和v分別為電磁波在地層中的雙向傳播時(shí)間和傳播速度;x為探地雷達(dá)收發(fā)天線間的距離。

電力建設(shè)中的探測(cè)場(chǎng)景通常為野外或者變電站,該類場(chǎng)景中的土壤、水泥的地表介質(zhì)對(duì)電磁波的損耗較小,故電磁波的波速(v)可表示為

(2)

2 地下介質(zhì)成像分析

2.1 常見電纜結(jié)構(gòu)介紹

在電力建設(shè)中,相對(duì)于普通地下管線(水管等),地下電纜是極具代表性的地下管線類型。通常,按照電纜功能的不同,電纜可分為電力電纜、通信電纜和控制電纜,按其線芯數(shù)目不同,可分為單芯電纜和三芯電纜。常見的電纜結(jié)構(gòu)差異對(duì)高頻電磁波的反射差異并無實(shí)質(zhì)性影響,故本文以常見的三芯電纜為例,對(duì)其結(jié)構(gòu)及其對(duì)磁場(chǎng)的影響進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。電纜本體由內(nèi)到外,分別為導(dǎo)體層、導(dǎo)體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、銅帶屏蔽層、填充層、內(nèi)襯層、鋼絲鎧套層及阻燃外護(hù)套層,如圖2所示。通常地下電纜會(huì)被固定在電纜溝內(nèi),電纜溝上方會(huì)有水泥蓋板。部分電纜會(huì)埋在土壤下方,由于混凝土和土壤對(duì)工頻電場(chǎng)的屏蔽作用,在使用探地雷達(dá)對(duì)地下電纜進(jìn)行探測(cè)時(shí),僅需考慮帶電電纜產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用。

圖2 三芯電纜結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 電纜磁場(chǎng)效應(yīng)分析

大地對(duì)電磁波僅考慮其產(chǎn)生的線性衰減作用,故在進(jìn)行探測(cè)時(shí),主要分析電磁波對(duì)電纜的探測(cè)效應(yīng)。圖3所示為探地雷達(dá)作用下的磁場(chǎng)效應(yīng)。Et、Ht分別為投射波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量;E0、H0分別為入射波的電場(chǎng)、磁場(chǎng)分量;ki、kt分別為入射波和透射波矢量;α、φ、ψ分別為入射波極化角、方位角和俯仰角;ψt為透射波傳輸角;σg為土壤的電導(dǎo)率;h為電纜埋深[5]。

圖3 探地雷達(dá)電磁輻射電纜示意圖

地下電纜對(duì)于外施電磁波具有反射作用,通過研究電纜的反射波形,即可得到其反射波的傳播規(guī)律:

Ev=E0cosα

(3)

Eh=E0sinα

(4)

沿x軸地下h米深度的電場(chǎng)為

(5)

其中

E0=(EvTvsinφtcosφ+EhThsinφ)e-kghsinφt

(6)

則地下h米深度的磁場(chǎng)強(qiáng)度為

(7)

式中,η為土壤的波阻抗。在探地雷達(dá)電磁波輻射下,地下電纜周圍會(huì)形成一定強(qiáng)度的電磁場(chǎng),由于地下電纜的結(jié)構(gòu)會(huì)形成電場(chǎng)屏蔽效應(yīng),故在實(shí)際探測(cè)過程中,電場(chǎng)的影響可忽略。

2.3 典型地下介質(zhì)成像分析

考慮到變電站、輸電線路等需要進(jìn)行電力建設(shè),以及改建工程地下環(huán)境的特性,本節(jié)選取花崗巖和電纜作為主要的研究對(duì)象,分別對(duì)其成像進(jìn)行分析。

利用探地雷達(dá)對(duì)已確定位置的地下花崗巖和電纜進(jìn)行探測(cè)分析,得到2種典型介質(zhì)的灰度圖(見圖4)?；叶榷逊e圖是以灰度來反映接收到的回波幅值信息的,然后再將收集到的各道回波信號(hào)按照采集順序排列。根據(jù)探測(cè)設(shè)置的不同,可以生成地下介質(zhì)的灰度圖、彩色堆積圖。

圖4 典型介質(zhì)二維灰度圖

從圖4可以看出,花崗巖的反射波形較為尖銳,呈現(xiàn)出重疊的三角形波形,且波形顏色較淺;電纜的反射波形呈現(xiàn)出明顯的振蕩現(xiàn)象,類似于多個(gè)波形的疊加,波形有明顯的向下延伸的趨勢(shì),且波形顏色較深。

接下來對(duì)2種波形的A-scan圖進(jìn)行分析(見圖5)。A-scan掃描方式是能反映出不同位置的媒介表面與內(nèi)部的反射回波情況的掃描方式,通過該方式可以得到關(guān)于介質(zhì)反射波的時(shí)間-電壓函數(shù)波形。

圖5 典型介質(zhì)A-scan圖

由圖5可以看出,電纜的A-scan圖振蕩持續(xù)明顯,且振幅較大,與灰度圖中電纜反射波疊加、振蕩的特征相符;花崗巖作為非電介質(zhì),其振蕩持續(xù)短,振幅較小。

3 實(shí)地探測(cè)案例

為驗(yàn)證探地雷達(dá)的實(shí)際探測(cè)效果,選取國家電網(wǎng)公司某變電站進(jìn)行實(shí)地探測(cè)。該變電站投入運(yùn)行時(shí)間達(dá)22年,歷經(jīng)過2次改造,由于年代較久,其部分地下管線走向不明?？紤]到未來該區(qū)域用電量的增加,以及站內(nèi)部分設(shè)備的老化,對(duì)該站的改造迫在眉睫。由于開挖工作程序復(fù)雜,故先采用探地雷達(dá)對(duì)其地下情況進(jìn)行探測(cè)。

圖6所示為該變電站某一路段的探測(cè)圖像。通過圖6可以看出,1#點(diǎn)的波形與2#、3#點(diǎn)的波形有顯著不同,與圖4中電纜的波形特征高度相符,都是具有明顯的電磁波振蕩、重疊現(xiàn)象,并且在豎直方向延伸,說明該處應(yīng)鋪設(shè)有電纜。2#、3#點(diǎn)的波形與圖4中的花崗巖波形圖特征重合,可以斷定該2點(diǎn)為花崗巖或是接近的巖石類地下介質(zhì)。變電站的地下管線圖及后期的開挖工作,驗(yàn)證了本次探測(cè)的結(jié)果,即1#點(diǎn)存在電纜,2#、3#點(diǎn)均為地下花崗巖。

圖6 變電站實(shí)地探測(cè)圖

4 結(jié)語

探地雷達(dá)作為一種較為成熟的地層探測(cè)設(shè)備,能夠直觀、準(zhǔn)確地反映地下介質(zhì)的類型和埋深,對(duì)電力建設(shè)當(dāng)中的輸電線路施工、變電站新建和擴(kuò)建而言,都能起到良好的地層情況勘探作用。本文對(duì)典型地下介質(zhì)的灰度圖和A-Scan圖的波形進(jìn)行了特征分析,通過對(duì)某變電站的實(shí)地探測(cè),驗(yàn)證了探地雷達(dá)在地下介質(zhì)探測(cè)中的有效性和準(zhǔn)確性。

1)電纜對(duì)高頻電磁波的反射現(xiàn)象明顯,反射波主要以不規(guī)則且劇烈的振蕩形式存在,且具有持續(xù)性,振蕩區(qū)域從電纜上方一直持續(xù)到電纜下方。而花崗巖作為非金屬介質(zhì),其反射波形較為規(guī)則,振蕩較小,與電纜波形區(qū)別明顯。故利用探地雷達(dá)對(duì)地下主要介質(zhì)進(jìn)行探測(cè),能夠很好地區(qū)分不同的介質(zhì),具有良好的探測(cè)效果。在輸電線路、變電站等需要進(jìn)行電力建設(shè)或是改建的場(chǎng)景中,只需要確定地層介質(zhì)的埋深及類型即可,無須進(jìn)行三維層面的精準(zhǔn)定位,所以普通探地雷達(dá)即可完成相應(yīng)的工作任務(wù)。

2)未來探地雷達(dá)應(yīng)朝著更加小型化、便攜化的方向發(fā)展,鑒于變電站、輸電線路等的地理環(huán)境較為復(fù)雜,一些狹小、逼仄的角落不適用體積較大的雷達(dá)設(shè)備。考慮到空氣間隙的影響,使用雷達(dá)設(shè)備時(shí)應(yīng)與地面緊貼,從而避免電磁波的散射。在變電站或是輸電線路中,往往會(huì)存在一些崎嶇或是較為特殊的地形,無法滿足雷達(dá)緊貼地面的探測(cè)條件,這就會(huì)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生較大影響。故對(duì)設(shè)備進(jìn)行小型化改造,使其能夠應(yīng)對(duì)較為復(fù)雜的地理狀況,是未來探地雷達(dá)需要考慮和發(fā)展的方向之一。

3)考慮到探地雷達(dá)在應(yīng)用過程中的各類電磁干擾問題,應(yīng)將去除干擾信號(hào)作為研究的重點(diǎn)之一。目前,探地雷達(dá)在應(yīng)用中的干擾主要來自直達(dá)波、旁瓣信號(hào)及振蕩干擾。去除的方法可以考慮從成像算法的方向,或是從天線設(shè)計(jì)、屏蔽罩設(shè)計(jì)的方向來進(jìn)行,即從軟件和硬件方面對(duì)探地雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行改良。

4)智能化也是探地雷達(dá)技術(shù)未來的發(fā)展方向之一,例如可考慮將探地雷達(dá)探測(cè)結(jié)果與制圖軟件(例如AutoCAD)相結(jié)合,研發(fā)結(jié)合探測(cè)結(jié)果自動(dòng)繪制地下介質(zhì)(主要是地下管線)分布圖的功能,并自動(dòng)為電纜、水管等主要地下介質(zhì)標(biāo)注埋深、直徑,便于探測(cè)人員和施工人員了解地下介質(zhì)的地下方位、走向及各類其他參數(shù),避免人工二次繪圖帶來的誤差和影響。