基于磁场分量波形分析的地下电缆弱磁探测技术

李海宁 杨恒勇 董铂 武阿林 乔文玮

摘  要：在减市配电网改革中。许多直立式的老旧线缆具体位置仍然不详，这也给迅线和定位故障线缆的工作人员造成了相当的问题困难。该文还研究了一个采用电磁分量波形分析技术的地下光缆监测方法，也应用于对水底光缆的监测中。这个技术通过磁道的传感器对较弱的电缆磁性进行检测，能够被独立检测出的分量，为三个彼此垂直的分量。为仿真现实的带电线路，设置了一种虚拟的电缆磁场。其实测结果表明，3个电磁分数中，至少二个分数均有某种顶饰和波谷，峰谷是于电缆的高度有关。通过二个分量波形的分布特点，就能够正确地判别出电缆的类型不同。结果表明，当比对AC电镜的磁场频卑成取样次数的整数倍后，就能够得到最有效的检测结果。本文中提供了一个可以通过研究电磁的辅助方法来确定地下电缆方向和深度的途径，有很大的实用价值。

关键字：电磁探测法;磁场分量波;电缆方向

引言：由于全国经济的发展，居民用电负担也越来越重，同时社会各界对于电能保障的需求也日渐增加，而部分老旧的线路早已无从适应需要。为此，国家电网公司进行了城市供电改造，改革的一项主要内容便是利用地底线缆取代了原来的传统架空式线路。此外，由于中国海上矿产开发的日趋发展以及利用海洋风能等新能源，对电能输送技术的要求也日渐提高？同时如何分析电缆弱磁也是一大问题。

一、现状

目前，中国全国城市供电大部分通过电力电缆的线路输配电。但是，由于城市化的迅速发展，原有地貌和地下管道状况均有了很大改变，再加上供电改变、电缆迁移以及故障电缆检修等因素，目前原图已无法真实体现电缆敷设路线和深埋状况，特别是随着近些年市内基础建设的提高，外力对线缆的损害日益突出，已成为了影响线缆安全运营的最主要原因，给电网安全造成了极大危险。因此为了确保线缆的安全运营，需对线缆进行有效检查，并形成完备的光缆线路管理制度。

电磁探测技术是目前电缆路径检测和深度监测最普遍而高效的工作方式，在采用电磁探测技术工作后，将具备激发和检测过程无需接地、检测系统轻松省电、工作方法简单灵活多样，以及对地下管道可持续跟踪等优势。本文提供了一个利用磁场强度来确定地下导线方向和深度的途径，并针对若干问题提出具体的方法，实践证明，该技术具备很大的实用价值。

二、实现原理

电磁法检测线缆一般是运用了电磁感应基本原理，当使用发送机给待测线缆施以（直连或电感）了某种频率的信号电压之后，该电流在待测线缆中流动并在其附近空间形成了一种电磁场，而使用接收器在地球表面上通过测定该电磁场的强度与分布，便可判断被测线缆的位移与深度，并进行对被测线缆的定位。

A点附近是在地下的待测电缆（此时也已加上了电流I），待测电缆在接通后的磁场中以同心圆的形式向外扩，而OA是垂直于地层产状方向的一条直线。P是此时地台上人员所在测位置，H则是P所在的电磁高度，而Hx、鸿烨依次是电磁高度H在地层高低方位和垂直度方位上的分数。R为待测光缆至地上测点间的距离，d为地下光缆离大地的水深。α为AP两点连线与大地垂直度位置OA的角度。m为P点到O点的间距。

三、探测水平位置和深度

地面测点水平方位磁场Hx的具体特性包括：

（1）当m=0时，Hx得到最大值：;

（2）Hxmax由于管线的埋设深度增大，而成反比下降;

（3）在公式方法中，当m/d=一或-1时，则在测量点远离地下电缆部位规定水深的一段距离时，所测得的Hx为Hx最大的一零点五，所以有该点就可成为检验测量深度正确性的重要特征点。

（4）当m=零时，Hy=0时，即当竖直信号通过管道时正上方的场强变化很小，可以用此特性来判断通过管道的情况;

（5）对公式方法加以求导，如：当m/d=一或-1时，在Hy中将得到极值，若是，则在此时可得到点下的电缆深度为d。

四、关键问题及解决方法

因为地下电缆状况的非常复杂多变，因此电磁法在实际测试会受许多的影响。主要有旁线干涉和信号偏弱，具体的解决办法如下：

1、旁线干扰问题：在实测时，由于旁線所具有得其水准分数Hx，所以假若有a根旁线干涉，实际上量测的水准分数，导致了地下电缆定位时发生偏移。为了克服对旁边电缆所产生的影响，人们可能采取措施削弱相邻管线的信号强度，具体措施包括：

（1）、对于地下水管道密集区，避免了采用传感法进行增加探测信息，而采用较具体的单线传感法或垂直接入等方式;

（2）、用归纳的办法也就是在信息感应区内选择与其邻近管线的间隔，或选择定向引导的方式;

（3）、若采用共同地线或任何电气接地管道的隔断方式近端，则切断电器连线只能避免信号并联，但切断电器连线的方式远端则可避免干扰

2、信号微弱：其原因大多在于光缆埋设得很深，在一般状况下，信号偏微弱，会给勘测工作增加一定性的难度，对于勘测工作的工作人员也是一项挑战。而测试结果则指出，当峰值信噪降到某个程度的时候，Hy的峰值就会产生不稳定性，而因为信息的不确定性，就会导致对电缆确定的方向或是的阻碍。讯号质量和噪音是影响信噪比的最主要二个问题，首先因为人们对外部噪音很难控制，所以人们一般屏蔽噪声的方法都是通过锁定放大器的滤波值的方法，窄带滤光器就能够较好地提高信噪比;然后就是要进一步提高磁场讯号质量了，一般可以采用如下方法：

（1）、在安全的区域内，增加发射器的输出功率，以增加信号强度;

（2）、选用比较合适的方法进行信号加入，比如，改感应法或直联法等;

（3）、针对长距离的管道，可通过较低的速率来防止讯号过快的减弱。

五、结论

随着地与海底电缆的大规模使用，如何快速精确地定位这些线缆仍然是一项科研问题。因此本文主要研究了一个可以通过弱磁探测来定位地下线缆的新技术。本方案的核心内容，是通过使用磁通门探测和解析电磁矢量的三个分量，并根据电磁特性来定位导线。本文中選择了典型的三十五kV单芯导线，并使用了500A50Hz的交流电，再结合了试验和模拟，得到如下结果。

1）确定是否存在电缆有一定的依据可言，在电缆磁场一个分量存在两个波谷和一个定式，另一个分量存在一个波谷，当这个波谷与上一个分量的定式的中间对称中心和对称轴，存在即存在电缆，不存在即不存在电缆。用对各种电磁分量的波形变化综合分析后，来确定周围磁场的方位，可以消除干扰和增加诊断的准确性。

2）测试结果显示，当检测体系的取样频次能被电缆电流频次整除时，所测试得出的结论才是平稳可读的，这为探测器体系取样频次的合理选择提出了必要的理论指导。

3）电缆的屏蔽层对电缆的磁性有比较显著的降低影响，在实践中要求磁性检测器具有相应的灵敏度。

4）在本研究中，对线缆进行定位的基础条件是电磁空间布局的变化特性，而并非电磁空间布局的具体对物值，也不受恒定的背景地磁场变化、线缆电流额定值，以及〈br〉探测器的水平运动面等高度影响。

区别于传统使用标量定位线缆地址的方式，如海洋磁力仪，通过本文研究的方式使用三轴信号获取了更多关于空间电磁矢量场的信号，从而大大提高了线缆地址的准确性和强抗干扰力量。

六、结束语

城市建筑向飞跃型发展，地下电缆现状也愈渐复杂，对地下电缆检查的任务也越来越迫切和重要，因此文中提供的基于磁场强度确定地下电缆方位和深度的检查方式，有很大的参考价值。

参考文献：

[1]张汉春，莫国军.特深地下管线的电磁场特征分析及探测研究[J].地球物理学进展2006（4）：1314～1322.

[2]刘英，李文沛，曹晓珑等隧道敷设交流电缆路线的T频磁场特性[J].电力建设，2014，（8）：91-96.

[3]陈红旗，张小趁.城市地下管线高精度电磁法探测技术[J]勘察科学技术，2004（1）：61～64.

[4]周承科，李明贞，王航，等，电力电缆资产的状态评估与运维决策综述[J].高电压技术，2016，42（8）：

[5]袁燕岭，周灏，董杰，等，高压电力电缆护层电流在线监测及故障诊断技术[J].高电压技术，2015 41（4）：114

作者简介：李海宁（1985-），工程师，江苏华能电缆股份有限公司营销副总经理

通讯作者：乔文玮（1965-），正高级工程师，江苏华能电缆股份有限公司总工程师