電纜路徑儀的探測(cè)技術(shù)和性能分析

電纜路徑儀的探測(cè)技術(shù)和性能分析

摘　要
為解決目前電纜線路急待標(biāo)識(shí)的問題，介紹了電磁法測(cè)尋電纜路徑的原理及技術(shù)方法。電磁法通過發(fā)射機(jī)把某種頻率的交變電流或交變磁場(chǎng)施加到被測(cè)電纜上，使該電纜產(chǎn)生電磁場(chǎng)，用接收機(jī)在地面上測(cè)量該電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及其分布，便可確定被測(cè)電纜的位置和埋深。對(duì)于不同的現(xiàn)場(chǎng)要求，分別講述了三種主動(dòng)施加信號(hào)的連接方式及兩種測(cè)深方法，并就平行電纜的區(qū)分問題，引入了電流測(cè)量方法，可以有效的查找電纜及區(qū)分平行電纜。從不同角度分析了應(yīng)用電磁法原理的電纜路徑儀的性能特點(diǎn)，可作為使用單位的選型依據(jù)。
關(guān)鍵詞：電纜路徑　電磁法　定位　測(cè)深

Analysis of detection technology and performance for cable tracer

LIU Shuyan1，LIU Shuxia2，SUN Lihong3，YANG Fan1

（1. Beijing Adler Development New Technology Co., Ltd. Beijing 100086, China;2. Jiamusi Power Supply Bureau, Jiamusi 154002, China; 3.Jiamusi Electricity Generation Co., Ltd. Jiamusi 154005, China）

Abstract: To solve the problem which power cables urgently need to mark, introduced the electromagnetic principle and technological method for cable line location. The transmitter exerts alternating current or the alternating magnetic field with some kind of frequency to the test cable, causes the cable producing the electromagnetic field, then the receiver measures this electromagnetic field intensity and its the distribution on the ground, so it can determine the cable’s position and the burying depth. To meet different field requirement for locating cables, presented separately three kinds of connection way and two kinds of depth measurement method. The current measure method is introduced which can effectively differentiate parallel cables. Analyzed the performance characteristic of the cable tracer which applying electromagnetic principle and proposed how to select suitable units for users.
Key words: cable trace; electromagnetic principle; location; depth measurement

引言

目前，我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)大量采用電力電纜線路輸配電。然而，隨著城市的發(fā)展，原有的地貌和地下管線都有相當(dāng)大的變化，加之電網(wǎng)改造、電纜搬遷和故障電纜的修復(fù)等原因，原有的圖紙已不能正確反映電纜的敷設(shè)路徑[1, 2]和埋深，尤其是近幾年城市基礎(chǔ)建設(shè)的加快，外力對(duì)電纜的破壞顯得日益突出，成為影響電纜安全運(yùn)行的主要因素，給電網(wǎng)安全帶來了極大的威脅。因此為了保證電纜的安全運(yùn)行，就需要對(duì)電纜進(jìn)行有效地探測(cè)，建立完善的電纜線路管理系統(tǒng)。

電磁法[3]是電纜路徑探測(cè)和深度測(cè)量常用而又有效的方法，所用探測(cè)設(shè)備就是電纜路徑儀，隨著技術(shù)的進(jìn)步，各種儀器的性能及適用范圍也各不相同。本文重點(diǎn)介紹該類儀器的技術(shù)特點(diǎn)及適用范圍，以便供使用單位選擇合適的儀器。

1、電磁法探測(cè)的原理

由于敷設(shè)在地下的電纜與周圍的土壤介質(zhì)在導(dǎo)電性、導(dǎo)磁性、密度或其他理化性質(zhì)上存在著差異，從而能被探測(cè)、識(shí)別和區(qū)分。目前應(yīng)用于電纜探測(cè)的方法大致有電磁法、直流電法、地震波法、放射性跟蹤法和地質(zhì)雷達(dá)等。其中電磁法由于探測(cè)精度高、操作簡(jiǎn)便、抗干擾能力強(qiáng)、適用范圍廣、成本低，效率高等特點(diǎn)而成為電纜探測(cè)工作中最常用的方法。

電磁法探測(cè)電纜，主要是利用電磁感應(yīng)原理。當(dāng)采用專用的發(fā)射機(jī)向待測(cè)電纜施加（直連或感應(yīng)）一定頻率的信號(hào)電流I后，該電流在待測(cè)電纜中流動(dòng)并在其周圍空間產(chǎn)生一個(gè)電磁場(chǎng)，其強(qiáng)度H可由下式確定：H=K·（I/R），式中K為場(chǎng)強(qiáng)系數(shù)，I為電流強(qiáng)度，R為電纜周圍任意一點(diǎn)距電流中心的距離，如圖1所示，圖中P為電纜周圍任意一點(diǎn)，I為電流強(qiáng)度，R為P點(diǎn)距電流中心的距離，H為P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度，Hx為場(chǎng)強(qiáng)的水平分量，Hz為場(chǎng)強(qiáng)的垂直分量。用接收機(jī)在地面上測(cè)量該電磁場(chǎng)的強(qiáng)度及其分布便可確定被測(cè)電纜的位置和埋深，實(shí)現(xiàn)被測(cè)電纜的定位。

圖1 電纜周圍電磁場(chǎng)分布 Fig.1 Eelectromagnetic field distribution around the cable

2　信號(hào)連接方式

電纜路徑儀從發(fā)射機(jī)的連接方式來講可分為直連法、夾鉗耦合法、磁感應(yīng)法。下面分別敘述：
直連法是將發(fā)射機(jī)一端接地，另一端接到被測(cè)電纜上（此時(shí)要確保電纜不帶電），這樣由發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號(hào)直接加到被查電纜上。它的特點(diǎn)是：信號(hào)強(qiáng)、定位、定深精度高，易分辯相鄰電纜，見圖2。

圖2 直連方式示意圖 Fig2 Direct (conductive) connection

夾鉗耦合法利用電纜路徑儀配備的夾鉗，夾套在電纜上，通過夾鉗的感應(yīng)線圈把信號(hào)直接加到電纜上，見圖3。

圖3 夾鉗耦合方式示意圖 Fig3. Inductive coupling with the clamp

這種方法的特點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)，定位、定深精度高，尤其是運(yùn)行中的電纜，不需停電便可測(cè)試。
磁感應(yīng)法是將發(fā)射機(jī)放置在電纜上方，利用發(fā)射機(jī)的發(fā)射線圈產(chǎn)生電磁場(chǎng)，從而在電纜中產(chǎn)生感應(yīng)電流，該電流在電纜周圍產(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，接收機(jī)接收電纜周圍產(chǎn)生的二次電磁場(chǎng)信號(hào)，從而可定位電纜。其特點(diǎn)是發(fā)射、接收均不需接地，操作靈活，方便、效率高、效果好?？捎糜谒阉麟娎|，但在電纜密集或相鄰電纜較近的場(chǎng)合，應(yīng)慎用，見圖4。

圖4 磁感應(yīng)方式示意圖 Fig4. Inductive (indirect method)

上述三種方法可以有效的定位已知電纜，然而對(duì)于未知來源和去向的電纜，就需要另一種方法－盲查，來定位電纜，如施工前對(duì)工地的勘察。盲查需要兩個(gè)操作者，一人手提發(fā)射機(jī)，另一人操作接收機(jī)。兩者相距約35英尺（12 m），平行橫向和縱向走過被測(cè)地區(qū)。當(dāng)操作者一起橫向走過被測(cè)地區(qū)，經(jīng)過地下電纜時(shí)，接收機(jī)指示電纜存在，在搜索路線上標(biāo)出各電纜的位置。見圖5。在橫向搜索完成后，搜索方向改變90度，搜索同一地區(qū)。兩個(gè)方向搜查結(jié)束后，回到出發(fā)點(diǎn)，再用磁感應(yīng)法（見圖4）跟蹤各標(biāo)出的電纜。

圖5　盲查示意圖 Fig5. Blind search parallel pattern

3、電纜定位、定深的方法

從接收機(jī)定位方法來講分為兩大類：極大值法、極小值法。

在電纜周圍空間任一點(diǎn)處，由電纜中流動(dòng)的電流信號(hào)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)Ｈ是由該信號(hào)電流的電流強(qiáng)度Ｉ和該點(diǎn)距電流中心的距離Ｒ決定的。而該點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)Ｈ在空間上可沿水平方向分解為水平分量Hx，可用水平線圈探測(cè)；而沿垂直方向可分解為垂直分量Hz，可用豎直線圈探測(cè)。在電纜上半空間電磁場(chǎng)的水平分量Hx和垂直分量Hz的分布特征如圖1所示。

極大值法是用水平線圈測(cè)量電磁場(chǎng)的水平分量，由于電纜形成二次電磁場(chǎng)的水平分量在電纜正上方時(shí)為最大，所以在電纜正上方投影位置上出現(xiàn)最大值，見圖6。

圖6 極大值法示意圖 Fig6. The maximum method

極小值法是用豎直線圈測(cè)量電磁場(chǎng)的垂直分量，由于電纜正上方垂直分量為零，故在電纜正上方為極小值，見圖7。

圖7 極小值法示意圖 Fig7 The minimum method

極大值法的特點(diǎn)是磁場(chǎng)幅度大且寬，易發(fā)現(xiàn)電纜；極小值法定位精度高且受附近電纜影響較大，故而可先采用極大值法找到電纜大致位置，然后用極小值精確定位。
電纜路徑儀常用的兩種測(cè)深方法：一種是直讀法；一種是45°法。

直讀法是利用上下兩個(gè)線圈測(cè)量電磁場(chǎng)的梯度從而確定電纜埋深。在接收機(jī)中設(shè)置測(cè)深按鈕，用指針表頭或數(shù)字顯示器直接讀出電纜的埋深，這種方法比較簡(jiǎn)單、方便、快捷，見圖8。該測(cè)深方法在電磁場(chǎng)信號(hào)弱時(shí)誤差較大。

120m

圖8 直讀法測(cè)深示意圖 Fig8. Direct depth measurement

45°測(cè)深法是先精確定位電纜位置，然后用探測(cè)線圈與地面成45°角狀態(tài)，再沿著電纜方向橫向移動(dòng)，尋找“極小值”點(diǎn)，該極小值點(diǎn)與定位點(diǎn)之間的距離I1或I2，等于電纜的埋深T，見圖9。該方法測(cè)深較為準(zhǔn)確，而且可以減小由磁場(chǎng)變形引起的誤差。此外，如果操作者想定位公用地溝中的某一導(dǎo)體，而發(fā)射機(jī)的信號(hào)可能感應(yīng)到更淺或?qū)щ娦院玫膶?dǎo)體。如果遇到此種情況，用深度按鈕測(cè)量時(shí)，可能測(cè)得不合理的深度，而用45度法測(cè)量，可以進(jìn)一步確定多個(gè)導(dǎo)體的存在，以及多個(gè)導(dǎo)體的深度。首先找到第一根導(dǎo)體的深度，然后繼續(xù)離開導(dǎo)體，標(biāo)出各導(dǎo)體的深度。然后向另一側(cè)移動(dòng)，見圖10。

圖9　45°測(cè)深法示意圖 Fig9 45°depth measurement

圖10　公用地溝中多個(gè)導(dǎo)體深度測(cè)量示意圖 Fig10 Multiple conductors in a common trench

總之，選用何種測(cè)深方法，應(yīng)根據(jù)使用的儀器和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況而定。不論采用那種方法，在測(cè)深點(diǎn)前后各4米范圍內(nèi)應(yīng)是單一電纜，中間不應(yīng)有分支或彎曲，且相鄰電纜不要太近，否則影響測(cè)深精度。

4、電纜路徑儀選型

為了幫助使用單位以較低的投入獲得最大的效益，在眾多國(guó)外、國(guó)內(nèi)電纜定位產(chǎn)品中選擇適合本單位需要的儀器，在此，本文從技術(shù)性能方面提出以下幾點(diǎn)選型原則，供大家參考。 （1）平面定位方式

定位電纜平面位置是電纜探測(cè)中最重要的一步，電纜定位精度取決于儀器所具備的定位方法，目前定位方法有極大值法（用水平線圈探測(cè)）、極小值法（用垂直線圈探測(cè)）及最佳極大值法（水平線圈與垂直線圈同時(shí)探測(cè)）。換句話說，電纜定位儀的定位方法越多，定位精度越高，抗干擾越強(qiáng)。

（2）工作頻率

工作頻率選擇的合適與否直接影響著探測(cè)效果的好壞。比如：選擇了較高的工作頻率，對(duì)有接頭的電纜有較好的探測(cè)效果，但是信號(hào)衰減快，抗干擾性差，易感應(yīng)到相鄰電纜上，難以區(qū)分相鄰電纜。相反，較低的頻率信號(hào)衰減慢，探測(cè)距離大，抗干擾性強(qiáng)，易區(qū)分相鄰電纜，但對(duì)有接頭的電纜探測(cè)效果較差。因此，要求電纜路徑儀應(yīng)具有2～3檔頻率，這樣就克服了以往儀器靈敏度差、抗干擾性差等弱點(diǎn)，提高了分辨能力。

（3）探測(cè)深度和距離

探測(cè)深度主要取決于發(fā)射機(jī)的輸出功率，就磁感應(yīng)法而言，發(fā)射機(jī)放置于地面給電纜施加電磁場(chǎng)，如果發(fā)射機(jī)輸出功率小就很難給電纜耦合信號(hào)，以至在地面無法探測(cè)到電纜周圍的電磁場(chǎng)信號(hào)。目前電纜路徑儀的輸出功率為：<1W—2W—3W—5W—10W—>10W等。電纜的探測(cè)距離與發(fā)射機(jī)的輸出功率成正比。

(4) 測(cè)深精度

目前，許多電纜路徑儀采用直讀法、45°法探測(cè)電纜埋深，直讀法操作簡(jiǎn)單，顯示直觀，只有在電磁場(chǎng)信號(hào)較強(qiáng)時(shí)，才具有較高的測(cè)深精度。45°法測(cè)深較穩(wěn)定，且能避免磁場(chǎng)變形引起的干擾。

（5）區(qū)分平行電纜

當(dāng)探測(cè)單一電纜時(shí)，一般電纜路徑儀均具有較好的探測(cè)精度。但當(dāng)平行電纜同時(shí)存在時(shí)，就很難區(qū)分哪一條是要找的電纜，解決這一問題的方法就是探測(cè)電纜的電流信號(hào)大小。目標(biāo)電纜中電流值大，而相鄰電纜電流值??；這樣就解決了平行電纜的區(qū)分問題，見圖11。

圖11　區(qū)分相鄰導(dǎo)體示意圖 Fig11. Current measurement to differentiate parallel lines

5　結(jié)束語

搞好電纜的探測(cè)工作，對(duì)城市的建設(shè)和發(fā)展將起到不可忽視的作用，而且越來越受到人們的極大關(guān)注。使用何種儀器進(jìn)行電纜路徑探測(cè)將獲得不同的效果，本文簡(jiǎn)要介紹了電纜路徑儀的主要技術(shù)特點(diǎn)，并分析了各種功能在電纜探測(cè)中的優(yōu)缺點(diǎn)。總之，電纜路徑儀的新技術(shù)、新功能將為電纜路徑測(cè)尋起到積極的促進(jìn)作用。

參　考　文　獻(xiàn)

[1] 周作春. 淺談城市直埋電纜的標(biāo)志問題[J]. 高電壓技術(shù)，2004,30（增刊）：1,3.

[2] 徐永銘. 電力電纜的路徑測(cè)定及識(shí)別[C]. 廣州：全國(guó)電力系統(tǒng)電力電纜專業(yè)運(yùn)行工作網(wǎng)，2000.

[3] 美國(guó)Metrotech 9800XT系列智能管線定位儀操作手冊(cè).柳淑艷　1976年生，畢業(yè)于黑龍江科技學(xué)院，從事高電壓試驗(yàn)及電纜故障測(cè)尋工作。電話：（010）51581255-31　13911097411，E-mail：liushuyan@adler.com.cn