一种地下电力电缆路径检测系统的研究.pdf

第 5 2卷第 1 6期 2 0 1 5年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e m e n t I n s t r u m e n t at i o n V0 1 5 2 No 1 6 Au g 2 5， 2 01 5 一 种地 下 电力 电缆路径检测 系统 的研究 木 李鸿 ， 韩聪 ， 张雷 ( 1 长沙理工大学 电力与交通安全监控及节能技术教 育部工程研究中心， 长沙 4 1 0 1 1 4； 2 国网福建省 电力有限公司南平电力公司， 福建 南平 3 5 3 0 0 0 ) 摘要 ： 提出了一种基于电磁法的地下 电力 电缆路径检测的系统 ， 该系统针对 同时含有运行状态和非运行状态电 缆 的待测现场 ， 利用高灵敏度的三轴磁阻传感器在地面上方测得待测磁场信号的三维分量 ， 经预处理电路对磁 场信号进行去噪和选频处理后 ， 通过磁场检测模 型计算得到地下电缆的路径走 向， 实现对运行电缆和非运行电 缆路径 的智能检测。MA T L A B和 MU L T I S I M分别仿真验证磁场检测模 型和预处理 电路的可行性 ， 表 明该系统 对地下电力 电缆路径智能检测具有较好的实用性。 关键词： 电磁感应 ； 电力电缆 ； 路径检测 中图分类号： T M9 3 3 文献标识码 ： B 文章编号 ： 1 0 0 1 1 3 9 0 ( 2 0 1 5 ) 1 6 0 0 7 3 0 5 Re s e a r c h o n a n un d e r g r o un d e l e c t r i c i t y c a b l e pa t h d e t e c t i o n s y s t e m Li Ho n g ，Ha n Co n g ，Zh a n g Le i ( J Mi n i s t r y o fE d u c a t i o n E n g i n e e r i n g R e s e a r c h C e n t e r ofE l e c t r i c i t y a n d T r a f fi c S a f e t y C o n t r o l a n d E n e r g y s a v i n g T e c h n o l o g y ，C h a n g s h a U n i v e r s i t y of S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， C h a n g s h a 4 1 0 1 1 4 ， C h i n a 2 N a n p i n g P o w e r S u p p l y C o m p a n y ofS t a t e G r i d ， N a n p i n g 3 5 3 0 0 0 ，F u fi a n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：A n u n d e r g r o u n d p o we r c a b l e p a t h d e t e c t i o n s y s t e m b a s e d o n e l e c t r o ma g n e t i c me t h o d i s p r o p o s e d i n t h i s p a p e r Th i s s y s t e m a i mi n g a t t he t e s t s i t e c o n t a i n i n g bo t h r u n n i n g a n d n o n r un n i ng s t a t e o f t h e c a b l e，me a s u r e s t h e t h r e e c o mp o n e n t s o f t h e ma g n e t i c fi e l d b y t h r e e - a x i s h i g h s e n s i t i v i t y ma g n e t o r e s i s t i v e s e n s o r s a b o v e t h e g r o u n d，a n d u s e s pr e - pr o c e s s i n g c i r c u i t t o e l i mi na t e i n t e rfe r e n c e，t h e n c a l c u l a t e s t he s pe c i fic l o c a t i o n o f u n de r g r o u n d c a b l e s a n d t h e pa t h t o wa r d b y t h e ma g n e t i c fie l d d e t e c t i o n mo d e l ，a n d c o mp l e t e s t h e run ni n g a n d n o n- r u n n i n g c a b l e s i n t e l l i g e n t pa t h d e t e c t i o n MAT L AB a n d MUL T I S I M s i mu l a t i o n r e s p e c t i v e l y v e r i f y t h e f e a s i b i l i t y o f t h e ma g n e t i c fi e l d d e t e c t i o n mo d e l a n d p r e c i r c u i t ，wh i c h i n d i c a t e s t h a t t h e s y s t e m o f u nd e r g r o u nd p o we r c a b l e pa t h i n t e l l i g e n t d e t e c t i o n h a s g o o d pr a c t i c a l i t y Ke y wo r ds： e l e c t r o ma g n e t i c i nd u c t i o n，p o we r c a b l e，p a t h d e t e c t i o n 0 引 言 近年来 ， 国内城乡电网飞速发展 ， 为了减少架空 线路 占用太多空 间资源 ， 电力电缆得 到了广泛 的应 用 。考虑到电网改造 、 电缆搬迁可能会使 原有 的图 纸不能正确反映地下 电力 电缆 的敷设路径 ， 施工人 员在工程作 业过程 中往往会挖 断电力 电缆 ， 导致正 常供电中断 ， 给人们 的生产 和生活带来 不必要 的影 响和损失 - 3 。因此 ， 为 了保证 电力 电网的安全运 行 ， 避免城市建设时对 电力 电缆造成破坏 ， 对 地下 电 基金项 目： 国家 自然科学基金 资助项 目( 5 1 2 7 7 0 1 4 ) 力 电缆 的敷 设 路 径 进 行 精 确检 测 l 4 是 非 常 有 必 要 的。 目前 ， 地下 电力 电缆 路径检测 的方法 主要有音 频感应法和 电磁法 5 j 。音频感应 法利用音频发生器 向电缆注入 音频信号 ， 通过耳 机收听测量信号 的变 化来判断电缆的路径 ； 电磁法通过接 收载流 电缆 四 周产生的交变磁场信号， 根据磁场信号的大小来检 测 电缆路径。音频感应法 的检测精度不高 ， 只能通 过耳机听到的最大声音来判 断电缆 的位置 ； 电磁法 以其精度 高、 效 率高 、 成本低 的优 点得 到 了广 泛 的 应用。 一 73 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 6期 2 0 1 5年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s ur e m e n t I n s t r u me n t a t i o n V0 1 5 2 NO 1 6 Au g 2 5， 2 0 1 5 现有的电磁法检测技术多采用单线圈在电力 电 缆离线状态接收感应 磁场信号 ， 不但影响 了运行 电 缆的正常工作， 还对操作人员提出了很高的工作要 求 ， 而且不能实现对 同时存在运 行和非运行状态地 下 电力电缆的现场进行敷设路径的智能检测。针对 以上检测方法 的不足 ， 本文提出对 运行 电缆直 接检 测工频磁场 ， 对非运行电缆注人频率为 1 0 0 0 Hz 、 大小 为 3 A的交流信号； 计算电缆辐射到地面正上方的磁 场水平 ， 完成对磁场传感器的选型 ； 设计可以去除地 磁场干扰的预处 理电路 ， 并 实现对工频 和 1 0 0 0 Hz 信 号的 自动检测 ； 利用 磁场检测模 型计算得 到地下 电 缆的路径走 向， 实 现对地下 电力 电缆敷设路径 的智 能检测。 1 检测原 理 1 1 基本 电磁 场理 论 将一定频率的交流电流 ， = I o e 通入有限长 电导 线 ， 根据毕奥 沙伐定律可以计算 出在其周围产生 的 交变磁场。毕奥 一沙伐定律的微分形式 为 ： d 云： db o ( 1 ) 斗 盯 图 1 所示为载流导线磁场模型 ， 其 中a 为 d Z 到 磁场观测点 P的单位矢量； a 和 a 分别为导线到 P 点的径向和切向单位矢量 ； a ： 为导线方 向的单位矢 量。将 a ： ， ：z - a ； +二 ， 分别代人式( 1 1 + 得到： d ： ( 2 ) 4 丌 ( z +， ) 。 一 因此无限长载流直导线周围产生的磁场为 ： = a 一 = 式 中 曰为磁场矢量 ； 。 为真空介质中的磁导率； t 。 = 4 1 T 1 0 H m； ， 为通过导线的电流强度 ； r 为导线到 点 P的距离。 考虑到实际的地下 电力电缆线路 的长度远远大 于其直径， 因此可以将电力电缆的轴心等效成无限 长载流直导线 。 1 2 磁 场检 测模 型 本文针对 l O k V 的单 芯 电力 电缆 路径 检测 ， 建 立一个如图2 所示的模型。 在待测电缆的水平地面上 ， 7 4 图 1 栽流 导线磁 场模型 F i g 1 Ma g n e t i c f i e l d mo d e l o f c a r r y i n g c o n d u c t o r 图 2地 下 电 缆 路 径 检 测模 型 F i g 2 Mo d e l o f u n d e r g r o u n d c a b l e p a t h d e t e c t i o n 建立一个 以 0为原点的坐标系， 在 ， Y坐标 轴上 分 别放置磁阻传感器和， 其坐标分别为( d ， 0 ， 0 ) 和( 0 ， d ， 0 ) 。假定该电缆埋深为 h ， 通过的电流强度为 ， ， 两 个磁阻传感器分别测量到各 自位置的三维磁场分量 为 B ， B ， B 。 由图1 和图2可知， 磁阻传感器和待测的电缆可 以确定一个平面 S ， 其方程式为 ： B ( d )+B Y+B =0 ( 4 ) 同理可以得到磁阻传感器 b和待测 电缆确定的 平面 S ： ， 方程式如下 ： B b +B b ( d )+B b z=0 ( 5 ) 根据两个平 面相交 确定一条直线 的数学原理 ， 联立方程式( 4 ) 和( 5 ) 得到相对于假定坐标系中待测 长直电缆的位置 Z ： B ( d ) + B ay + B az2 = 0 1 ( 6 ) l b +B h v ( Y )+ b =0 1 3 传感器的选择 对于地下 电缆输配 电线路来说 ， 在其敷设位置 地面上方的磁场大小主要取决于电缆埋 设的深度、 电缆三相的排列方式 、 电缆 中的工作电流 以及埋设 地 的土壤磁导率等。 常用的 1 0 k V单芯电缆一般是 X L P E绝缘的铜芯 电缆 ， 工作电流为 3 0 0 A。三相 电缆在按正三角排列 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 l 6期 2 ,0 1 5年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t I n s t r u me n t a tio n V0 1 5 2 No 1 6 Aug 2 5。 2 0 1 5 时 ， 各相分别在场点处产生 的磁场抵消的最多 ， 当所 载电流为三相平衡 的正序 电流时 ， 在 电缆周 围产生 的磁场强度最小 ： B ， mi n= 4 3 t z o l d ( 7 ) 式中 d r r ， d为两相电缆轴线间距 ， 此处 d取 0 1 m。 在实际现场检测过程中， 我们还要考虑到地下 电缆的磁场信号在土壤均匀一层中会以 e x p ( 一 ) 规律进行衰减 引， 即有 ： =曰 ( 一 ) ( 8 ) 由式 ( 8 ) 计算得到埋深 1 5 m， 工作 电流为 3 0 0 A 的 1 0 k V单芯三相 电缆在正 三角排列 时辐 射到地面 f 正上方的磁场强度为 3 2 。同理 ， 分别计算得到水 平地面离电缆正上方随距离改变而引起 的磁场大小 变化 ， 如图 3所示。 距离中心距离J，m 图 3 磁场分布 示意图 F i g 3 S c h e ma t i c d i a g r a m o f ma g n e t i c fi e l d dis t r i b u t i o n 当检测现场同时存在运行电缆和非运行 电缆 时， 假定电缆线路间距足够大， 可以不考虑邻近效应 的影响 j 。为 了不影响运行 电缆 的正 常工 作 ， 需要 对非运行状态电缆注入特定频率的交流信号。考虑 到工频磁场 的干扰、 频率过高能量损耗越大 、 频率越 低信号源装置越笨重 ， 文中选择了频率 为 1 0 0 0 Hz ， 大 小为 3 A的交流电流信号， 并由式( 8 ) 得到地面正上 方的磁场强度为 3 2i 0 T 。 因此 ， 为了保证能 够在距 电缆正上 方一段距离 内的地面有效地检测 到地下电力电缆辐射 出来 的磁 场信号， 文中选用了灵敏度达到l 0 I 9 T的三轴磁阻传 感器 ， 型号为 H MC 2 0 0 3 。该磁阻传感器 特别适用于 低磁场测量， 磁场检测范围为 2 G S ， 每个 ， y ， z轴 都能模拟输 出磁场信号。 2 硬件电路设计 2 1 硬 件 结构 地下电力电缆路径检测 系统 的硬件主要有三轴 磁阻传感器 、 预处理电路、 单片机和显示模块 ， 如 图 4 所示。其 中， 预处理 电路包括滤波 电路_ l 。 。 和运算放 大电路 。磁阻传感器将检测到 的三维分量分别经预 处理 电路消 除地磁场 的干扰 ， 提取 出有效 的待测信 号给单片机 。单片机 以磁场检测模 型为依据 ， 对有 效信号分析处理 ， 即时计算存储得到 的待测 电缆的 位置 ， 并将结果送至显示模块 。 预处理电路 h 预处理电路 卜 - 预处理电路 单片机 预处理电 路 卜 _ 一 预处理电路 _ - - 预处理电路卜 1 图 4 硬 件 整体框 图 F i g 。 4 Ov e r a l l b l o c k d i a g r a m o f t h e h a r d wa r e 2 2预 处理 电路 在现场对地下电力电缆路径检测时， 检测仪暴 露在地磁场 中。地磁场信号 的频带较宽， 从 1 0 Hz 到 l 0 H z ， 在水平地面产生的磁场强度为 0 5 G S ， 使 得待测电缆的信号很容易被淹没在地磁场的噪声环 境中。因此 ， 为 了能够从噪声环境 中提 取 出频率为 5 0 H z 或者 1 0 0 0 H z的有效信号 ， 文中设计 了如 图 5所 示 的预处理 电路 ， 通过相应 的窄带 滤波去除地磁场 信号带来的干扰 ， 从而提高电缆路径检测的准确性 。 图 5预 处理 电路 结构 示意 图 F i g 5 S c h e ma t i c d i a g r a m o f pr e p r o c e s s i n g c i r c u i t s t r u c t u r e 在路径检测过程 中， 磁阻传感器检 测到 的三维 磁场信号先经过低通滤波器 ， 去除地磁 场高频信号 的干扰。如果待测 的是 注入 1 0 0 0 Hz 交 流电流的 电 力 电缆 ， 经 5 0 H z陷波电路滤除工频磁场 的干扰 ， 再 经 1 0 0 0 H z 窄带滤波电路提取出有效信号。同理如 一 7 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 5 2卷第 1 6期 2 0 1 5年8月 2 5日 电测与仪表 El e c t r i c a l M e a s u r e me n t& I n s t r u m e nt a tio n Vo 】 5 2 No 1 6 Au g 2 5， 2 01 5 果待测的是工频电缆 ， 磁场信号经 5 0 Hz 窄带滤波电 路提取 出有效信号。然后 ， 将两路信号进行叠加放 大 ， 经采样后送 至单 片机做后续处 理。通过 以上 步 骤， 根据测得的某种频率信号实现对运行和非运行 电缆的 自动检测， 即对磁场信号 的选频处理 。具体 的预处理电路如图 6所示。 图 6预 处理 电路 F i g 。 6 P r e - p r o c e s s i ng c i r c u i t 3 实验及 结果 分析 地下电力电缆的路径检测主要包括两个部分 ： 一 是通过预处理电路去除地磁场的干扰 ， 从检测信号中 提取出有效信号 ； 二是依据图 2所示磁场检测模型在 任意磁场观测点建立一个坐标系 ， 将测得 的三维磁场 分量代人式( 6 ) ， 计算得到的两个平面相交的直线就 是待测 电缆的敷设路径 。 针对以上分析， 采用 MU L T I S I M软件对 图 6所示 预处理 电路的可行性进行仿真验证 1 ， 得到了如 图7 所示的幅频特性曲线。 幅频特性曲线 Fi g 7 4 71 0 4 0 7 01 0 0 4 0 0 7 0 0 1 k 4 k 1 0 k 频率但z 图 7幅频特 性 曲线 Ch a r a c t e r i s t i c c u r v e o f a mp l i t u d e f r e q ue n c y 从图7可以看出， 预处理电路有效地消除检测信 号中的地磁场 干扰 ， 只允许频 率为 5 0 H z或 1 0 0 0 Hz 的磁场信号通过 ， 从而使系统可以根据测得的某种频 一 76 一 率信号实现对运行和非运行 电缆的 自动检测。 为了验证磁场检测模型的可行性 ， 在埋深 1 5 m 的待测 电缆附近某一磁场观测点建立 了如图 2所示 的检测模型， 将磁阻传感器检测到的一组三维磁场信 号分别经预处理后得到了表 1中的数据。 表 1 一组传感器三维分量数据 Ta b 1 A s e t o f s e n s o r 3D c o mpo n e n t d a t a 由表 1中的数据， 联立式 ( 6 ) ， 此时 d取为 0 2 ， 利用 M A T L A B仿真得到如图 8所示 的待测 电缆的路 径坐标。 从图 8可以看 出， 在设定 的坐标 系中， 根据表 1 的两组三维磁场分量和待测 电缆的路径分别构造 出 两个相交平面 ， 得到相交 的一条直线 ： ， 即为电力电缆 在该坐标系中的敷设路径。经验证， 仿真的结果和实 际敷设路径偏差 0 1 m，因此文中的磁场检测模型能 姆驿幽呻 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m