電纜路徑儀的探測(cè)技術(shù)和性能分析

引言

目前，我國(guó)城鄉(xiāng)電網(wǎng)大量采用電力電纜線(xiàn)路輸配電。然而，隨著城市的發(fā)展，原有的地貌和地下管線(xiàn)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(lái)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(xiàn)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(lèi)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?chē)耐寥澜橘|(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(zhuān)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?chē)臻g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?chē)我庖稽c(diǎn)距電流中心的距離，如圖1所示，圖中P為電纜周?chē)我庖稽c(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?chē)姶艌?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(lái)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(jiàn)圖2。

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(guò)夾鉗的感應(yīng)線(xiàn)圈把信號(hào)直接加到電纜上，見(jiàn)圖3。

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(xiàn)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?chē)a(chǎn)生二次電磁場(chǎng)，接收機(jī)接收電纜周?chē)a(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(jiàn)圖4。

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(lái)源和去向的電纜，就需要另一種方法－盲查，來(lái)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(guò)被測(cè)地區(qū)。當(dāng)操作者一起橫向走過(guò)被測(cè)地區(qū)，經(jīng)過(guò)地下電纜時(shí)，接收機(jī)指示電纜存在，在搜索路線(xiàn)上標(biāo)出各電纜的位置。見(jiàn)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(jiàn)圖4）跟蹤各標(biāo)出的電纜。

3、電纜定位、定深的方法

從接收機(jī)定位方法來(lái)講分為兩大類(lèi)：極大值法、極小值法。

在電纜周?chē)臻g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(xiàn)圈探測(cè)；而沿垂直方向可分解為垂直分量Hz，可用豎直線(xiàn)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(xiàn)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(jiàn)圖6。

極小值法是用豎直線(xiàn)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(jiàn)圖7。

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(xiàn)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(jiàn)圖8。該測(cè)深方法在電磁場(chǎng)信號(hào)弱時(shí)誤差較大。

45°測(cè)深法是先精確定位電纜位置，然后用探測(cè)線(xiàn)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(jiàn)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(kāi)導(dǎo)體，標(biāo)出各導(dǎo)體的深度。然后向另一側(cè)移動(dòng)，見(jiàn)圖10。

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(xiàn)圈探測(cè)）、極小值法（用垂直線(xiàn)圈探測(cè)）及最佳極大值法（水平線(xiàn)圈與垂直線(xiàn)圈同時(shí)探測(cè)）。換句話(huà)說(shuō)，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(wú)法探測(cè)到電纜周?chē)碾姶艌?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(wèn)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?。贿@樣就解決了平行電纜的區(qū)分問(wèn)題，見(jiàn)圖11。

5　結(jié)束語(yǔ)

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(lái)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)?？傊娎|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。