电缆路径仪的探测技术和性能分析

引言

目前，我国城乡电网大量采用电力电缆线路输配电。然而，随着城市的发展，原有的地貌和地下管线都有相当大的变化，加之电网改造、电缆搬迁和故障电缆的修复等原因，原有的图纸已不能正确反映电缆的敷设路径[1, 2]和埋深，尤其是近几年城市基础建设的加快，外力对电缆的破坏显得日益突出，成为影响电缆安全运行的主要因素，给电网安全带来了极大的威胁。因此为了保证电缆的安全运行，就需要对电缆进行有效地探测，建立完善的电缆线路管理系统。 

电磁法[3]是电缆路径探测和深度测量常用而又有效的方法，所用探测设备就是电缆路径仪，随着技术的进步，各种仪器的性能及适用范围也各不相同。本文重点介绍该类仪器的技术特点及适用范围，以便供使用单位选择合适的仪器。

1、电磁法探测的原理

由于敷设在地下的电缆与周围的土壤介质在导电性、导磁性、密度或其他理化性质上存在着差异，从而能被探测、识别和区分。目前应用于电缆探测的方法大致有电磁法、直流电法、地震波法、放射性跟踪法和地质雷达等。其中电磁法由于探测精度高、操作简便、抗干扰能力强、适用范围广、成本低，效率高等特点而成为电缆探测工作中最常用的方法。 

电磁法探测电缆，主要是利用电磁感应原理。当采用专用的发射机向待测电缆施加（直连或感应）一定频率的信号电流I后，该电流在待测电缆中流动并在其周围空间产生一个电磁场，其强度H可由下式确定：H=K·（I/R），式中K为场强系数，I为电流强度，R为电缆周围任意一点距电流中心的距离，如图1所示，图中P为电缆周围任意一点，I为电流强度，R为P点距电流中心的距离，H为P点的电场强度，Hx为场强的水平分量，Hz为场强的垂直分量。用接收机在地面上测量该电磁场的强度及其分布便可确定被测电缆的位置和埋深，实现被测电缆的定位。 

 

图1 电缆周围电磁场分布 Fig.1 Eelectromagnetic field distribution around the cable

2　信号连接方式 

电缆路径仪从发射机的连接方式来讲可分为直连法、夹钳耦合法、磁感应法。下面分别叙述： 
直连法是将发射机一端接地，另一端接到被测电缆上（此时要确保电缆不带电），这样由发射机发出的信号直接加到被查电缆上。它的特点是：信号强、定位、定深精度高，易分辩相邻电缆，见图2。 

图2 直连方式示意图  Fig2 Direct (conductive) connection

 

夹钳耦合法利用电缆路径仪配备的夹钳，夹套在电缆上，通过夹钳的感应线圈把信号直接加到电缆上，见图3。

 

图3 夹钳耦合方式示意图  Fig3. Inductive coupling with the clamp

 

这种方法的特点是信号强，定位、定深精度高，尤其是运行中的电缆，不需停电便可测试。
磁感应法是将发射机放置在电缆上方，利用发射机的发射线圈产生电磁场，从而在电缆中产生感应电流，该电流在电缆周围产生二次电磁场，接收机接收电缆周围产生的二次电磁场信号，从而可定位电缆。其特点是发射、接收均不需接地，操作灵活，方便、效率高、效果好。可用于搜索电缆，但在电缆密集或相邻电缆较近的场合，应慎用，见图4。 

 

图4 磁感应方式示意图  Fig4. Inductive (indirect method)

 

上述三种方法可以有效的定位已知电缆，然而对于未知来源和去向的电缆，就需要另一种方法－盲查，来定位电缆，如施工前对工地的勘察。盲查需要两个操作者，一人手提发射机，另一人操作接收机。两者相距约35英尺（12 m），平行横向和纵向走过被测地区。当操作者一起横向走过被测地区，经过地下电缆时，接收机指示电缆存在，在搜索路线上标出各电缆的位置。见图5。在横向搜索完成后，搜索方向改变90度，搜索同一地区。两个方向搜查结束后，回到出发点，再用磁感应法（见图4）跟踪各标出的电缆。 

 

图5　盲查示意图  Fig5. Blind search parallel pattern

 

3、电缆定位、定深的方法

从接收机定位方法来讲分为两大类：极大值法、极小值法。 

在电缆周围空间任一点处，由电缆中流动的电流信号产生的电磁场的场强Ｈ是由该信号电流的电流强度Ｉ和该点距电流中心的距离Ｒ决定的。而该点的场强Ｈ在空间上可沿水平方向分解为水平分量Hx，可用水平线圈探测；而沿垂直方向可分解为垂直分量Hz，可用竖直线圈探测。在电缆上半空间电磁场的水平分量Hx和垂直分量Hz的分布特征如图1所示。 

极大值法是用水平线圈测量电磁场的水平分量，由于电缆形成二次电磁场的水平分量在电缆正上方时为最大，所以在电缆正上方投影位置上出现最大值，见图6。 

 

图6 极大值法示意图  Fig6. The maximum method

 

极小值法是用竖直线圈测量电磁场的垂直分量，由于电缆正上方垂直分量为零，故在电缆正上方为极小值，见图7。

 

图7 极小值法示意图  Fig7 The minimum method

 

极大值法的特点是磁场幅度大且宽，易发现电缆；极小值法定位精度高且受附近电缆影响较大，故而可先采用极大值法找到电缆大致位置，然后用极小值精确定位。 
电缆路径仪常用的两种测深方法：一种是直读法；一种是45°法。

直读法是利用上下两个线圈测量电磁场的梯度从而确定电缆埋深。在接收机中设置测深按钮，用指针表头或数字显示器直接读出电缆的埋深，这种方法比较简单、方便、快捷，见图8。该测深方法在电磁场信号弱时误差较大。
 

120m

图8 直读法测深示意图 Fig8. Direct depth measurement

45°测深法是先精确定位电缆位置，然后用探测线圈与地面成45°角状态，再沿着电缆方向横向移动，寻找“极小值”点，该极小值点与定位点之间的距离I1或I2，等于电缆的埋深T，见图9。该方法测深较为准确，而且可以减小由磁场变形引起的误差。此外，如果操作者想定位公用地沟中的某一导体，而发射机的信号可能感应到更浅或导电性好的导体。如果遇到此种情况，用深度按钮测量时，可能测得不合理的深度，而用45度法测量，可以进一步确定多个导体的存在，以及多个导体的深度。首先找到第一根导体的深度，然后继续离开导体，标出各导体的深度。然后向另一侧移动，见图10。

图9　45°测深法示意图 Fig9 45°depth measurement

 

 

图10　公用地沟中多个导体深度测量示意图  Fig10 Multiple conductors in a common trench

总之，选用何种测深方法，应根据使用的仪器和现场实际情况而定。不论采用那种方法，在测深点前后各4米范围内应是单一电缆，中间不应有分支或弯曲，且相邻电缆不要太近，否则影响测深精度。 

4、电缆路径仪选型

为了帮助使用单位以较低的投入获得最大的效益，在众多国外、国内电缆定位产品中选择适合本单位需要的仪器，在此，本文从技术性能方面提出以下几点选型原则，供大家参考。 （1）平面定位方式

定位电缆平面位置是电缆探测中最重要的一步，电缆定位精度取决于仪器所具备的定位方法，目前定位方法有极大值法（用水平线圈探测）、极小值法（用垂直线圈探测）及最佳极大值法（水平线圈与垂直线圈同时探测）。换句话说，电缆定位仪的定位方法越多，定位精度越高，抗干扰越强。 

（2）工作频率 

工作频率选择的合适与否直接影响着探测效果的好坏。比如：选择了较高的工作频率，对有接头的电缆有较好的探测效果，但是信号衰减快，抗干扰性差，易感应到相邻电缆上，难以区分相邻电缆。相反，较低的频率信号衰减慢，探测距离大，抗干扰性强，易区分相邻电缆，但对有接头的电缆探测效果较差。因此，要求电缆路径仪应具有2～3档频率，这样就克服了以往仪器灵敏度差、抗干扰性差等弱点，提高了分辨能力。 

（3）探测深度和距离 

探测深度主要取决于发射机的输出功率，就磁感应法而言，发射机放置于地面给电缆施加电磁场，如果发射机输出功率小就很难给电缆耦合信号，以至在地面无法探测到电缆周围的电磁场信号。目前电缆路径仪的输出功率为：<1W—2W—3W—5W—10W—>10W等。电缆的探测距离与发射机的输出功率成正比。 

(4) 测深精度 

目前，许多电缆路径仪采用直读法、45°法探测电缆埋深，直读法操作简单，显示直观，只有在电磁场信号较强时，才具有较高的测深精度。45°法测深较稳定，且能避免磁场变形引起的干扰。 

（5）区分平行电缆 

当探测单一电缆时，一般电缆路径仪均具有较好的探测精度。但当平行电缆同时存在时，就很难区分哪一条是要找的电缆，解决这一问题的方法就是探测电缆的电流信号大小。目标电缆中电流值大，而相邻电缆电流值小；这样就解决了平行电缆的区分问题，见图11。 

图11　区分相邻导体示意图  Fig11. Current measurement to differentiate parallel lines

 

5　结束语 

搞好电缆的探测工作，对城市的建设和发展将起到不可忽视的作用，而且越来越受到人们的极大关注。使用何种仪器进行电缆路径探测将获得不同的效果，本文简要介绍了电缆路径仪的主要技术特点，并分析了各种功能在电缆探测中的优缺点。总之，电缆路径仪的新技术、新功能将为电缆路径测寻起到积极的促进作用。