基于路徑探測的電纜運行狀態(tài)判斷策略

蘭 宇，張 崢，吳紹卿

(國網(wǎng)天津城南公司，天津 300201)

0 引 言

隨著城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展和用電需求的不斷增加，城市配電網(wǎng)的規(guī)模不斷擴(kuò)大。且出于城市市容美化等原因，原有的架空線路逐漸被地下電纜所取代[1]。同時，針對城市發(fā)展的需要，許多原有的電纜線路進(jìn)行了遷改，有些電纜因不方便抽出等原因留在了原處。由于天津地區(qū)的10 kV電纜多采取直埋的敷設(shè)方式，在電纜本體上一般沒有標(biāo)牌，而在工程施工現(xiàn)場中經(jīng)常會遇到一段不明電纜的情況，此時則必須對電纜是否處于運行狀態(tài)進(jìn)行判斷，若電纜為在運狀態(tài)，則需要對其采取保護(hù)措施或進(jìn)行切改；若電纜為廢棄電纜，則可以照常進(jìn)行施工。 一般情況下，判別電纜是否為在運狀態(tài)，可通過檢測電纜上是否流過50 Hz的工頻電流來判斷。當(dāng)電纜中有電流時，就會沿運行電纜產(chǎn)生交變磁場，通過檢測交變的磁場信號，就能判斷電纜的運行狀態(tài)。但由于10 kV電力電纜多為三芯統(tǒng)包型結(jié)構(gòu)，在負(fù)荷平衡的情況下，各相之間的電流矢量相互抵消，即使電纜處于在運狀態(tài)，電纜中三相線芯流過的電流矢量和也為零，因此用鉗形電流表或電纜識別儀直接卡在電纜的護(hù)套外來判斷電纜是否帶電并不是十分準(zhǔn)確[2]。此外，如果運行電纜有電壓，無負(fù)載時，電纜上無電流流過，這時就檢測不到磁場，極容易產(chǎn)生誤判。如果電纜沒有運行，但是這條電纜和其它運行電纜有并行的情況下，就會有感應(yīng)電流產(chǎn)生，同時感應(yīng)電流也會有磁場產(chǎn)生，也會使檢測人員誤判。

針對電纜是否為帶電狀態(tài)的判別已有一些研究。文獻(xiàn)[3]提出一種工頻感應(yīng)法，利用繞制在矽鋼片上的感應(yīng)線圈感應(yīng)工頻交流電信號來判斷電流中是否有電流流過，適用于開挖現(xiàn)場情況較簡單的場合，多條線路平行敷設(shè)較擁擠時，因相鄰電纜間的工頻信號相互感應(yīng)很容易導(dǎo)致誤判。文獻(xiàn)[4]提出一種外加電流檢測法，在電纜一端的線芯上施加一定的電壓，在工作點測量流過電纜的電流值來進(jìn)行判斷，但此方法需找到不明電纜的終端。文獻(xiàn)[5]研制出基于音頻法、交流電流法、直流電流法三種原理的電纜帶電識別儀，但主要適用于變電站內(nèi)二次電纜的識別判斷。文獻(xiàn)[6]提出一種基于拉曼散射測溫系統(tǒng)的電纜狀態(tài)監(jiān)測方法，但該方法受現(xiàn)場環(huán)境溫度影響較大，不具備一般適用性。

可以看出上述研究成果的適用場景較為有限，在環(huán)境較為復(fù)雜的工程現(xiàn)場可行性較低。而若想準(zhǔn)確判斷電纜是否帶電，需要找到該段電纜的終端并對其進(jìn)行驗電。因此提出一種基于路徑探測的電纜運行狀態(tài)判斷策略。該策略首先基于路徑測尋的原理和方法，利用電纜路徑探測儀對電纜路徑進(jìn)行探測并最終找到電纜終端，通過檢測電纜終端的狀態(tài)對電纜是否處于運行狀態(tài)進(jìn)行判斷。文章首先介紹了電纜路徑探測的原理及方法，隨后介紹了電纜運行狀態(tài)判別策略的流程，最后用實際案例證明了所提策略的合理性與有效性。

1 電纜路徑探測的原理及方法

1.1 路徑探測原理

目前電纜路徑探測的主要方法大致有電磁法、直流電法、地震波法、放射性跟蹤法和地質(zhì)雷達(dá)等，其中電磁法因探測準(zhǔn)確度高、抗干擾能力強、適用范圍廣、操作簡便、成本低、效率高而最常用。其基本原理是電磁感應(yīng)，通過發(fā)射機施加某種頻率交變的電流或磁場至被測電纜，使之產(chǎn)生電磁場，用接收機在地面上測量其強度及分布便可確定被測電纜的位置和埋深[7]。

專用發(fā)射機將一定頻率的信號電流施加(直連或感應(yīng))于待測電纜，使其周圍空間產(chǎn)生如圖1所示的電磁場，磁場強度H與施加電流I的關(guān)系如式(1)所示。

圖1 電纜周圍磁場分布

(1)

式中：λ為場強系數(shù)；r為電纜周圍任意一點S距電流中心O的距離；Hx、Hz分別為H的水平、垂直分量。

用接收機在地面上測量H及其分布便可確定被測電纜的位置和埋深，實現(xiàn)其定位。

1.2 路徑探測方法

電磁法路徑探測主要包括探測信號發(fā)射和路徑探測兩個步驟。

1.2.1 探測信號發(fā)射

探測信號發(fā)射主要有直連法、卡鉗耦合法和輻射感應(yīng)法三種。其中直連法效果最好，需將信號發(fā)射機的輸出線直接接到電纜線芯上，并將信號直接注入。由于不明電纜外層有護(hù)套，無法接觸其金屬線芯，因此一般可采用卡鉗耦合法或輻射感應(yīng)法。而輻射感應(yīng)法的感應(yīng)電流小于直連法和卡鉗耦合法，尤其電纜埋深較深時效果較差，因此一般采用卡鉗耦合法來發(fā)射探測信號。

卡鉗耦合法發(fā)射信號的優(yōu)點在于使用方便，無須和電纜進(jìn)行電氣連接，對電纜的正常運行不會產(chǎn)生任何影響，而且能夠減少對其他電纜的感應(yīng)；缺點在于耦合出的電流小于直連法，尤其是要求電纜兩端必須接地良好，有些電纜不能滿足此要求。

在使用卡鉗耦合法發(fā)射探測信號時，接線方式如圖2所示，發(fā)射機輸出端接卡鉗，將卡鉗卡住電纜本體?？ㄣQ耦合法發(fā)射信號的電路模型可以等效為變壓器：卡鉗的磁芯作為變壓器磁芯，卡鉗內(nèi)部繞線為變壓器的初級，線芯-大地回路等效為變壓器的次級(單匝)，發(fā)射機提供初級電流，線芯-大地間耦合產(chǎn)生次級電流。耦合電流的大小與回路電阻(主要是兩端的接地電阻)密切相關(guān)，電阻越小則電流越大，反之電阻越大電流越小，小到一定程度則無法進(jìn)行正常探測。

圖2 卡鉗耦合法示意圖

1.2.2 路徑探測

目前較為常用的路徑探測方法是使用接收機內(nèi)置線圈感應(yīng)法。接收機無需接任何外部附件傳感器，只需將接收頻率調(diào)至與發(fā)射機發(fā)射的信號頻率一致。當(dāng)接收機接近電纜上方時，屏幕中央的羅盤能直觀顯示接收機下方的電纜位置，屏幕中央的箭頭指向電纜。觀察箭頭方向，如果箭頭向右，則表示電纜在右邊，應(yīng)該向右移動，反之向左。當(dāng)箭頭變?yōu)閳A點，而且左右稍微移動，箭頭即會反向，接收機即在電纜的正上方。過程如圖3所示，當(dāng)左右移動接收機時箭頭方向也隨之改變，證明此時電纜在正下方。

圖3 路徑探測示意圖

由于電纜在敷設(shè)時不一定是一直沿直線敷設(shè)，且敷設(shè)深度受現(xiàn)場環(huán)境因素影響也可能會有變化，因此有時會遇到在某一位置接收機接收到的信號突然減小的情況，一般是電纜路徑的方向或深度發(fā)生了變化或已到達(dá)電纜的末端。此時可提高增益，并以信號衰減點為圓心，以1～2 m為半徑，劃圓搜索目標(biāo)電纜的信號。若能重新接收到信號則繼續(xù)沿路徑測尋，若接收不到信號則可以懷疑已測尋到電纜末端。

2 電纜運行狀態(tài)判別策略

在遇到一段不明電纜后，若想準(zhǔn)確判斷電纜是否處于運行狀態(tài)需要找到該段電纜的終端，首要考慮的是查閱圖紙找出所有路徑經(jīng)過此處的所有電纜資料。

若有對應(yīng)的圖紙資料便可據(jù)此找到對應(yīng)的開關(guān)柜間隔，通過倒路將該段線路停電，再利用電纜識別儀對電纜進(jìn)行唯一性鑒別；若判斷工程現(xiàn)場的電纜為該開關(guān)間隔下口引出的電纜，則證明不明電纜處于運行狀態(tài)，若不是該開關(guān)間隔引出的電纜，則繼續(xù)查閱圖紙資料查看是否還有其他可能對應(yīng)的電纜段。

若沒有查閱到與現(xiàn)場對應(yīng)的圖紙資料，則需要通過路徑儀測尋該段電纜的路徑，尋找終端所處的位置。若終端位于開關(guān)柜電纜室內(nèi)，則后續(xù)流程與有對應(yīng)圖紙資料的情況相同；若終端不在開關(guān)柜間隔內(nèi)(一般位于纜溝內(nèi)或地下土壤里)，需用驗電器先對其進(jìn)行驗電，在確認(rèn)無電后再利用電纜識別儀來判斷該終端是否與施工現(xiàn)場的電纜相對應(yīng)，若為同一根電纜則證明工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的不明電纜為廢棄電纜。

電纜運行狀態(tài)判別策略的流程圖如圖4所示。

圖4 電纜運行狀態(tài)判別流程圖

3 案例分析

2020年4月16日，天津市河西區(qū)圍堤道與馬場道交口地鐵11號線施工現(xiàn)場挖出不明電纜，由于電纜所處位置橫穿地鐵施工的作業(yè)現(xiàn)場，已影響地鐵的正常施工，需要判斷電纜是否處于在運狀態(tài)以便對其做進(jìn)一步處理。

通過觀察電纜的外觀、直徑等參數(shù)推斷該電纜應(yīng)為10 kV電纜，線芯橫截面積應(yīng)為240 mm2。由于現(xiàn)存的圖紙資料上沒有與施工現(xiàn)場電纜對應(yīng)的存檔，無法直接通過圖紙資料判斷電纜是否為在運電纜，需通過檢測進(jìn)行進(jìn)一步判斷。

首先將路徑儀的接收機調(diào)至工頻50 Hz放置在電纜護(hù)套上方來進(jìn)行初步判斷，接收機接收到的50 Hz 信號增益極低，初步判斷電纜不帶電。隨后將路徑儀發(fā)射機的卡鉗卡在現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的電纜本體上，設(shè)定發(fā)射機的輸出頻率后將接收機調(diào)整到對應(yīng)頻率，隨后沿著接收機面板上箭頭所指方向左右移動來確定電纜的路徑走向。

在測尋信號的過程中發(fā)現(xiàn)接收到信號的增益消失點一端位于施工地點附近的便道，另一端位于附近一所醫(yī)院院內(nèi)的配電站房中，且在信號消失點附近再未發(fā)現(xiàn)信號增益較大的路徑。進(jìn)入配電站房后，在電纜溝內(nèi)發(fā)現(xiàn)了一根外觀直徑、護(hù)套類型十分相似的電纜，在用驗電器驗電后確認(rèn)無電，隨后用電纜識別儀進(jìn)行電纜唯一性鑒別，確認(rèn)工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的不明電纜為廢棄電纜，隨后地鐵施工方在采取安全措施的前提下將電纜鋸斷，工程得以順利進(jìn)行。

4 結(jié) 語

為了準(zhǔn)確判別工程現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的不明電纜是否處于運行狀態(tài)，提出了一種基于電纜路徑探測的判斷策略，解決了三芯統(tǒng)包電纜無法采用鉗形電流表直接判別電纜是否帶電的問題。該策略可為運維檢修人員判斷不明電纜的運行狀態(tài)提供思路和技術(shù)路線，為實際工作提供理論指導(dǎo)。同時由于現(xiàn)場實際情況復(fù)雜，在實際處理時可基于該策略的思路及判別原理針對具體情況選用合適的儀器設(shè)備進(jìn)行判別。