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摘要：随着城市电网电缆化率逐年提高，电缆运维面临路径探测、电缆鉴别、故障查找等方面的挑战与日俱增。本文详细介绍了BC-i5000智能电缆路径探测系统，包括发射机的工作模式、接收机的功能及其原理。该系统具有管线扫描、跟踪、精确定位、深度测试、管线鉴别、故障定位等功能，在测寻电缆、通信线、金属管线方面均具有广泛的应用前景。
关键词：电缆路径探测；电缆故障定位；电缆深度测量
前言
由于电缆采用电缆沟、埋管、顶管、直埋等敷设方式，随着经济、社会的不断发展，电缆走向的地面标识常被施工破坏且因为没有及时复原，导致电缆路径模糊。原有的图纸往往因为长期没有更新，与现场存在一定的偏差，难以精确指引电缆实际路径。电缆路径探测系统在电力企业电缆路径巡测、深度测量、电缆鉴别等方面发挥了巨大的作用，下面将探讨电缆路径探测方法，并详细介绍BC-i5000智能电缆路径探测系统。
1 被动定位法和主动定位法
根据电缆路径探测仪器是否需要发射机发出信号，可将探测方法分为被动定位法和主动定位法。BC-i5000电缆路径探测系统可同时实现被动定位法、主动定位法。当单独使用接收机时，即为被动定位法；当发射机配合接收机使用时，即为主动定位法。
1.1 被动定位法
被动定位法是利用管线附近的电磁场信号进行测试，只使用接收机，不利用发射机的信号。有两种情况可以使用被动定位法，一是电力信号被动定位法，利用电力系统发出的50/60Hz的磁场信号进行定位，比如运行中的电力电缆上方的50Hz的磁场信号。我国的电力频率是50Hz。二是无线电信号被动定位法，利用电信系统发出的较高频率的无线电信号进行定位，信号频率在16kHz至22kHz间。被动定位法只能大致判断管线的位置，并不能用于精确定位。因为金属管道上也会感应到上面的两种信号，因此也不能用于区分管道和电缆。
1.2 主动定位法
主动定位法就是利用发射机给管线施加一个特定频率的信号，把接收机调谐到相同的接收频率，通过检测管线上方的信号来确定管线的位置。
2 BC-i5000发射机工作模式
该系统的发射机有三种工作模式：直连模式、夹钳模式、感应模式。
2.1 感应模式
当发射机输出端口没有连接任何附件时，发射机会自动选择感应输出模式。发射机利用内部的一个天线向外发射信号，信号感应到管线上。发射天线是有方向的，采用感应模式时发射机手柄顺着管线的前进方向放置。在感应模式时频率较高的信号传输效果比较好。发射天线需要调整到一个频率范围，因此感应模式一般都只有几个特定的频率。一般在无法接触到管线时采用感应模式，能接触到管线时应当首先选用直连模式或夹钳模式。采用感应模式时，信号会感应到目标管线上，也会感应到邻近的其他金属管线上，这样就会影响测试精度，甚至无法测试，深度和电流值也会有偏差。因此感应模式并不适合于管线密集的地方。感应模式的信号也是最弱的，测试距离大大低于直连模式和夹钳模式。不要把发射机放置在金属井盖上，或者其他较大金属物体上。金属井盖会屏蔽并吸收掉大部分信号。接收机需要离开发射机20m外开始测试，以免直接受发射信号的影响。
2.2 直连模式
当信号输出端口插入直连线时，发射机自动选择直连输出模式。直连线有两条线，红色夹子接目标导体，黑色夹子接地（随机附带有地钎）。仪器还附带有一条较长的黑色接地延长线，现场附近没有合适的接地点时，用来连接到较远的地方。由于直连模式的输出线要接触到管线本体，管线带电情况下禁止使用，否则会对仪器及人身造成伤害。由于输出信号强、耦合到其他管线上的信号小，直连模式是最好的测试方法。接地点的选择非常重要，为了减少其他管线上的信号耦合，接地点不要设在其他管线上方。直连模式下通常较低的频率传输的距离较远，其他管线上的耦合也较小。一般选择491Hz至9.82kHz之间的频率。对于金属管道、或者不带电的电缆可以使用直连法。
2.3夹钳模式
当信号输出端口插入夹钳时，发射机自动选择为夹钳模式。在无法使用直连模式时，或者使用直连模式不安全时，例如测试带电电缆用夹钳模式是一个很好的选择。夹钳是一个特殊的感应附件。所有的夹钳都优化了一些特定的工作频率。大多情况下夹钳最多支持三种工作频率，频率设定在8kHz至85kHz之间。发射机允许选择几个适合于夹钳的特定频率。
夹钳是一个特殊线圈，通过线圈把信号感应到电缆上。比如测试中高压电缆时，信号是感应到铠装或铜屏蔽层上。铠装或铜屏蔽层的两端要接地，以使信号有一个输出回路。把夹钳卡住目标电缆，钳口要闭合并保持洁净。
3 BC-i5000接收机功能
3.1 路径测试
在测试管线路径时，把接收机的屏幕保持向前，先左右扫描管线可能埋设的地方。找到管线的位置后再继续向前走。主动模式下，接收机在管线上方时，罗盘指示管线的前进方向。路径测试时，接收机需要始终和地面保持垂直，在管线上方左右摆动时也要如此。不管采用何种工作模式来确定管线的方向，接收机最好都使用峰值箭头模式。仔细查找信号最大值，再根据罗盘和左右箭头确定管线的精确位置。
3.2 深度和信号电流测量
精确定位管线位置的步骤：①定位管线的两边。②转动接收机确认管线的方向。（在接收机横向于管线的方向时，信号值最小）。③转动接收机回到管线的正上方。一旦确定了管线的正确位置，把接收机顺着管线的方向垂直放置在地面上，按动按键“i”，管线的埋设深度和信号电流值显示在屏幕上。
3.3 示踪探头定位功能
示踪探头是一个发射线圈，发射信号的方式和管线上方的信号有所不同，如下图-1（b）所示。
图-1 其他模式（a）和示踪探头模式（b）不同示意图
把接收机转换到示踪探头模式。由于示踪探头的结构，接收机顺着示踪探头移动时，会发现示踪探头前后和上方，有三个峰值信号-次峰值-主峰值-次峰值，示踪探头位于主峰值时的正下方。当接收机横向于示踪探头时，测试方法和管线相同，深度测量也相同。
3.4使用罗盘定位示踪探头
BC-i5000接收机开机，选择和示踪探头相同的频率，转换到示踪探头模式。把接收机靠近示踪探头的位置，按动按键“+”增大增益，直到出现稳定的信号强度条。如果信号强度条不稳定，说明接收机距离示踪探头有些远。转动接收机直到罗盘指向12点钟的方向。顺着罗盘的方向前进，边走边转动接收机让罗盘始终指向12点钟的方向。罗盘会引导走一个弧线并横向越过示踪探头，如下图-2所示，信号最大时接收机的下方就是示踪探头的位置。
图-2 用罗盘定位示踪探头示意图
需要注意的是使用罗盘定位示踪探头需要有足够的空间，如果示踪探头附近有障碍物(比如汽车、墙等)可以采用下面的方法：把接收机放置在靠近示踪探头的位置。移动接收机使罗盘指向3点钟的方向。此时若向一边平行移动接收机，保持接收机的方向不变，罗盘将会轻微转动。保持接收机的方向不变，向前移动。罗盘将慢慢转动，当罗盘指向12点钟的方向时，继续向前移动。此后要随时转动接收机，使罗盘始终指向12点钟方向。当信号强度最大时，接收机正好横跨在示踪探头的正上方。
4 BC-i5000电缆路径探测系统在现场的应用
4.1 管线扫描
通常在探测区域内，地下管线纵横交错，走向和埋深也各有不同。接收机的水平线圈具有方向性，所以应以网格扫描方式对探测区域进行扫描，以查找出所有管线。可先采用被动定位法的电力模式和无线电模式进行初步扫描，再使用主动定位法的峰值箭头模式进行精确扫描。
4.2 管线跟踪
连续跟踪管线的走向，摆动接收机并沿管线方向前进，随时观察信号响应。当信号衰减出现突变时，可采用圆周搜索方法查找最大信号：以信号消失点或信号衰减点为圆心，以1-2m为半径，划圆搜寻目标管线的信号。可能出现的搜索结果有：管线方向发生变化，出现分支管线、管线终点、变深点、管材变化点、存在不相连的交叉管线、管线的套管、地表存在钢筋网、空中电磁场干扰等。可采用调高增益并提高接收机高度，测量并比较各个方向的信号强度、埋深和电流强度，并观察彩色罗盘和导向指针的指示方向，鉴别信号突变的原因。
4.3 精确定位管线的位置
精确定位应采用峰值箭头模式或峰值模式，根据数字信号的最大值来精确定位管线位置。定位过程中，接收机表头朝着管线前进方向，一边行进，一边垂直于地面左右移动接收机。定位过程中保持接收机与地面垂直，沿着地面平移而不是摆动接收机。移动距离应保持一定幅度，至少应能够观察小→大→小的信号变化过程，确认管线信号，一般移动距离宜保持在管线左右各0.5m。采用峰值定位模式对管线的走向进行确认。先确定峰值点的位置，然后在峰值点原地旋转接收机180度，注意观察信号的变化，信号会大幅变化甚至消失。 在旋转过程中，注意观察并确定信号具有最大峰值时接收机的朝向，此时接收机表头朝向即为地下管线的走向。也可利用彩色罗盘和导向指针来确定管线走向。找到峰值后，原地转动接收机找出目标管线的走向，接收机垂直于管线走向移动，再次定位出峰值点，即管线的精确位置
4.4 信号干扰区域的管线定位
在定位过程中，定位信号容易受到周围环境及邻近管线、地表的铁栅栏、人井盖等金属物的干扰。尽可能参考更多的辅助信息，确保定位结果的准确。检查目标管线的定位信号是否受到干扰，可先使用峰值模式定位，再使用谷值模式定位，如果两种模式定位结果一致，则说明基本没有外界干扰；如果不一致，则说明定位信号受到了干扰，此时峰值模式定位较准确，谷值模式定位的偏差较大，管线实际位置应在谷值位置与峰值位置两点之间，靠近峰值位置。
4.5 测试管线埋设深度和信号电流值
确定了管线的精确位置后，把接收机顺着管线的方向垂直放在管线正上方的地面上，按动按键“i”屏幕上即会显示管线深度和信号电流值。在管线转弯处、管线密集区和管线T接处，深度和电流的测量误差会比较大，应该避开这些区域，如图-3所示。
图-3 管线转弯处、管线密集区和管线T接处的误区示意图
一般在复杂条件下，应采用70%测深法或50%测深法精确测量目标管线的埋深。70%测深法：采用峰值箭头模式，确定管线走向后，在峰值最高点（管线中心点），按增益键，把信号强度调节到60%（数值60），向管线两侧移动接收机，找到两个70%信号点（数值42），在地面作出标记，两个70%点之间的距离即为准确的管线埋深，如图-4左图所示。50%测深法：采用峰值箭头模式，确定管线走向后，在峰值最高点（管线中心点），按增益键，把信号强度调节到60%（数值60），向管线两侧移动接收机，找到两个50%信号点（数值30），在地面作出标记，两个50%点之间的距离即为二倍的管线埋深，如图-4右图所示。
4.6 采用SS信号识别管线的位置
在管线密集区域，信号容易耦合到邻近管线上去，这将对目标管线的定位造成很大的影响。SS信号是在直连模式下一个非常好的识别管线的方法。SS信号是一个特殊调制的信号，具有方向性，从目标管线近端向远端传输。接收机通过SS信号的方向，来识别管线，如图-5所示。接收机顺着目标管线指向远端，当接收机处于目标管线正上方时，罗盘上的箭头向上，屏幕左侧还会出现一个绿色的“+”。由于其他管线上的信号向回流，当接收机处于其他管线的上方时，罗盘上的箭头朝下，屏幕左侧出现一个红色的“-”。
4.7 A字架查找并精确定位
A字架适合于查找并精确定位直埋管线的故障点，比如电缆主绝缘故障点、电缆外护套故障点、管道防腐层破损点等。测试电缆主绝缘或外护套故障时，需要把两端的所有接地都解开（比如铜屏蔽、铠装的接地）。测试故障前用兆欧表测量绝缘电阻的大小。A字架可测试的故障电阻范围一般为2MΩ及以上（取决于距离发射机的远近、土壤条件等）。当中低阻抗故障及中低阻抗管线条件时选择低频信号，当高阻抗故障及高阻抗管线条件选择高频信号。如果目标管线较长或故障点阻抗较大，应选择高频信号。
用A字架沿着管线路径测试故障点，每间隔3-6米将A字架的两个插针插入土中（绿色插针朝前、背离发射机连接点的方向，带有连线的红色插针朝后、朝向发射机连接点的方向）。A字架在发射机附近测试时，屏幕上显示的FF定位箭头将指向前方、背离发射机方向。随着A字架与发射机的距离越来越远，屏幕上显示的电位差数值dBuV会逐渐减小，定位箭头将闪烁不定或者完全消失，此时说明A字架附近没有故障点或者故障点距离A字架的当前位置很远。
A字架检测到故障信号后，接收机屏幕上出现指向前方的故障定位箭头，跟随FF故障定位箭头向前继续测试。由于距离故障点越来越近，应相应地减小测试点距。随着距离故障点越来越近，dBuV电位差数值将逐渐增大，并在故障点前后分别出现最大值。A字架处于故障点正上方时出现最小值。
A字架越过故障点后，故障定位箭头的方向发生反转，表明接收机已经过故障点。在故障点附近，慢慢地向前或向后移动A字架，观察FF故障定位箭头的方向的变化，当前后两个故障定位箭头同时出现时，A字架的中心点即为故障点。把A字架横向于管线的前进方向，重复上述步骤，再次精确定位故障点，如图-6所示。
图-6 A字架精确定位故障点
结论
随着科学技术的不断发展，电缆路径探测系统的越来越先进，功能也愈丰富。本文阐述了电缆路径探测的方法，根据是否需要发射信号可分为两种方法，即被动定位法和主动定位法。通过介绍BC-i5000智能电缆路径探测系统发射机的工作模式、接收机的功能，方便读者了解其性能。该系统能够在管线扫描、跟踪、精确定位、深度测试、管线鉴别、故障定位等方面应用，因此可广泛应用于电缆、通信线、金属管线的运行维护，能大幅度减少探测的盲目性，提高工作效率，减轻检修人员的劳动强度。
致谢
本文撰写过程中，杨炎龙给予了指导和帮助，谨此致谢。
参考文献
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论文作者:郭若冰
论文发表刊物:《电力设备》2017年第36期
论文发表时间:2018/5/10
标签：管线论文; 接收机论文; 信号论文; 模式论文; 发射机论文; 电缆论文; 峰值论文; 《电力设备》2017年第36期论文;