帶電運行電纜路徑識別的應用研究

紀禮君 王恂 秦貞良

國網上海市北供電公司

引言

隨著城市地下綜合管廊的持續推進以及上海地區架空線落地工程的逐步實施，地下電纜供電將是上海等特大城市的發展趨勢，電力電纜的數量和總長度將不斷增加，其供電可靠性和安全性也顯得越來越重要。在架空線入地及電纜搬遷改接普查等作業中，電纜識別是非常重要的環節，必須正確無誤，否則將直接影響人身和設備的安全[1-3]。目前識別電纜常用的方法為音頻信號法以及脈沖信號法，其主要是針對停電條件下加信號的路徑尋徑方法。然而，在實際作業中，許多待識別的電纜是帶電運行的，對于帶電電纜不能夠完全滿足識別需求，因此，如何快速準確的進行帶電電纜的識別一直是電纜一線工作人員迫切需要解決的難題[4-7]。

1 停電電纜常用識別方法

一般而言，識別電力電纜首先要將電力電纜圖紙與現場地理位置進行核對。通常在圖紙上標注清楚電纜和接頭位置的具體尺寸，并在現場按圖上建筑物邊線等測量參考點為基準，實地進行測量和核對，可以初步判斷是否為所要識別的電纜[3,8]。然后再借助儀器設備，通過設備對電纜線路做進一步準確識別。常用識別方法有以下幾種方法。

1.1 音頻信號識別法

該方法為實際現場作業常用的方法，市北公司目前常用的為QF-2系列的電纜路徑識別儀，操作流程上即在待識別的電力電纜上接入音頻信號，通過電磁轉為易聽到的音頻信號，通過感應線圈和耳機在現場收聽信號，從而完成電力電纜的識別[9]。

當信號源開機后，會向待識別的電纜發出1kHz或10kHz特定頻率的電流信號，接收這個音頻磁場信號的為一個感應探測線圈，通過耳機能夠聽到持續性或間歇性的“嘟嘟……”聲，同時顯示器指針會出現有規律的擺動。當感應線圈圍繞待識別電纜晃動時，顯示器指針會有明顯的變動，同時耳機中聲音會出現顯著的強弱變化。通過此種方法，使人耳或眼睛識別出信號，從而能夠確定待識別電纜。

1.2 1號法

采用脈沖電流信號法，其由脈沖信號電流發生器、夾鉗線圈和指示儀等組成。脈沖信號法測量示意圖如圖1所示，由圖可以看出，脈沖信號電流發生器發出可調脈沖電流輸入至電力電纜，該脈沖電流在待識別電纜周圍產生脈沖磁場，當夾鉗線圈夾到有脈沖電流的電纜時，將信號傳輸到指示儀。指示儀根據電纜導體與金屬護套返回的電纜的差值顯示指針方向，從而確定是否為待識別電纜[3-4]。

圖1 脈沖信號法示意圖

在實際作業中發現，目前使用比較流行的幾類電纜路徑儀主要是針對停電條件下完成上述工作，對運行帶電電纜尚不能滿足識別需求。在臨近電纜工頻強干擾等極端條件下，往往會導致電纜誤判；在作業條件惡劣的工況下，難以進行信號的拾取工作，這給電纜架空線落地、檢修等施工以及普查工作帶來了極大的安全風險，影響了工作效率。此外，對于上海市北地區，由于歷史原因，存在油紙與交聯電纜混合、銅芯電纜與鋁芯電纜混聯、直埋非開挖等多種敷設方式并存的情況，傳統的電纜識別儀存在識別距離近、信號不穩定，難以正確、快速的判斷結果等各種問題，已成為影響電纜日常工作的重要因素。因此，研發一款能夠應用于帶電運行電纜識別的儀器成為電纜遷改以及架空線落地等工程中急需解決的問題[2,4]。

2 運行帶電電纜識別技術理論

2.1 雙調制波發射技術

通過上述分析，可以看到目前常用的電纜識別儀的缺點和不足。因此，本文采用雙調制波發射技術，發射端利用電磁感應原理將發射信號耦合到電纜的金屬鎧甲上，然后由接收傳感器在運行電纜上進行信號采集，通過對耦合信號不同相位的鑒別實現對帶電運行電纜的識別[10-12]。其中，所謂雙調制波發射技術也即將具有不同頻率、幅值相同的兩個正弦波信號進行疊加，產生正相和反相截然不同的兩個周期信號，基于該信號便能對待識別的電纜進行分析和識別[13-18]。為了更好分析原理可行性，采取了基于Matlab軟件的實驗仿真，選用了0.8kHz和1.2kHz的兩個正弦波信號進行合成，其正相及反相合成波形如圖2和圖3所示。

圖2 正相時800Hz和1.2kHz波形及合成波形

圖3 反相時800Hz和1.2kHz波形及合成波形

2.2 信號相位分析

由圖2和圖3可以看出，合成后的波形為一個周期波形，為了客觀的定量分析，在此對上述發射信號及合成波形提取一個周期來進行快速傅氏變換（也即FFT），800Hz和1200Hz的相位分別記為和。根據相位公式可以得到800Hz信號位于峰值時（即其相位）1.2kHz信號相位。而無論和如何采樣，兩者始終會保持一定的關系[15,16]。其匹配時合成后的波形為一個規律周期的波形，如圖4所示，通過進一步的相位分析可以得到式（1）所示的四個關系表達式。

反之，如果電纜不匹配，則檢測到的信號圖形如圖5所示，通過進一步相位分析，可得到式2所示的四個關系表達式。

圖4 匹配信號時的合成波形

圖5 不匹配信號時的合成波形

2.3 總體設計方案

通過上述理論分析，可知其匹配時合成后的波形為一個規律周期波形，由發射裝置發出的雙調制波正弦信號通過發射耦合嵌感應到運行電纜的鎧甲上，同時采用接收互感器將待識別的電纜中的雙調制波信號提取出來，并對兩者的相位做一定的算法處理。需要注意的是，在電纜識別工作前應要對發射耦合鉗及接收互感器進行方向標定及校驗，在電纜檢測時兩者必須嚴格保持與標定方向一致，只有這樣才能保證最后得出的信號方向是正確的。

另外，在識別待測電纜時，對于電纜發射信號干擾最大的主要是工頻信號（也即50Hz正弦信號），因此在設計中也考慮到此項影響因素，采用帶通濾波器濾去主要干擾頻率產生的信號。在實際設計中，還考慮到針對遠距離電纜識別，存在信號衰減現象，在接收互感器中得到的信號可能達不到正常要求，因此還需要在輸出端加上放大器，其放大增益也應根據信號強弱進行自動控制，這里采用了基于DSP對信號進行頻譜分析及自動控制增益，此外對于相位判斷，還需要采用軟件編程控制來實現輔助識別及界面友好功能，基于以上幾個因素，最終設計出整體方案如圖6所示。

圖6 系統整體設計框架

2.4 最終設計實物圖

通過以上理論分析和總體方案設計，聯系恒泰電氣生產廠家，經過現場反復調制測試，最終生產出了DL3301LQ電纜識別儀，如圖7所示。本套儀器主要由發射部分和接收器兩大部分組成，其融合了目前流行的數字信號處理技術(DSP)和功能強大的軟件控制技術，具有許多獨特的性能優點，是一款基于雙調制波信號理論的電纜識別儀，能夠對單芯運行帶電電纜、多芯運行帶電電纜進行識別。

圖7 DL3301LQ電纜識別儀實物圖

3 實際應用

做好前期理論及總體方案設計工作后，作為運行維護單位，所設計的產品能夠讓其更好的服務于實際電纜工作。

3.1 操作流程

該裝置進行電纜識別的基本操作流程如下：

（1）將發射機、接收機“開機”

（2）將發射耦合鉗與發射機的脈沖端口進行連接

（3）將發射機與接收機切換到相對應模式

（4）將發射耦合鉗卡在待測電纜上，發射耦合鉗應為閉合狀態（箭頭方向指向電纜末端）

（5）將接收傳感器與接收機端口進行連接，選擇所需的工作模式，待發射機發射信號后，將接收傳感器卡在待測電纜上（注意箭頭方向指向始端，發射鉗與接收傳感器箭頭方向為相對，且距離發射耦合鉗0.5米以上，大于1米效果更佳）

（6）當強度穩定時，按下[標定]鍵進行標定。

（7）標定成功后，系統會自動保存標定值數據，此時，可直接將接收機和接收傳感器置于待測電纜溝處進行電纜識別。

（8）確認電纜（見結果判定）

3.2 操作示意圖

本裝置采用方便、快捷的方法，待識別的電纜不需要做任何改動即可測試，且操作遠離高壓，非常安全，連線示意圖如圖8所示。但本方法要求電纜兩端鎧裝的接地良好從而保證回路完整，如果接地斷開則不會產生測試電流。另外，將卡鉗卡住電纜本體時，應注意不能卡在接地線以上部分，如圖9所示。

圖8 操作連線示意圖

圖9 卡電纜本體示意圖

3.3 結果判定及總結

電纜識別儀的最終結果判定參照表1。

結合本公司實際情況，以上海寶山普陀等地區2017年7月份運用此設備到2018年2月中旬為止，對市北電纜運檢班組帶電運行電纜識別數量進行了有關統計，如表2所示。

由表2可以得出，從2017年7月份到2018年2月中旬識別帶電運行電纜成功率為100%，沒有出現一起因電纜識別發生誤判造成人員和設備損傷情況，保證電纜作業的“零事故”發生。該帶電運行電纜識別裝置滿足復雜現場便攜性、快速性等要求，達到了設計的預期目標。

表2 帶電運行電纜識別統計表

4 結語

本文介紹了電力電纜幾種常用停電識別方法，并分析其優缺點。引入了基于帶電電纜路徑裝置的識別方案，通過仿真論證了雙調制波技術電纜識別理論的可行性，與恒泰電氣廠家合作研制出DL3301LQ電纜識別儀。通過現場電纜實際作業的試應用，驗證了該設備的可行性和實用性。該設備具有極高的準確性及適應能力，能夠進一步提高電力工程施工和電纜普查的安全和效率，為避免對待識別電纜的誤判提供了極大幫助。