基于弱磁探測技術的高壓海底電纜精確定位系統設計

祝建軍，戴顯康，陳露露，黃城

(1.中國三峽新能源(集團)股份有限公司江蘇分公司，南京 210019；2.三峽新能源南通有限公司，江蘇 南通 226001；3.三峽新能源如東有限公司，江蘇 南通 226400；4.江蘇方天電力技術有限公司，南京 210000)

0 引言

電纜具有內部供電、外部絕緣的顯著特點。由于國民經濟的快速發展，城市的用電量日益增加，社會對用電安全的要求也日益提高，一些老式的線路已無法適應市場的需要。因此，國家電網實施了一系列的城市電網改造工程，由于地面和海底環境的干擾要比傳統的架空線路少，所以在國家電網的改造中，采用海底電纜取代原來的架空線路是一項重大工程。海底電纜可能會受到化學腐蝕和水下生物的侵襲[1]，在敷設或修理過程中，海底電纜由于自身重量、水深和安裝裝置的影響，會承受較大的機械應力，還會受到船只拋錨、捕魚網具等外力的破壞。為了保證海底電纜的正常運行，并為海底電纜的維修以及改裝提供參考，設計并開發了高壓海底電纜精確定位系統。

現階段已有相關領域學者對高壓海底電纜精確定位系統做出了研究。文獻[2]提出基于反射系數譜的電纜定位系統。結合電纜分布參數模型及精細頻譜分析、Kaiser窗、距離窗處理技術詳細闡明了反射系數譜定位方法的基本原理，然后對不同損傷程度的電纜缺陷進行建模定位仿真。文獻[3]提出基于時間反演相位法的電纜定位系統。利用Matlab建立電力電纜頻域模型，利用雙指數脈沖模擬實際局放信號，并分別從仿真和實驗的角度驗證了該方法的可行性。

上述現有的高壓海底電纜精確定位系統在實際運行過程中存在定位誤差大的問題，為此引入弱磁探測技術。弱磁探測技術是結合海底電纜在不同運行狀態下的磁場分布特征和結合當前磁場環境中的信號特征，采用特征匹配的方式判斷當前磁場的分布狀態，進而得出高壓海底電纜運行狀態特征，得出高壓海底電纜的精準定位結果。將弱磁探測技術應用到高壓海底電纜精確定位系統的優化設計工作中，以期能夠提升系統的電纜定位精度。

1 高壓海底電纜精確定位硬件系統設計

1.1 海底弱磁探測器

優化設計的高壓海底電纜精確定位系統中使用的弱磁探測器為磁通門傳感器，該傳感器采用在被測磁場中具有高磁導率的軟磁體，在交流磁場飽和激勵作用下，對微弱磁場進行檢測。采用這種方法制作的磁通探針，盡管形狀不同，但都符合 EMR規律。它的磁場測量實際上是一種調制和解調的過程。把被測的磁場信號轉換成相應的電信號，再通過磁通信號處理電路將其轉換成能夠反映出磁場強度的電信號，最終測量出該電信號的幅度，從而獲得與之相適應的磁場信號。整個磁通門傳感器由偏壓置零電路、濾波電路、放大器電路等部分組成，其工作電路如圖1所示。

圖1 磁通門傳感器工作電路圖

將配置的海底弱磁探測器安裝在待測高壓海底電纜附近，并將其與供電電流相連。選擇LMZ34002型號的電源作為海底弱磁探測器的供電電源，其輸入電壓為4.5～40 V，可調節-3～-17 V，最大輸出電流為2 A，工作溫度為-40 ℃，最高為80 ℃，適用于海洋工作環境，并設有過流保護。

1.2 高壓海底電纜精確定位器

改裝高壓海底電纜精確定位器的定位原理是：在交流磁場中，弱磁探測器會在不同的位置產生不同幅度的感應電動勢，畫出電勢的幅值分布，從而形成一個振幅檢測。測量信號的波形有峰值和低谷兩種，分別是用來測量線圈的峰值，用切線測量的方法來確定電纜的位置[4]。高壓海底電纜精確定位器的改裝結構如圖2所示。

圖2 高壓海底電纜精確定位器結構圖

高壓海底電纜精確定位器由電纜運行信號采集、信號耦合、信號匹配等部分組成，其中電力線耦合器的衰減主要是由線路上的阻抗失配造成的。耦合器件的負荷阻抗相當于它們的接入點處的功率線阻抗。與電感器耦合相比，電容耦合是一種直接耦合，信號的產生和傳輸線之間的耦合得到了較好的信號，具有理想的傳輸特性和較小的信號衰減。由于工頻電流在經過耦合電容器時會產生較大的壓力損失，所以，與濾波器相結合的變壓器工作電壓要比輸電線路的電壓要小得多，從而方便了電路的設計與實施[5]。高頻信號的輸入、輸出和電源接入點由一個高頻電容構成，它是一種將高頻信號直接輸入到電網中的直接耦合器件，并通過電源線接收高頻信號。高頻電容器的一端與電源線路相連接，另一端與耦合的變壓器相連接。該耦合電容器是一種高壓電容器，它將高頻信號與高壓工頻絕緣起來。耦合變壓器要把2.6 V的電壓提升至30 V，不但起到絕緣的作用，而且還能實現信號的平衡和阻抗的轉換。濾波器中變阻器和暫態抑制二極管主要用于保護電網的強干擾和過電壓。按照系統需要對高壓海底電纜精確定位器中的其他元件進行改裝，最終通過對元件的裝配，得出高壓海底電纜精確定位器的改裝結果。

2 高壓海底電纜精確定位系統軟件功能設計

2.1 構建高壓海底電纜及其磁場等效模型

高壓海底電纜由管狀支撐物、導體層、熱絕緣層、電氣絕緣層、電纜屏蔽層和保護層等部分組成，高壓海底電纜所處的海底環境中，認為海水的導電系數在3～5 S/m之間，其導電性能取決于所含離子的濃度和活性，也就是海水的水溫和含鹽度。在水溫10 ℃，含鹽量為3%的情況下，海水的導電系數為3.32 S/m。由于海水的溫度和含鹽度沒有明顯的改變，所以可以認為海水的電導是比較穩定的[6]。假定高壓電纜在z軸上放置，孔縫所在的平面與z軸垂直，在P點，電流沿著z方向流動，不需要開孔，電流就可以穿過。由于電磁波在漏纜傳播過程中，外導體上z處的孔縫兩邊的電場會隨時間而變化，變化規律如下：

(1)

式中，變量κc為高壓電纜產生位移電流的傳播系數，E為高壓海底電纜產生電場的電動勢，最終得出的計算結果Idisplacement為高壓海底電纜產生的位移電流[7]。由于高壓海底電纜中位移電流的存在，造成電纜孔縫處的電磁波向外輻射電磁能量。形成的海底電磁場分布特征如圖3所示。

圖3 高壓海底電纜磁場分布圖

根據基爾霍夫定律可得高壓海底電纜的電場運行關系如下：

(2)

式中，變量x和Δx分別表示高壓海底電纜在流體運動作用下的水平位置及位移量，U(x)和I(x)表示高壓海底電纜的額定電壓和電流值，變量y和z的求解公式如下：

(3)

式中，G、C、K和W分別表示高壓海底電纜單位長度的導納、電容、阻抗和電抗[8]。根據畢奧薩法爾定律，可以得出高壓海底電纜磁場環境中任意一點的磁場大小為：

(4)

式中，Lc為磁感應距離，B為磁感應強度，ηmagnetism為真空磁導率。高壓海底電纜在三維環境中滿足如下方程：

(5)

式中，λm為磁場標量磁勢。結合高壓海底電纜組成結構、電場工作原理以及磁場產生原理3個部分，得出高壓海底電纜及其磁場等效模型的構建結果[9]。并得出高壓海底電纜在不同運行狀態下磁場的分布與變化特征，以此作為判斷電纜位置與狀態的對比標準。

2.2 采集高壓海底電纜實時運行狀態數據

在對海底電纜進行檢測時，通過測量到海纜產生磁場在三軸方向上的磁場分量大小與方向，根據一定的算法即可反演推算出海纜的方向角度，結合GPS數據可推導出設備與海纜的距離值[10]。因此有必要對高壓海底電纜實時運行數據進行采集，其中高壓海底電纜的單相電纜回路電感數據的采集結果為：

(6)

式中，I和ψe分布表示海底電纜的實時電流和磁鏈總量。若高壓海底電流的回路組成數量為3時，三相工作電纜數據的采集結果可以表示為：

(7)

式中，變量IA、IB和IC分別為高壓海底電纜的三相電流，Qii為第i相自感，Bij為第i和j相之間的互感。同理可以得出高壓海底電纜任意時刻的運行狀態數據采集結果。為避免信號在后續的處理和運算中出現溢出現象，必須對信號進行去平均和歸一化，從而使信號幅度達到相同的程度，從而有利于特征提取和目標識別[11]。去平均和標準化處理的公式如下：

(8)

式中，xavg為初始采集電纜運行數據的平均值，x(n)為運行狀態數據的初始采集結果。經過上述流程完成系統的電纜實時運行狀態數據采集與處理工作。

2.3 利用弱磁探測技術獲取海底電纜周圍弱磁信號

在地磁環境下，根據弱磁信號與海底電纜運行狀態之間的關系，利用弱磁探測技術采集弱磁信號。圖4為弱磁探測技術的工作原理。

圖4 弱磁探測技術原理圖

經過傳感信號的處理得出傳感器的輸出電壓為：

Uout=Upartial+Umagnetic

(9)

式中，Upartial和Umagnetic分別為偏置電壓和磁場引起的輸出電壓。假設磁通門傳感器中探頭感應線圈的有效面積為：

(10)

式中，Ssection為感應線圈截面積，hcoil和dCable，x分別為線圈高度以及線圈與待測電纜之間的水平距離。由此可以得出磁通門傳感器的線圈磁通量為：

χ=BS

(11)

將式(4)和式(10)的計算結果的代入到式(11)中，得出線圈磁通量的計算結果[12]。在法拉第電磁感應定律的支持下，得到傳感器在電纜周圍的感應電動勢輸出結果為：

(12)

式中，ηc為磁導率，I0和f0對應的是注入電流和頻率，nline為感應線圈的匝數。最終傳感器的輸出結果即為海底弱磁信號的探測結果。如果高壓海底電纜與探測點之間的距離超過其物理尺寸的三倍，則可以將高壓海底電纜等效為磁偶極子，其量化表達式如下：

(13)

式中，dprobe為探測器與高壓海底電纜之間的距離，Lprobe為單位體積的磁偶極矩，最終的求解結果即為磁偶極子在測量點位置上的磁感應強度[13]。假設球體的掩埋深度為hBurial，其磁化強度為Wc，則磁異常空間域的正演方法得出海底弱磁探測器的磁信號采集結果為：

(14)

式中，ζ和θ分別為磁化傾角以及剖面與磁化強度水平投影的夾角，dc為磁矩，變量r的求解公式如下：

(15)

式中，xdetector和ydetector分別對應的是探測器安裝的位置坐標。在實際的磁信號探測處理過程中，系統在上電源后，系統必須進行一次重置，以保證AD7705能正常工作[14]。接著，AD7705的信道1被選定為輸入模數信號。然后，將時鐘寄存器配置成在50 Hz刷新率下工作。繼續把數據寫入通信寄存器，把信道1用作一個有效信道，然后重新配置一個設定寄存器，以便它啟動自校正運算。在這個過程中，通過單片機對AD7705的狀態寄存器進行查詢，以確定它是否準備好了數據的輸出[15]。當發現數據寄存器已準備好時，由AD7705的數據寄存器進行數據的讀出；如果沒有，那么就返回，并在數據被讀入之前繼續進行查詢[16]。為了減少干擾對磁場信號的影響，在優化設計中引入了一種新型的數字濾波器。在收集到的大量數據中，經過程序判定剔除出最大和最小的不可靠數據，并對該時段的數據進行求和，最后用該平均值作為該時段的有效數據，從而消除了干擾，提高了采樣信號的可信性。

2.4 實現高壓海底電纜精確定位功能

在已知高壓海底電纜弱磁探測器位置的情況下，根據采集的電纜運行狀態數據和弱磁信號，確定高壓海底電纜的位置。高壓海底電纜與探測器之間方向角的測定結果如下：

(16)

式中，κ為磁信號在海底環境中的傳播系數，dz表示的是陣元間距，Δφx為陣元間的相位差[17]。根據磁信號的傳輸特征，可以得出海底電纜與探測器之間的距離為：

Ltesting=κ·Δt

(17)

式中，變量Δt表示的是磁信號的傳輸時間。那么高壓海底電纜的精確定位結果可以表示為：

(18)

其中：(xdetector，ydetector，zdetector)為弱磁探測器的安裝位置，θx、θy和θz分別表示的是海底電纜與探測器夾角在x、y和z三個方向上的分量。考慮高壓海底電纜的布設長度，確定高壓海底電纜中任意一點的定位結果[18]。除此之外，根據弱磁信號的采集結果，判斷高壓海底電纜是否存在故障，并確定高壓海底電纜中故障點的精確位置定位結果。

3 系統測試

為了測試基于弱磁探測技術的高壓海底電纜精確定位系統的定位功能，以白盒測試作為系統測試原理，采用對比測試的方式得出優化設計系統在定位功能方面的優勢。系統測試使用的白盒測試是在已知測試結果的情況下運行系統，并對比系統實際輸出結果與已知結果之間的差距，從而驗證優化設計系統的運行性能[19]。根據高壓海底電纜的運行狀態，將系統測試分為靜態測試和動態測試兩個部分，其中靜態測試就是在高壓海底電纜不執行輸電任務的狀態下，測試系統的定位精度，而動態測試則是控制電纜對象執行輸電任務，并在任務執行過程中啟動系統定位程序，得出海底電纜的定位輸出結果。通過靜態測試與動態測試，保證優化設計的高壓海底電纜精確定位系統能夠適應高壓海底電纜的多種運行狀態。另外，為了檢驗優化設計系統在定位功能方面的優勢，設置傳統的基于反射系數譜的定位系統以及基于時間反演相位法的定位系統作為實驗的對比系統，在相同的實驗環境下實現多系統的開發。

3.1 選擇高壓海底電纜研究對象

此次系統測試實驗選取一段典型的35 kV單芯電纜作為實驗對象。整段電纜被彎曲成一個圓環形成電流回路，整個電路被塑料底座墊高，距離地面0.2 m。系統測試實驗選擇電纜對象的結構及工作原理如圖5所示。

圖5 電纜研究對象結構與工作原理圖

電纜中通過大電流發生器產生有效值為500 A，電纜相當于只有一匝的二次繞組，可以通過提高大電流發生器一次側繞組的匝數，在電纜內部產生低壓大電流。從結構方面來看，選擇的電纜對象由外護套、包帶、銅金屬層、外半導體層、絕緣以及銅導體等元件組成，其中外護套、包帶和絕緣的相對介電常數設置為2.7，其余組成部件的相對介電常數均為1.0，銅金屬層和銅導體電導率為58*106S/m，外半導體層電導率為1 000 S/m，其余部件的電導率均為0 S/m[20]。在保證準備電纜無放電故障的情況下，將其放置到海底環境中，并記錄高壓電纜的放置位置。部分高壓電纜研究對象的位置設置情況，如表1所示。

表1 高壓電纜位置設置表

由于電纜的設置位置始終處于海平面以下，所以電纜位置信息中y值始終為負，y的絕對值即為電纜的下放深度。表1中任意兩個相鄰坐標之間的單位長度為1 m。按照表1方式對實驗中的所有高壓電纜研究對象的位置進行記錄，以此作為系統定位精度的比對標準。

3.2 調試系統硬件設備

將硬件系統中的磁通門傳感器、定位器等設備與程序控制器相連，定位器上共設置4個饋電端口，其中同側的兩個端口分別接信號發生器和示波器，其他兩個端口全部接 50 Ω 的匹配負載，以減少信號的反射。設置系統磁通門傳感器的坐標軸數為3，量程區間為[0.8 μΤ，250 μΤ]，電信號與磁信號轉換比設置為1/25 V/μΤ。按照上述方式對系統中其他硬件設備的運行參數進行設置。

3.3 安裝磁場屏蔽裝置

為了降低實驗環境中其他設備產生的磁信號對實驗結果產生的影響，需要安裝磁場屏蔽裝置。實驗環境中空間均勻分布的磁力線，在遭遇高磁導率的環狀物質時，會在材料的表面產生扭曲，然后再向內滲透，就像“光的路徑最短”一樣，磁力線的阻力也是最小的，因為磁力線的阻力要大于物質的阻力，磁力線會從物質的表面通過，而不是通過內部的空氣，因此圓環中的磁力線很少，這樣就能起到磁屏蔽的作用。實驗中安裝磁場屏蔽裝置的直徑和高度均為65 cm，層數為5。在磁場屏蔽裝置的作用下，產生一個低于5 nT的弱磁環境，磁感應強度比較均勻。

3.4 設置高壓海底電纜定位精度測試指標

此次系統測試實驗設置電纜定位誤差作為實驗的量化測試指標，其數值結果如下：

ε=|xCable-xset|+|yCable-yset|+|zCable-zset|

(19)

式中，xCable、yCable和zCable為系統的輸出結果，該變量的具體取值可由公式(18)計算得出，(xset，yset，zset)表示高壓海底電纜的實際位置坐標，可通過表1的位置設置情況確定(xset，yset，zset)的具體取值。最終計算得出定位誤差ε的值越大，證明對應系統的定位功能越差。

3.5 系統測試過程與結果分析

3.5.1 靜態定位

高壓海底電纜布設完成后，利用電網控制設備停止輸電任務的運行，將高壓海底電纜的運行狀態調整至靜止狀態。啟動系統定位程序，利用弱磁探測技術得出海底環境中的磁場分布情況，如圖6所示。

圖6 海底磁場分布探測結果

根據圖6表示的弱磁探測結果，通過信號匹配以及坐標計算等步驟，得出高壓海底電纜的定位結果，并以可視化的形式輸出。其中L1號電纜的定位輸出結果如圖7所示。

圖7 優化系統高壓海底電纜精確定位結果

同理可以得出其他高壓海底電纜的定位結果。按照上述流程對開發并運行對比定位系統，得出相應的定位結果。通過相關數據的統計，得出靜止狀態下高壓海底電纜的定位結果，如表2所示。

表2 高壓海底電纜靜態定位數據表

將表1與表2中的數據代入到式(19)中，得出對比系統的平均定位誤差分別為12.75 m和10.88 m，而優化設計的基于弱磁探測技術的高壓海底電纜精確定位系統的平均定位誤差為1.00 m。

3.5.2 動態定位

在不改變高壓海底電纜位置的前提下，利用控制器設備將電纜調整至輸電狀態，單位時間內電纜的輸電總量為15 kWh。按照相同的方式運行定位系統，得出相應的定位數據結果。經過式(19)的計算，得出反映系統定位功能的測試對比結果，如圖8所示。

圖8 動態高壓海底電纜定位誤差測試對比曲線

從圖8中可以直觀地看出，優化設計系統的定位誤差始終低于對比系統，通過平均值計算，得出傳統系統定位動態電纜的平均誤差分別為13.68 m和11.46 m，而優化設計系統的平均定位誤差為1.20 m。

4 結束語

高壓海底電纜精確位置監測對保障海洋環境安全和電網穩定運行具有重要意義，在電力裝備的制造過程中應考慮各種海底電纜精確位置監測技術的應用，實現高質量、高可靠地對海底電纜位置進行準確監測。通過弱磁探測技術的應用，獲取高壓海底電纜周圍的磁場信息，并根據電磁關系，確定高壓海底電纜的精確定位結果。通過系統測試實驗與結果分析，證明了優化設計系統在定位精度方面的優勢，即優化設計系統具有更高的實際應用價值。在高壓海底復雜環境中構建一個完善且有效的海下電磁波環境測量及檢測系統，能夠提高高壓海底電力電纜環境信息質量，對電力線路安全運行具有重要意義。