劉 均，唐海峰，潘冬東，秦貞良

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

柔性線圈在電纜線路鑒別中的應(yīng)用研究

劉 均，唐海峰，潘冬東，秦貞良

(國網(wǎng)上海市電力公司市北供電公司，上海 200072)

介紹了幾種常見的電纜線路鑒別的方法，并分析了各自的優(yōu)點和不足。提出并研制了以柔性線圈為理論基礎(chǔ)在強感應(yīng)電下可抗強感應(yīng)電干擾的電力電纜路徑探測儀。結(jié)合工作現(xiàn)場進行了對比分析研究，驗證了新設(shè)備的可行性和實用性。

柔性線圈；電纜線路鑒別；信號接收器；信號發(fā)生器

隨著國家推進城市地下綜合管廊建設(shè)的實施，地下電力電纜供電將是未來城市尤其上海等特大城市的發(fā)展趨勢，近年來電力電纜工程量不斷加大，地下電纜管線數(shù)量不斷增加，其供電可靠性也顯得越來越重要。在電纜搶修作業(yè)或遷改工程中，電纜溝或開挖區(qū)域里經(jīng)常是多條電纜并排敷設(shè)，需要區(qū)分出哪條是此次工作要尋找的電纜。根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》10.2.1.9條要求，電纜識別工作涉及人身和設(shè)備安全，鑒別結(jié)果的可靠性非常重要，必須100%準(zhǔn)確可靠。因此，必須尋找一個準(zhǔn)確有效的方法來實現(xiàn)電力電纜的鑒別。

1 傳統(tǒng)電纜線路鑒別方法

鑒別電纜線路的第一個步驟就是核對電纜線路圖。通常從線路圖上電纜和接頭所標(biāo)注的各種尺寸，在現(xiàn)場按圖上建筑物邊線等測量參考點為基準(zhǔn)，實地進行測量和核對，一般可以初步判斷需要檢修的電纜。鑒別電纜線路的第二個步驟是采取一定措施，對電纜線路作出進一步鑒別。常用鑒別方法有以下3種方法。

1.1 工頻感應(yīng)鑒別法

工頻感應(yīng)鑒別法也叫感應(yīng)線圈法，當(dāng)繞制在開口鐵芯上的感應(yīng)線圈貼在運行電纜外皮上時，其線圈中將產(chǎn)生交流電信號，接通耳機則可收聽到。如沿電纜縱向移動線圈，可聽出電纜線芯的節(jié)距。若將感應(yīng)線圈貼在待檢修的停運電纜外皮上，由于其導(dǎo)體中沒有電流通過，因而聽不到聲音。而將感應(yīng)線圈貼在臨近運行的電纜外皮上，則能從耳機中聽到交流電信號。這種方法操作簡單，缺點是只能區(qū)分出停電電纜；同時，當(dāng)并列電纜條數(shù)較多時，由于相鄰之間工頻信號相互感應(yīng)，會使信號強度難以區(qū)別。

1.2 音頻信號鑒別法

應(yīng)用QF-2型電纜路徑探測儀，在需要檢修的電纜線路接入一待定音頻信號，然后應(yīng)用探測線圈和耳機在現(xiàn)場收聽，以對電纜線路進行鑒別。

當(dāng)音頻信號源開機后，會發(fā)出1 kHz或10 kHz的音頻信號，在待鑒別的電纜處，用通用接收機、探測線圈和耳機，能聽到有規(guī)律的“嘟嘟……”聲。當(dāng)探測線圈環(huán)繞待測電纜轉(zhuǎn)動時，耳機中的音頻信號有明顯的強弱變化。這樣可與鄰近電纜所產(chǎn)生的干擾信號相區(qū)別，從而鑒別出接入音頻信號的電纜。

1.3 脈沖信號法

脈沖信號法所用設(shè)備有脈沖信號發(fā)生器、感應(yīng)夾鉗及識別接收器等。脈沖信號法的原理如圖1所示，脈沖信號發(fā)生器發(fā)射鋸齒形脈沖電流至電纜，這個脈沖電流在被測電纜周圍產(chǎn)生脈沖磁場，通過夾在電纜上的感應(yīng)夾鉗拾取，傳輸?shù)阶R別接收器。識別接收器可以顯示出脈沖電流的幅值與方向，從而確定被選電纜(故障電纜或被切改電纜)。

圖1 脈沖信號法原理圖

但在實際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，目前使用最普及的各類電纜識別儀在遇有強感應(yīng)電等干擾情況下，常常導(dǎo)致誤判或施加信號較困難的情況，這給電纜遷改和故障搶修工作帶來了極大的安全風(fēng)險。此外在上海市北地區(qū)不少中低壓電纜與超高壓電力電纜同通道敷設(shè)，而一部分電纜通道內(nèi)高水位的客觀環(huán)境往往引起電纜護層多點接地，在停電被測電纜與同通道運行電纜同向敷設(shè)較長或不同電纜接地電阻差別較大的情況下，往往造成在停電電纜線路上感應(yīng)出較強的感應(yīng)電流或電壓，從而影響對電纜的準(zhǔn)確識別。

因此，研發(fā)尋找一個能在強感應(yīng)電下可抗強感應(yīng)電干擾的電纜鑒別儀成為電纜搶修及道路遷改工程的亟需解決的問題。

2 柔性線圈在電纜鑒別中的應(yīng)用

通過分析發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電纜鑒別方法普遍存在著缺點和不足，因此提出采用柔性線圈實現(xiàn)對電流的采集，然后通過采集的電流信號對電纜進行鑒別。為此首先要對柔性線圈工作原理進行分析，然后基于柔性線圈給予總體方案設(shè)計并最終聯(lián)系生產(chǎn)廠家做出實物儀器。

2.1 柔性線圈測量電流的原理

柔性線圈作為電流互感器，測量流過電纜的電流信號，如圖2所示。根據(jù)安培環(huán)路定理，沿任一閉合路徑磁場強度的環(huán)路積分等于該閉合路徑所包圍的自由電流的代數(shù)和：

∮LHcosαdl

(1)

式中 dl——積分路徑上一小段長度元；H——磁場強度；α——dl和H之間的夾角。

設(shè)圖2中羅氏線圈單位長度上繞線n匝，線圈截面積為A，則長度元dl上繞線為匝，其中交鏈磁通為ndl

dΦ=μHAndlcosα

(2)

式中μ——線圈所在介質(zhì)的磁導(dǎo)率。

沿線圈所在的閉合路徑做環(huán)路積分，可得到交鏈整個線圈的磁通為：

Φ=∮LdΦ=μnA∮LHcosαdl=μnAi

(3)

對于交變電流i，磁通Φ也隨時變化。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，羅氏線圈輸出的電壓Vcoil和交鏈整個線圈的磁通的變化率成正比：

(4)

圖2 柔性線圈測量電流示意圖

因此，通過對線圈輸出電壓積分，可以得到羅氏線圈測量的電流i為：

(5)

對一交流電流信號i=I0sin(ωt-φ)進行微分，得到di/dt=ωI0cos(ωt-φ)，代入式(4)得到

(6)

(7)

由式(7)可知，柔性線圈的電壓輸出與所測電流信號的頻率成正比，所測電流信號頻率越高，輸出電壓幅值越大，所測電流信號頻率越低，輸出電壓幅值越小。由于電纜的沖擊放電電流頻率相比50 Hz工頻電流信號很高，當(dāng)針對電纜的沖擊放電電流測試需求設(shè)計和標(biāo)定柔性線圈時，柔性線圈感應(yīng)輸出的工頻信號幅值極低，甚至可以忽略不計。因此柔性線圈具有良好的抑制低頻電流干擾的特性。

分別用卡鉗測量峰值為200 A的沖擊電流信號和工頻電流信號，其波形如圖3和4所示。然后用柔性線圈環(huán)繞圖3和圖4的電流信號，測量其對電流信號微分輸出的電壓信號，波形分別如圖5和圖6所示。對圖3和圖4的電流信號進行頻譜分析，其頻譜分別如圖7和圖8所示。

圖3 峰值200 A的沖擊電流信號波形

圖4 峰值200 A的工頻電流信號波形

圖5 沖擊電流信號微分輸出的電壓信號波形

圖6 工頻電流信號微分輸出的電壓信號波形

圖7 柔性線圈測量沖擊信號的頻譜

圖8 柔性線圈測量工頻信號的頻譜

對圖3～圖8分析可以看出，相同幅值的沖擊和工頻電流信號，調(diào)節(jié)線圈匝數(shù)，將其頻率調(diào)節(jié)至7 kHz，可見其主要頻率分量分別是約7 kHz和50 Hz，頻率相差約150倍，用柔性線圈測量得到的輸出信號峰值分別約為0.3 V和3 mV，幅值相差大約為100倍，因此，柔性線圈具有良好的自然抑制低頻分量信號的特性。

2.2 總體設(shè)計方案

確定好采用柔性線圈作為信號采集的接收端后，接下來是對其進行總體設(shè)計。電纜識別儀總體上由直流沖擊高壓信號發(fā)生器和信號接收器組成。儀器的總體構(gòu)成如圖9所示。工作時，信號發(fā)生器將高壓沖擊信號施加到目標(biāo)電纜線芯上，信號沿電纜傳播到遠(yuǎn)端，然后經(jīng)過接地流回信號發(fā)生器。在鑒別地點，信號接收器利用一個柔性線圈測量流過各條電纜的電流信號，然后根據(jù)信號的特征鑒別出目標(biāo)電纜。

圖9 電纜識別儀的總體結(jié)構(gòu)

(1)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器采用適當(dāng)電壓的大電流的直流脈沖信號施加到待識別電纜上，該電纜一相在遠(yuǎn)端良好接地，保證該相有較大的電流流過電纜，發(fā)生器將周期性的單極性電壓脈沖每5秒一次注入要識別的電纜中，注入的電流從待識別電纜一相線芯流過，通過大地、待識別電纜的護層和其它鄰近電纜的護層返回信號發(fā)生器。

發(fā)生器采用直流脈沖電壓應(yīng)是強感應(yīng)電壓數(shù)倍以上，確保有效測試信號占總信號比重的主導(dǎo)分量(不小于60%)，較高的合適電壓可克服強感應(yīng)電的影響，確保將直流脈沖加于電纜，同時避免對電纜產(chǎn)生大的損害。電子式高頻高壓信號發(fā)生器原理框圖如圖10所示。

圖10 信號發(fā)生器原理框圖

(2)信號接收器。待識別電纜流過的電流為線芯電流IA和護層電流IS之和，IA為注入電流，大于護層電流IS，接收器接收特征電流方向與注入電流IA方向相同；其他電纜護層流過的電流都是返回電流，電流的方向與注入電流相反，電流幅值小于注入電流IA；除了電流方向這一實際差異外，電流幅度也可以作為一參考識別特征，因為流出去的電流僅通過一根電纜，而返回電流可通過幾根電纜，待識別電纜中的總電流為流過其它電纜護層的返回電流和大地返回電流之和，待識別電纜流過的電流幅值大，其他電纜流過的電流小，且方向相反。設(shè)計電纜識別儀信號接收器原理框圖如11所示。

圖11 電纜識別儀信號接收器原理框圖

接收器探測流過電纜電流方向、大小、周期等特征量，將待識別電纜與其他電纜區(qū)分出來。由于強感應(yīng)電流頻率主要是50 Hz和其高次諧波，接收器可增加50 Hz陷波電路和帶通濾波等信號處理電路，消除50 Hz強感應(yīng)電流的影響，提取特征信號。由于現(xiàn)場環(huán)境所限如強工頻干擾、電纜直徑粗、卡鉗開口不能有效包羅住電纜等。所以在采集信號時，不能采用傳統(tǒng)意義上的卡鉗式電流互感器，而是采用本文提出的柔性線圈電流互感器。

表1 電纜檢修認(rèn)線統(tǒng)計表

2.3 最終設(shè)計實物圖

通過以上理論分析和總體設(shè)計，聯(lián)系科匯生產(chǎn)廠家，經(jīng)過反復(fù)調(diào)制測試，最終專門生產(chǎn)出了改進后的電力電纜鑒別識別儀T-700，如圖12所示。本套儀器主要由高壓脈沖發(fā)射源和柔性線圈接收器兩部分組成。

圖12 電力電纜鑒別識別儀實物圖

高壓脈沖發(fā)射源采用便攜式交直流兩用電源，既可以使用現(xiàn)場220V交流電源，也可使用自身逆變電源，逆變電源可連續(xù)供電5 h以上。柔性線圈接收器采用柔性線圈，只采集線圈內(nèi)信號電流，本身具有良好的抑制低頻電流干擾的特性，與高頻的高壓脈沖發(fā)射源配合使用，相得益彰，更加有效防止工作現(xiàn)場的工頻干擾。柔性線圈接收器線圈環(huán)繞直徑30 cm，適合環(huán)繞各種電壓等級的不同直徑的電力電纜；線圈本體直徑小于1 cm，有效解決了目前現(xiàn)場電纜排列緊密，電纜間距小，傳統(tǒng)聽診器式電感探頭和卡鉗無法放置的問題。接收器無物理性接地回路，不存在強磁感應(yīng)電流電燒損儀器現(xiàn)象。接收器采用鋰電池充電電源，高亮度大屏幕液晶顯示，適合太陽光等強光環(huán)境下使用。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

以上海市北地區(qū)2014年11月份試應(yīng)用此設(shè)備到1月中旬為止，對2014年以來運檢電纜班組各類電纜檢修鑒別認(rèn)線進行了統(tǒng)計，如表1所示。

小組進一步統(tǒng)計了認(rèn)線成功率：十月份之前成功率=2/631=0.3%，十一月份開始成功率為100%，未出現(xiàn)一起人身安全傷亡事故。說明該裝置滿足了復(fù)雜現(xiàn)場便攜性、快速性、方便性要求，證明此設(shè)備達到了預(yù)期的目標(biāo)。

4 結(jié)語

本文介紹了電力電纜線路鑒別的幾種常用鑒別方法，并分析其優(yōu)缺點。改進并提出了基于柔性線圈進行電力電纜鑒別的新方法，并與相關(guān)廠家合作研發(fā)了新型抗干擾電纜識別儀。通過現(xiàn)場的實際應(yīng)用，驗證了新設(shè)備的可行性和實用性。通過該設(shè)備可以提高電力電纜作業(yè)的安全可靠性，也有效提高電力企業(yè)工作效率，對于柔性線圈，現(xiàn)在處于試應(yīng)用階段，可以考慮技術(shù)改造以及在搶修等業(yè)務(wù)上運用推廣。同時下一步考慮對設(shè)備進行改造升級，讓其能更加快速有效地鑒別出待檢修電纜，進一步縮短停電時間。

(本文編輯：嚴(yán) 加)

Application of Flexible Coils in Cable Line Identification

LIU Jun, TANG Haifeng, PAN Dongdong, QIN Zhenliang

(State Grid Shanghai Shibei Power Supply Co., Ltd., Shanghai 200072, China)

This paper introduces several methods to identify cable lines, and analyzes their respective advantages and disadvantages. It also proposed and developed the power cable path detector which can resist strong inductive electrical interference with flexible coils as the basis. Then the on-site comparative analysis and research verified the feasibility and practicability of the new equipment.

flexible coil; identification of cable lines; signal receiver; signal generator

10.11973/dlyny201703008

劉 均(1978—)，男，碩士，主要從事電力電纜的運維檢修工作。

TM913.33

B

2095-1256(2017)03-0250-05

2017-03-23