紀(jì)禮君 王恂 秦貞良

國(guó)網(wǎng)上海市北供電公司

引言

隨著城市地下綜合管廊的持續(xù)推進(jìn)以及上海地區(qū)架空線(xiàn)落地工程的逐步實(shí)施，地下電纜供電將是上海等特大城市的發(fā)展趨勢(shì)，電力電纜的數(shù)量和總長(zhǎng)度將不斷增加，其供電可靠性和安全性也顯得越來(lái)越重要。在架空線(xiàn)入地及電纜搬遷改接普查等作業(yè)中，電纜識(shí)別是非常重要的環(huán)節(jié)，必須正確無(wú)誤，否則將直接影響人身和設(shè)備的安全[1-3]。目前識(shí)別電纜常用的方法為音頻信號(hào)法以及脈沖信號(hào)法，其主要是針對(duì)停電條件下加信號(hào)的路徑尋徑方法。然而，在實(shí)際作業(yè)中，許多待識(shí)別的電纜是帶電運(yùn)行的，對(duì)于帶電電纜不能夠完全滿(mǎn)足識(shí)別需求，因此，如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行帶電電纜的識(shí)別一直是電纜一線(xiàn)工作人員迫切需要解決的難題[4-7]。

1 停電電纜常用識(shí)別方法

一般而言，識(shí)別電力電纜首先要將電力電纜圖紙與現(xiàn)場(chǎng)地理位置進(jìn)行核對(duì)。通常在圖紙上標(biāo)注清楚電纜和接頭位置的具體尺寸，并在現(xiàn)場(chǎng)按圖上建筑物邊線(xiàn)等測(cè)量參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)地進(jìn)行測(cè)量和核對(duì)，可以初步判斷是否為所要識(shí)別的電纜[3,8]。然后再借助儀器設(shè)備，通過(guò)設(shè)備對(duì)電纜線(xiàn)路做進(jìn)一步準(zhǔn)確識(shí)別。常用識(shí)別方法有以下幾種方法。

1.1 音頻信號(hào)識(shí)別法

該方法為實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)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(shí)別儀，操作流程上即在待識(shí)別的電力電纜上接入音頻信號(hào)，通過(guò)電磁轉(zhuǎn)為易聽(tīng)到的音頻信號(hào)，通過(guò)感應(yīng)線(xiàn)圈和耳機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)收聽(tīng)信號(hào)，從而完成電力電纜的識(shí)別[9]。

當(dāng)信號(hào)源開(kāi)機(jī)后，會(huì)向待識(shí)別的電纜發(fā)出1kHz或10kHz特定頻率的電流信號(hào)，接收這個(gè)音頻磁場(chǎng)信號(hào)的為一個(gè)感應(yīng)探測(cè)線(xiàn)圈，通過(guò)耳機(jī)能夠聽(tīng)到持續(xù)性或間歇性的“嘟嘟……”聲，同時(shí)顯示器指針會(huì)出現(xiàn)有規(guī)律的擺動(dòng)。當(dāng)感應(yīng)線(xiàn)圈圍繞待識(shí)別電纜晃動(dòng)時(shí)，顯示器指針會(huì)有明顯的變動(dòng)，同時(shí)耳機(jī)中聲音會(huì)出現(xiàn)顯著的強(qiáng)弱變化。通過(guò)此種方法，使人耳或眼睛識(shí)別出信號(hào)，從而能夠確定待識(shí)別電纜。

1.2 1號(hào)法

采用脈沖電流信號(hào)法，其由脈沖信號(hào)電流發(fā)生器、夾鉗線(xiàn)圈和指示儀等組成。脈沖信號(hào)法測(cè)量示意圖如圖1所示，由圖可以看出，脈沖信號(hào)電流發(fā)生器發(fā)出可調(diào)脈沖電流輸入至電力電纜，該脈沖電流在待識(shí)別電纜周?chē)a(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，當(dāng)夾鉗線(xiàn)圈夾到有脈沖電流的電纜時(shí)，將信號(hào)傳輸?shù)街甘緝x。指示儀根據(jù)電纜導(dǎo)體與金屬護(hù)套返回的電纜的差值顯示指針?lè)较?，從而確定是否為待識(shí)別電纜[3-4]。

圖1 脈沖信號(hào)法示意圖

在實(shí)際作業(yè)中發(fā)現(xiàn)，目前使用比較流行的幾類(lèi)電纜路徑儀主要是針對(duì)停電條件下完成上述工作，對(duì)運(yùn)行帶電電纜尚不能滿(mǎn)足識(shí)別需求。在臨近電纜工頻強(qiáng)干擾等極端條件下，往往會(huì)導(dǎo)致電纜誤判；在作業(yè)條件惡劣的工況下，難以進(jìn)行信號(hào)的拾取工作，這給電纜架空線(xiàn)落地、檢修等施工以及普查工作帶來(lái)了極大的安全風(fēng)險(xiǎn)，影響了工作效率。此外，對(duì)于上海市北地區(qū)，由于歷史原因，存在油紙與交聯(lián)電纜混合、銅芯電纜與鋁芯電纜混聯(lián)、直埋非開(kāi)挖等多種敷設(shè)方式并存的情況，傳統(tǒng)的電纜識(shí)別儀存在識(shí)別距離近、信號(hào)不穩(wěn)定，難以正確、快速的判斷結(jié)果等各種問(wèn)題，已成為影響電纜日常工作的重要因素。因此，研發(fā)一款能夠應(yīng)用于帶電運(yùn)行電纜識(shí)別的儀器成為電纜遷改以及架空線(xiàn)落地等工程中急需解決的問(wèn)題[2,4]。

2 運(yùn)行帶電電纜識(shí)別技術(shù)理論

2.1 雙調(diào)制波發(fā)射技術(shù)

通過(guò)上述分析，可以看到目前常用的電纜識(shí)別儀的缺點(diǎn)和不足。因此，本文采用雙調(diào)制波發(fā)射技術(shù)，發(fā)射端利用電磁感應(yīng)原理將發(fā)射信號(hào)耦合到電纜的金屬鎧甲上，然后由接收傳感器在運(yùn)行電纜上進(jìn)行信號(hào)采集，通過(guò)對(duì)耦合信號(hào)不同相位的鑒別實(shí)現(xiàn)對(duì)帶電運(yùn)行電纜的識(shí)別[10-12]。其中，所謂雙調(diào)制波發(fā)射技術(shù)也即將具有不同頻率、幅值相同的兩個(gè)正弦波信號(hào)進(jìn)行疊加，產(chǎn)生正相和反相截然不同的兩個(gè)周期信號(hào)，基于該信號(hào)便能對(duì)待識(shí)別的電纜進(jìn)行分析和識(shí)別[13-18]。為了更好分析原理可行性，采取了基于Matlab軟件的實(shí)驗(yàn)仿真，選用了0.8kHz和1.2kHz的兩個(gè)正弦波信號(hào)進(jìn)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(shí)800Hz和1.2kHz波形及合成波形

圖3 反相時(shí)800Hz和1.2kHz波形及合成波形

2.2 信號(hào)相位分析

由圖2和圖3可以看出，合成后的波形為一個(gè)周期波形，為了客觀(guān)的定量分析，在此對(duì)上述發(fā)射信號(hào)及合成波形提取一個(gè)周期來(lái)進(jìn)行快速傅氏變換（也即FFT），800Hz和1200Hz的相位分別記為和。根據(jù)相位公式可以得到800Hz信號(hào)位于峰值時(shí)（即其相位）1.2kHz信號(hào)相位。而無(wú)論和如何采樣，兩者始終會(huì)保持一定的關(guān)系[15,16]。其匹配時(shí)合成后的波形為一個(gè)規(guī)律周期的波形，如圖4所示，通過(guò)進(jìn)一步的相位分析可以得到式（1）所示的四個(gè)關(guān)系表達(dá)式。

反之，如果電纜不匹配，則檢測(cè)到的信號(hào)圖形如圖5所示，通過(guò)進(jìn)一步相位分析，可得到式2所示的四個(gè)關(guān)系表達(dá)式。

圖4 匹配信號(hào)時(shí)的合成波形

圖5 不匹配信號(hào)時(shí)的合成波形

2.3 總體設(shè)計(jì)方案

通過(guò)上述理論分析，可知其匹配時(shí)合成后的波形為一個(gè)規(guī)律周期波形，由發(fā)射裝置發(fā)出的雙調(diào)制波正弦信號(hào)通過(guò)發(fā)射耦合嵌感應(yīng)到運(yùn)行電纜的鎧甲上，同時(shí)采用接收互感器將待識(shí)別的電纜中的雙調(diào)制波信號(hào)提取出來(lái)，并對(duì)兩者的相位做一定的算法處理。需要注意的是，在電纜識(shí)別工作前應(yīng)要對(duì)發(fā)射耦合鉗及接收互感器進(jìn)行方向標(biāo)定及校驗(yàn)，在電纜檢測(cè)時(shí)兩者必須嚴(yán)格保持與標(biāo)定方向一致，只有這樣才能保證最后得出的信號(hào)方向是正確的。

另外，在識(shí)別待測(cè)電纜時(shí)，對(duì)于電纜發(fā)射信號(hào)干擾最大的主要是工頻信號(hào)（也即50Hz正弦信號(hào)），因此在設(shè)計(jì)中也考慮到此項(xiàng)影響因素，采用帶通濾波器濾去主要干擾頻率產(chǎn)生的信號(hào)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，還考慮到針對(duì)遠(yuǎn)距離電纜識(shí)別，存在信號(hào)衰減現(xiàn)象，在接收互感器中得到的信號(hào)可能達(dá)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(yīng)根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱進(jìn)行自動(dòng)控制，這里采用了基于DSP對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析及自動(dòng)控制增益，此外對(duì)于相位判斷，還需要采用軟件編程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)輔助識(shí)別及界面友好功能，基于以上幾個(gè)因素，最終設(shè)計(jì)出整體方案如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)框架

2.4 最終設(shè)計(jì)實(shí)物圖

通過(guò)以上理論分析和總體方案設(shè)計(jì)，聯(lián)系恒泰電氣生產(chǎn)廠(chǎng)家，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)反復(fù)調(diào)制測(cè)試，最終生產(chǎn)出了DL3301LQ電纜識(shí)別儀，如圖7所示。本套儀器主要由發(fā)射部分和接收器兩大部分組成，其融合了目前流行的數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)(DSP)和功能強(qiáng)大的軟件控制技術(shù)，具有許多獨(dú)特的性能優(yōu)點(diǎn)，是一款基于雙調(diào)制波信號(hào)理論的電纜識(shí)別儀，能夠?qū)涡具\(yùn)行帶電電纜、多芯運(yùn)行帶電電纜進(jìn)行識(shí)別。

圖7 DL3301LQ電纜識(shí)別儀實(shí)物圖

3 實(shí)際應(yīng)用

做好前期理論及總體方案設(shè)計(jì)工作后，作為運(yùn)行維護(hù)單位，所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠讓其更好的服務(wù)于實(shí)際電纜工作。

3.1 操作流程

該裝置進(jìn)行電纜識(shí)別的基本操作流程如下：

（1）將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)“開(kāi)機(jī)”

（2）將發(fā)射耦合鉗與發(fā)射機(jī)的脈沖端口進(jìn)行連接

（3）將發(fā)射機(jī)與接收機(jī)切換到相對(duì)應(yīng)模式

（4）將發(fā)射耦合鉗卡在待測(cè)電纜上，發(fā)射耦合鉗應(yīng)為閉合狀態(tài)（箭頭方向指向電纜末端）

（5）將接收傳感器與接收機(jī)端口進(jìn)行連接，選擇所需的工作模式，待發(fā)射機(jī)發(fā)射信號(hào)后，將接收傳感器卡在待測(cè)電纜上（注意箭頭方向指向始端，發(fā)射鉗與接收傳感器箭頭方向?yàn)橄鄬?duì)，且距離發(fā)射耦合鉗0.5米以上，大于1米效果更佳）

（6）當(dāng)強(qiáng)度穩(wěn)定時(shí)，按下[標(biāo)定]鍵進(jìn)行標(biāo)定。

（7）標(biāo)定成功后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)保存標(biāo)定值數(shù)據(jù)，此時(shí)，可直接將接收機(jī)和接收傳感器置于待測(cè)電纜溝處進(jìn)行電纜識(shí)別。

（8）確認(rèn)電纜（見(jiàn)結(jié)果判定）

3.2 操作示意圖

本裝置采用方便、快捷的方法，待識(shí)別的電纜不需要做任何改動(dòng)即可測(cè)試，且操作遠(yuǎn)離高壓，非常安全，連線(xiàn)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?cái)嚅_(kāi)則不會(huì)產(chǎn)生測(cè)試電流。另外，將卡鉗卡住電纜本體時(shí)，應(yīng)注意不能卡在接地線(xiàn)以上部分，如圖9所示。

圖8 操作連線(xiàn)示意圖

圖9 卡電纜本體示意圖

3.3 結(jié)果判定及總結(jié)

電纜識(shí)別儀的最終結(jié)果判定參照表1。

結(jié)合本公司實(shí)際情況，以上海寶山普陀等地區(qū)2017年7月份運(yùn)用此設(shè)備到2018年2月中旬為止，對(duì)市北電纜運(yùn)檢班組帶電運(yùn)行電纜識(shí)別數(shù)量進(jìn)行了有關(guān)統(tǒng)計(jì)，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(shí)別帶電運(yùn)行電纜成功率為100%，沒(méi)有出現(xiàn)一起因電纜識(shí)別發(fā)生誤判造成人員和設(shè)備損傷情況，保證電纜作業(yè)的“零事故”發(fā)生。該帶電運(yùn)行電纜識(shí)別裝置滿(mǎn)足復(fù)雜現(xiàn)場(chǎng)便攜性、快速性等要求，達(dá)到了設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

表2 帶電運(yùn)行電纜識(shí)別統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了電力電纜幾種常用停電識(shí)別方法，并分析其優(yōu)缺點(diǎn)。引入了基于帶電電纜路徑裝置的識(shí)別方案，通過(guò)仿真論證了雙調(diào)制波技術(shù)電纜識(shí)別理論的可行性，與恒泰電氣廠(chǎng)家合作研制出DL3301LQ電纜識(shí)別儀。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)電纜實(shí)際作業(yè)的試應(yīng)用，驗(yàn)證了該設(shè)備的可行性和實(shí)用性。該設(shè)備具有極高的準(zhǔn)確性及適應(yīng)能力，能夠進(jìn)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(duì)待識(shí)別電纜的誤判提供了極大幫助。