城市地下电缆路径检测系统的研究与设计.docx

在地下电缆的管理维护、城市的规划改建中，要求快速而精确地杳明地下电缆位置、延伸路径以及深度，明确电缆的具体位置信息。研究设计的城市地卜.电缆路径检测系统以电磁法为主要理论基础，建立电缆空间等效模型，推导场强分量:公式。创新点在于利用场强频率传导进行信号传输，应用极值法代入Mat1.ab软件进行仿真分析，能够精准探测线圈周围磁场大小及方向改变情况，利用双线圈法进行公式推导得到电缆埋地深度。在系统的软硬件实施上，通过ARM控制模块代入Kei1.软件算:法进行输出，能够直观清晰地是现地下电缆的路径轨迹和埋藏深度，提升智能化程度。最后通过实测试验进一步验证系统的可行性。现如今电力电缆已经逐步取代架空输电线路成为城市电网体系中的主要传输方式。随着电力电缆在城市中的广泛应用，许多问题随之突显出来。当前很多城市为加快推进现代化进程都在进行城市规划改建的项目，迫切需要了解地下电缆网络的分布，避免在改建过程中因不慎挖断电缆造成不必要的损失。施工中由于没有提前预判地卜电缆的位置及埋深而将电缆挖断的情况屡见不鲜，造成的后果是轻则中断居民和企业的电力供应，重则造成人员伤亡和重大经济损失.2015年4月，浙江省台州市三门县的挖掘工人在鱼塘旅工过程中,不慎聘地下的一根通电运行状态下的i1.i台温电信光缆挖断，造成3条长途干线大容量波分系统中断时间达129min,直接损失13.3万余元，中断通信的电路根失达1459.25万元。出于对安全性和经济性的双重考虑，在地下电缆的管理维护、城市的规划改建上要求简单、快速而精确地查明地下电缆位置及深度，明确电缆位置信息。11前国内外对于埋地电缆的检测技术发展相对成熟，国外发达国家的检测技术以探地需达法为主，探测精度高，但成本较高11操作复杂：国内的检测技术多以电磁法为基础研究设计，性价比较高，但由丁传感方式受干扰程度较大，探测精度较低。本文研究设计的城市地卜电缆路径检测系统以电磁法为理论基础，应用信号接收和发射装置进行场强频率传导，有效提升检测精度，在软硬件上应用改进算法使得系统进一步提升智能化程度。I国内外研究现状国外发达国家对于地卜电缆探测技术的研究与应用已经发展多年，其中以英国密迪公司为代表设计生产的RD4(X)系列和RD432系列地下管线探测仪处于世界领先水平，其以探地窗达法为理论基珈，采用传输天线向地下待测目标发射高须电磁脉冲信号，根据地下反射得到的雷达波进行探测。探测仪器的筑率和精度较高，智能化程度高，对周围亚杂环境抗干扰能力强，但是仪器价格品员，对仪器的操作并要求较高。我国在这方面起步较晚，但发展很快，目前技术相对成熟.其中最有知.名度的是西安华傲通讯公司战于电磁法设计研发的GXY便携式电缆检测仪，但其内部主要的元器件大多来自进口，仪港价格相对较高，缺乏自主研发能力。目前对于地下电缆的探测方法有充电法、电磁感应法和探地雷达法，基本原理及特点见表1.方法原理特点充电法对,端施加'i流电，任地面观察异常从而确定位置方法简总、分辨率好，须有可供电出露点电磁感应法利用管线与周楸介质导电性与导磁性差异观察电磁场分布确定位置定位精度高、操作性强、抗卜扰催力强探地雷达法由发射天线向地卜发射高频脉冲电磁波,接收地下反射电磁波，根据电磁波差异确定位置分辨率I,价格昂费表I电缆常见探测方法分析上述几种探测方法，电磁感应法若选择合理的信号传感方式，可以有效地提高检测精度和抗干扰能力，且成本较低.城市地下电缆路径检测系统就是以电磁桃应法为博础研究设计的。2理论研究与分析（略）系统以电磁感应原理为主要理论基础，利用地下电缆与周雨介痂的导电性及导磁性差异这一特性，建立空间磁场的等效模型，应用毕奥-萨伐尔定律，通过几何关系和假设条件推导其空间磁场强度，分析线圈在磁场中的感应电动势。应用极值法将数据代入Mauab软件进行仿真分析，通过峰值和谷值的极值点确定地下电缆的方位走势。通过双线圈法和儿何关系推导出地下电缆的埋藏深度。3系统硬件设计电缆路径检测系统硬件部分选用ARMSTM32F1O3CET6和电磁探测模块组成核心控制系统，应用外挂的GPS模块将探测到的电缆路径方位和埋藏深度等信息转化为经纬度坐标形式，并将结果存储在E2PROM里，根据需要在1.ED显示屏上显示或者通过数据采集模块与电脑进行通信，导出数据并对我进行整体分析。整个系统由CPU、显示模块、电磁处理模块、预处理模块等4大部分组成,其中CPU为ARM单片机STM32F103CET6：4个模块分别为预处理模块、输出输入模块（键楸、1.CD显示屏和扬声器）、存储模块（E2PR0M、F1.ash）以及数据采集模块（电磁处理模块），4个模块均由ARM单片机进行总体控制。控制系统的整体构架如图7所示。I图7系统硬件原理框图如图7所示，ARM单片机自带的12位/16通道数模转换器将对接收到的频率信号进行数据转换和处理。输入输出模块包含扬声器、1.CD和键盘3个部分。电磁模块通过振荡电路对测量线圈产生激励，进而产生交变磁场，感应到线缆时，使得蹂场产生畸变，需要经过2个AD处理通道进行信号的预处理,将结果反馈给ARM单片机。系统通信模块包含E2PR0M和GPS，其中E2PR0M是信号存储模块，负责将信息存储并进行远端传输：GPS对电缆位置进行精确定位，将位置信息转化为经纬度坐标形式。4系统软件设计程序设计采用高级语言C语言，在开机后系统进行初始化自检模式，ARM单片机片的STM32FIO3CET6模块开始对反馈接收到的频率信号进行AD转换：通过对电磁处理模块的信号采集和处理，在结束个采样周期后，由单片机完成数据分析，得到并显示测量点的磁场强度，同时根据磁场强度的变化珏判断其出现峰值或谷值时的极值点，扬声器将磁场强度的大小反映在声频音量的大小上。单片机采用定时器方式实现AD转换、场强过限报警及数值显示，程序不断地循环实现不间断测量。系统的E2PR0M和F1.ash存储模块将检测到的数据信息进行采集和存储,通过输出模块传输到远程PC终端，以便后续数据处理和分析。采用通用异步收发传输器(universa1.asynchronousrcccivcr/transmittcr.UART)与GPS模块进行通信实现设备的定位以及经纬度的获取。GPS模块的主要作用是将系统接收到的频率信号转化为地理坐标形式，便于操作者寻找到电缆的具体方位，同时也便于后期对数据信息的处理分析。ARM单片机与UART通信的程序框图如图8所示。图8UART与GPS通信程序框图本系统的多通道数据采集模块使用ARM内部自带12位模数转换器实现，有2路信号采集通道，分别为峰值模式和谷值模式信号采集通道.信号通过ARM单片机，将频率信号转换为数字信号，代人编写好的公式程序中进行计修，将计算后得到的结果数据送给显示屏进行显示。AD1.和AD2数据采臾通道分别负货对峰值模式和谷值模式下的数据进行采集处理。系统通过ADI数据采集通道将峰值模式下的电缆位置转化为数据参数输出到AD2数据采集通道，进行谷值模式卜的电缆方位精确定位，以数据和音频双重方式对信号进行输出。AD数据采集部分程序框图如图9所示.深度和电潦的检测是电缆处于谷值模式下来进行检测的，该功能主要由单片机内部的模拟数字转换器(ana1.ogtodigita1.converter.ADC)来实现，系统通过ADC的相比转换，进行数据处理后，将电动势变化值及各项已知参数代入公式得到地下电缆的埋版深度，将频率信号电流代入传输线方程计算后得到地下电缆的交变电流。电缆埋藏深度和电流检测模块设计框图如图10所示.图9ADC时序控制电路图10电缆埋藏深度和电流检测程序流程图5系统组装调试及实测分析在完成系统各模块的拼接组装后，需要将所有模块组合成一个完整的系统，对整体系统进行通电调忒。为了完成对城市道路设施下的电缆现场实测，联系到f市政相关部门，取得J'马路旁人行横道处的一块路面下敷设的电缆方位及埋深数据。对长约3m的路面进行实测试验，待测电缆上方没有土壤和水泥方碣，电缆埋藏的实际深度为0S2m电缆运行状态为带电导通状态。检测试验缭号电缆水平位置偏移量/m电缆埋藏深度偏移量/m1+0.18-0.022+0.14-0.123+0.08+0.134-0.12+0.025-0.28-0.186+0.16+0.227-0.06+0.188-0.13-0.209÷0.15-0.1910-0.18+0.0311÷0.16-0.2412-0.09-0.0713+0.03+0.1114-0.21-0.0815-0.18-0.1316+0.23+0.0617+0.07-0.1218-0.06+0.1319+0.09-0.0820-0.15+0.16表2现场实测试验数据通过误差分析计算得到检测装置的水平位置的偏差0.14m,埋藏深度的偏差016m,满足系统对丁检测精度的耍求，后续将通过计算机汇编语言改进莫法，进一步提升系统检测精度。试验基本豳定了所研究设计的城市地卜电缆路径检测系统具有可行性，其理论方法和软硬件部分的设计均满足预期想法，实现了设计的基本要求和预想理念，达到预期效果.在该试眩的基础上，还进行J'其他实测试验，对敷设在变电所电缆沟内的电力电缆，以及已知地下结构分布的道路地下埋藏的电力电缆都进行了路径和埋深的探测，均能较为准确直观地检测到地卜,电力电缆的路径方位信息和埋敏深度信息。6结论本文研究设计的城市地下电缆路径检测系统，在传统检测装.巴的基础上，对系统进行改良优化，利用场强频率传输研尢设计出电缆信号识别与采集系统，尤其是对系统的接收与发射信号模块的创新应用，提高了系统检测的精准度。本文设计r系统的饿件成品，编写r主要核心模块的软件程序。使相关人m能够快速、精准地明确地下电缆的位巴、深度等相关信息，节省人力物力和杳找时间，避免因挖断地卜电缆而造成的不必要事故。该系统应用在需要探测的道路现场,携带方便，操作简单，能够快速精准地获知地下电缆的准确方位、埋藏深度和电流等位置信息“附参考资料：电缆路径探测操作与原理解析一、原理介绍1 .音频电流信号感应法用音频信号发生器向电缆中注入一特定频率的音频电流信号，该电流信号在电缆周围就会产生音频磁场，通过传感器线圈接收这一特定频率的音频磁场，经磁声或磁电转换为人们容易识别的声音信号或其它可视信号，即可探测出电缆的路径。用音频感应法探测电缆路径时，根据传感器感应线圈放置的方向不同，又分为音峰法与音谷法探测电缆路径的方法。如图1所示，向电缆中注入音频电潦信号后，在传感器感应线圈轴线垂直于地面时，电缆的正上方线圈中穿过的磁力线最少，线圈中感应电动势最小：线圈往电缆左右方向移动时，音频声音增强，当移动到某一距离时，响声最大，再往远处移动，响声又逐渐减弱。在电缆附近，磁场强度与其位置关系形成一马鞍形曲线，曲线谷点所对应的线圈位置就是电缆的正上方，这种方法就是音谷法。探头线圈®电缆图1音谷法测量时的音响曲线如图2所示，而当感应线圈轴线平行于地面时（要垂直于电缆走向），在电缆的正上方线圈中穿过的磁力线最多，线圈中感应电动势也最大，线圈往电缆左右方向移动时，音频声音逐渐减弱，磁场最强的正卜方就是电缆，这种方法就是音峰法。实际测量：时，音峰法是最常用的测试方法。®电缆图2音峰法测量时的音响曲线2 .脉冲磁场方向法与脉冲磁场幅值法如图3所示，用直流高乐信号发生器向电缆中施加高压脉冲信号，故障点击穿放电时的放电电流是一暂态脉冲电流，如同音频电潦一样，该脉冲电流会在电缆周围产生脉冲磁场磁场，用感应线圈接收这个磁场，即可找到电缆的路径。接地故障点放电（1）脉冲磁场方向法如图4所示，把感应线圈以其轴心垂直于大地的方向分别放置于电缆的左右两侧，在左恻磁力线是从上方进入并穿过线圈的，在右侧磁力线则是从卜面进入并穿过线圈中的。如果住左:恻感应线圈感应到的电动势是正电动势，在右侧感应到的必是负电动势.可用波形把感应线图感应到的电动势表示出来，如图4a所示，左侧为正电动势，波形初始方向朝上，称为正磁场。如图4b所示，右侧为负电动势，波形初始波形朝卜.，称为负磁场，电缆的左右两侧磁场的方向是不同的，在琛场方向交替的正下方就是电缆，利用这个特点可以找到电缆的位置，多点连线就是电缆的路径.图4顿上方脉冲磁场的方向、正磁场b负瞰场（2）脉冲磁场幅值法如图5所示，同音频电流信号感应法"样，如果把感应线圈平行于地面（垂直于电缆）,在电缆的正上方线圈中穿过的磁力线最多，线圈中感应电动势也最大，往电缆的两侧会越来越小，用指针式电压表或其他方式显示感应电动势的大小，电动势最大的下方就是电缆，利用这种方法可以隹找电缆的路径。图5电缆上方脉冲磁场的幅值注意：实际测试时，用脉冲磁场的方向法与眼值法探测路径，一般是和故障的精确定位起进行的，主要目的是使故障精确定位的人员不偏离电缆路径，而市场上的路径仪-殷都是选用音频电潦信号感应法进行路径探测的“二、使用仪器及其附件图6T5OOO3发射机与接收机图7发射机附件使用仪器：T5(XX1.3彩解智能管线仪信号输出部分：发射机，直连线，耦合夹钳，1.Ce模块直连线：直连法信号输出线，停电电缆路径查找时使用耦合夹钳：夹钳法信号输出线，带电电缆路径查找时使用1.CC模块：可将480V及以下的交流电压隔离，配合发射机可进行电缆带电直连法接线，杳找带电的低压电缆路径及输电电缆路径。接收信号部分：接收机，听诊器，A字架图8接收机附件听诊器：与接收机配合使用，可进行电缆带电识别，从多条电缆中找出目标电缆：A字架：与接收机配合使用，可以精确定位直埋电缆故障点，使用方法为跆步电压法。三、发射机接线方法1.直连法适用于停电电缆路径查找，电潦大，信号强.将发射信号通过直连线注入一相线芯，并聘电缆末端测试相线芯人为接地，一相线芯与大地构成测试回路，如1 .不可相间发射信号（末端两相短接），不可相间构成测试回路，因为此时电流信号方向相反，磁场信号抵消,接收机实痂上就是接收的回路磁场信号，将接收不到信号：2 .需聘电缆两侧铠装接地拆除，否则发射的电潦信号会从铠装回传，同样抵消磁场信号：3 .总之，测试回路需是单向唯的回路。若电缆回路连接错误，如接地不良，相序错误等，发射机无输出电流或输出电流较低，同时“指示方格”空白，如下图IO所示，若回路连接正确，则发射机输出电流可达25mA,同时“指示方格”变黑，如卜图I1.所示。图10回路连接错误发射机显示图I1.网路连接正确发射机显示4 夹钳法适用于停、带电电缆路径直找，电流小，信号弱。将发射电压信号通过耦合央钳感应电压至高压电缆铠装或低质电缆零线，如下图12所示，因电缆两端铠装或零线均己接地，自然会有稔定电潦信号。1 .直连法与夹钳法的相同点是均需要单向稳定的电流回路产生磁场信号，不同点是直连法是通过直连线发射信号在电缆线芯，夹钳法是通过夹钳耦合发射信号在电缆铠装或零线；2 .夹钳法施加信号相对较弱，对于停电电缆推荐优先使用直连法；3 .对于高压雎芯带电电缆，也可在待护套中使用直连法查找路径，夹钳法与直连法的使用需要结合铝护套的接地方式进行合理选择。3.1 38。V电缆测试方法380V停电电缆:导体直连法，如上图9所示，选择一相线芯作为测试相，末端对应相线芯接地，并拆除两端零线接地，火线与地形成单相唯回路：零线直连法，在电缆一端拆除零线接地，另一端保持零线接地，直连输出线接至悬空的零线，零线与地形成单相唯一回路，如下图13所示；图14铠装直连法接线夹钳法，如上图12所示，输出夹钳直接卡在电缆本体或电缆零线上，信号回路在零线与地之间形成，注意：此时电缆两端零线应接地。380V带电电缆:夹钳法，接线同上；1.Cc带电直连，在用户船发射机通过1.CC模块将信号直接输出在带电火线上，对于380供电低压供电系统，台区变压器中性点直接接地，此时带电火线与地同样形成回路，注意：该方法只能在用户fW接线使用，查找来自电源侧的电缆路径：3.2 IOkV电缆测试方法IOkV停电电缆:导体直连法，如上图9所示，选择一相线芯作为测忒相，末端对应相线芯接地，并拆除两端铠装接地，导体与地形成单相唯一回路；铠装直连法，在电缆一端拆除铠装接地，另一端保持铠装接地，直连输出线接至悬空的铠装引出线,铠装与地形成单相唯回路,如下图14所示：夹钳法，如上图12,所示，输出夹钳直接卡在电缆本体或电缆铠装接地线上，信号回路在铠装与地之间形成，夹钳连接示他如下图15所示。图15夹钳接线示范IOkV带电电缆:夹钳法，同上.3.3 IIOkV电缆测试方法I1.OkV停电电缆：导体直连法，同上：铝护套直连法，需参考铝护套的接地方式，铝护套单端接地的电缆段，直接在保护接地箱处对铝护套同轴电缆导体直连信号：铝护套交叉互联的电缆段，在任一交叉互联箱位置对铝护套同轴电缆导体或屏级直连信号。IIokV带电电缆:铝护套直连法，对于铝护套单端接地的电缆段，打开不接地端的保护接地箱或交叉互联箱，首先使用万用表测量该处铝护食的感应电压，若感应电压小于25V（T5000-3保险丝熔断电压）,则可以对铝护套直接使用直连法,如下图16所示:IE>图16保护接地箱处直连法接线图17交叉互联箱处直连法接线信护套带电直连法，若不接地端的铝护套感应电压超过25V,则需使用1.CC模块进线电压屏蔽，使用带电直连法进行测忒：夹钳法，因交叉互联大段的铝护套两湍直接接地,虽然经过了电缆换位，但整体的铝护套仍然与地构成了回路，所以夹钳法仅适用于铝护套交叉互联的IIOkV电缆段路径杳找，直接将夹钳卡在电缆木体或任一接地箱处的同轴电缆上即可，如下图18所示。图18交叉互联段夹钳法接线I.带电包找I1.OkV电缆的路径时最好根据铝护套进行分段杳找，从不接地端施加信号，查找到达接地端的电缆路径：2 .对于用护套端直接接地端不接地的电缆段，央钳法信号较弱，此时需增大发射机输出功率，调大输出频率进行测试，建议在不接地端开箱使用直连法或带电直连法进行杳找：3 .因I1.OkV单芯电缆会在铝护套上产生感应电压，所以若将夹钳直接卡在电缆本体匕夹钳内也会产生感应电压，此时若夹钳钳口完全用合，夹钳线圈上就会形成环流，发热烧毁夹钳，即闭合钳口需垫张纸片，如下图19所示。图19央钳法本体使用时钳口处理四,接收机干扰信号来源与判断接收机接收的是音频磁场信号，由音频电流信号产生，电流信号所在的回路是由电缆导体或屏级与地形成，即回路电流信号必然经过大地，一般电缆终端位置所在配电室、环网柜、变电站等有多条电缆出线或进线，其他带电电缆也存在铠装或零线接地，再加上路径仪发射机输出的是高频脉冲信号，信号传输能力较强，必然会通过共同的系统大地传输到其他电缆上，甚至是其他接地金属管线，因此路径查找的一大难点就是在近端测试点位置如何排除干扰信号，找到目标电缆，此时应根据接收信号的不同指示进行判断，总结方法如下。信号大小与稳定性：一般目标电缆上方接收信号数值较大且比较稔定，干扰管线接收信号数值较小，且箭头指示飘忽不定，如下图20、21所示；图20目标电缆上方信号展信图21干扰电缆上方信号展示2.接收电流与深度：在测忒管线上方按下接收机“i”键可查看该管线接收电流大小与埋深，一般目标管线上方接收电流数值较大，埋深合理(近端位性)，干扰管线上方接收电流较小，埋深不合理(近端位置),如下图22,23所示图22近端目标电缆接收电流与埋深显示图23近端干扰电缆接收电流与埋深显示3 .SIS方向信号：T5(XX)-3含有一个特殊专利技术，即发射与接收的众多缴率中，含有带方向信号的频率，即S1.S频率，使用该频率信号时，回路中电流就含有方向性，目标电缆向前，通过大地传输到干扰管线后，方向可能会发生变化,如上图2()、21所示，目标电缆上接收机左上角有”,箭头指向前方，干扰管线上接收机显示“一”，箭头指向后方：4 .信号衰减规律；接收机接收的音频破场信号，是由整个回路电流产生，因此，只要电缆深度变化不大，整条电缆线路上方接收信号大小不会发生太大变化，接收电流大小也是如此：当电缆上方有信号时，可尝试向前行走段距离，观察信号与电流大小与近端显示时比，若衰减较快，则该管线信号为干扰信号。