李靖翔,趙明,賴皓,熊雙成,唐陽

(1.中國南方電網(wǎng)超高壓公司 廣州局，廣東 廣州 510000； 2.三峽大學(xué) 電氣與新能源學(xué)院，湖北 宜昌 443002)

0 引言

近年來，隨著智能電網(wǎng)的發(fā)展，電力電纜在各類配電網(wǎng)中的應(yīng)用比例大幅增加，電纜輸電已成為配電網(wǎng)中的主要電能傳輸途徑。由于電力電纜常年埋設(shè)于地下，在電網(wǎng)發(fā)展過程中對地下電纜網(wǎng)絡(luò)的改造較大，相關(guān)資料出現(xiàn)部分遺失或未及時更新，導(dǎo)致在出現(xiàn)電纜故障及日常檢修時無法實現(xiàn)對電纜的精確識別與定位[1-2]。

金屬管線探測儀是目前應(yīng)用最廣泛的地下電纜路徑探測裝置，可通過檢測地面電磁信號的強弱變化確定電纜具體位置，具有很高的準(zhǔn)確性，但管線探測儀只能實現(xiàn)對金屬管線的探測，且需要在管線離線狀態(tài)下注入足夠能量的脈沖信號，因此其應(yīng)用受到了限制[3-4]。隨著地質(zhì)勘測技術(shù)的發(fā)展，探地雷達(dá)憑借其探測目標(biāo)廣泛、高效性及無損探測等優(yōu)勢在工程質(zhì)量檢測、地質(zhì)勘探等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[5-6]。鑒于探地雷達(dá)的良好探測性能，研究人員開始將探地雷達(dá)應(yīng)用于電力系統(tǒng)中接地網(wǎng)等地下隱蔽工程的缺陷無損檢測[7-8]。廖旭濤等[9]根據(jù)不同填埋介質(zhì)下的地下管道對電磁波的反射規(guī)律不同，通過建立FDTD正演模型對不同條件下的探測結(jié)果進(jìn)行正演計算分析，得到了電磁回波的頻率分布規(guī)律，但該研究主要以PVC管為研究對象，缺少對其他屬性介質(zhì)的分析；張軍偉[10]在GPRMax2D正演模擬原理的基礎(chǔ)上，通過正演數(shù)值模擬和工程探測實例分析對地下隱蔽管線的屬性、埋深、管線缺陷等進(jìn)行了精細(xì)化探測，并建立了管線正演模擬合成圖庫來指導(dǎo)實際探測圖像的解釋工作，提高了對地層管線的解釋精度，但文獻(xiàn)中主要以充水管線為研究主體，探測結(jié)果的分析也主要根據(jù)水含量對電磁波的影響來判斷管線的狀態(tài)，實驗條件過于單一與苛刻；張鵬等[11]研究了在不同探地雷達(dá)參數(shù)設(shè)置條件下的地下管線的圖像特征，通過圖譜規(guī)律分析總結(jié)了不同條件下地下管線的圖像識別規(guī)律，明確了探測對象的典型特征，提高了對探測圖像解釋的合理性；吳春喜等[12]提出了通過對比電纜在通電與斷電兩種狀態(tài)下的探測圖像來識別電纜，但探測過程中需要多次改變電纜的運行狀態(tài)才能達(dá)到探測與識別的目的，因此并不適合于實際應(yīng)用。

本文以探地雷達(dá)法為基礎(chǔ)，分析了地下帶電電纜在其周圍空間輻射的電磁場的特性，研究了在外界電磁波輻射下地下不同屬性介質(zhì)對電磁波的反射特點，以期實現(xiàn)對地下電纜的精確探測與準(zhǔn)確識別,對維護(hù)電纜的安全運行具有實際意義。

1 探地雷達(dá)基本介紹及正演圖像分析

探地雷達(dá)是以高頻電磁波為媒質(zhì)，通過分析電磁波在地下介質(zhì)上的回波特性實現(xiàn)對地下介質(zhì)的探測與定位[13-14]。探地雷達(dá)工作時，電磁波在地層中的傳播時長為:

(1)

則地層介質(zhì)的埋深計算公式為:

(2)

式中:h為介質(zhì)的埋深,v為電磁波在地層中的波速,x為探地雷達(dá)收發(fā)天線間的距離。

由于電磁波在不同介質(zhì)中的傳播速度與傳播介質(zhì)的物理屬性有關(guān)，其中相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率對波速的大小起主導(dǎo)作用,而在實際工程勘查和野外探測中，以低損耗傳播介質(zhì)為主，因此可以忽略電導(dǎo)率的影響。電磁波的波速v可表示為:

(3)

式中：c為電磁波在真空中的速度，εr為相對介電常數(shù)。當(dāng)探地雷達(dá)收發(fā)天線間的距離滿足條件x?h時，則式(2)可簡化為:

(4)

目前對于探地雷達(dá)的圖像解釋主要是通過電磁波在地層中傳播的往返時間和地層特性定量計算介質(zhì)的埋深，根據(jù)不同介質(zhì)的圖像特征定性分析判斷介質(zhì)屬性，如表1所示為不同屬性介質(zhì)的探測圖像及解釋。

表1 不同介質(zhì)雷達(dá)探測圖像

2 電纜圖像形成原因分析

根據(jù)表2中不同介質(zhì)的探測圖像可以看出，帶電介質(zhì)與非帶電介質(zhì)的探測波形間區(qū)別明顯，電纜探測圖像尤為特殊。電纜探測圖像中電纜處的探測回波會多次反射并疊加，回波幅值較大且變化范圍廣，電磁波在電纜處會出現(xiàn)電磁振蕩，并向電纜下方空間延伸一定深度，形成這種特殊波形的原因與電纜結(jié)構(gòu)及電纜運行特性有關(guān)。

2.1 電纜結(jié)構(gòu)的介紹

目前城市配電網(wǎng)中常用的電纜為單芯結(jié)構(gòu)的XLPE電纜(圖1)，電纜本體由內(nèi)到外分別為導(dǎo)體層、導(dǎo)體屏蔽層、XLPE絕緣、絕緣屏蔽層、緩沖層、金屬護(hù)套層、熱熔膠層以及外護(hù)套層[15]。投運中的電纜的金屬屏蔽層以及金屬護(hù)套層需要通過小電阻接地，因此運行中的電纜所產(chǎn)生的工頻電場主要分布在導(dǎo)體層與金屬護(hù)套層之間，即電場屏蔽，同時由于地層土壤以及地面水泥及鋼筋等建筑材料對電纜電場具有很強的屏蔽作用，所以電纜所產(chǎn)生的工頻電場對電纜周圍空間產(chǎn)生的干擾非常小,但由于電纜本體的金屬護(hù)套層無法完全屏蔽電纜磁場，地層土壤對磁場的屏蔽效果也較差，因此對于帶電電纜可以只考慮其磁場對外界的影響。

圖1 電纜結(jié)構(gòu)示意Fig.1 The schematic diagram of cable structure

2.2 帶電電纜磁場特性分析

在單芯XLPE電纜配電網(wǎng)絡(luò)中，不同配電系統(tǒng)中電纜的排列方式不同，布線時既要考慮到節(jié)省布線空間，也需要降低電纜間電磁場的相互影響，保障供電系統(tǒng)的穩(wěn)定和電能質(zhì)量。單相系統(tǒng)中典型的電纜布線一般采用間隔平布方式，三相系統(tǒng)中除間隔平布方式外，還有典型的三角布線方式，利用磁場疊加的計算方法分析各排列方式下周圍空間的磁場輻射強度(圖2)[16-17]。

為計算不同布線方式下電纜磁場在周圍空間中的輻射影響，利用磁場疊加計算方式分別計算空間中各位置的磁場輻射強度。圖2a中，P點磁感應(yīng)強度矢量為:

(5)

圖2 電纜磁場輻射示意Fig.2 The schematic diagram of cable magnetic field radiation

合成的磁場強度幅值為:

(6)

式中：μm為磁導(dǎo)率，Im為電纜中的電流。當(dāng)P點離原點距離ρ≥2a時，即

(7)

則P點的最大合成場強可表示為:

(8)

對圖2b中所示的三相電纜間隔平布布線方式，采用磁場疊加方式可計算出其空間P點的磁場輻射強度為:

(9)

采用相同計算方式，圖2c中三角形電纜布局周圍空間P點的磁場輻射強度為:

(10)

為研究電纜磁場在地層中的傳播規(guī)律，以圖 2c所示三角形電纜布局為例，研究地下電纜在固定埋深下電纜上方磁場強度大小與距電纜不同垂直高度、不同水平距離間的變化規(guī)律，分析電纜磁場磁感應(yīng)強度在貼近電纜處(離電纜高度為0)以及離電纜高度分別為0.5、1.0、1.5 m的4個水平面內(nèi)的磁場強度變化，得到如圖3所示的磁場強度變化曲線。

圖3顯示地下電纜的三角形布線方式下的地面磁場強度隨著傳播距離的增加而減小，且隨著水平距離的增加同一高度平面內(nèi)的磁場強度都呈衰減趨勢，但在電纜正上方的磁場強度依然保持最大。從原理角度分析，既然帶電電纜會向周圍空間中輻射磁場，因此如果能確定出電纜輻射磁場與電纜電流間的對應(yīng)關(guān)系，就可以實現(xiàn)對地下電纜的探測與識別。但考慮到電纜輻射磁場的強度與電流間對應(yīng)關(guān)系是非常復(fù)雜的，同時磁場強度受到電纜的結(jié)構(gòu)、檢測點位置及電纜周圍空間的其他噪聲信號等因素的影響，所以要通過利用磁場強度與電纜電流的準(zhǔn)確關(guān)系實現(xiàn)對地下電纜位置的確定具有很大難度。

2.3 探地雷達(dá)作用下電纜的磁場效應(yīng)

大地為非鐵磁性、線性、各向同性的有損媒質(zhì)，如圖4所示為探地雷達(dá)電磁波輻射電纜示意，圖中Et、Ht分別為投射波的電場、磁場分量；E0、H0分別為入射波的的電場、磁場分量；ki、kt分別為入射波和透射波矢量；α、Φ、Ψ分別為入射波極化角、方位角和俯仰角；Ψt為透射波傳輸角；σg為土壤的電導(dǎo)率；h為電纜埋深[18]。

為研究外場電磁波信號對地下電纜的地磁作用，在分析電場在地層中的傳播規(guī)律后，可根據(jù)電場與磁場間的關(guān)系得到磁場在地層中的傳播規(guī)律。由圖4可知[19]，Ev=E0cosα，Eh=E0sinα，沿x軸地下h米深度的電場為:

(11)

其中

E0=(EvTvsinψtcosφ+EhThsinφ)e-kghsin ψt，

(12)

圖3 電纜磁場強度分布規(guī)律Fig.3 The distribution curve of cable magnetic field strength

圖4 探地雷達(dá)電磁波輻射電纜示意Fig.4 The schematic diagram of GPR electromagnetic wave radiation cable

(13)

式中η為地層土壤的波阻抗，因此在探地雷達(dá)電磁波輻射下，地下電纜周圍會形成一定強度的電場和磁場。圖5所示為探地雷達(dá)電磁波輻射下典型金屬、非金屬介質(zhì)以及普通電線與電纜的單道波形。

圖5 典型介質(zhì)的探測單道波形示意Fig.5 The single channel waveform of a typical medium

如圖5所示，由于地層有損介質(zhì)對高頻電磁波的衰減作用，同時部分非金屬介質(zhì)對電磁波有吸收作用，因此非金屬的反射波幅值較??；而金屬對電磁波的反射近乎于全反射，因此金屬的電磁反射波幅值明顯高于非金屬，且電磁波主要集中于金屬介質(zhì)位置處；與金屬與非金屬的波形圖相比，由于輸電線路中電流產(chǎn)生的磁場與探地雷達(dá)發(fā)射的高頻電磁波相互疊加，磁場效應(yīng)不斷增強，因此輸電線路的探測波形幅值明顯增加且在輸電線周圍存在振蕩現(xiàn)象，由圖5c和圖5d可以看出，電纜的波形幅值變化范圍更大、電磁波的振蕩影響范圍更廣，形成了表1中所示的帶電電纜的特殊探測波形，因此以表1中的帶電電纜探測波形為判斷依據(jù)實現(xiàn)對地下電纜的探測與識別，具備一定的理論依據(jù)與可靠性。

3 工程應(yīng)用案例分析

為降低電磁波信號在空氣中的衰減，減小直達(dá)波信號對接收天線接收地層介質(zhì)反射波信號的影響，以200 MHz的電磁波為探測媒質(zhì)，實驗時將信號發(fā)射天線和接收天線與地面完全貼合。圖6所示為在某小區(qū)內(nèi)的現(xiàn)場探測圖。該小區(qū)根據(jù)規(guī)劃將實施“三供一業(yè)”改造工程，為避免施工中對地下設(shè)施造成損壞，保障小區(qū)居民的正常生活，施工前需要確定各類地下管線的位置。

圖6 小區(qū)現(xiàn)場探測圖Fig.6 The detection site map of the cell

圖7a所示為小區(qū)區(qū)域Ⅰ的探地雷達(dá)圖像，圖中所示有5處波形異常點，其中A、B兩點探測波形與C、D、E三處的波形區(qū)別明顯，局部能量較強，與表1中所示的帶電電纜的實驗波形相同，可以確定該處地層中鋪設(shè)有電纜；C、D兩處波形強度與表1中的非金屬花崗巖波形相似，可以判斷其對應(yīng)的地層介質(zhì)為非金屬異狀體；E處的波形能量較強，與金屬管探測波形相似，因此判斷該處地層中鋪設(shè)有金屬管或其他對電磁波反射系數(shù)較高的金屬介質(zhì)。

由于在探地雷達(dá)高頻電磁波輻射下帶電電纜的探測波形與非帶電介質(zhì)的探測波形區(qū)別很大，辨識度高，因此能夠?qū)㈦娎|探測波形作為探測與識別地層電纜的主要判斷依據(jù)。圖7b為提取的A點單道波形圖，可以看出A處介質(zhì)回波幅值明顯增大，且回波存在明顯的大幅度振蕩并向下延伸的現(xiàn)象，與前文分析結(jié)果一致。對A點對應(yīng)位置進(jìn)行開挖驗證(圖8)，可以看出此處有4條電纜以及1條非金屬管。開挖驗證結(jié)果再次驗證了通過探地雷達(dá)圖像判斷地層介質(zhì)的有效性和準(zhǔn)確性。

圖9a所示為區(qū)域Ⅱ的探地雷達(dá)圖像。通過與表1中的波形對比可知，圖中A、B、F三處為金屬管探測波形，由于金屬管本身不帶電，無法產(chǎn)生與外場輻照的電磁波相互作用的電磁場，且金屬管會完全反射外場輻射的電磁波，因此金屬反射波局部能量較強、波形尖銳，且電磁波不會輻射到金屬管下方空間，不會在金屬管下方空間內(nèi)形成電磁波的重復(fù)反射；C、D、E三處波形較淺，可能原因是因為這三處目標(biāo)介質(zhì)對電磁波的反射能力較弱，部分電磁波信號甚至被目標(biāo)介質(zhì)吸收，初步判斷為地層中的石頭等對電磁波反射能力較弱的非金屬介質(zhì)。

圖7 區(qū)域一的帶電電纜探測波形Fig.7 The detection waveform of power cable of survey area 1

圖8 區(qū)域一現(xiàn)場開挖驗證Fig.8 The verification diagram of site excavationof survey area 1

分別提取圖中D、F兩點的單道波形圖如圖9b、c所示，可以看出在探地雷達(dá)高頻電磁波輻射下，兩處的介質(zhì)回波主要集中于介質(zhì)所在位置，D點回波振幅衰減幅度較大，明顯低于F點的回波振幅，且回波中均未出現(xiàn)電磁波的振蕩現(xiàn)象，因此可以確定D點與F點對應(yīng)的地層介質(zhì)分別為非金屬與金屬介質(zhì)，證明了地下電纜與金屬和非金屬探測波形間的明顯區(qū)別和高辨識度。

圖9 區(qū)域二非帶電介質(zhì)探測波形Fig.9 The detection waveform of non-charged medium of survey area 1

4 結(jié)論

本文通過正演實驗研究了帶電電纜與非帶電介質(zhì)在探地雷達(dá)作用下的波形特性，根據(jù)磁場疊加原理，從磁場角度分析了帶電電纜探測波形的形成原因及其特殊性，提出了基于探地雷達(dá)對地下電纜成像的探測與識別技術(shù)，并通過實際探測與現(xiàn)場開挖等方式對該方法進(jìn)行了驗證，得到以下結(jié)論：

1) 在地下電纜埋深固定時，帶電電纜向周圍空間中輻射的磁場強度隨著與電纜距離的增加而逐漸減小，且在同一高度平面內(nèi)，磁場強度隨著偏移中心距離的增加而呈衰減趨勢。

2) 在探地雷達(dá)高頻電磁波輻射下，由于高頻電磁波與電纜產(chǎn)生的工頻磁場的相互作用，導(dǎo)致電纜的反射波信號與高頻磁場相互疊加震蕩而形成了一種極為特殊的反射波形，該反射波形與金屬和非金屬的反射波形間區(qū)別明顯、辨識度高。

3) 將電纜在探地雷達(dá)高頻電磁波輻射下的特殊波形作為對地下帶電電纜探測與識別的判據(jù)具有可靠的理論依據(jù)與現(xiàn)實意義，利用該判據(jù)能夠達(dá)到快速、有效探測與識別地下電纜的目的，具有較高的準(zhǔn)確性與直觀性。但目前利用該依據(jù)只能實現(xiàn)識別電纜與其他金屬與非金屬介質(zhì)，無法判斷出電纜的數(shù)量及電壓等級，需要作進(jìn)一步研究。