带电运行电缆路径识别的应用研究

纪礼君 王恂 秦贞良

国网上海市北供电公司

引言

随着城市地下综合管廊的持续推进以及上海地区架空线落地工程的逐步实施，地下电缆供电将是上海等特大城市的发展趋势，电力电缆的数量和总长度将不断增加，其供电可靠性和安全性也显得越来越重要。在架空线入地及电缆搬迁改接普查等作业中，电缆识别是非常重要的环节，必须正确无误，否则将直接影响人身和设备的安全[1-3]。目前识别电缆常用的方法为音频信号法以及脉冲信号法，其主要是针对停电条件下加信号的路径寻径方法。然而，在实际作业中，许多待识别的电缆是带电运行的，对于带电电缆不能够完全满足识别需求，因此，如何快速准确的进行带电电缆的识别一直是电缆一线工作人员迫切需要解决的难题[4-7]。

1 停电电缆常用识别方法

一般而言，识别电力电缆首先要将电力电缆图纸与现场地理位置进行核对。通常在图纸上标注清楚电缆和接头位置的具体尺寸，并在现场按图上建筑物边线等测量参考点为基准，实地进行测量和核对，可以初步判断是否为所要识别的电缆[3,8]。然后再借助仪器设备，通过设备对电缆线路做进一步准确识别。常用识别方法有以下几种方法。

1.1 音频信号识别法

该方法为实际现场作业常用的方法，市北公司目前常用的为QF-2系列的电缆路径识别仪，操作流程上即在待识别的电力电缆上接入音频信号，通过电磁转为易听到的音频信号，通过感应线圈和耳机在现场收听信号，从而完成电力电缆的识别[9]。

当信号源开机后，会向待识别的电缆发出1kHz或10kHz特定频率的电流信号，接收这个音频磁场信号的为一个感应探测线圈，通过耳机能够听到持续性或间歇性的“嘟嘟……”声，同时显示器指针会出现有规律的摆动。当感应线圈围绕待识别电缆晃动时，显示器指针会有明显的变动，同时耳机中声音会出现显著的强弱变化。通过此种方法，使人耳或眼睛识别出信号，从而能够确定待识别电缆。

1.2 1号法

采用脉冲电流信号法，其由脉冲信号电流发生器、夹钳线圈和指示仪等组成。脉冲信号法测量示意图如图1所示，由图可以看出，脉冲信号电流发生器发出可调脉冲电流输入至电力电缆，该脉冲电流在待识别电缆周围产生脉冲磁场，当夹钳线圈夹到有脉冲电流的电缆时，将信号传输到指示仪。指示仪根据电缆导体与金属护套返回的电缆的差值显示指针方向，从而确定是否为待识别电缆[3-4]。

图1 脉冲信号法示意图

在实际作业中发现，目前使用比较流行的几类电缆路径仪主要是针对停电条件下完成上述工作，对运行带电电缆尚不能满足识别需求。在临近电缆工频强干扰等极端条件下，往往会导致电缆误判；在作业条件恶劣的工况下，难以进行信号的拾取工作，这给电缆架空线落地、检修等施工以及普查工作带来了极大的安全风险，影响了工作效率。此外，对于上海市北地区，由于历史原因，存在油纸与交联电缆混合、铜芯电缆与铝芯电缆混联、直埋非开挖等多种敷设方式并存的情况，传统的电缆识别仪存在识别距离近、信号不稳定，难以正确、快速的判断结果等各种问题，已成为影响电缆日常工作的重要因素。因此，研发一款能够应用于带电运行电缆识别的仪器成为电缆迁改以及架空线落地等工程中急需解决的问题[2,4]。

2 运行带电电缆识别技术理论

2.1 双调制波发射技术

通过上述分析，可以看到目前常用的电缆识别仪的缺点和不足。因此，本文采用双调制波发射技术，发射端利用电磁感应原理将发射信号耦合到电缆的金属铠甲上，然后由接收传感器在运行电缆上进行信号采集，通过对耦合信号不同相位的鉴别实现对带电运行电缆的识别[10-12]。其中，所谓双调制波发射技术也即将具有不同频率、幅值相同的两个正弦波信号进行叠加，产生正相和反相截然不同的两个周期信号，基于该信号便能对待识别的电缆进行分析和识别[13-18]。为了更好分析原理可行性，采取了基于Matlab软件的实验仿真，选用了0.8kHz和1.2kHz的两个正弦波信号进行合成，其正相及反相合成波形如图2和图3所示。

图2 正相时800Hz和1.2kHz波形及合成波形

图3 反相时800Hz和1.2kHz波形及合成波形

2.2 信号相位分析

由图2和图3可以看出，合成后的波形为一个周期波形，为了客观的定量分析，在此对上述发射信号及合成波形提取一个周期来进行快速傅氏变换（也即FFT），800Hz和1200Hz的相位分别记为和。根据相位公式可以得到800Hz信号位于峰值时（即其相位）1.2kHz信号相位。而无论和如何采样，两者始终会保持一定的关系[15,16]。其匹配时合成后的波形为一个规律周期的波形，如图4所示，通过进一步的相位分析可以得到式（1）所示的四个关系表达式。

反之，如果电缆不匹配，则检测到的信号图形如图5所示，通过进一步相位分析，可得到式2所示的四个关系表达式。

图4 匹配信号时的合成波形

图5 不匹配信号时的合成波形

2.3 总体设计方案

通过上述理论分析，可知其匹配时合成后的波形为一个规律周期波形，由发射装置发出的双调制波正弦信号通过发射耦合嵌感应到运行电缆的铠甲上，同时采用接收互感器将待识别的电缆中的双调制波信号提取出来，并对两者的相位做一定的算法处理。需要注意的是，在电缆识别工作前应要对发射耦合钳及接收互感器进行方向标定及校验，在电缆检测时两者必须严格保持与标定方向一致，只有这样才能保证最后得出的信号方向是正确的。

另外，在识别待测电缆时，对于电缆发射信号干扰最大的主要是工频信号（也即50Hz正弦信号），因此在设计中也考虑到此项影响因素，采用带通滤波器滤去主要干扰频率产生的信号。在实际设计中，还考虑到针对远距离电缆识别，存在信号衰减现象，在接收互感器中得到的信号可能达不到正常要求，因此还需要在输出端加上放大器，其放大增益也应根据信号强弱进行自动控制，这里采用了基于DSP对信号进行频谱分析及自动控制增益，此外对于相位判断，还需要采用软件编程控制来实现辅助识别及界面友好功能，基于以上几个因素，最终设计出整体方案如图6所示。

图6 系统整体设计框架

2.4 最终设计实物图

通过以上理论分析和总体方案设计，联系恒泰电气生产厂家，经过现场反复调制测试，最终生产出了DL3301LQ电缆识别仪，如图7所示。本套仪器主要由发射部分和接收器两大部分组成，其融合了目前流行的数字信号处理技术(DSP)和功能强大的软件控制技术，具有许多独特的性能优点，是一款基于双调制波信号理论的电缆识别仪，能够对单芯运行带电电缆、多芯运行带电电缆进行识别。

图7 DL3301LQ电缆识别仪实物图

3 实际应用

做好前期理论及总体方案设计工作后，作为运行维护单位，所设计的产品能够让其更好的服务于实际电缆工作。

3.1 操作流程

该装置进行电缆识别的基本操作流程如下：

（1）将发射机、接收机“开机”

（2）将发射耦合钳与发射机的脉冲端口进行连接

（3）将发射机与接收机切换到相对应模式

（4）将发射耦合钳卡在待测电缆上，发射耦合钳应为闭合状态（箭头方向指向电缆末端）

（5）将接收传感器与接收机端口进行连接，选择所需的工作模式，待发射机发射信号后，将接收传感器卡在待测电缆上（注意箭头方向指向始端，发射钳与接收传感器箭头方向为相对，且距离发射耦合钳0.5米以上，大于1米效果更佳）

（6）当强度稳定时，按下[标定]键进行标定。

（7）标定成功后，系统会自动保存标定值数据，此时，可直接将接收机和接收传感器置于待测电缆沟处进行电缆识别。

（8）确认电缆（见结果判定）

3.2 操作示意图

本装置采用方便、快捷的方法，待识别的电缆不需要做任何改动即可测试，且操作远离高压，非常安全，连线示意图如图8所示。但本方法要求电缆两端铠装的接地良好从而保证回路完整，如果接地断开则不会产生测试电流。另外，将卡钳卡住电缆本体时，应注意不能卡在接地线以上部分，如图9所示。

图8 操作连线示意图

图9 卡电缆本体示意图

3.3 结果判定及总结

电缆识别仪的最终结果判定参照表1。

结合本公司实际情况，以上海宝山普陀等地区2017年7月份运用此设备到2018年2月中旬为止，对市北电缆运检班组带电运行电缆识别数量进行了有关统计，如表2所示。

由表2可以得出，从2017年7月份到2018年2月中旬识别带电运行电缆成功率为100%，没有出现一起因电缆识别发生误判造成人员和设备损伤情况，保证电缆作业的“零事故”发生。该带电运行电缆识别装置满足复杂现场便携性、快速性等要求，达到了设计的预期目标。

表2 带电运行电缆识别统计表

4 结语

本文介绍了电力电缆几种常用停电识别方法，并分析其优缺点。引入了基于带电电缆路径装置的识别方案，通过仿真论证了双调制波技术电缆识别理论的可行性，与恒泰电气厂家合作研制出DL3301LQ电缆识别仪。通过现场电缆实际作业的试应用，验证了该设备的可行性和实用性。该设备具有极高的准确性及适应能力，能够进一步提高电力工程施工和电缆普查的安全和效率，为避免对待识别电缆的误判提供了极大帮助。