基于三维磁场测量的海缆路由检测技术研究

葛军凯，张 磊，2，徐蓓蓓，陈国东，梁尚清

（1.国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 316000；2.浙江舟山海洋输电研究院有限公司，浙江 舟山 316021 3.杭州量泓科技有限公司，杭州 310016）

0 引言

高压海底电缆是跨海电能传输的重要载体，随着我国海洋工程和岛屿建设不断增加，海底电缆的需求量逐年增加，其安全性是工业生产与人民生活的重要保障。在工程阶段已经采用了多种机械保护方式防止海底电缆受外力破坏。但这些保护方式并非一劳永逸，随着海洋水文、气候、地质环境的变化，海底电缆所处的机械保护状态也将发生变化，加上其长期面临的外力因素，海底电缆遭受外力破坏的风险依然存在[1-3]。2010年8 月的嵊泗县“8.10”大面积停电事故就是海缆遭船锚破环导致；事故发生后，由于海缆较长、探测技术和能力不足，给水下海缆故障定位和检修工作带来极大困难，使得查找故障时间和停电时间过长，整个县域近十万群众停电、限电时间长达12 天，社会影响极大。

目前，国内外开展海缆路由检测主要设备包括DP（动力定位船）[4]、观测型ROV（水下机器人）、作业型ROV[5]、TSS350 管线探测仪[6]、SCD-09 管线探测仪、全球星差GPS、多波束系统[7]、侧扫声呐系统[8]、USBL（超短基线）水下定位系统[9]等。从探测原理上区分，主要是利用声学和电磁法两类方法。声学方法用于海底电缆外部探测时，易于探测到海缆在裸露状态下的平面位置，且能反映出海缆细节信息；同时能够探测到海缆周围可能存在的不利影响因素，便于评估海缆的安全运营状态。其缺点是难以探测到海缆在埋藏状态下的信息，平面定位数据在恶劣海况、大水深条件、较强温跃层等情况干扰下，容易产生较大误差[10]。

传统的电磁法是利用海洋磁力仪或搜索线圈探测海底电缆，由探测设备通过海缆正上方时产生的特征信号进行海缆定位。这种方法不受其埋设状态的限制，但受工作原理影响，传统的电磁法在探测时需要规划测线并进行S 型扫测。而扫测方式有以下两个明显缺点：

（1）探测到的海缆位置信息较少，由于每条测线之间的间隔不能太近（否则探测效率极低），且每条测线只能得到一个有效的海缆平面位置信息，因此得到的海缆路由平面图是通过散点连线形成，路由信息不够精确。

（2）对精确路由未知海域的海缆故障定位效率低下，受洋流影响，海缆的路由会逐渐偏移当初的预设路由，特别是发生锚损以后的海缆断点会随洋流摆动，原路由图基本失效。在这种情况下，传统的电磁法由于传感器必须通过海缆正上方才能定位，因此需要来回反复地进行S 型扫测才能确定断点位置，探测效率较低，不利于故障发生后的抢修。

针对现有设备的缺点，本文提出一种基于三维磁场探测的海底电缆路由检测技术，该检测技术只需在海缆附近即可实时获得海底电缆的多项参数，包括海缆平面GPS 坐标、与海缆的垂直距离、实时电流大小，实现海缆路由的连续定位测量并可为测量人员提供海缆与探测设备的实时相对位置信息，从而校正航行方向，提高检测效率。研究成果不但具有重要的理论研究意义和工程实用价值，而且具有广阔的应用前景和推广前景，将会产生巨大的经济和社会效益。

1 海缆磁场模型分析

1.1 海缆磁场分布理论

本文主要基于电流的磁效应原理，不同的电流分布将产生不同的磁场分布，利用高性能的矢量磁传感器采集磁场的三分量数据，获取海底电缆电流产生的磁场大小和方向信息，计算海缆与磁传感器的相对位置与距离，从而对海缆GPS 坐标进行精确定位。因此，为了获得磁传感器与海缆的相对位置信息，首先需要对海底电缆的磁场模型进行分析，研究其产生的磁场特性；其次，针对电缆产生的磁场特性，需要研究如何通过地磁场和干扰场背景下的磁场数据，对海缆坐标点进行精确定位的目标识别算法。

海底电缆在检测中可近似看成一根通电长直导线，根据毕奥-萨伐尔定律[11]，通电长直导线在空间某点产生的磁感应强度可表示为：

式中：μ0表示真空磁导率；I 表示导线中的电流大小；R 表示空间某点到长直导线的距离；θ1和θ2分别为空间某点至导线两端的连线与导线之间的夹角大小。

在海底电缆检测项目中，海底电缆模型可近似看成无限长的通电直导线，因此，公式（1）可进一步简化为：

从公式（2）可以看出，通过测量磁感应强度B 和距离R，就可以得到电流I 的大小。实际上在海底电缆检测中，并不需要对电流I 进行精确测量，而是通过测量到海缆产生磁场在三轴方向上的分量大小与方向，精确判断海缆的GPS 位置。由于距离R 的变化在实际测量过程中，属于慢变量，受海底电缆铺设工艺的要求，几乎不存在突变的情况，因此，根据探测到的磁感应强度B 的方向变化情况，可以确认海缆方向发生了变化。

1.2 海缆周围磁场分布仿真分析

为了获得磁传感器与海底电缆的相对位置信息，首先需要对海底电缆的磁场模型进行分析，研究其产生的磁场特性情况。利用ANSYS 有限元仿真软件对海底电缆三相输电线进行建模分析，其磁场分布如图1 所示，显示海缆磁场符合右手螺旋定则。

图1 三相海底电缆磁场仿真分布云图

因测试过程中设备运行在海平面上，仿真结果中同一高度上的磁场变化如图2 所示，横坐标为相对位置，纵坐标为磁感应强度。可以看到，每一相海缆的正上方出现磁场最大值，所以，若想分辨出海底电缆中的三相线，实际结果中同样应该有三次峰值出现，每一相线的磁场方向为围绕在输电线周围的环形方向，根据不同位置测到的三轴矢量磁场，并结合GPS 数据。即可计算得到海底电缆的走向与海缆GPS 坐标点位置。

图2 磁场仿真同一高度磁场变化

2 三维交变磁场探测系统与检测算法

2.1 探测系统组成

目前，利用磁场探测海缆的设备主要有美国Geometrics 公司生产的G882 型铯光泵磁力仪、英国TSS 公司生产的海底电缆追踪系统TSS350系统等，但是这些设备因只能探测到海缆路由的一系列节点位置，不能反映出连续完整的位置及走向。针对舟山110 kV 海底电缆已研制出一套探测设备样机，设备样机主要包括四部分：磁传感器、惯导系统模块、GPS 定位设备、数据处理软件，设备实物如图3 所示。

图3 海底电缆探测设备

本系统基于此探测设备研发出探测海底电缆各项参数的一套算法程序，探测最大水深50 m，距海缆两侧最大水平距离达100 m，与运行海缆电压等级无关。可测参数包括：海缆平面GPS 坐标、与海缆的垂直距离、实时电流大小，并可以绘制出海缆的路由图，软件界面如图4 所示，显示X，Y，Z 三轴以及总磁通量。

图4 海底电缆探测系统软件界面

2.2 检测算法

系统检测算法主要包括欧拉角旋转算法、滤波算法、FFT（快速傅里叶变换）算法、海缆路由坐标计算。原始数据包括三部分：400 Hz 的三轴磁场数据、200 Hz 的三轴旋转角数据、10 Hz 的GPS 数据，400 Hz 的磁场采样率足够还原50 Hz的磁场信号，三种数据采用并行方式进行传输，传输互不干扰。中间数据包括地理坐标系下的磁场数据、交流磁场幅值与相位，最终用户界面显示信息包括海缆走向、海缆相对传感器位置方向、海缆位置坐标、高度、电流大小以及海缆的路由图，系统流程如图5 所示。软件运行环境为NI（美国国家仪器公司）研制开发的LabView 开发环境，下面将对每个算法模块以及数据处理方式进行详细介绍。

图5 系统流程

（1）欧拉角旋转算法

传感器在海平面以拖曳方式进行运动，运动过程中磁传感器的三个坐标轴方向不断发生改变，所以需要使用陀螺仪模块测量传感器不断转动的角度值，利用欧拉角度旋转算法，将磁传感器探测的三轴磁场值变换至地理坐标系下[12]，即为海底电缆中由电流产生的真实磁场数据。

（2）滤波算法

海底电缆中为50 Hz 工频交流电，所以产生的磁场频率同样为50 Hz，但是外界环境中会存在地磁场、其他固定磁场的干扰。除此之外，最主要的信号干扰为磁传感器运动过程中产生的与转动频率相同的磁场信号，这些干扰信号都为直流信号或者小于15 Hz 的低频交流信号，为滤除这些干扰信号以及50 Hz 产生的倍频信号，这里使用数字带通滤波器滤除这些无用磁场信号，可以得到相对干净的50 Hz 数据，为后面的FFT 算法提供可靠的数据来源。

（3）FFT 算法

计算海缆的走向角度以及传感器与海缆的相对位置、距离，需要使用海底电缆50 Hz 磁场信号的幅值与相位信息。信号经过FFT 后，得到的结果是复数，具有虚部和实部，对实部和虚部的平方和求平方根就是幅值，对实部和虚部的比求反正切得到相位[13]。

（4）海缆路由坐标计算

海缆路由坐标计算涉及到的海底电缆的参数包括海缆路由坐标、海缆高度、海缆实时电流大小[14-15]，经过FFT 计算得到磁场信号的幅值与相位信息后，结合GPS 设备的定位信息，根据海缆的距离与角度信息，利用GPS 定位解算算法，可以计算得到一系列参数信息。

3 海缆路由检测试验

针对海缆磁场检测的特点，在舟山地区比对横切海缆航行、S 形航行和沿缆航行三种检测方式的测量效果。

3.1 横切海缆航行方式与S 形航行方式

横切航行方式与S 形航行类似，是传统电磁法常用的航行方法。这种方法将每个磁场特征信号（图6 中为磁场峰值）对应的GPS 点进行提取组合，从而可以得到海缆路由中某一点的位置信息，再将每个点进行连线，形成海缆路由图。图6中，从上往下四个显示窗口依次代表了海缆在正南方向、正北方向、垂直方向和地磁方向上产生的磁场信号。每个大包络代表探测设备穿过海缆时探测到的磁场信号，每个大包络中包含的三个小包络分别代表海缆分开的三相线上的某点。由此可见，这两种航行方式可以分辨海缆的三相线，但海缆位置信息较少，检测效率较低。

3.2 沿缆航行方式

沿缆航行无需经过海缆正上方，通过算法结合三维磁场数据计算海缆路由走向，如图7 所示。算法需要处理的数据量非常大，得到的海缆GPS 定位信息较多，路由走向较精确，检测效率较高，但无法分辨海缆的三相线。

3.3 数据对比

图8 为两种不同航行方式的数据对比。原始路由图为海缆铺设初期，采用横切航行或S 型航行方式获得海缆路由图，从图中可以看出，每条海缆的路由只用了为数不多的几个点进行绘制，更加精确的路由信息无法得知。而沿缆航行探测路由方法采用了三维磁场测量数据进行路由计算，图中虽然只描绘了单相海缆的路由情况，但对单根海缆磁场数据采集量大，对海缆路由的绘制更为精确、细致。同时，在试验过程中，沿缆航行的方式比另外两种航行方式的探测时间更短，探测效率更高。

图6 横切航行三轴磁场（上）与S 形航行磁场（下）

图7 沿缆航行磁场

4 结语

图8 原始路由图（上）和沿缆航行探测路由图（下）

通过海上试验对3 种航行方式进行测试比对，发现横切航行方式和S 形航向方式能够精确分辨海缆三相线，得到其大致路由走向；沿缆航行方式因切割海缆次数较少，所以无法分辨海缆三相线，但通过路由算法能够精确得到海缆的路由走向。由以上分析得到，海缆探测的最优航行方式为：多次切割海缆并沿缆航行的小S 形航行方式，既可以分辨出海缆三相线，又能得到海缆的精确路由走向。同时，利用三维磁场测量方法完成海缆相对位置信息的实时测量，为航行方向提供实时矫正信息，缩短检测时间，提高检测效率。通过本文的研究，构建了利用三维磁场信息进行海缆检测的技术方法，通过对检测方式的比对试验，为后续海缆路由定位、故障精确定位等技术的推广提供了理论参考。