基于路径探测的电缆运行状态判断策略

兰 宇，张 峥，吴绍卿

(国网天津城南公司，天津 300201)

0 引 言

随着城市基础设施建设的不断发展和用电需求的不断增加，城市配电网的规模不断扩大。且出于城市市容美化等原因，原有的架空线路逐渐被地下电缆所取代[1]。同时，针对城市发展的需要，许多原有的电缆线路进行了迁改，有些电缆因不方便抽出等原因留在了原处。由于天津地区的10 kV电缆多采取直埋的敷设方式，在电缆本体上一般没有标牌，而在工程施工现场中经常会遇到一段不明电缆的情况，此时则必须对电缆是否处于运行状态进行判断，若电缆为在运状态，则需要对其采取保护措施或进行切改；若电缆为废弃电缆，则可以照常进行施工。 一般情况下，判别电缆是否为在运状态，可通过检测电缆上是否流过50 Hz的工频电流来判断。当电缆中有电流时，就会沿运行电缆产生交变磁场，通过检测交变的磁场信号，就能判断电缆的运行状态。但由于10 kV电力电缆多为三芯统包型结构，在负荷平衡的情况下，各相之间的电流矢量相互抵消，即使电缆处于在运状态，电缆中三相线芯流过的电流矢量和也为零，因此用钳形电流表或电缆识别仪直接卡在电缆的护套外来判断电缆是否带电并不是十分准确[2]。此外，如果运行电缆有电压，无负载时，电缆上无电流流过，这时就检测不到磁场，极容易产生误判。如果电缆没有运行，但是这条电缆和其它运行电缆有并行的情况下，就会有感应电流产生，同时感应电流也会有磁场产生，也会使检测人员误判。

针对电缆是否为带电状态的判别已有一些研究。文献[3]提出一种工频感应法，利用绕制在矽钢片上的感应线圈感应工频交流电信号来判断电流中是否有电流流过，适用于开挖现场情况较简单的场合，多条线路平行敷设较拥挤时，因相邻电缆间的工频信号相互感应很容易导致误判。文献[4]提出一种外加电流检测法，在电缆一端的线芯上施加一定的电压，在工作点测量流过电缆的电流值来进行判断，但此方法需找到不明电缆的终端。文献[5]研制出基于音频法、交流电流法、直流电流法三种原理的电缆带电识别仪，但主要适用于变电站内二次电缆的识别判断。文献[6]提出一种基于拉曼散射测温系统的电缆状态监测方法，但该方法受现场环境温度影响较大，不具备一般适用性。

可以看出上述研究成果的适用场景较为有限，在环境较为复杂的工程现场可行性较低。而若想准确判断电缆是否带电，需要找到该段电缆的终端并对其进行验电。因此提出一种基于路径探测的电缆运行状态判断策略。该策略首先基于路径测寻的原理和方法，利用电缆路径探测仪对电缆路径进行探测并最终找到电缆终端，通过检测电缆终端的状态对电缆是否处于运行状态进行判断。文章首先介绍了电缆路径探测的原理及方法，随后介绍了电缆运行状态判别策略的流程，最后用实际案例证明了所提策略的合理性与有效性。

1 电缆路径探测的原理及方法

1.1 路径探测原理

目前电缆路径探测的主要方法大致有电磁法、直流电法、地震波法、放射性跟踪法和地质雷达等，其中电磁法因探测准确度高、抗干扰能力强、适用范围广、操作简便、成本低、效率高而最常用。其基本原理是电磁感应，通过发射机施加某种频率交变的电流或磁场至被测电缆，使之产生电磁场，用接收机在地面上测量其强度及分布便可确定被测电缆的位置和埋深[7]。

专用发射机将一定频率的信号电流施加(直连或感应)于待测电缆，使其周围空间产生如图1所示的电磁场，磁场强度H与施加电流I的关系如式(1)所示。

图1 电缆周围磁场分布

(1)

式中：λ为场强系数；r为电缆周围任意一点S距电流中心O的距离；Hx、Hz分别为H的水平、垂直分量。

用接收机在地面上测量H及其分布便可确定被测电缆的位置和埋深，实现其定位。

1.2 路径探测方法

电磁法路径探测主要包括探测信号发射和路径探测两个步骤。

1.2.1 探测信号发射

探测信号发射主要有直连法、卡钳耦合法和辐射感应法三种。其中直连法效果最好，需将信号发射机的输出线直接接到电缆线芯上，并将信号直接注入。由于不明电缆外层有护套，无法接触其金属线芯，因此一般可采用卡钳耦合法或辐射感应法。而辐射感应法的感应电流小于直连法和卡钳耦合法，尤其电缆埋深较深时效果较差，因此一般采用卡钳耦合法来发射探测信号。

卡钳耦合法发射信号的优点在于使用方便，无须和电缆进行电气连接，对电缆的正常运行不会产生任何影响，而且能够减少对其他电缆的感应；缺点在于耦合出的电流小于直连法，尤其是要求电缆两端必须接地良好，有些电缆不能满足此要求。

在使用卡钳耦合法发射探测信号时，接线方式如图2所示，发射机输出端接卡钳，将卡钳卡住电缆本体。卡钳耦合法发射信号的电路模型可以等效为变压器：卡钳的磁芯作为变压器磁芯，卡钳内部绕线为变压器的初级，线芯-大地回路等效为变压器的次级(单匝)，发射机提供初级电流，线芯-大地间耦合产生次级电流。耦合电流的大小与回路电阻(主要是两端的接地电阻)密切相关，电阻越小则电流越大，反之电阻越大电流越小，小到一定程度则无法进行正常探测。

图2 卡钳耦合法示意图

1.2.2 路径探测

目前较为常用的路径探测方法是使用接收机内置线圈感应法。接收机无需接任何外部附件传感器，只需将接收频率调至与发射机发射的信号频率一致。当接收机接近电缆上方时，屏幕中央的罗盘能直观显示接收机下方的电缆位置，屏幕中央的箭头指向电缆。观察箭头方向，如果箭头向右，则表示电缆在右边，应该向右移动，反之向左。当箭头变为圆点，而且左右稍微移动，箭头即会反向，接收机即在电缆的正上方。过程如图3所示，当左右移动接收机时箭头方向也随之改变，证明此时电缆在正下方。

图3 路径探测示意图

由于电缆在敷设时不一定是一直沿直线敷设，且敷设深度受现场环境因素影响也可能会有变化，因此有时会遇到在某一位置接收机接收到的信号突然减小的情况，一般是电缆路径的方向或深度发生了变化或已到达电缆的末端。此时可提高增益，并以信号衰减点为圆心，以1～2 m为半径，划圆搜索目标电缆的信号。若能重新接收到信号则继续沿路径测寻，若接收不到信号则可以怀疑已测寻到电缆末端。

2 电缆运行状态判别策略

在遇到一段不明电缆后，若想准确判断电缆是否处于运行状态需要找到该段电缆的终端，首要考虑的是查阅图纸找出所有路径经过此处的所有电缆资料。

若有对应的图纸资料便可据此找到对应的开关柜间隔，通过倒路将该段线路停电，再利用电缆识别仪对电缆进行唯一性鉴别；若判断工程现场的电缆为该开关间隔下口引出的电缆，则证明不明电缆处于运行状态，若不是该开关间隔引出的电缆，则继续查阅图纸资料查看是否还有其他可能对应的电缆段。

若没有查阅到与现场对应的图纸资料，则需要通过路径仪测寻该段电缆的路径，寻找终端所处的位置。若终端位于开关柜电缆室内，则后续流程与有对应图纸资料的情况相同；若终端不在开关柜间隔内(一般位于缆沟内或地下土壤里)，需用验电器先对其进行验电，在确认无电后再利用电缆识别仪来判断该终端是否与施工现场的电缆相对应，若为同一根电缆则证明工程现场发现的不明电缆为废弃电缆。

电缆运行状态判别策略的流程图如图4所示。

图4 电缆运行状态判别流程图

3 案例分析

2020年4月16日，天津市河西区围堤道与马场道交口地铁11号线施工现场挖出不明电缆，由于电缆所处位置横穿地铁施工的作业现场，已影响地铁的正常施工，需要判断电缆是否处于在运状态以便对其做进一步处理。

通过观察电缆的外观、直径等参数推断该电缆应为10 kV电缆，线芯横截面积应为240 mm2。由于现存的图纸资料上没有与施工现场电缆对应的存档，无法直接通过图纸资料判断电缆是否为在运电缆，需通过检测进行进一步判断。

首先将路径仪的接收机调至工频50 Hz放置在电缆护套上方来进行初步判断，接收机接收到的50 Hz 信号增益极低，初步判断电缆不带电。随后将路径仪发射机的卡钳卡在现场发现的电缆本体上，设定发射机的输出频率后将接收机调整到对应频率，随后沿着接收机面板上箭头所指方向左右移动来确定电缆的路径走向。

在测寻信号的过程中发现接收到信号的增益消失点一端位于施工地点附近的便道，另一端位于附近一所医院院内的配电站房中，且在信号消失点附近再未发现信号增益较大的路径。进入配电站房后，在电缆沟内发现了一根外观直径、护套类型十分相似的电缆，在用验电器验电后确认无电，随后用电缆识别仪进行电缆唯一性鉴别，确认工程现场发现的不明电缆为废弃电缆，随后地铁施工方在采取安全措施的前提下将电缆锯断，工程得以顺利进行。

4 结 语

为了准确判别工程现场发现的不明电缆是否处于运行状态，提出了一种基于电缆路径探测的判断策略，解决了三芯统包电缆无法采用钳形电流表直接判别电缆是否带电的问题。该策略可为运维检修人员判断不明电缆的运行状态提供思路和技术路线，为实际工作提供理论指导。同时由于现场实际情况复杂，在实际处理时可基于该策略的思路及判别原理针对具体情况选用合适的仪器设备进行判别。