探地雷达技术在电力建设中的应用研究

耿宵慧,陈秋航

(1.国网襄阳供电公司樊城供电中心,湖北 襄阳 441000;2.重庆电力高等专科学校,重庆 400053)

2020年,我国在联合国大会上首次提出“碳中和”目标。习近平总书记也曾多次在重大国际会议上表明了我国对于实现“双碳”目标的决心。为了实现这一目标,势必需要电力行业在高速发展的同时,兼顾高质量发展,即在稳步提升发电、供电能力的同时,注重供电质量的保障和提升。在电力建设方面,2022年国家电网的投资90%以上集中在输变电电网方面。在2023年9月国家电网公司召开的“六精四化——绿色化”现场会上,国家电网公司提出在电网建设时,做到绿色设计、绿色施工。这一切都与数字化、智能化技术的应用密不可分。在输电线路施工和变电站建设中,地层情况的探测一直都是重中之重。以变电站为例,由于当前部分变电站投入运行时间较长,难免存在地层布线资料不准确,甚至缺失的现象。地层情况不明为改造开挖带来了诸多不便。考虑到盲目开挖的破坏性,故需要对该类场景的地层情况进行更精准、细致探测。

目前对地层介质和地下管线的探测并无定法。胡玉洋等[1]基于宁波市的轨道交通管线,总结了在非开挖管线中常见的探测方法,例如PCM+探测仪法、导向仪法、惯性陀螺仪法等。以陀螺仪法为例,虽然其探测精度高,但其无法识别电缆,且收费昂贵,市场价在3万元/断面左右。李小飞等[2]将AP-1和RD8000 2种地下管线探测仪应用到地下管线的探测当中,其埋深差可控制在5 cm以内,并可根据不同的地下介质确定各自的最佳探测频率。但该方式无法满足多种地下管线和介质并存的探测情况,且该方法无法自动识别地下介质的种类。张鹏等[3]提出了一种基于“三点定圆”的判断地下管线管径的新方法,并将探地雷达(ground penetrating radar,GPR)应用于工业园区的地下管线探测中,取得了较好的效果。文献[4]提出了一种区别于传统一维、二维成像方式的探地雷达系统,该系统通过三维成像方法定位地下介质具体的空间位置,并通过改进BP算法对成像和定位结果进行改进。但该方法仅对非带电体进行了实验,对于电缆等回波情况复杂的地下介质,该探测方法缺乏有效的探测验证实例。

探地雷达技术的起源可追溯到20世纪初。得益于分辨率高、组装方便、无须进行地下开挖(无损探测)等特点,目前探地雷达技术已经广泛应用于地质勘探、城市地下管线检测等领域,其对于避免各类施工中的管道误挖、避免工期延误、减少地陷事故的发生等具有重要意义。

目前,我国正处于兴建和改建变电站,以及建设特高压输电线路的高峰期,降本增效、避免无谓的施工延误和事故是重中之重。鉴于探地雷达技术便捷、无损的探测特点,本文提出将探地雷达运用到电力建设的场景中。本文以变电站、输电线路地下的主要介质作为探地雷达的探测对象进行分析,在探地雷达工作原理的基础上,选取2种主要的地下介质,分析了其灰度图和A-Scan图特征,并通过某变电站的实地探测,验证探地雷达进行地下介质探测的准确性。

1 探地雷达的工作原理

探地雷达作为当今地下探测的一种行之有效的手段,其工作原理如图1所示。通过配套的电脑主机上的探测软件可以设置不同的探测频率,并利用雷达发射机将设定好频率的高频电磁波经由发射天线发射。同时,利用电脑软件还可以设置采样间隔、增益系数等参数,以适应不同的探测场景。高频电磁波可以有效穿透地层到达介质表面,在遇到不同类型和不同地下位置的介质时,高频电磁波会产生不同形式的反射及散射。

图1 探地雷达工作原理图

接收天线接收到不同形状和振幅的散射波形后,便可结合不同的波形特征确定地下介质的种类及其埋深。

考虑到空气对高频电磁波具有一定的削弱作用,会影响探测精度,故探地雷达进行探测工作时,通常需要紧贴地面或是墙面。基于此,地下介质的深度可表示为

(1)

式中:t和v分别为电磁波在地层中的双向传播时间和传播速度;x为探地雷达收发天线间的距离。

电力建设中的探测场景通常为野外或者变电站,该类场景中的土壤、水泥的地表介质对电磁波的损耗较小,故电磁波的波速(v)可表示为

(2)

2 地下介质成像分析

2.1 常见电缆结构介绍

在电力建设中,相对于普通地下管线(水管等),地下电缆是极具代表性的地下管线类型。通常,按照电缆功能的不同,电缆可分为电力电缆、通信电缆和控制电缆,按其线芯数目不同,可分为单芯电缆和三芯电缆。常见的电缆结构差异对高频电磁波的反射差异并无实质性影响,故本文以常见的三芯电缆为例,对其结构及其对磁场的影响进行简要分析。电缆本体由内到外,分别为导体层、导体屏蔽层、绝缘层、绝缘屏蔽层、铜带屏蔽层、填充层、内衬层、钢丝铠套层及阻燃外护套层,如图2所示。通常地下电缆会被固定在电缆沟内,电缆沟上方会有水泥盖板。部分电缆会埋在土壤下方,由于混凝土和土壤对工频电场的屏蔽作用,在使用探地雷达对地下电缆进行探测时,仅需考虑带电电缆产生的磁场作用。

图2 三芯电缆结构示意图

2.2 电缆磁场效应分析

大地对电磁波仅考虑其产生的线性衰减作用,故在进行探测时,主要分析电磁波对电缆的探测效应。图3所示为探地雷达作用下的磁场效应。Et、Ht分别为投射波的电场、磁场分量;E0、H0分别为入射波的电场、磁场分量;ki、kt分别为入射波和透射波矢量;α、φ、ψ分别为入射波极化角、方位角和俯仰角;ψt为透射波传输角;σg为土壤的电导率;h为电缆埋深[5]。

图3 探地雷达电磁辐射电缆示意图

地下电缆对于外施电磁波具有反射作用,通过研究电缆的反射波形,即可得到其反射波的传播规律:

Ev=E0cosα

(3)

Eh=E0sinα

(4)

沿x轴地下h米深度的电场为

(5)

其中

E0=(EvTvsinφtcosφ+EhThsinφ)e-kghsinφt

(6)

则地下h米深度的磁场强度为

(7)

式中,η为土壤的波阻抗。在探地雷达电磁波辐射下,地下电缆周围会形成一定强度的电磁场,由于地下电缆的结构会形成电场屏蔽效应,故在实际探测过程中,电场的影响可忽略。

2.3 典型地下介质成像分析

考虑到变电站、输电线路等需要进行电力建设,以及改建工程地下环境的特性,本节选取花岗岩和电缆作为主要的研究对象,分别对其成像进行分析。

利用探地雷达对已确定位置的地下花岗岩和电缆进行探测分析,得到2种典型介质的灰度图(见图4)。灰度堆积图是以灰度来反映接收到的回波幅值信息的,然后再将收集到的各道回波信号按照采集顺序排列。根据探测设置的不同,可以生成地下介质的灰度图、彩色堆积图。

图4 典型介质二维灰度图

从图4可以看出,花岗岩的反射波形较为尖锐,呈现出重叠的三角形波形,且波形颜色较浅;电缆的反射波形呈现出明显的振荡现象,类似于多个波形的叠加,波形有明显的向下延伸的趋势,且波形颜色较深。

接下来对2种波形的A-scan图进行分析(见图5)。A-scan扫描方式是能反映出不同位置的媒介表面与内部的反射回波情况的扫描方式,通过该方式可以得到关于介质反射波的时间-电压函数波形。

图5 典型介质A-scan图

由图5可以看出,电缆的A-scan图振荡持续明显,且振幅较大,与灰度图中电缆反射波叠加、振荡的特征相符;花岗岩作为非电介质,其振荡持续短,振幅较小。

3 实地探测案例

为验证探地雷达的实际探测效果,选取国家电网公司某变电站进行实地探测。该变电站投入运行时间达22年,历经过2次改造,由于年代较久,其部分地下管线走向不明。考虑到未来该区域用电量的增加,以及站内部分设备的老化,对该站的改造迫在眉睫。由于开挖工作程序复杂,故先采用探地雷达对其地下情况进行探测。

图6所示为该变电站某一路段的探测图像。通过图6可以看出,1#点的波形与2#、3#点的波形有显著不同,与图4中电缆的波形特征高度相符,都是具有明显的电磁波振荡、重叠现象,并且在竖直方向延伸,说明该处应铺设有电缆。2#、3#点的波形与图4中的花岗岩波形图特征重合,可以断定该2点为花岗岩或是接近的岩石类地下介质。变电站的地下管线图及后期的开挖工作,验证了本次探测的结果,即1#点存在电缆,2#、3#点均为地下花岗岩。

图6 变电站实地探测图

4 结语

探地雷达作为一种较为成熟的地层探测设备,能够直观、准确地反映地下介质的类型和埋深,对电力建设当中的输电线路施工、变电站新建和扩建而言,都能起到良好的地层情况勘探作用。本文对典型地下介质的灰度图和A-Scan图的波形进行了特征分析,通过对某变电站的实地探测,验证了探地雷达在地下介质探测中的有效性和准确性。

1)电缆对高频电磁波的反射现象明显,反射波主要以不规则且剧烈的振荡形式存在,且具有持续性,振荡区域从电缆上方一直持续到电缆下方。而花岗岩作为非金属介质,其反射波形较为规则,振荡较小,与电缆波形区别明显。故利用探地雷达对地下主要介质进行探测,能够很好地区分不同的介质,具有良好的探测效果。在输电线路、变电站等需要进行电力建设或是改建的场景中,只需要确定地层介质的埋深及类型即可,无须进行三维层面的精准定位,所以普通探地雷达即可完成相应的工作任务。

2)未来探地雷达应朝着更加小型化、便携化的方向发展,鉴于变电站、输电线路等的地理环境较为复杂,一些狭小、逼仄的角落不适用体积较大的雷达设备。考虑到空气间隙的影响,使用雷达设备时应与地面紧贴,从而避免电磁波的散射。在变电站或是输电线路中,往往会存在一些崎岖或是较为特殊的地形,无法满足雷达紧贴地面的探测条件,这就会对探测数据的准确性产生较大影响。故对设备进行小型化改造,使其能够应对较为复杂的地理状况,是未来探地雷达需要考虑和发展的方向之一。

3)考虑到探地雷达在应用过程中的各类电磁干扰问题,应将去除干扰信号作为研究的重点之一。目前,探地雷达在应用中的干扰主要来自直达波、旁瓣信号及振荡干扰。去除的方法可以考虑从成像算法的方向,或是从天线设计、屏蔽罩设计的方向来进行,即从软件和硬件方面对探地雷达系统进行改良。

4)智能化也是探地雷达技术未来的发展方向之一,例如可考虑将探地雷达探测结果与制图软件(例如AutoCAD)相结合,研发结合探测结果自动绘制地下介质(主要是地下管线)分布图的功能,并自动为电缆、水管等主要地下介质标注埋深、直径,便于探测人员和施工人员了解地下介质的地下方位、走向及各类其他参数,避免人工二次绘图带来的误差和影响。