基于弱磁探测的三相电缆路径快速定位方法.pdf
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1、引用格式:引用格式:王立,张智鹏,王海锋,等.基于弱磁探测的三相电缆路径快速定位方法J.中国测试,2024,50(1):24-31.WANGLi,ZHANGZhipeng,WANGHaifeng,etal.Fastpositioningmethodofthree-phasecablepathbasedonweakmagneticfielddetectionJ.ChinaMeasurement&Test,2024,50(1):24-31.DOI:10.11857/j.issn.1674-5124.2022080135基于弱磁探测的三相电缆路径快速定位方法王立1,张智鹏1,王海锋1,秦庆雷1,张敬
2、华2,黄松岭2(1.国网北京市电力公司亦庄供电公司,北京100176;2.清华大学电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室,北京100084)摘要:城市地下电缆的快速定位对于城市的安全稳定发展具有重要的意义,然而目前城市内地下电缆探测精度较差,可探测区域较小。针对上述难点问题,该文提出一种基于弱磁探测的三相电缆路径快速定位方法,并推导三相电缆磁场辐射的基本规律,通过测量空间中任意五点的磁场幅值信息,结合粒子群数值迭代计算方法,利用五点定位原理,推算得到地下三相电缆的路径。最后,通过仿真和实验验证该方法的可行性,并进行定位误差分析。该方法对于提高地下电缆探测精度和深埋电缆的探测能力有一
3、定的参考价值。关键词:地下三相电缆;磁场幅值;数值迭代;五点定位;路径探测中图分类号:TM726.4文献标志码:A文章编号:16745124(2024)01002408Fast positioning method of three-phase cable path based on weakmagnetic field detectionWANGLi1,ZHANGZhipeng1,WANGHaifeng1,QINQinglei1,ZHANGJinghua2,HUANGSongling2(1.YizhuangElectricPowerSupplyCompanyofStateGridBeijin
4、gElectricPowerCompany,Beijing100176,China;2.StateKeyLaboratoryofPowerSystemandGenerationEquipment,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)Abstract:Therapidpositioningofurbanundergroundcablesisofgreatsignificanceforthesafeandstabledevelopmentofthecity.However,atpresent,thedetectionaccuracyofundergroun
5、dcablesinthecityispoorandthedetectableareaissmall.Inviewoftheabovedifficultproblems,thispaperproposesafastpositioningmethodofthree-phasecablepathbasedonweakmagneticdetection,anddeducesthebasiclawofthree-phasecablemagneticfieldradiation.Bymeasuringthemagneticfieldamplitudeinformationofanyfivepointsin
6、thespace,combined with the particle swarm numerical iterative calculation method and using the five pointpositioningprinciple,thepathofundergroundthree-phasecableiscalculated.Finally,thefeasibilityofthismethodisverifiedbysimulationandexperiment,andthepositioningerrorisanalyzed.Thismethodhasacertainr
7、eferencevalueforimprovingthedetectionaccuracyofundergroundcablesandthedetectionabilityofdeepburiedcables.Keywords:underground three-phase cable;magnetic field amplitude;numerical iteration;five-pointpositioning;pathdetection收稿日期:2022-08-24;收到修改稿日期:2022-10-16基金项目:国网北京市电力公司科技项目(52020721000U)作者简介:王立(19
8、79-),男,贵州遵义市人,高级工程师,博士,主要从事配网运维检修电力市场交易工作。通信作者:黄松岭(1970-),男,辽宁营口市人,教授,博士,研究方向为电磁测量和无损检测技术。第50卷第1期中国测试Vol.50No.12024年1月CHINAMEASUREMENT&TESTJanuary,20240 引言随着我国经济的快速发展,城镇生活中的电力、污水、燃气、通信等地下管线也日渐增多,为城镇居民的日常生活提供了重要保障。然而,随着地下管线的密集程度越来越高,由于地下管线系统的人员管理不善,管线的图纸缺失、位置不明等问题造成了诸多安全事故。因此如何探测地下管线的路径,避免此类事情的再次发生成为
9、了亟待解决的难题。其中埋地电缆作为地下管线中最重要的电力设施,其探测方法的研究起步于 20 世纪 80 年代,并在21 世纪得到了快速发展。其中,文献 1-2 借助电磁感应原理,设计了一种电缆路径探测仪,对电缆探测的方法进行了总结,但是此时的定位误差较大,难以做到工程应用。在前人研究的基础上,文献3 提出了 4 个感应线圈测量地下电缆管线位置的方法,但是测量的电缆必须通入单相交流电,无法实现三相电缆管线的定位。文献 4 将检测磁场的线圈数量提升为 6 个,文献 5 提高施加在电缆管道上激励信号的频率,文献 6 提出基于相位检测地下电缆走向的方法,这些方法提高了定位的精度,但依然无法解决需在地下
10、管线上施加正弦激励信号的问题。常规电磁感应方法对弱磁信号不敏感,难以探测埋地三相电缆,因此文献 7 提出了一种地下三相电缆表面磁场的解析方法。文献 8 提出了一种计算三相电缆线电流的补偿方法。文献 9 研究了地下隧道敷设电缆线路的周围磁场分布规律,并提出敷设电缆线路地表磁感应强度小于 10T。文献10 对电力电缆线路的电磁环境进行了研究,仿真和实验验证了三相电力电缆输电线路可在地表产生微特斯拉量级的磁场,为三相电力电缆的探测提供了依据。文献 11 提出了多线圈组合测量埋地电缆位置的方法,但线圈的摆放位置有严格要求,位置定位的误差较大。文献 12 提出了利用磁异常效应探测海底电缆,但是精度较低,
11、只具备探测能力,无法实现有效的定位。此外,也有研究学者尝试利用高频磁场或地磁场探测地下电缆管线,其中文献 13 利用探底雷达实现了地下电缆成像的探测与识别,但是定位深度较浅,埋深大于 2m 的电力设施难以探测,同时地下电缆的判断需依赖从业人员的经验判断。文献14 利用地磁扰动探测埋地电缆管线,但是测量精度受电磁环境的影响较大。文献 15 研究了单相电缆的空间探测方法,但是用于定位三相电缆位置时精度较差。文献 16 研究了地下电缆的三维磁场分布特性,但探测装置需要水平移动,定位操作也较为繁琐。文献 17 研究了三芯电缆和单芯电缆的差异,并引入定位特征点和定位特征值确定电缆埋深,但是未涉及电缆水平
12、方向的定位。文献18 提出了一种利用双三轴磁场传感器确定埋地电缆位置的方法,但是三轴磁场传感器的摆放需要严格垂直,在工程应用中摆放角度的误差影响较大。因此,现有的地下电缆定位方法主要依靠电磁感应法和探底雷达法,其中电磁感应法在探测直流电缆和单相交流电缆时的效果较好,探底雷达在探测埋深较浅,土壤含水量较低时的电缆效果较好。埋地三相电缆输电作为城市内最常见的输电方式之一,具有输电量大、传输效率高等优点,然而三相电缆由于三相对称输电的缘故,其辐射的电磁信号远小于直流输电和交流单相输电模式,常规的电磁感应探测方式并不适用于地下三相电缆管线的探测,而近年来发展起来的探地雷达方式对地下介质的含水量有一定要
13、求,探测深度一般在 2m 以内,无法实现埋深 5m 以内地下电缆管线的精准定位。因此有必要研究一种快速、高效探测地下三相电缆的方法。本文提出了一种利用五点磁场幅值信息定位地下三相电缆的方法,磁场传感器的摆放位置只需不在一个平面内,其间距任意,构造简单灵活,可快速实现地下三相电缆路径的定位。1 地下三相电缆辐射理论模型IA=Icos(100t)IB=Icos(100t23)IC=Icos(100t+23)因为地下电缆的长度远大于其埋深,因此可认为其周围磁场分布与无限长的通电直导线类似,建立的地下三相电缆辐射理论模型如图 1 所示。设磁场传感器位于空间任意一点 P,以地下三相电缆中心为原点,x 轴
14、为极轴,建立极坐标系,A、B、C 三相电流相位差互为 120,OA 射线与 x 轴的夹角为,OP 射线与 x 轴的夹角为,设 A、B、C 三相电流分别为:,。A(r,)B(r,23)C(r,+23)P(m,)在极坐标系下 A、B、C 三相电缆和 P 点位置分别为,。由毕奥-萨伐尔定律可得,无限长通电直导线周围磁场分布公式为:第50卷第1期王立,等:基于弱磁探测的三相电缆路径快速定位方法25magr0=0I2r0(1)式中:I无限长通电直导线内部电流;r0测量磁场点到无限长通电直导线的距离。而地下三相电缆产生的磁场分布可认为是每一相电流产生磁场分量的叠加。因此,先计算 A 相电流产生的磁场分布,
15、设 P 点磁场沿 x 轴的分量为水平分量,沿 y 轴的分量为竖直分量。在直角坐标系下表示 A,P 两点的向量:AP=(mcosrcos,msinrsin)(2)A,P 两点连线的垂直方向的方向向量为:AP=(rsinmsin,rcosmcos)(3)因此可得 A 相电流在 P 点产生的磁场水平分量为:magPxA=0Icos(100t)2|AP|rsinmsin(rsinmsin)2+(rcosmcos)2=0Icos(100t)2rsinmsin(rsinmsin)2+(rcosmcos)2(4)同理可得 A 相电流在 P 点产生的磁场竖直分量为:magPyA=0Icos(100t)2mco
16、srcos(rsinmsin)2+(rcosmcos)2(5)依次类推可分别求出 B 相和 C 相电流在 P 点产生的磁场水平分量和竖直分量。利用叠加法求得地下三相电缆在 P 点合成磁场的水平分量和竖直分量。因为地下电缆埋深在 0.55m 之间,而三相电缆之间的间距 r 非常近,一般情况下 r0.1m,可近似认为 rm,所以对合成磁场的水平分量和竖直分量进行简化处理,保留合成磁场中的最大项,忽略小项的影响,可得:magPx=30Isin(2100t)r4m2magPy=30Icos(2100t)r4m2(6)利用 P 点磁场水平分量和竖直分量可得 P 点总磁场为:magP=magPx2+mag
17、Py2=30Ir4m2(7)因此,地下三相电缆周围的总合成磁场分布近似只随空间变化而不随时间变化。考虑埋地电缆周围介质和屏蔽层的影响,其只能改变磁场空间幅值,而不更改磁场分布的变化规律,所以空间任意一点磁场分布与其和地下三相电缆之间距离的平方成反比。2 地下三相电缆路径快速定位算法地下三相电缆路径快速定位结构示意图如图 2所示。ABCDE地下三相电缆xyzo图 2 地下三相电缆路径快速定位结构示意图在 A,B,C,D,E5 点各放置一个三轴磁场传感器,以 A 点在地面的投影作为坐标原点,地面作为xoy 水平面,建立空间直角坐标系,设 A,B,C,D,E5 点坐标分别为(x1,y1,z1),(x
18、2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4),(x5,y5,z5)。地下三相电缆的长度远大于其与磁场测量点之间的距离,因此可将地下三相电缆看作无限长直导线。由于地下电缆在敷设时往往是水平走向的,在竖直方向的起伏较小。因此在空间直角坐标系中,可将地下三相电缆表示为PA 相B 相C 相rx 轴y 轴O图 1 地下三相电缆辐射理论模型26中国测试2024年1月Ax+By+C=0z=D。D 为地下三相电缆的埋深。由地下三相电缆辐射模型可知,地下三相电缆周围的磁场分布与距离的二次方成反比,所以可列写五点的磁场分布方程,将地下三相电缆路径求解问题,转化为非线性方程组求解问题。mag1(Ax
19、1+By1+CA2+B2+(z1D)2)=Emag2(Ax2+By2+CA2+B2+(z2D)2)=Emag3(Ax3+By3+CA2+B2+(z3D)2)=Emag4(Ax4+By4+CA2+B2+(z4D)2)=Emag5(Ax5+By5+CA2+B2+(z5D)2)=E(8)式中:mag1,mag2,mag3,mag4,mag5A,B,C,D,E5 个测试点的三轴磁场合成值;E常数,表示地下三相电缆周围磁场与距离二次方成反比的比例系数。求解上述 5 个非线性方程组即可得到地下三相电缆的埋深以及走向等多维度信息。由于实际测量过程中误差是不可避免的,方程组的解析解基本不存在,因此需要把原问题
20、中对方程组的求解,进一步转化为最优值的求解。将上述方程组等式左边项利用 F1,F2,F3,F4,F5代替,利用最小二乘法求解最佳函数匹配。f(A,B,C,D,E)=5k=1(FkE)2(9)原问题首先转化为求解函数 f 的最小值问题,再利用粒子群优化算法确定原问题的最小值,算法的流程如图 3 所示。首先建立粒子群数量,设置粒子群的惯性因子、学习因子和迭代次数,利用粒子群算法生成一群具有初始方向和迭代速度的随机粒子,并得到 A,B,C,D,E5 个未知系数的初值,然后在每一次迭代中比较粒子自身得到的历史最优解和粒子群的历史最优解,从而确定粒子迭代方向,当迭代得到的最优值满足收敛判据时,输出的迭代
21、最优值为最终的修正系数,从而得到原问题的最佳函数匹配。3 实验结果与分析3.1 仿真实验结果与分析3.1.1仿真实验平台搭建利用 COMSOLMultiphysics 数值仿真软件搭建的仿真模型如图 4 所示。由于地下三相电缆的长度远大于其埋深,可以认为其为无线长直导线,因此建立二维仿真模型,模拟空间磁场分布。A 相B 相C 相金属屏蔽层绝缘层0.070.050.040.030.020.010长度/m0.010.020.030.040.050.05 0.03 0.01 0.01长度/m0.030.050.07图 4 地下三相电缆二维仿真模型A,B,C 三相分别通入 10A 的电流,匝数各为10
22、 匝,相位互差 120,距离间隔互为 3.5cm;金属屏蔽层选用铝材,厚度为 2mm;求解区域设定为半径10m 的圆,测量地下三相电缆周围的磁场分布情况。因为地下三相电缆的埋地深度一般在 0.55m 之间,首先选取自电缆圆心向外的 5 条射线作为磁场测量线,由于与电缆相距较近时磁场的畸变较大,不满足磁场幅值与距离的二次方成反比的规律,而且实际磁场测量点与地下三相电缆的间距相对较远,因此去除射线上与三相电缆相距较近的一部分,截取与电缆圆心的间距从 0.210m 的线段作为测量线。5 条线段上磁场幅值与距三相电缆距离的关系如图 5 所示。由图中信息可知,磁场幅值信息在距离地下三开始初始粒子群数量及
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