浅谈电缆故障精确定点的声磁同步法的改进

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工业与信息化
科学与信息化2019年11月上 75
浅谈电缆故障精确定点的声磁同步法的改进
郭子建 章赞武 徐文华 顾立威 时晶
国网浙江省电力有限公司绍兴供电公司 浙江 绍兴 312000
摘 要 电力电缆普及度逐年提高故障查找手段也逐渐增多。

故障一般查找步骤故障距离粗测、寻找故障电缆埋设路径、精确定位故障点。

目前精确定位故障点的技术主要采用声磁同步法，其主要存在得到的信息少，测寻主要依靠经验等缺点。

因此，在声磁同步法上改进方法提高精度是主要的研究目的。

在地下环境模拟为球面的情况下，虚拟出三维坐标，根据声磁传播特性及声音传播的非瞬时性可以根据一定距离的信号时差来推算地下坐标。

改良后的声磁同步法在精度和直观度上有飞跃式的提高，虚拟化和数字化电缆故障查找也是未来的必然发展方向。

关键词 电缆故障；精确定点；声磁同步法；三维坐标运算
1 声磁同步法的改良目的和基本思路
改进的方法从接收信号的参数数量入手，如以原方法中二维信号所构建的面，来判断三维中的点，这样，只缺少一个深度参数。

虽然缺少深度参数仍然会造成误差，但比较而言，准确度相比原先仍可以提高若干倍。

同时其，测量三维信号，则除了信号衰减和地层密度影响，几乎可以将故障点直接通过计算找出。

同时，探测器接收的信号点的增多，也同时增强了接收信号的抗干扰的能力，对准确寻找故障点起到另一种辅助作用。

为达到设计要求，探测器探头将采用对地“天线”的形式，分为二维信号“天线”和三维信号“天线”。

采用目前设计的旋扣式接口与探棒相连接，用USB 转接口等数字通信形式使信号导出。

使用数字屏或数字式输出信号。

数据处理主要是以一个电缆故障的信号点向四周放出同心圆信号为基本数学模型。

不同探测点收到同一信号的延迟，根据“天线”尺寸来计算故障点所在方位。

因为探测的模式并不改变，所以抗干扰的模块和声音放大的模块可以沿用原先设计[1]。

2 声磁同步法改良的原理及方案
2.1 根据需求设计探测器模型
由于要测量地下三维坐标，需要得出3个坐标的数值，因此运算需要至少能列出3个三元一次方程，即最少取得3组参数值。

所以探测头的数量不能少于三个。

由上述要求可以简单得出2种探测器探杆设计使用方式：
（1）三角+1放射（2）四星+1放射
三角放射由O 点为中心分别以∠120向周围伸出3根等长探杆，并向地下垂直等距放入探杆（原电缆故障精确定点仪探杆地抓即为三角结构，但没有数据采集的作用）；四星放射即O 点为中心分别以∠90向周围伸出4根等长探杆，并向地下垂直等距放入探杆。

选取四星放射方案，有3个原因：首先四星放射方案计算简易，不需要通过角度变换，在实际条件如地面不平整需要多一次角度变换的情况下尤为重要；其次，在探杆相同长度的情况下，四星放射覆盖的实际范围更广（三角+1方案半径为R 则四星+1
）；最后，4组数据参考取值的精确度必然高于3组数据的参考取值。

同时在设置时探杆相隔距离也不能太短，声波在固体中的传播速度以千米计。

也不能太长，长度的增加必然增加地形的干扰。

充分考虑声音探测器频率及计算要求，本文将探测器单杆长度定为0.5米，直线上整根长度1米。

由此得出探测器模型如图1
所示。

图1 四星+1放射探杆模型
2.2 两种基本运算模型
由声磁同步法的改良目的和基本思路中得出的结论可以得出2种基本运算模型。

（1）计算地下二维坐标，即忽略声磁同步法信号，仅计算方向及直线距离。

此法可以省去一倍以上的计算复杂度，并且仍能得到大致的方向和距离，在电缆直埋且地表没有大的改变的情况下可以采用。

（2）计算地下三维坐标，即计算所有参数，准确测量坐标值。

此法基本能适应目前地面探测的所有状况。

2.3 二维坐标计算方法二维坐标法，忽略地下探杆位置的信号。

信号源4点在同一平面上，即为平面时间差计算。

设置有一故障点信号源K （平面坐标，区分于空间坐标N ），信号接收组A 、B 、C 、D 。

如图2[2]。

图2 二维坐标法模型简图
设第一接触点为A ，第二接触点为B ，第三接触点为C ，第四接触点为D 。

定义AB 之间的时间差为t1，BD 之间的时间差为t2，DC 之间的时间差为t3。

设K 的坐标为（X,Y ），声波在介质中的传播速度为V 。

则可得出距离：
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OK （1）及
AK
BK
DK
CK （2）且存在时间关系
1BK AK
t V −=
2DK BK t V
−=
3CK DK t V −=
（3）带入整理后，可联立为
1t V =
2t V =
3t V
=（4）
且由于t1，t2，t3已知，V 的数值可在现场测得。

代入后可简单得出X,Y 的实际值。

2.4 三维坐标计算方法三维坐标法，在计算中加入地下探杆信号。

即有一故障点信号源N ，信号接收组A 、B 、
C 、
D 。

如图3。

图3 三维坐标法模型简图
此时，会由于E 点收到信号的前后分为3种情况。

（1）由E 点先于A 、B 、C 、D 收到信号，此时基本能确定电缆位置就在下方不超过90度的半球内，可以根据一般的声磁同步法，或找到A 、B 、C 、D 四个信号点信号接收时间比较接近的点就是正下方。

所以若E 点先于A 、B 、C 、D 收到信号，此时已经能精确定点。

（2）E 点于A 、B 、C 、D 中任意一点或两点同时收到信号，
此时亦能准确判断故障点所在方向，即A 、B 、C 、D 中任意与E 点收到信号的一点方向的地下∠45或者两点方向的中间点和E 点连线方向的地下∠45。

此类的距离计算可归在第三类中。

（3）一般情况，即E 点后于A 、B 、C 、D 收到信号，此时，可先根据接触信号的前后基本判断所在方位，然后进行运算。

3 设计及应用探讨
由于文中的方案主要在原电缆故障精确定点仪的方案上改良而成，故模具的设计尽可能利用现有结构。

即电缆故障精确定点仪探杆及听筒中的下端原三角地抓结构。

所以基座需要达到以下要求：
与手持部分良好连接（有螺纹连接）；有能与地下探杆良好连接；水平连接有活动结构，
故按要求可以设计圆盘基座。

且由研究确定，水平四根与地下探杆长度为0.5m ，但是水平探杆需要有进入地下的探头部分，设计为10cm ，所以地下探杆长度需要增加至
60cm 。

故根据要求可设计出探杆[3]，如图4。

图4 基座装上水平探杆后的效果图
4 结束语
新的电力电缆故障精确定点的声磁同步法运用，不仅可以更好地达到传统声磁同步法的定点目的，并且能直观地描述地下情况，减少开挖量，降低施工难度。

四星+1放射法虽然需要先打入探棒，但是如果得到信号就以非常精确的方式提供地下坐标，劳动成本降低是非常显著的。

本文的改进方法的模型已经开始制作，进一步的实践方案正在研究中。

且本方案将作为QC 的工作的内容进行开展。

虽然是探索式的改良方案，但因为存在极大的运用空间，相信不久以后更贴近现实工作的试验型号将会得到运用和工作的考验。

参考文献
[1] 杨春飞.高压电力电缆的故障测寻分析[J].电子测试,2017,(21): 107-108.
[2] 魏智永,赵贵龙.浅谈电力电缆的故障处理[J].中国高新技术企业,2014,(29):128-132.
[3] 卢黎晖,杨健擘,李文忠,等.声磁同步电缆故障定点仪在小接地电阻故障中的应用[J].上海电力学院学报,2014,(04):375-378.。