一种基于电荷感应的地下电缆探测方法

1.本发明涉及一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，尤其涉及一种基于电荷感应探测地下电缆走向和深度的方法。
技术背景
2.电力电缆是电力系统的重要组成部分，是运输电能到各个用户的载体。电力电缆分为架空输电线和地下电缆两种，其中地下电缆大多数直埋于土壤、水下或者沟道中，相较于架空线受自然环境影响较小，不会出现触电等安全事故，更加安全可靠。但由于城市电网改造和电缆迁移，地下电缆的位置数据不完整或不准确，很容易导致工程师在施工中因为对电缆的位置不甚清楚而损坏电缆，造成电力和通信中断，对生产和生活造成严重后果。因此对地下电缆探测方法的研究在保障城镇居民的正常生产生活方面意义重大。
3.随着地下电缆的广泛应用，电缆定位监测技术也在不断发展，主要有探地雷达法和电磁探测法，但以上实现方法又都有不同程度的缺陷。探地雷达法需要通过人为向地下发射高频电磁波来探测电缆的分布，但这种方法对土壤环境的要求很高，特别是在潮湿的土壤中，电磁波衰减很大，导致探测深度小，且产生高频电磁波的仪器昂贵，成本较高。对于电磁感应法，目前通用的方法是探测电缆直接辐射的磁场，虽然不需要向电缆发射高频电磁波，但除电缆自身磁场外，电缆所处的环境中也有可能存在其他磁场，比如地磁场、其它电力设备形成的磁场，这容易造成误判。
4.探测电缆的设备成本、复杂度以及对环境抗干扰能力这几个因素往往是现如今电缆探测技术难以同时满足的。为此，需要提出一种成本低廉，实现简单、抗干扰能力强的地下电缆探测方法。


技术实现要素：

5.为了克服上述现有技术中的不足，本发明提出一种基于电荷感应的地下电缆探测方法。
6.为实现上述发明目的，本发明提出的技术方案为：
7.一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，将三个电极放在同一平面呈三角形排布，并分别接入三个电荷传感器，电荷传感器连接采集处理模块；三电极阵列平行于被测地面扫描，三个金属探测电极同时感应地面电场的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别处理三组电压波形的幅值，确定埋地电缆的位置与走向，最后经计算可得到电缆的埋深。
8.进一步地，所述三个探测电极的材质、形状、厚度、面积均一样，材质可选包括但不限于铜、铝、铁、锡等导电金属，可选任意厚度和形状，形状包括但不限于圆形、方形、椭圆形等。
9.进一步地，电极阵列中三个电极排布的间距要大于地下待测电缆的直径，且电极间的距离可调。
10.一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其机理如下：将电缆近似简化为一个无线长直导线，以地面为x
‑
z平面，竖直方向为y轴建立空间直角坐标系，则电缆在地面某一点产生的 y轴上的电场分量为：
[0011][0012]
其中μ为介质的磁导率，ε为介电常数，μ0为真空中介质的磁导率，μ
r
是介质的相对磁导率，i为电缆中流过的电流强度，h是电缆的埋深，x为地面上该点在水平方向到电缆正上方的距离。
[0013]
地面上到电缆水平距离分别为x1、x2的两点，产生的y轴上的电场分量分别为：
[0014][0015][0016]
将(2)式和(3)式相比，得到
[0017][0018]
当e1＞e2时，a＞1，化简(4)式得到埋深h为：
[0019][0020]
当x1＝0时，(5)式就变成
[0021][0022]
一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，获取地下电缆的位置、走向和埋深，具体包括如下步骤：
[0023]
1)在平行于被测地面内，三电极阵列同时沿着一个方向进行平移扫描，当其中一个电极输出电压波形幅值最大时，认为该电极正处于电缆的正上方位置；
[0024]
2)固定步骤1)中的电极，旋转整个三电极阵列，当另外两个电极中的其中一个电极输出电压波形幅值达到最大且与固定电极输出电压波形幅值相当，认为该电极正处于电缆的正上方，则该电极与步骤1)中的电极连线即为地下电缆的走向；
[0025]
3)保持步骤2)中的三电极阵列位置不变，步骤1)中固定在电缆走向上的电极输出电压为u1，电缆走向以外的电极和电缆距离为x，设该电极输出电压为u2，将u1和u2相比，由于电压幅值和电场强度呈正相关，得到：
[0026][0027]
进一步地，计算出电缆埋深为：
[0028][0029]
本发明方法的显著优势在于利用三个电极来感应地线电缆产生的电场实现地线线缆的位置、走向和埋深的探测产生的电荷变化，只需测定幅值的比值，无需知道磁导率、
介电常数、电缆载流量等外界因素，无需主动施加信号，探测深度可达到4m。
附图说明
[0030]
图1为三电极装置示意图。
[0031]
图2为三电极阵列示意图。
[0032]
图3为三电极阵列旋转示意图。
具体实施方式
[0033]
为进一步详细表述本发明的效果，下面将结合探测墙壁内线缆走向和深度的实施例对本发明做说明，具体如下：
[0034]
1)在一块透明塑料板上画一个边长为40cm的等边三角形，将三个电极分别固定于三个顶点上，如附图2所示；
[0035]
2)平行于被测墙面，从起始位置开始，沿水平方向平移三个电极，过程中电极3输出电压幅值减小，电极1输出电压幅值先增大后减小，电极2输出电压幅值增大，找到电极1输出电压幅值最大时，固定电极1，此时电极1在墙壁线缆正上方；
[0036]
3)固定电极1将整个电极阵列逆时针旋转，过程中电极3输出电压幅值先增大后减小，找到电极3输出电压幅值最大时，固定电极3，此时电极3在墙壁线缆正上方，电极1和电极3连线即为线缆走向，如附图3所示；
[0037]
4)将三个电极测量同一点的电压信号分别为850mv、350mv、600mv，在后续的计算中需要考虑到每个电极在相同点上测量值的不同；
[0038]
5)固定步骤3)中的三个电极，此时电极3和电极2电压幅值u3和u2分别为2360mv、104 mv，通过归一化得到：
[0039][0040]
6)进一步地，测得电极2到电缆走向的距离为x2＝34.641cm，根据(6)式和(7)式，可得 h＝9.9cm。
[0041]
上述计算结果与实际走线埋深相符，说明了本发明所提探测电缆方法的可行性。


技术特征：
1.一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，将三个电极放在同一平面呈三角形排布，并分别接入三个电荷传感器，电荷传感器连接采集处理模块；三电极阵列平行于被测地面扫描，三个金属探测电极同时感应地面电场的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别处理三组电压波形的幅值，确定埋地电缆的位置与走向，最后经计算可得到电缆的埋深。2.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，所述三个探测电极的材质、形状、厚度、面积均一样，材质可选包括但不限于铜、铝、铁、锡等导电金属，可选任意厚度和形状，形状包括但不限于圆形、方形、椭圆形等。3.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，电极阵列中三个电极排布的间距要大于地下待测电缆的直径，且电极间的距离可调。4.根据权利要求1所述的一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，获取地下电缆的位置、走向和埋深，具体包括如下步骤：1)在平行于被测地面内，三电极阵列同时沿着一个方向进行平移扫描，当其中一个电极输出电压波形幅值最大时，认为该电极正处于电缆的正上方位置；2)固定步骤1)中的电极，旋转整个三电极阵列，当另外两个电极中的其中一个电极输出电压波形幅值达到最大且与固定电极输出电压波形幅值相当，认为该电极正处于电缆的正上方，则该电极与步骤1)中的电极连线即为地下电缆的走向；3)保持步骤2)中的三电极阵列位置不变，步骤1)中固定在电缆走向上的电极输出电压为u1，电缆走向以外的电极和电缆距离为x，设该电极输出电压为u2，将u1和u2相比，由于电压幅值和电场强度呈正相关，得到：进一步地，计算出电缆埋深为：。

技术总结
本发明提出了一种基于电荷感应的地下电缆探测方法，其特征在于，将三个电极放在同一平面呈三角形排布，并分别接入三个电荷传感器，电荷传感器连接采集处理模块；三电极阵列平行于被测地面扫描，三个金属探测电极同时感应地面电场的变化，再由电荷传感器将产生的感应电荷量转换成电压量，最后由采集处理模块分别处理三组电压波形的幅值，确定埋地电缆的位置与走向，最后经计算可得到电缆的埋深。其显著优势在于利用三个电极来感应地线电缆产生的电场实现地线线缆的位置、走向和埋深的探测产生的电荷变化，只需测定幅值的比值，无需知道磁导率、介电常数、电缆载流量等外界因素，无需主动施加信号，探测深度可达到4m。探测深度可达到4m。探测深度可达到4m。


技术研发人员：张丽敏 陆乐 迟洋滨 骞昊
受保护的技术使用者：南京大学
技术研发日：2021.06.16
技术公布日：2021/10/11