专利名称：用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种对目标电缆的准确定位、识别探测目地的测量装置，属于电 力测量设备领域。
背景技术：
目前我国在城市建设中越来越多采用电力电缆取代地面架空线供电，这种方式存 在占用面积�。皇芡饨缬跋欤踩愿撸诵形ぜ虻サ扔诺悖茏畲蟪潭缺Ｖす┑绲陌� 全。但是，由于电缆铺设在地下比较隐蔽，当发生故障时难以快速判断故障点；并且在我国 的电网建设中，由于年代久远、人员变更、城市建设等原因，地下电缆的数据资料与实际工 况不一致的情况越来越多，使得在实际工作中常常遇到轨迹相同的电缆并行的情况，在标 识缺失、轨迹不明的情况下要实现准确区分相当困难。因此，需要有一套完整的快速探测电 缆的设备，多点动态电缆探测技术就是这其中的一个重要部分。常用的非接触式电流测量采用环行闭合电流钳表，其本质上是一种电流互感器， 以导磁性材料作成两个半圆性的磁芯组，在芯片上绕上线圈，用以采集目标电缆的信号电 流。采用电流钳表测量电流时，钳表必须整个套住电缆并将磁芯组处于首尾连接的闭合状 态，对电缆周边的磁场进行检测并进一步测算出其源电流，该方法比较精确，但在实际使用 中受到很多限制，比如电缆必须暴露，电缆周围必须有足够的操作空间以实现电流钳表开 闭，等等。在实际工作中，经常性会出现工作条件不满足的情况，在我国电网的长期建设过 程中，规范标准不统一，电缆的敷设方式非常多，非常混乱，比如有大沟道，小沟道，直埋式， 排管式，甚至在很多地方存在不同电压等级共沟的情况，也大量存在电缆淹没在水中、半埋 或者全部掩埋在土层中的情况，现场情况极为复杂；鉴于以上情况，在实际对目标电缆的检 测中，不仅目标信号受其他信号干扰严重，而且很多电缆无法通过环行闭合电流钳表进行 检测(比如，在我国的南网区域，电缆检测条件极为困难)，这就使得传统的检测手段受到 极大限制，迫切需要设计一种新型的检测设备。另一种检测电流的方法是通过检测电缆表面某一点的磁场强度，计算得到相应的 电流值，这时必须知道电缆的直径。而且某一点的磁场强度容易受到其他电流的干扰，传统 的电缆检测仪器均无法判断目标电缆源信号周边是否存在干扰信号，从而无法对所采集的 信号做出准确判断。
发明内容本实用新型的目的在于采用同时检测电缆径向多点的磁场强度，判断电缆是否 受到外界磁场干扰，同时测量电缆的位置，解决了水下测量、狭窄空间测量、掩埋电缆段等 复杂条件下电缆电流的测量问题。为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案设计一种用于电缆识别的 电缆电流多点动态检测装置，包括由6个探测电路组成的磁场检测单元MO M4，及与各探 测电路连接的主控器M5，其中探测电路由感应线圈和检测信号放大电路组成；其中，磁场检测单元Ml M4中的4个感应线圈的轴线位于同一个平面内，且4个感应线圈的位置构 成矩形，4个感应线圈分别位于矩形的4个顶角上，并且4个感应线圈分别安装在4个可使 感应线圈轴线在平面内原地转动的步进电机上，各步进电机受主控器M5控制，其转动的角 度由角度检测单元检测并送至主控器M5 ；磁场检测单元MO位于上述矩形的中心位置，其2 个感应线圈相互垂直，其中一个感应线圈轴线垂直于上述平面，另一个感应线圈轴线位于 平面内，且垂直于矩形的长边；所述主控器M5由数字处理器构成，并设置有显示单元和键 盘接口，数字处理器接收6个探测电路的信号和通过键盘接口输入的步进电机调整信号， 对信号处理和计算，通过显示单元显示探测电路的信号值和对信号值处理和计算后的提示 fn息ο所述角度检测单元为由感应线圈带动的电位器。主控器M5检测电位器阻值变化 引起的电压值的变化，从而得到感应线圈角度的变化值。所述感应线圈、步进电机及各联结部位的外表面均喷涂具有防水层性能的胶性物 质，使本装置能够实现水下作业。所述数字处理器采用DSP芯片TMS320F2808。该芯片具有A/D转换功能。上述的感应线圈也可以用霍尔传感器代替。 上述的由6个探测电路组成的磁场检测单元MO M4可以向前或向后平行增加多 组，呈矩阵排列，各探测电路均与主控器M5连接。这样的设置可以根据不同检测单元磁力 线密集程度的差异来判断电缆的弯曲程度。本装置使用时按照下面方法进行如图1所示，首先，测量人员按照磁场检测单元 MO的信号对本装置的位置进行调整，先使各感应线圈所在平面垂直于地面，且感应线圈构 成的矩形的长边平行于地面，并使其沿着水平面平移，这样感应线圈1中的感应信号会发 生相应的变化，经过相应的放大电路后，可以被主控器M5接收并处理，当接收信号为零时 (目标电缆磁力线与感应线圈1轴心线垂直，与线圈平面相切，此时线圈通过的磁通量为0， 表现的信号值为0。以下类同)，固定其水平位置，然后沿其中心轴线旋转测试装置，此时感 应线圈2中的信号也会发生改变并被主控器M5接收，当主控器M5中的信号也出现零时，表 明符合测试条件，可以继续进行测试，否则系统会提示更改测试点，此时初步判断电缆处于 测试装置的正下方。经过上述调整后，磁场检测单元MO M4这五个单元的感应线圈除感应线圈2外， 其余感应线圈的轴线均能保证垂直于电缆电流方向，而感应线圈2平行于电缆电流方向。 然后，在上述与电缆垂直的平面内平行移动检测装置(步进电机会通过初始化程序的控制 使磁场检测单元Ml与M2及M3与M4分别关于设备中轴线对称)，主控器M5同时检测磁场 检测单元Ml与M2 (或M3与M4)的检测信号，并判别其平衡性，当主控器M5检测到对称位 置的检测单元其输出信号平衡时，整个检测装置停止平移，这样能保证电缆恰好位于检测 设备的中轴线上。接下来，在上述与电缆垂直的同一平面内，步进电机分别控制感应线圈3 6做渐 进360°旋转，在每一步旋转之后，磁场检测单元的检测信号都会传送到主控器M5，由主控 制器M5对上述信号分别进行接受和处理，当判别到检测信号为旋转周期内的最大值时，步 进电机停转，记录最大值，将磁场检测单元Ml M4的感应线圈的位置同时固定。此时，磁 场检测单元Ml M4的感应线圈均位于与电缆周围磁力线相切的位置，通过附加的角度检测电路(可由高精度的电位器来实现)可以获得此时磁场检测单元Ml M4的感应线圈的
角度/位置信息。在上述调整完毕之后，主控器M5会接受到磁场检测单元Ml M4探测并经过放大 处理后的反馈信号以及相应的角度/位置信号，并对上述信号进行相应的处理，处理过程 如下(如图1)根据电磁感应定律，半径为r的电缆其表面的磁场强度H与电流I的关系为<formula>formula see original document page 5</formula>[0018]于是，对于Ml (或Μ2)的检测信号，有<formula>formula see original document page 5</formula>[0020]而对Μ3 (或Μ4)的检测信号，有<formula>formula see original document page 5</formula>[0022]记两组磁场检测单元的有效测量值(位置调整完毕后的测量值)分别为Il (Ml或 M2测得)和12 (M3或M4测得)，则由(1)⑵两式相除可得<formula>formula see original document page 5</formula>[0024]又由几何关系可得<formula>formula see original document page 5</formula>[0026]在(3) (4)两式中，L已知，而α、β及11、12均可以由电路测得，只有Rl和R2是 未知量，解得Rl和R2，就可以确定电缆线的埋深(Rlcos β )，这样电缆线的位置就可以被锁 定了。本实用新型的积极效果由于采用多点动态检测结构，因此无论对暴露电缆，还是 对掩埋电缆或水下，均可以通过特殊分布的电感线圈或霍尔传感器，多点动态采集目标电 缆检测区上方磁场强度、分布均衡度和相应参数，判断信号源电流是否均衡分布或受目标 电缆以外的其他信号干扰，在出现测量偏移或存在干扰时，提醒通过改变测量点或反向位 移进行修正，并在满足设定模式时捕捉准确的源信号，计算得到电缆中通过的源信号准确 电流值，从而根据源信号和感生信号的差异特征，进行识别探测和准确定位，有效提高电缆 探测的准确性；进一步本实用新型可以在测量目标电缆的埋深。
图1为本实用新型的测量原理示意图；图2为探测电路中的信号检测放大电路原理图；图3为主控器与各磁场检测单元通信原理图。图中1 6、感应线圈。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型中的一优选实施方式进行详细说明本实施例中包括五个磁场检测单元MO Μ4，一个包含显示单元和键盘接口的主 控器Μ5，以及4个角度检测单元(Ml M4中各包含一个)，各个�？橹涞耐ㄐ庞猛�3来表不。磁场检测单元MO M4中共包含6个探测电路(M0中包含两个，Ml M4中各包含一个)。探测电路由感应线圈与检测信号放大电路构成，探测电路的基本连接方式如图2所示感应线圈与第一电阻Rl并联，它们的一端接地，另一端接N沟道JFET的门极；JFET的 源极与由第二电阻R2和第一电容Cl构成的并联网络的一端相连，该并联网络的另一端接 地。JFET的漏极与NPN型三极管的基极相连；第三电阻R3跨接在NPN的集电极和基极之 间；NPN的集电极与VCC相连，而其源极经第四电阻R4接地，同时源极通过第二电容C2输出 放大后的信号。电感线圈采样得到表征电缆线周围磁场强度变化量的电压/电流信号，该 信号相对主控�？槟艽淼男藕诺缙蕉允呛芪⑷醯�。所以，首先经过一个N沟道的JFET 进行第一级的放大处理，然后再通过第二级的晶体管放大电路进行放大，得到合适的能够 被主控器M5处理的电平信号。磁场检测单元MO M4中的6个感应线圈1 6安装在一平板上。其中磁场检测 单元Ml M4中的感应线圈3 6分别通过4个步进电机安装在平板上，并构成一个矩形， 且各感应线圈的轴线位于同一平面内；磁场检测单元MO中的感应线圈1、2相互垂直，感应 线圈1垂直于矩形长边，感应线圈2垂直于平板。磁场检测单元Ml M4中的感应线圈3 6可以在步进电机的带动进行位置调整。 步进电机与主控器M5连接，主控器M5通过接口�？榍浇缁�。本实施例中通过主控 器M5的键盘接口接入控制步进电机的手控按钮，实现感应线圈3 6的转动。角度检测单元可以通过高精度的电位器来实现，当感应线圈位置夹角发生变化 时，电阻值会精确地跟随发生变化，从而改变电信号的输出，使电信号准确反映出感应线圈 位置夹角的变化。将4个电位器分别安装在上述平板和磁场检测单元Ml M4中的感应线 圈3 6之间，当感应线圈3 6转动时可以改变电位器阻值。各电位器与主控器M5输入 口连接。主控器M5通过集成嵌入式系统来实现信号的接收、处理以及相应的数学计算和 外围控制(通过接口模块驱动步进电机)。磁场检测单元MO M4中的感应线圈1 6在平板中的设置如图1所示五个 磁场检测单元MO M4共同构成一种对电缆位置的五点式探测结构，其中磁场检测单元中 Ml M4的感应线圈的轴线始终位于同一个平面内部，磁场检测单元MO由两个空间上垂直 的感应线圈1、2构成。首先，测量人员按照磁场检测单元MO的信号对本装置的位置进行调 整，如图1所示，使其沿着水平面平移，这样感应线圈1中的感应信号会发生相应的变化，经 过相应的放大电路后，可以被主控器M5接收并处理，当接收信号为零时，固定其水平位置， 然后沿其中心轴线旋转测试装置，此时感应线圈2中的信号也会发生改变并被主控器M5接 受，当主控器M5中的信号也出现零时，表明符合测试条件，可以继续进行测试，否则系统会 提示更改测试点，此时初步判断电缆处于测试装置的正下方。经过上述调整后，磁场检测单元MO M4这五个单元的感应线圈除感应线圈2外， 其余感应线圈的轴线均能保证垂直于电缆电流方向，而感应线圈2平行于电缆电流方向。 然后，在上述与电缆垂直的平面内平行移动检测装置(步进电机会通过初始化程序的控制 使磁场检测单元Ml与M2及M3与M4分别关于设与中轴线对称)，主控器M5同时检测磁场 检测单元Ml与M2 (或M3与M4)的检测信号，并判别其平衡性，当主控器M5检测到对称位 置的检测单元其输出信号平衡时，整个检测装置停止平移，这样能保证电缆恰好位于检测 设备的中轴线上。[0041]接下来，在上述与电缆垂直的同一平面内，步进电机分别控制感应线圈3 6做渐进旋转，在每一步旋转之后，磁场检测单元的检测信号都会传送到主控器M5，由主控制器 M5对上述信号分别进行接受和处理，当判别到检测信号为旋转周期内的最大值时，步进电 机停转，记录最大值，将感应线圈3 6的位置同时固定。此时，感应线圈3 6均位于与 电缆周围磁力线相切的位置，通过附加的角度检测电路(可由高精度的电位器来实现)可 以获得此时感应线圈3 6的角度/位置信息。在上述调整完毕之后，主控器M5会接受到磁场检测单元Ml M4探测并经过放大 处理后的信号以及相应的角度/位置信号，并对上述信号进行相应的处理，处理过程如下 (如图1)根据电磁感应定律，半径为r的电缆其表面的磁场强度H与电流I的关系为H = Β/μ 0 = 1/(2 Jir)于是，对于Ml (或Μ2)的检测信号，有Bl/μ 0 = 1/(2 π Rl)(1)而对Μ3 (或Μ4)的检测信号，有Β2/μ Q = 1/(2 π R2)(2)记两组磁场检测单元的有效测量值(位置调整完毕后的测量值)分别为Il (Ml或 M2测得)和12 (M3或M4测得)，则由(1)⑵两式相除可得R2/R1 = B1/B2 = ΔΒ1/ΔΒ2 = 11/12(3)又由几何关系可得<formula>formula see original document page 7</formula>(4)在(3) (4)两式中，L已知，而α、β及11、12均可以由电路测得，只有Rl和R2是 未知量，解得Rl和R2，就可以确定电缆线的埋深(Rlcos β )，这样电缆线的位置就可以被锁 定了。根据上述方法，在排除干扰信号或具备干扰平衡的检测条件下，可以实现对电缆 的轨迹定位，同时对符合检测条件的信号电流与源信号电流进行比对，根据源信号电流产 生的感应信号小于源信号这一特征，信号最大的电缆为目标电缆，实现对电缆的准确定位 和识别。结合实际应用环境，本设计整体单元�？楹铣珊笸獗砻娌捎媒盒晕镏逝缤糠椒ǎ� 形成密封的防水层，做好密封防水等工作使其能够实现水下作业。本实用新型解决了如何能够准确对地下电缆进行准确定位和识别检测的问题，能 够准确地检测到对应的电流信号，并通过信号的比对、判别和计算来得到电缆的位置及埋 深等信息，实现电缆的有效识别；同时还针对具体应用中的实际问题比如排除干扰信号、进 行水下作业等提出了相应的解决方案。
权利要求用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，包括由6个探测电路组成的磁场检测单元M0～M4，及与各探测电路连接的主控器M5，其中探测电路由感应线圈和检测信号放大电路组成；其特征在于磁场检测单元M0由2个探测电路构成，磁场检测单元M1～M4各由1个探测电路和1个角度检测单元构成；其中，磁场检测单元M1～M4中的4个感应线圈的轴线位于同一个平面内，且4个感应线圈的位置构成矩形，4个感应线圈分别位于矩形的4个顶角上，并且4个感应线圈分别安装在4个可使感应线圈轴线在平面内原地转动的步进电机上，各步进电机受主控器M5控制，其转动的角度由角度检测单元检测并送至主控器M5；磁场检测单元M0位于上述矩形的中心位置，其2个感应线圈相互垂直，其中一个感应线圈轴线垂直于上述平面，另一个感应线圈轴线位于平面内，且垂直于矩形的长边；所述主控器M5由数字处理器构成，并设置有显示单元和键盘接口，数字处理器接收6个探测电路的信号和通过键盘接口输入的步进电机调整信号，对信号处理和计算，通过显示单元显示探测电路的信号值和对信号值处理和计算后的提示信息。
2.如权利要求1所述的用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，其特征在于所 述角度检测单元为由感应线圈带动的电位器。
3.如权利要求1或2所述的用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，其特征在于 所述感应线圈、步进电机及各联结部位的外表面均喷涂具有防水层性能的胶性物质。
4.如权利要求1或2所述的用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，其特征在于 所述数字处理器采用DSP芯片TMS320F2808。
5.如权利要求1或2所述的用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，其特征在于 由6个探测电路组成的磁场检测单元MO M4向前或向后平行增加多组，呈矩阵排列，各探 测电路均与主控器M5连接。
6.如权利要求1或2所述的用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置，其特征在于 所述感应线圈可以用霍尔传感器代替。
专利摘要用于电缆识别的电缆电流多点动态检测装置涉及一种对目标电缆的准确定位、识别探测目地的测量装置，属于电力测量设备领域。本装置通过一定分布的电感线圈或霍尔传感器，多点动态检测电缆检测区上方磁场强度和相应参数，判断信号源电流是否均衡分布或受目标电缆以外的其他信号干扰，并通过改变测量点或反向位移进行修正，在满足设定模式时捕捉准确的源信号，计算得到电缆中通过的源信号准确电流值，从而根据源信号和感生信号的差异特征，进行识别探测和准确定位，有效提高电缆探测的准确性，还可以通过计算得到目标电缆的埋藏深度。
文档编号G01B7/30GK201555885SQ20092029242
公开日2010年8月18日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者汪宇怀 申请人:汪宇怀;杭州市电力局
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