海底電纜路徑故障探測儀的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

海底電纜是用絕緣材料包裹的導(dǎo)線,敷設(shè)在海底及河流水下,用于電信傳輸?，F(xiàn)代的海底電纜都是使用光纖作為材料,傳輸電話和互聯(lián)網(wǎng)信號。全世界第一條海底電纜是1850年在英國和法國之間鋪設(shè)的。海底電力電纜主要用于水下傳輸大功率電能,與地下電力電纜的作用等同,只不過應(yīng)用的場合和敷設(shè)的方式不同。隨著島嶼發(fā)展建設(shè),架設(shè)海底電纜向島嶼供電,全面提升島嶼電能質(zhì)量成為大勢所趨。

江門管轄從大陸通向川島的海底電纜,因?yàn)殡娎|位于海底,海下暗流涌動,電纜存在難以定位的問題,同時海水沖刷會導(dǎo)致海底電纜的路徑偏移,而大型船只路過時,向海底拋錨又容易造成對海床面下海底電纜的外力破壞擊穿,這樣就導(dǎo)致出現(xiàn)故障難以發(fā)現(xiàn)故障點(diǎn)所在位置?？紤]到海底電纜敷設(shè)在海床面下2～3m,海底電纜的鎧裝層由鋼材質(zhì)構(gòu)成,且出現(xiàn)的故障以過往船只向海底拋下的錨等大型金屬物體造成的電纜破壞為主,以此實(shí)際運(yùn)行環(huán)境為基礎(chǔ)[2],考慮運(yùn)維人員使用長距離傳輸線向無人潛水器供電和信息交互,使運(yùn)維人員在水面上就能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)海底電纜的路徑和故障情況,極大地降低了巡視難度,提高了工作效率[3]。

1路徑和故障識別的依據(jù)

電力電纜的基本結(jié)構(gòu)包括線芯(導(dǎo)體）、絕緣層、屏蔽層和保護(hù)層四部分,其中線芯是電力電纜的導(dǎo)電部分,用來輸送電能:絕緣層是將線芯與大地以及不同相間的線芯在電氣上彼此隔離,保證電能輸送:保護(hù)層是保護(hù)電力電纜免受外界雜質(zhì)和水分的侵入以及防止外力直接損壞電力電纜。不論什么類型的海底電纜,其保護(hù)層都位于最外側(cè),是防止魚蝦啃食、海床面外力破壞的直接措施,都是鋼護(hù)層。而海底電纜的敷設(shè)往往在海床面下3m以內(nèi)的深度,這個深度可以保證電磁感應(yīng)能夠有效地發(fā)現(xiàn)海床面下的鋼護(hù)層。

同時,經(jīng)過調(diào)查研究,海底電纜出現(xiàn)故障絕大多數(shù)是源于船只拋錨,大型金屬錨對海底電纜外護(hù)層帶來的損傷會直接導(dǎo)致接地故障,因此對于這類金屬的識別同樣可以使用金屬探測:另一方面,對于海底的這種大型障礙物,使用聲吶配合水下攝像頭的組合可以在發(fā)現(xiàn)物體的同時完成探測。

2電磁感應(yīng)識別

電磁感應(yīng)現(xiàn)象是指因磁通量變化產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的現(xiàn)象,例如,閉合電路的一部分導(dǎo)體在磁場里做切割磁感線的運(yùn)動時,導(dǎo)體中就會產(chǎn)生電流,產(chǎn)生的電流稱為"感應(yīng)電流",產(chǎn)生的電動勢(電壓）稱為"感應(yīng)電動勢"。

運(yùn)用電磁感應(yīng)原理,在高頻信號發(fā)射線圈的作用下,感應(yīng)垂直方向下的金屬物體,當(dāng)進(jìn)入海底電纜敷設(shè)路徑時,高頻信號發(fā)射線圈將感應(yīng)到鎧裝層的金屬,接收線圈反饋微電流給感應(yīng)電路,由于海底電纜的敷設(shè)在海床面下2～3m,這種探測將能很明顯地感應(yīng)到鎧裝層的位置,以此搜索海底電纜路徑。但電磁感應(yīng)線圈不能直接暴露在海水中,因此將電磁感應(yīng)線圈鑲嵌在橡膠中,用一層較薄的橡膠覆蓋在電磁感應(yīng)線圈表面,既不會影響磁力線,又能保護(hù)線圈不受腐蝕,起到一舉兩得的作用。

如圖1所示,小型潛水器搭載電磁線圈進(jìn)行電磁感應(yīng)識別,電磁感應(yīng)線圈在遙控器的控制下向垂直下方發(fā)射高頻電磁波,當(dāng)處于海底電纜鎧裝層的正上方時就會在電磁感應(yīng)的作用下向地面端返回信號。

圖1海底電纜路徑故障探測儀金屬探測示意圖(單位:cm）

當(dāng)海面端連續(xù)探測到金屬信號時,海面端控制器識別信號后,提示向四周移動,當(dāng)識別信號突然消失移動,控制器就提示到達(dá)海底電纜路徑邊緣,提示反向移動,運(yùn)維人員將潛水器向四周移動,通過控制器的提示即可探測出此時海底電纜的占地范圍,通過四周移動可探測出海底電纜的走向,在海面端的控制器向運(yùn)維人員發(fā)出提示,便于運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)海底電纜路徑的金屬探測范圍。

3聲光效應(yīng)識別

通過聲光效應(yīng),以聲吶探測儀發(fā)出的聲信號和無人潛水器攝像頭的可見光信號探測海床面存在的大型金屬物體,判斷海底電纜敷設(shè)路徑上是否存在安全隱患。

搭載在潛水器上的聲吶裝置可以監(jiān)測到大型外破物體的外形,進(jìn)而使運(yùn)維人員發(fā)現(xiàn)外破點(diǎn)的發(fā)生處:在電磁感應(yīng)裝置上加裝的水下高清攝像頭則可以發(fā)現(xiàn)外破裝置的影像,這種從電磁感應(yīng)平面發(fā)現(xiàn)外破點(diǎn)的方式降低了水下觀測點(diǎn)遺漏了對外破物的觀測的可能,在搜索到海底電纜路徑的同時,可以在需要快速查找故障點(diǎn)時及時有效發(fā)現(xiàn)外破物。

4故障識別

當(dāng)通過路徑檢測找到海底電纜路徑后,逐步向?qū)Π缎旭偟倪^程中,會越來越靠近故障點(diǎn),在接近故障點(diǎn)時,聲吶可以探測到潛水器前進(jìn)路程中的大型障礙物,在探測到大型障礙物后,使用金屬探測攝像頭能確定是否為故障點(diǎn)。因?yàn)樵诤５纂娎|路徑上,所以可以保證發(fā)生外破故障后探測到的路徑上的大型障礙物是后來插入該區(qū)域海床面的,也就一定是外破引發(fā)物,進(jìn)而確定外破點(diǎn),可以針對性地進(jìn)行故障消缺工作。

5結(jié)語

綜上所述,本文提出的海底電纜路徑故障探測儀通過識別海底電纜鎧裝層的方式,使用金屬探測,配合海面端的控制器提示和微型無人潛水器,即可有效探尋到海底電纜的路徑:通過聲吶和搭載在電磁感應(yīng)識別裝置上的水下攝像頭可以觀測到電纜路徑上已發(fā)生的外破故障點(diǎn)情況,通過聲吶定位和水下攝像頭水平角度的探測、分析,可以定位故障點(diǎn),實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位消缺。本技術(shù)具有經(jīng)濟(jì)、輕便、操作難度低的優(yōu)點(diǎn),值得運(yùn)用推廣。