高压电缆本体位移监测装置技术

姜艺楠 1，姚广元 1，张晨曦 1

摘要：近年来，杭州城市建设发展迅速，地下空间日渐局促，管位资源极度稀缺， 非开挖工艺因其具有开挖面积小、施工灵活等优点在地下管线敷设中被越来越广泛地采用。为防控拖拉管沉降位移而造成高压电缆故障及外破发生，针对施工区域和重点沉降区域拖拉管开展位移监测专项保护措施，本文开展实时在线监测电缆本体位移的监测技术研究及应用。

关键词：电缆位移监测，电缆沉降，磁场监测，现场测试

0 引言

非开挖拖拉管又称非开挖水平定向钻铺管，指利用各种岩土钻掘设备和技术手段，安装于地表的钻孔设备以相对于地面较小的入射角钻入地层形成先导孔，然后再把先导孔径度扩大到所需要的大小来铺设管道或排线的一种技术。电缆通过路面或河道大量采用该敷设方式。拖拉管敷设时采用非开挖定向钻工艺施工，地下埋深和走向易受地质影响，且通道并未有钢筋混凝土进行加固保护，在有地下空洞和临近施工时极易发生位移拉伸。电缆拖拉管增长迅速，防沉降故障的压力与日俱增。因此，采取监测手段预控高压电缆沉降位移是十分必要的。

1 高压电缆本体位移监测装置技术

高压电缆本体位移监测装置技术是磁感应位移检测原理，固定一个标定磁钢发散磁场，在磁场的不同位置，磁场强度和水平穿过传感器的磁通量 不同。将不同位置传感器检测到的磁场强度和磁力线角度与真实的距离值相对应，检测当前的强度和角度，转换成磁钢和传感器的位置。把传感器绑定在电缆上，当检测到传感器移动 时，检测的位移值等效为电缆的位移值。

图1高压电缆本体位移监测装置示意图

1.1 装置构架设计

装置主要由电源单元、磁场监测单元、标定磁钢单元、通讯单元和云端组成。其中基于磁场强度的高精度，位移测量精度可达 1mm；磁场强度随距离衰减，最大检测范围为100mm。测量时不受环境影响；采用表带固定，安装极为简便。

图2 装置功能架构图

1.2 一体式封装设计

根据各个模块内部尺寸设计封装尺寸和形式。监测模块需要固定在电缆本体上，考虑安装便捷性和美观性设计定制表带封装。磁钢属于易碎品，根据尺寸 3D 打印塑料软槽盒嵌入保护。

1.3 云端平台

监测数据接入合作单位已有的云端平台，服务器设立在电缆运检中心机房，并签订安全协议和保密协议。平台功能成熟，仅需进行界面编辑和功能选择，可实现数据实时展示和多种途径报警推送。

图3平台界面

2 实验验证

2.1 滤波算法

通过编写软件算法实现位移测量和数据通讯的功能，算法包括数据滤波算法、传感量-位移映射算法和通讯算法。

滤波算法利用了过零点检测和平均值滤波原理，位移映射算法实现了测量磁场强度向测量点同标定磁钢相对位置的映射，映射关系可通过分段的二次函数进行非线性回归拟合。

2.2 磁钢配对测试

不同磁钢的磁场特性并不是完全一致，因此需要将每一块磁钢同监测模块进行一一测试并确定回归方程的系数。测试方法为：使标定的磁钢单元由初始位置逐渐远离磁场监测模块，单次移动 1mm 后读取 X、Y、Z 三轴磁场强度，通过大量的测试数据来确定每块磁钢的分段区间和各区间的回归系数。

图4磁钢配对测试流程

当每次移动 1mm 时磁场强度出现有规律的显著梯度变化时，则认位磁钢的性能满足 1mm 的位移测量精度。

2.3 整体测试

预设移动距离 1mm、5mm、10mm、20mm、30mm 进行整体性能测试，云端平台均能正常显示位移数据，且数据准确。云端平台可根据预设阈值正常报警，并通过微信、短信等方式推送至手机端。

表1 精度测试数据

测试时间	节点位移	人工测量	误差（mm）
13:55:30	20	21	-1
14:00:30	18	18	0
14:05:30	16	16	0
14:10:30	20	20	0
14:15:30	22	22	0
14:20:30	21	21	0
14:25:30	15	15	0
14:30:30	17	17	0
14:35:30	16	16	0

图5云端平台初始测试界面

3 现场应用

选取实际线路进行试点应用，根据施工工况进行精度测试，因现场鲜有电缆大幅位移事件发生，设定初始位移值为 20mm，采集频率为 5min/次，报警阈值设定为 20mm。在应用在线监测装置的同时，使用高精度游标卡尺进行人工检测进行比照。经测试，成套设备能够准确测出位移并上传数据，测量精度达到 1mm，实现电缆本体位移阈值预警且报警准确率达 100%。

为进一步验证高压电缆本体位移监测装置的实用性，将该装置试点安装于9处施工场地内进行为期2个月的试用，成功监测临近施工36例，成功报警并制止外破7起。

图6云端平台报警图

3 结语

高压电缆本体位移监测装置能够监测电缆位移情况，且适用于各敷设形式，为把握施工现场电缆安全提供有力数据支撑，有效提高了设备主人对电缆设备的管控力度，极大提升了电缆本质安全。

高压电缆本体位移监测装置能够实时传输电缆位移数据，丰富了电缆运检中心精益管理的内容，推进了电缆数智赋能的进程，助力电缆运检模式升级。

参 考 文 献

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