海底电缆路径故障探测仪的设计与应用

引言

海底电缆是用绝缘材料包裹的导线,敷设在海底及河流水下,用于电信传输。现代的海底电缆都是使用光纤作为材料,传输电话和互联网信号。全世界第一条海底电缆是1850年在英国和法国之间铺设的。海底电力电缆主要用于水下传输大功率电能,与地下电力电缆的作用等同,只不过应用的场合和敷设的方式不同。随着岛屿发展建设,架设海底电缆向岛屿供电,全面提升岛屿电能质量成为大势所趋。

江门管辖从大陆通向川岛的海底电缆,因为电缆位于海底,海下暗流涌动,电缆存在难以定位的问题,同时海水冲刷会导致海底电缆的路径偏移,而大型船只路过时,向海底抛锚又容易造成对海床面下海底电缆的外力破坏击穿,这样就导致出现故障难以发现故障点所在位置。考虑到海底电缆敷设在海床面下2～3m,海底电缆的铠装层由钢材质构成,且出现的故障以过往船只向海底抛下的锚等大型金属物体造成的电缆破坏为主,以此实际运行环境为基础[2],考虑运维人员使用长距离传输线向无人潜水器供电和信息交互,使运维人员在水面上就能准确发现海底电缆的路径和故障情况,极大地降低了巡视难度,提高了工作效率[3]。

1路径和故障识别的依据

电力电缆的基本结构包括线芯(导体）、绝缘层、屏蔽层和保护层四部分,其中线芯是电力电缆的导电部分,用来输送电能:绝缘层是将线芯与大地以及不同相间的线芯在电气上彼此隔离,保证电能输送:保护层是保护电力电缆免受外界杂质和水分的侵入以及防止外力直接损坏电力电缆。不论什么类型的海底电缆,其保护层都位于最外侧,是防止鱼虾啃食、海床面外力破坏的直接措施,都是钢护层。而海底电缆的敷设往往在海床面下3m以内的深度,这个深度可以保证电磁感应能够有效地发现海床面下的钢护层。

同时,经过调查研究,海底电缆出现故障绝大多数是源于船只抛锚,大型金属锚对海底电缆外护层带来的损伤会直接导致接地故障,因此对于这类金属的识别同样可以使用金属探测:另一方面,对于海底的这种大型障碍物,使用声呐配合水下摄像头的组合可以在发现物体的同时完成探测。

2电磁感应识别

电磁感应现象是指因磁通量变化产生感应电动势的现象,例如,闭合电路的一部分导体在磁场里做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,产生的电流称为"感应电流",产生的电动势(电压）称为"感应电动势"。

运用电磁感应原理,在高频信号发射线圈的作用下,感应垂直方向下的金属物体,当进入海底电缆敷设路径时,高频信号发射线圈将感应到铠装层的金属,接收线圈反馈微电流给感应电路,由于海底电缆的敷设在海床面下2～3m,这种探测将能很明显地感应到铠装层的位置,以此搜索海底电缆路径。但电磁感应线圈不能直接暴露在海水中,因此将电磁感应线圈镶嵌在橡胶中,用一层较薄的橡胶覆盖在电磁感应线圈表面,既不会影响磁力线,又能保护线圈不受腐蚀,起到一举两得的作用。

如图1所示,小型潜水器搭载电磁线圈进行电磁感应识别,电磁感应线圈在遥控器的控制下向垂直下方发射高频电磁波,当处于海底电缆铠装层的正上方时就会在电磁感应的作用下向地面端返回信号。

图1海底电缆路径故障探测仪金属探测示意图(单位:cm）

当海面端连续探测到金属信号时,海面端控制器识别信号后,提示向四周移动,当识别信号突然消失移动,控制器就提示到达海底电缆路径边缘,提示反向移动,运维人员将潜水器向四周移动,通过控制器的提示即可探测出此时海底电缆的占地范围,通过四周移动可探测出海底电缆的走向,在海面端的控制器向运维人员发出提示,便于运维人员发现海底电缆路径的金属探测范围。

3声光效应识别

通过声光效应,以声呐探测仪发出的声信号和无人潜水器摄像头的可见光信号探测海床面存在的大型金属物体,判断海底电缆敷设路径上是否存在安全隐患。

搭载在潜水器上的声呐装置可以监测到大型外破物体的外形,进而使运维人员发现外破点的发生处:在电磁感应装置上加装的水下高清摄像头则可以发现外破装置的影像,这种从电磁感应平面发现外破点的方式降低了水下观测点遗漏了对外破物的观测的可能,在搜索到海底电缆路径的同时,可以在需要快速查找故障点时及时有效发现外破物。

4故障识别

当通过路径检测找到海底电缆路径后,逐步向对岸行驶的过程中,会越来越靠近故障点,在接近故障点时,声呐可以探测到潜水器前进路程中的大型障碍物,在探测到大型障碍物后,使用金属探测摄像头能确定是否为故障点。因为在海底电缆路径上,所以可以保证发生外破故障后探测到的路径上的大型障碍物是后来插入该区域海床面的,也就一定是外破引发物,进而确定外破点,可以针对性地进行故障消缺工作。

5结语

综上所述,本文提出的海底电缆路径故障探测仪通过识别海底电缆铠装层的方式,使用金属探测,配合海面端的控制器提示和微型无人潜水器,即可有效探寻到海底电缆的路径:通过声呐和搭载在电磁感应识别装置上的水下摄像头可以观测到电缆路径上已发生的外破故障点情况,通过声呐定位和水下摄像头水平角度的探测、分析,可以定位故障点,实现精准定位消缺。本技术具有经济、轻便、操作难度低的优点,值得运用推广。