探地雷達技術在電力建設中的應用研究

耿宵慧,陳秋航

(1.國網襄陽供電公司樊城供電中心,湖北 襄陽 441000;2.重慶電力高等?？茖W校,重慶 400053)

2020年,我國在聯合國大會上首次提出“碳中和”目標。習近平總書記也曾多次在重大國際會議上表明了我國對于實現“雙碳”目標的決心。為了實現這一目標,勢必需要電力行業在高速發展的同時,兼顧高質量發展,即在穩步提升發電、供電能力的同時,注重供電質量的保障和提升。在電力建設方面,2022年國家電網的投資90%以上集中在輸變電電網方面。在2023年9月國家電網公司召開的“六精四化——綠色化”現場會上,國家電網公司提出在電網建設時,做到綠色設計、綠色施工。這一切都與數字化、智能化技術的應用密不可分。在輸電線路施工和變電站建設中,地層情況的探測一直都是重中之重。以變電站為例,由于當前部分變電站投入運行時間較長,難免存在地層布線資料不準確,甚至缺失的現象。地層情況不明為改造開挖帶來了諸多不便?？紤]到盲目開挖的破壞性,故需要對該類場景的地層情況進行更精準、細致探測。

目前對地層介質和地下管線的探測并無定法。胡玉洋等[1]基于寧波市的軌道交通管線,總結了在非開挖管線中常見的探測方法,例如PCM+探測儀法、導向儀法、慣性陀螺儀法等。以陀螺儀法為例,雖然其探測精度高,但其無法識別電纜,且收費昂貴,市場價在3萬元/斷面左右。李小飛等[2]將AP-1和RD8000 2種地下管線探測儀應用到地下管線的探測當中,其埋深差可控制在5 cm以內,并可根據不同的地下介質確定各自的最佳探測頻率。但該方式無法滿足多種地下管線和介質并存的探測情況,且該方法無法自動識別地下介質的種類。張鵬等[3]提出了一種基于“三點定圓”的判斷地下管線管徑的新方法,并將探地雷達(ground penetrating radar,GPR)應用于工業園區的地下管線探測中,取得了較好的效果。文獻[4]提出了一種區別于傳統一維、二維成像方式的探地雷達系統,該系統通過三維成像方法定位地下介質具體的空間位置,并通過改進BP算法對成像和定位結果進行改進。但該方法僅對非帶電體進行了實驗,對于電纜等回波情況復雜的地下介質,該探測方法缺乏有效的探測驗證實例。

探地雷達技術的起源可追溯到20世紀初。得益于分辨率高、組裝方便、無須進行地下開挖(無損探測)等特點,目前探地雷達技術已經廣泛應用于地質勘探、城市地下管線檢測等領域,其對于避免各類施工中的管道誤挖、避免工期延誤、減少地陷事故的發生等具有重要意義。

目前,我國正處于興建和改建變電站,以及建設特高壓輸電線路的高峰期,降本增效、避免無謂的施工延誤和事故是重中之重。鑒于探地雷達技術便捷、無損的探測特點,本文提出將探地雷達運用到電力建設的場景中。本文以變電站、輸電線路地下的主要介質作為探地雷達的探測對象進行分析,在探地雷達工作原理的基礎上,選取2種主要的地下介質,分析了其灰度圖和A-Scan圖特征,并通過某變電站的實地探測,驗證探地雷達進行地下介質探測的準確性。

1 探地雷達的工作原理

探地雷達作為當今地下探測的一種行之有效的手段,其工作原理如圖1所示。通過配套的電腦主機上的探測軟件可以設置不同的探測頻率,并利用雷達發射機將設定好頻率的高頻電磁波經由發射天線發射。同時,利用電腦軟件還可以設置采樣間隔、增益系數等參數,以適應不同的探測場景。高頻電磁波可以有效穿透地層到達介質表面,在遇到不同類型和不同地下位置的介質時,高頻電磁波會產生不同形式的反射及散射。

圖1 探地雷達工作原理圖

接收天線接收到不同形狀和振幅的散射波形后,便可結合不同的波形特征確定地下介質的種類及其埋深。

考慮到空氣對高頻電磁波具有一定的削弱作用,會影響探測精度,故探地雷達進行探測工作時,通常需要緊貼地面或是墻面?；诖?地下介質的深度可表示為

(1)

式中:t和v分別為電磁波在地層中的雙向傳播時間和傳播速度;x為探地雷達收發天線間的距離。

電力建設中的探測場景通常為野外或者變電站,該類場景中的土壤、水泥的地表介質對電磁波的損耗較小,故電磁波的波速(v)可表示為

(2)

2 地下介質成像分析

2.1 常見電纜結構介紹

在電力建設中,相對于普通地下管線(水管等),地下電纜是極具代表性的地下管線類型。通常,按照電纜功能的不同,電纜可分為電力電纜、通信電纜和控制電纜,按其線芯數目不同,可分為單芯電纜和三芯電纜。常見的電纜結構差異對高頻電磁波的反射差異并無實質性影響,故本文以常見的三芯電纜為例,對其結構及其對磁場的影響進行簡要分析。電纜本體由內到外,分別為導體層、導體屏蔽層、絕緣層、絕緣屏蔽層、銅帶屏蔽層、填充層、內襯層、鋼絲鎧套層及阻燃外護套層,如圖2所示。通常地下電纜會被固定在電纜溝內,電纜溝上方會有水泥蓋板。部分電纜會埋在土壤下方,由于混凝土和土壤對工頻電場的屏蔽作用,在使用探地雷達對地下電纜進行探測時,僅需考慮帶電電纜產生的磁場作用。

圖2 三芯電纜結構示意圖

2.2 電纜磁場效應分析

大地對電磁波僅考慮其產生的線性衰減作用,故在進行探測時,主要分析電磁波對電纜的探測效應。圖3所示為探地雷達作用下的磁場效應。Et、Ht分別為投射波的電場、磁場分量;E0、H0分別為入射波的電場、磁場分量;ki、kt分別為入射波和透射波矢量;α、φ、ψ分別為入射波極化角、方位角和俯仰角;ψt為透射波傳輸角;σg為土壤的電導率;h為電纜埋深[5]。

圖3 探地雷達電磁輻射電纜示意圖

地下電纜對于外施電磁波具有反射作用,通過研究電纜的反射波形,即可得到其反射波的傳播規律:

Ev=E0cosα

(3)

Eh=E0sinα

(4)

沿x軸地下h米深度的電場為

(5)

其中

E0=(EvTvsinφtcosφ+EhThsinφ)e-kghsinφt

(6)

則地下h米深度的磁場強度為

(7)

式中,η為土壤的波阻抗。在探地雷達電磁波輻射下,地下電纜周圍會形成一定強度的電磁場,由于地下電纜的結構會形成電場屏蔽效應,故在實際探測過程中,電場的影響可忽略。

2.3 典型地下介質成像分析

考慮到變電站、輸電線路等需要進行電力建設,以及改建工程地下環境的特性,本節選取花崗巖和電纜作為主要的研究對象,分別對其成像進行分析。

利用探地雷達對已確定位置的地下花崗巖和電纜進行探測分析,得到2種典型介質的灰度圖(見圖4)?；叶榷逊e圖是以灰度來反映接收到的回波幅值信息的,然后再將收集到的各道回波信號按照采集順序排列。根據探測設置的不同,可以生成地下介質的灰度圖、彩色堆積圖。

圖4 典型介質二維灰度圖

從圖4可以看出,花崗巖的反射波形較為尖銳,呈現出重疊的三角形波形,且波形顏色較淺;電纜的反射波形呈現出明顯的振蕩現象,類似于多個波形的疊加,波形有明顯的向下延伸的趨勢,且波形顏色較深。

接下來對2種波形的A-scan圖進行分析(見圖5)。A-scan掃描方式是能反映出不同位置的媒介表面與內部的反射回波情況的掃描方式,通過該方式可以得到關于介質反射波的時間-電壓函數波形。

圖5 典型介質A-scan圖

由圖5可以看出,電纜的A-scan圖振蕩持續明顯,且振幅較大,與灰度圖中電纜反射波疊加、振蕩的特征相符;花崗巖作為非電介質,其振蕩持續短,振幅較小。

3 實地探測案例

為驗證探地雷達的實際探測效果,選取國家電網公司某變電站進行實地探測。該變電站投入運行時間達22年,歷經過2次改造,由于年代較久,其部分地下管線走向不明?？紤]到未來該區域用電量的增加,以及站內部分設備的老化,對該站的改造迫在眉睫。由于開挖工作程序復雜,故先采用探地雷達對其地下情況進行探測。

圖6所示為該變電站某一路段的探測圖像。通過圖6可以看出,1#點的波形與2#、3#點的波形有顯著不同,與圖4中電纜的波形特征高度相符,都是具有明顯的電磁波振蕩、重疊現象,并且在豎直方向延伸,說明該處應鋪設有電纜。2#、3#點的波形與圖4中的花崗巖波形圖特征重合,可以斷定該2點為花崗巖或是接近的巖石類地下介質。變電站的地下管線圖及后期的開挖工作,驗證了本次探測的結果,即1#點存在電纜,2#、3#點均為地下花崗巖。

圖6 變電站實地探測圖

4 結語

探地雷達作為一種較為成熟的地層探測設備,能夠直觀、準確地反映地下介質的類型和埋深,對電力建設當中的輸電線路施工、變電站新建和擴建而言,都能起到良好的地層情況勘探作用。本文對典型地下介質的灰度圖和A-Scan圖的波形進行了特征分析,通過對某變電站的實地探測,驗證了探地雷達在地下介質探測中的有效性和準確性。

1)電纜對高頻電磁波的反射現象明顯,反射波主要以不規則且劇烈的振蕩形式存在,且具有持續性,振蕩區域從電纜上方一直持續到電纜下方。而花崗巖作為非金屬介質,其反射波形較為規則,振蕩較小,與電纜波形區別明顯。故利用探地雷達對地下主要介質進行探測,能夠很好地區分不同的介質,具有良好的探測效果。在輸電線路、變電站等需要進行電力建設或是改建的場景中,只需要確定地層介質的埋深及類型即可,無須進行三維層面的精準定位,所以普通探地雷達即可完成相應的工作任務。

2)未來探地雷達應朝著更加小型化、便攜化的方向發展,鑒于變電站、輸電線路等的地理環境較為復雜,一些狹小、逼仄的角落不適用體積較大的雷達設備?？紤]到空氣間隙的影響,使用雷達設備時應與地面緊貼,從而避免電磁波的散射。在變電站或是輸電線路中,往往會存在一些崎嶇或是較為特殊的地形,無法滿足雷達緊貼地面的探測條件,這就會對探測數據的準確性產生較大影響。故對設備進行小型化改造,使其能夠應對較為復雜的地理狀況,是未來探地雷達需要考慮和發展的方向之一。

3)考慮到探地雷達在應用過程中的各類電磁干擾問題,應將去除干擾信號作為研究的重點之一。目前,探地雷達在應用中的干擾主要來自直達波、旁瓣信號及振蕩干擾。去除的方法可以考慮從成像算法的方向,或是從天線設計、屏蔽罩設計的方向來進行,即從軟件和硬件方面對探地雷達系統進行改良。

4)智能化也是探地雷達技術未來的發展方向之一,例如可考慮將探地雷達探測結果與制圖軟件(例如AutoCAD)相結合,研發結合探測結果自動繪制地下介質(主要是地下管線)分布圖的功能,并自動為電纜、水管等主要地下介質標注埋深、直徑,便于探測人員和施工人員了解地下介質的地下方位、走向及各類其他參數,避免人工二次繪圖帶來的誤差和影響。