CN110687338A - 一种埋地管线交直流杂散电流检测方法 - Google Patents

一种埋地管线交直流杂散电流检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种埋地管线交直流杂散电流检测方法，涉及检测技术领域，技术方案为，采用三个磁饱和磁力仪探头阵列水平排列，从而消除垂直分量地磁干扰，并计算得到埋地管道中交直流电流的大小。本发明的有益效果是：本发明提出了三分量磁饱和磁力仪探头阵列方法检测管道中交直流杂散电流，利用阵列中探头检测数据，可实现外界稳定磁场下垂直地面干扰分量和平行地面干扰分量的计算与消除，在此基础上，可实现管道埋深检测。进一步地，实现管道中交流、直流混合杂散电流的检测，并对交直流杂散电流进行分离，以分别评估管道受交流干扰源与直流干扰源的干扰情况。

Description

一种埋地管线交直流杂散电流检测方法
技术领域
本发明涉及检测技术领域，特别涉及一种埋地管线交直流杂散电流检测方法。
背景技术
当前，随着电气化铁路、轨道交通线路、高压交直流输电线路等大规模建设，埋地管线受交、直流杂散电流干扰日益严重，对输油管线的电化学腐蚀已造成巨大经济损失和安全隐患，对埋地钢制管道的交直流杂散电流有效检测是关系到管道安全运行的重要措施。埋地管道的交流杂散电流与直流杂散电流干扰源不同，因此，应针对埋地管道交直流混合杂散电流开展有效检测，同时，将管道中交流杂散电流与直流杂散电流分离，以评估埋地管道受不同类型干扰源干扰程度。
针对埋地管道中电流检测，已存在一些检测方法。最直接检测方法为取一段长度管道校准其纵向电阻后，取该两点电位来反应管道中杂散电流大小。该方法简单直接，但检测时需要与管道有预先设置电气连接点，无法便携的对各个位置管道中的电流进行检测。同时，已埋入地下的管道开挖复杂，该方法测试时工作量大。该方法未得到广泛应用。管地电位通常作为检测参数来反映管道中交直流杂散电流干扰水平，相关标准中也对管地电位限值要求进行规定，但管地电位为间接参数，无法直接定量的反映管道中交直流电流的大小。由于管道直径大且不易开挖，相关的霍尔电流传感器无法有效应用到管道交直流电流检测中。除此之外，利用磁力仪探头进行管道中电流检测有一定的应用实例。利用该方法进行管道中杂散电流检测需要考虑以下问题：(1)埋地管道埋深并不固定，因此磁力仪探头与管道距离未知，需利用检测信号判断被检测位置管道埋深。(2)利用磁力仪检测管道中电流产生的磁场时，检测到的磁场并不仅是管道中电流产生，还会存在地磁、地中其他电流产生的电磁场，如何避免周边电磁场的干扰是准确检测管道中电流的关键。(3)当前，管道的干扰源类型增多，存在直流干扰、工频交流干扰及低频交变电流干扰等，现有利用磁力仪探头进行管道电流检测的方法中，一般仅涉及直流干扰，而无法将交直流混合干扰同步测试后将两类干扰分离，以分别评估不同类型干扰源对管道的影响，因此，应针对埋地管道交直流混合干扰进行检测及分离。(4)单一磁力仪探头无法准确、有效的检测到管道中电流产生的磁场，传感器的阵列方式及阵列方式下电磁场的准确计算需进行研究。
申请号为201110097516.9的发明专利《埋地管道埋深及杂散电流大小和地磁方位角的测量方法》，本发明在测量时忽略其他电磁场垂直地面分量的影响，实际中，地磁场存在垂直于地面分量，同时，外界磁场干扰中也会存在垂直于地面分量，这使得现有方法在检测埋地管道杂散电流产生的电磁场时存在较大的误差。为此，本发明利用探头一和探头二提出外界稳定磁场干扰的消除方法。
发明内容
为了实现上述发明目的，针对上述技术问题，本发明提供一种埋地管线交直流杂散电流检测方法。
本发明利用磁饱和磁力仪探头阵列检测埋地管道交直流电流，从而实现管中交直流混合电流的准确检测与分离。
其技术方案为，一种埋地管线交直流杂散电流检测方法，
S1、选取要检测的埋地管道位置；
S2、将三个磁力仪探头以相等的间距依次水平阵列排布在埋地管道所在的地表处；三个探头依次为探头一、探头二、探头三；
S3、当管道中存在交直流杂散电流时，探头一、探头二、探头三分别检测出各自位置的磁场；
S4、根据S3检测的结果，得到外界稳定磁场干扰的垂直分量大小，消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响；
S5、根据S3和S4的结果，计算管道的埋地深度；
S6、根据S5的到的管道埋地深度，得到磁力仪探头阵列下管道的电流；
S7、根据S6得到的电流即包含管道中的直流电流又包含管道中的交流电流，将检测得到的电流中直流电流与交流电流分离，即可实现埋地管道中交直流杂散电流的检测与分离。
优选为，所述S2中放置探头阵列时，使管道位于探头一、探头二水平连线中部的正下方，且探头一和探头二之间水平连线在水平面的投影和管道中轴线在水平面的投影相互垂直；探头三位于探头一和探头二水平连线的延长线上。
优选为，所述S2中的磁力仪探头为高频三分量磁饱和磁力仪探头。
优选为，频率大于1kHz的探头。
优选为，所述步骤S4，将各个探头的磁场强度分别分解为垂直分量和水平分量，探头检测到的垂直分量均包含外界稳定磁场的垂直分量，满足下式：
H1垂＝HI1垂-H外垂；
H2垂＝HI2垂+H外垂；
其中H1垂为所述探头一检测到的磁场强度垂直分量，HI1垂为探头一磁场强度HI1的垂直分量，H外垂为外界稳定磁场的垂直分量；
H2垂为所述探头二检测到的磁场强度垂直分量，HI2垂为探头二磁场强度HI2的垂直分量；
由管道自身电流产生的电磁场在所述探头一与探头二位置产生的垂直分量为：
Figure BDA0001721770320000031
由此消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响；
外界稳定磁场干扰的垂直分量大小为：
Figure BDA0001721770320000032
得到三磁饱和磁力仪探头阵列下管道的电流为：
Figure BDA0001721770320000033
其中H3垂为所述探头三检测到的磁场强度垂直分量，l为两个相邻的所述探头之间的间距。
优选为，根据三个所述探头阵列的电磁场检测结果，根据公式：
Figure BDA0001721770320000041
可得管道的埋深d，其中，l为两个相邻的所述探头之间的间距；HI3垂为探头三磁场强度HI3的垂直分量。
优选为，三个所述探头与管道轴线的距离分别为：
Figure BDA0001721770320000042
Figure BDA0001721770320000043
其中r1、r2、r3分别为探头一、二、三到管道轴线的距离；
长直载流导体周边切线方向上磁感应强度与载流大小关系计算公式为：
Figure BDA0001721770320000044
长直载流导体周边切线方向上磁场强度与载流大小关系计算公式为：
Figure BDA0001721770320000045
因此，探头二检测的参数满足：
探头三检测的参数满足：
Figure BDA0001721770320000047
由此得到：
优选为，采用下述计算方法排除水平分量干扰：
Figure BDA0001721770320000051
其中H2平、H3平分别为所述探头二、探头三检测到的磁场强度水平分量；
此时：
Figure BDA0001721770320000052
Figure BDA0001721770320000053
Figure BDA0001721770320000054
由此得到：
优选为，选用的磁力仪为三分量磁饱和式磁力仪。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明提出了三分量磁饱和磁力仪探头阵列方法检测管道中交直流杂散电流，利用阵列中探头检测数据，可实现外界稳定磁场下垂直地面干扰分量和平行地面干扰分量的计算与消除，在此基础上，可实现管道埋深检测。进一步地，实现管道中交流、直流混合杂散电流的检测，并对交直流杂散电流进行分离，以分别评估管道受交流干扰源与直流干扰源的干扰情况。
附图说明
图1为本发明实施例的三分量磁饱和磁力仪探头阵列检测管道交直流电流原理示意图。
图2为本发明实施例的消除稳定磁场垂直分量原理示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。当然，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明创造中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明创造的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明创造的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。
实施例1
本发明提供一种埋地管线交直流杂散电流检测方法，
S1、选取要检测的埋地管道位置；
S2、将三个磁力仪探头以相等的间距依次水平阵列排布在埋地管道所在的地表处；三个探头依次为探头一、探头二、探头三；
S3、当管道中存在交直流杂散电流时，探头一、探头二、探头三分别检测出各自位置的磁场；
S4、根据S3检测的结果，得到外界稳定磁场干扰的垂直分量大小，消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响；
S5、根据S3和S4的结果，计算管道的埋地深度；
S6、根据S5的到的管道埋地深度，得到磁力仪探头阵列下管道的电流；
S7、根据S6得到的电流即包含管道中的直流电流又包含管道中的交流电流，将检测得到的电流中直流电流与交流电流分离，即可实现埋地管道中交直流杂散电流的检测与分离。
S2中放置探头阵列时，使管道位于探头一、探头二水平连线中部的正下方，且探头一和探头二之间水平连线在水平面的投影和管道中轴线在水平面的投影相互垂直；探头三位于探头一和探头二水平连线的延长线上。
S2中的磁力仪探头为高频三分量磁饱和磁力仪探头。频率大于1kHz的探头。
实施例2
参见图1与图2，在实施例1的基础上，三个磁饱和磁力仪探头水平排列组成阵列，三个磁饱和磁力仪探头间距为l，选用三分量磁饱和磁力仪探头。在检测管道交直流杂散电流时，管道埋地d未知，放置探头阵列时，使管道位于探头1、探头2中轴线上。当管道中存在交直流杂散电流I时，探头1、探头2、探头3均会检测出各自位置的磁场，但检测出的磁场具有外界稳定磁场(例如地磁或其他稳定磁场)的干扰。此时，不能直接利用探头检测到的电磁场进行管道电流的计算，而应消除其他稳定磁场干扰的影响。利用三磁饱和磁力仪探头阵列检测管道交直流电流方法的步骤如下：
首先，消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响，其原理如图2所示。由于探头1与探头2相对管道位置对称，图2中，由管道中电流I产生的HI1和HI2相等，但方向不同。分别将HI1和HI2分解为垂直分量与水平分量时，HI1和HI2的水平分量大小相等且方向相同，但HI1和HI2的垂直分量HI1垂和HI2垂大小相等，方向相反。由于外界有稳定磁场的垂直分量H外垂作用，因此，探头1与探头2检测到的垂直分量均包含外界稳定磁场的垂直分量。满足：
H1垂＝HI1垂-H外垂；
H2垂＝HI2垂+H外垂；
其中H1垂为所述探头一检测到的磁场强度垂直分量，HI1垂为探头一磁场强度HI1的垂直分量，H外垂为外界稳定磁场的垂直分量；
H2垂为所述探头二检测到的磁场强度垂直分量，HI2垂为探头二磁场强度HI2的垂直分量；
因此，由管道自身电流产生的电磁场在探头1与探头2位置产生的垂直分量为：
Figure BDA0001721770320000081
由此，可消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响。
同时，可以得到外界稳定磁场干扰的垂直分量大小：
Figure BDA0001721770320000082
其次，根据三磁饱和磁力仪探头阵列的电磁场检测结果，计算管道的埋深d。如图1中，探头距离管道的直线距离为：
Figure BDA0001721770320000083
长直载流导体周边切线方向上磁感应强度与载流大小关系计算公式为：
Figure BDA0001721770320000085
长直载流导体周边切线方向上磁场强度与载流大小关系计算公式为：
Figure BDA0001721770320000086
因此，探头二检测的参数满足：
Figure BDA0001721770320000091
探头三检测的参数满足：
Figure BDA0001721770320000092
由此得到：
Figure BDA0001721770320000093
此时，水平分量也包含外界稳定磁场干扰，为避免该稳定磁场水平分量干扰，采用下述计算方法：
Figure BDA0001721770320000094
其中H2平、H3平分别为所述探头二、探头三检测到的磁场强度水平分量；
此时：
Figure BDA0001721770320000095
同时，
Figure BDA0001721770320000096
Figure BDA0001721770320000097
最后，结合公式(1)、(2)，得到三磁饱和磁力仪探头阵列下管道的电流为：
Figure BDA0001721770320000098
公式(3)检测得到的电流即包含管道中的直流电流又包含管道中的交流电流，选用高频磁饱和磁力仪探头，将检测得到的电流中直流电流与交流电流分离，即可实现埋地管道中交直流杂散电流的检测与分离。选择高频磁饱和磁力仪探头，检测管道中实时电流变化，并通过傅里叶变化分解管道中直流电流分量与交流电流分量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，
S1、选取要检测的埋地管道位置；
S2、将三个磁力仪探头以相等的间距依次水平阵列排布在埋地管道所在的地表处；三个探头依次为探头一、探头二、探头三；
S3、当管道中存在交直流杂散电流时，探头一、探头二、探头三分别检测出各自位置的磁场；
S4、根据S3检测的结果，得到外界稳定磁场干扰的垂直分量大小，消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响；
S5、根据S3和S4的结果，计算管道的埋地深度；
S6、根据S5的到的管道埋地深度，得到磁力仪探头阵列下管道的电流；
S7、根据S6得到的电流即包含管道中的直流电流又包含管道中的交流电流，将检测得到的电流中直流电流与交流电流分离，即可实现埋地管道中交直流杂散电流的检测与分离。
2.根据权利要求1所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，所述S2中放置探头阵列时，使管道位于探头一、探头二水平连线中部的正下方，且探头一和探头二之间水平连线在水平面的投影和管道中轴线在水平面的投影相互垂直；探头三位于探头一和探头二水平连线的延长线上。
3.根据权利要求2所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，所述S2中的磁力仪探头为高频三分量磁饱和磁力仪探头。
4.根据权利要求3所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，所述步骤S4，将各个探头的磁场强度分别分解为垂直分量和水平分量，探头检测到的垂直分量均包含外界稳定磁场的垂直分量，满足下式：
H1垂＝HI1垂-H外垂；
H2垂＝HI2垂+H外垂；
其中H1垂为所述探头一检测到的磁场强度垂直分量，HI1垂为探头一磁场强度HI1的垂直分量，H外垂为外界稳定磁场的垂直分量；
H2垂为所述探头二检测到的磁场强度垂直分量，HI2垂为探头二磁场强度HI2的垂直分量；
由管道自身电流产生的电磁场在所述探头一与探头二位置产生的垂直分量为：
Figure FDA0001721770310000021
由此消除外界稳定磁场干扰的垂直分量影响；
外界稳定磁场干扰的垂直分量大小为：
Figure FDA0001721770310000022
得到三磁饱和磁力仪探头阵列下管道的电流为：
Figure FDA0001721770310000023
其中H3垂为所述探头三检测到的磁场强度垂直分量，l为两个相邻的所述探头之间的间距。
5.根据权利要求3所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，根据三个所述探头阵列的电磁场检测结果，根据公式：
Figure FDA0001721770310000024
可得管道的埋深d，其中，l为两个相邻的所述探头之间的间距；HI3垂为探头三磁场强度HI3的垂直分量。
6.根据权利要求5所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，三个所述探头与管道轴线的距离分别为：
其中r1、r2、r3分别为探头一、二、三到管道轴线的距离；
因此，探头二检测的参数满足：
探头三检测的参数满足：
Figure FDA0001721770310000033
由此得到：
Figure 2
。
7.根据权利要求6所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，采用下述计算方法排除水平分量干扰：
Figure FDA0001721770310000035
其中H2平、H3平分别为所述探头二、探头三检测到的磁场强度水平分量；
此时：
Figure FDA0001721770310000036
Figure FDA0001721770310000037
由此得到：
8.根据权利要求1-7所述的埋地管线交直流杂散电流检测方法，其特征在于，所用磁力仪探头竖直埋设在地表，每个所述磁力仪探头的间距l为0.4m。
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