CN113866696B - 基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，涉及一种精度检测方法。目前海缆故障探测仪的下海检测难度大，且效率低。本发明包括步骤：通过第一GPS定位器记录故障点的具体的地理坐标；把移动平台安装到滑轨上，打开海缆故障探测仪及第二GPS定位器设备，并开启移动平台的动力装置；当移动平台从A端行驶到B端，记录海缆故障探测仪探测到的故障点坐标；计算第一GPS定位器记录的实际故障点地理坐标与海缆故障探测仪探测的故障点坐标之间的相对距离，将相对距离作为海缆故障探测仪的精度。本技术方案无需出海实测，在实验室内就可以验证海缆故障探测仪的可靠性，有效降低人力成本，时间成本，且不受环境影响，排除干扰，准确性好。

Description

基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法

技术领域

本发明涉及一种精度检测方法，尤其涉及基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法。

背景技术

随着国家对海洋权益日趋重视，海底电缆也越来越多，但是由于人为的船锚破坏，加上自然环境的洋流影响等，海底电缆的故障率也逐年升高。所以对故障检修提出更高的要求，缩短检修时间对降低经济损失，提高供电效率等方面有着极大的积极作用。用于检测海缆故障的海缆故障探测仪尤其重要，海缆故障探测仪出现问题后，会导致检测精度降低，故障定位出错，影响检修速度，故需要对海缆故障探测仪定时进行检测，但海缆故障探测仪的下海检测难度大，且效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题和提出的技术任务是对现有技术方案进行完善与改进，提供基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，以达到快速准确检测海缆故障探测仪的目的。为此，本发明采取以下技术方案。

基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，包括以下步骤：

1)布置设备，设备包括交流电源、海缆、第一GPS定位器、海缆故障探测仪、第二GPS定位器；交流电源：用于提供交流信号；海缆：用来模拟故障点；海缆的一端为交流电源连接端，另一端为接地端，其接地阻抗小于4Ω；第一GPS定位器设于海缆的故障点处，用于提供故障点的具体物理坐标；第二GPS定位器与海缆故障探测仪位于同一移动平台上，第二GPS定位器为海缆故障探测仪提供具体的地理坐标；海缆故障探测仪：用来探测海缆的磁场变化，寻找出磁场异常点，其设有三轴矢量磁传感模块、姿态测量模块，在探测时，从三轴矢量磁传感模块中获取磁场数据，磁场数据包括磁场总场与三分量数据，并通过姿态测量模块获取惯导数据，结合磁场数据与惯导数据，将三轴矢量磁传感模块坐标下的磁场三分量数据转换为地理坐标下的三分量数据，保证测量到的故障海缆产生的磁场数据不受传感器姿态的影响，根据地理坐标下的磁场数据以及电流的磁特征信号，计算出海缆故障探测仪与故障海缆的相对位置，根据海缆故障探测仪的实时位置，计算得到故障海缆的故障点坐标；

2)检测设备，并给所有用电设备供电，交流电源的N端接地，L端接故障海缆，用于模拟海缆故障时的低阻故障电流的流向情况；

3)设置功率交流电源输出一个稳定的工频交流信号，使得故障海缆周围产生一个稳定的工频交变磁场，用于海缆故障探测仪根据磁场信号进行海缆定位；

4)通过第一GPS定位器记录故障点的具体的地理坐标：经度J1、纬度W1；

5)把移动平台安装到滑轨上，打开海缆故障探测仪及第二GPS定位器设备，并开启移动平台的动力装置，用于模拟海缆故障探测仪在实际探测过程中的运动情况；

6)当移动平台从A端行驶到B端，记录海缆故障探测仪探测到的故障点坐标：经度J2、纬度W2、和两点距离D。

7)计算第一GPS定位器记录的实际故障点地理坐标与海缆故障探测仪探测的故障点坐标之间的相对距离，将相对距离作为海缆故障探测仪的精度。

海缆故障类型大致可以低阻故障；高阻故障；短路故障；高阻闪络故障等。目前，海底电缆故障检测定位技术利用高压击穿等方式把故障类型变成低阻故障。当海缆发生故障时，电流回路路径可以分别有铠装层(钢材质)、铅包层、海水构成。海缆在发生故障时，先确定电流的发散情况，才能确定磁场分布。在故障点附近，电流分别通过海水、正方向铠装层、正方向铅层、反方向铅层、反方向铠装层等五条回路接地。由于通过海水接地电流是发散的，相对应磁场分布也是发散的。假设通过铠装层与铅层正反向电流之和为总电流，在正方向的铠装层与铅层的电流与反方向的铠装层与铅层的电流相等的极端情况下，经过基于磁矢量数据的海缆故障检测装置分析，在故障点处依然会有峰值出现。但在实际状态下，由于故障点通过海水接地，泄露一部分电流，正方向的铠装层与铅层的电流与反方向的铠装层与铅层的电流不可能相等，故障点前后的电流不一致，则更容易确定故障点。在实验室精度检测时，只需要模拟低阻故障情况下的海底电缆通过海水接地的故障类型即可实现对海缆故障探测仪的检测，检测的准确率高，检测效率高；无需出海实测，在实验室内就可以验证海缆故障探测仪的可靠性，有效降低人力成本，时间成本，且不受环境影响，排除干扰，准确性更好。

实验室中，可以将设备预设好，除了要检测的海缆故障探测仪，对不同海缆故障探测仪进行检测时，不需要调整其他的设备，效率得到进一步的提高，包括移动平台的运行轨迹也是固定，故对于检测的准确性就得到进一步地提高，可以不必反复计算，只要直接比较两位置即可，效率高、准确性好。

作为优选技术手段：电流的磁特征信号通过磁场模型获取；

海缆的电流载体为内部的通电导体，海缆磁场等效为长直导线的磁场模型；

根据毕奥萨法尔定律，导线周围任意一点的磁场大小为：

其中，L为积分路径，I为源电流，dl为源电流无限微分的电流元，为电流元指向待测点的单位向量；μ₀为真空磁导率，r为距导线的距离；因为海缆可以理解为一条无限长长直导线，经过化简，海缆周围的磁场大小为：

其中，R是距海缆的距离。

作为优选技术手段：确定海缆故障探测仪与故障海缆的相对位置步骤为：

依靠航行过程中起点B和终点F探测到的磁场参数与GPS参数进行计算，利用起点B与终点F两点GPS坐标，可以计算两点之间的距离distance与方位角度bearing：

其中，J₁、W₁、J₂、W₂分别对应起点B与终点F的经纬度，R_E为地球半径。

利用地理坐标系下正北和正东方向的磁场分量相位差计算海缆的方向，海缆角度值angle通过这两个分量的反正切得到：

其中，angle为海缆在地理坐标系下与正北方向的角度，B_X为地理北向的磁场值，B_Y为地理东向的磁场值。

当航行到终点F时，海缆故障探测仪与海缆之间的水平距离D通过以下公式进行计算：

其中，B₁、B₂为海缆在起点和终点产生的总磁场值，为起点和终点的垂直方向的磁场值，当海缆方向为北偏东时，第一个正负号取负，海缆方向为北偏西时，则取正；当航行的起点与终点位于海缆同侧时，第二个正负号取负，起点与终点位于海缆不同侧时，则取正；

通过以上计算方式，即可得到海缆方向以及海缆故障探测仪与海缆之间的相对距离。

有益效果：

在实验室精度检测时，只需要模拟低阻故障情况下的海底电缆通过海水接地的故障类型即可实现对海缆故障探测仪的检测，检测的准确率高，检测效率高。

无需出海实测，在实验室内就可以验证海缆故障探测仪的可靠性，有效降低人力成本，时间成本，且不受环境影响，排除干扰，准确性更好。

附图说明

图1(a)、1(b)是长直导线磁场分布模型图。

图2长直导线磁场计算图。

图3是本发明的海缆故障探测仪工作流程图。

图4是本发明的海缆与海缆故障探测仪位置示意图。

图5是本发明的结构原理图。

图6是本发明的流程图。

图中：1、交流电源；2、海缆；3、第一GPS定位器；4、移动平台；5、海缆故障探测仪；6、第二GPS定位器；7、滑轨。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。

一、海缆故障探测仪5的工作原理

海缆故障探测仪5基于磁矢量数据进行故障位置定位。

以下就其工作原理进行分析：

先对海缆2在其周围产生的磁场分布进行分析，通过了解海缆2的内部结构可知，海缆2的电流载体为内部的通电导体，另外海缆2的长度短则几公里，长则十几公里，所以海缆2磁场可以等效为长直导线的磁场模型，长直导线的磁场分布特性如图1(a)、1(b)所示。

如图2所示，根据毕奥萨法尔定律可得，导线周围任意一点的磁场大小为：

其中，L为积分路径，I为源电流，dl为源电流无限微分的电流元，为电流元指向待测点的单位向量。μ₀为真空磁导率，r为距导线的距离。

因为海缆2可以理解为一条无限长长直导线，经过化简，海缆2周围的磁场大小为：

R是距海缆的距离；利用交流电源从故障海缆2的供电端注入特定频率且稳定的正弦交流电流信号，该信号将沿着故障海缆2传输并在故障点进入大地。交流电流信号产生的交流磁场三分量将由原子磁力仪和三轴磁通门磁力仪探测，其中原子磁力仪测量地磁场总场，三轴磁通门磁力仪测量地磁三分量。

如图3所示，基于前述分析，在本发明中，海缆故障探测仪5的工作步骤包括：首先从三轴矢量磁传感模块中获取磁场总场与三分量数据，并通过姿态测量模块获取惯导数据。结合磁场数据与惯导数据，将海缆故障探测仪5坐标下的磁场三分量数据转换为地理坐标下的三分量数据，保证测量到的故障海缆2产生的磁场数据不受传感器姿态的影响。根据地理坐标下的磁场数据以及故障海缆2的磁场模型提取电流的磁特征信号，计算出海缆故障探测仪5与故障海缆2的相对位置。通过GPS数据，记录海缆故障探测仪5的实时位置。与故障点的GPS数据对比，来判断海缆故障探测仪5的精度。

其中，确定海缆故障探测仪5与故障海缆2的相对位置步骤为：

依靠航行过程中起点B和终点F探测到的磁场参数与GPS参数进行计算，利用起点B与终点F两点GPS坐标，可以计算两点之间的距离distance与方位角度bearing：

其中，J₁、W₁、J₂、W₂分别对应起点B与终点F的经纬度，R_E为地球半径。

利用地理坐标系下正北和正东方向的磁场分量相位差计算海缆2的方向，海缆2角度值angle通过这两个分量的反正切得到：

其中，angle为海缆2在地理坐标系下与正北方向的角度，B_X为地理北向的磁场值，B_Y为地理东向的磁场值；如图4所示。

当航行到终点F时，海缆故障探测仪5与海缆2之间的水平距离D通过以下公式进行计算：

其中，B₁、B₂为海缆2在起点和终点产生的总磁场值，为起点和终点的垂直方向的磁场值，当海缆2方向为北偏东时，第一个正负号取负，海缆2方向为北偏西时，则取正；当航行的起点与终点位于海缆2同侧时，第二个正负号取负，起点与终点位于海缆2不同侧时，则取正；

通过以上计算方式，即可得到海缆2方向以及海缆故障探测仪5与海缆2之间的相对距离。

基于磁场三分量的海缆2故障检测方法相比于传统探测线圈的方式，通过交变磁场三分量的幅值与相位之间的相对关系计算与故障海缆2的相对位置。因此，相比于采用“峰值法”或“谷值法”的传统探测方式，海缆故障探测仪5无需经过海缆2正上方即可计算出海缆故障探测仪5与故障海缆2的相对位置，提高了探测效率。

二、海缆2故障检测分析

海缆2故障类型大致可以低阻故障；高阻故障；短路故障；高阻闪络故障等。目前，海底电缆故障检测定位技术利用高压击穿等方式把故障类型变成低阻故障。

当海缆2发生故障时，电流回路路径可以分别有铠装层钢材质、铅包层、海水构成。海缆2在发生故障时，先确定电流的发散情况，才能确定磁场分布。在故障点附近，电流分别通过海水、正方向铠装层、正方向铅层、反方向铅层、反方向铠装层等五条回路接地。由于通过海水接地电流是发散的，相对应磁场分布也是发散的。假设通过铠装层与铅层正反向电流之和为总电流，在正方向的铠装层与铅层的电流与反方向的铠装层与铅层的电流相等的极端情况下，经过基于磁矢量数据的海缆2故障检测装置分析，在故障点处依然会有峰值出现。但在实际状态下，由于故障点通过海水接地，泄露一部分电流，正方向的铠装层与铅层的电流与反方向的铠装层与铅层的电流不可能相等，故障点前后的电流不一致，则更容易确定故障点。综上所述，检测时，只需要模拟低阻故障情况下的海底电缆通过海水接地的故障类型即可。

三、海缆故障探测仪实验室精度检测

如图6所示，海缆故障探测仪实验室精度检测包括以下步骤：

1)布置设备，如图5所示，设备包括交流电源1、海缆2、第一GPS定位器3、海缆故障探测仪5、第二GPS定位器6；交流电源1：用于提供交流信号；海缆2：用来模拟故障点；海缆2的一端为交流电源1连接端，另一端为接地端，其接地阻抗小于4Ω；第一GPS定位器3设于海缆2的故障点处，用于提供故障点的具体物理坐标；第二GPS定位器6与海缆故障探测仪5位于同一移动平台4上，第二GPS定位器6为海缆故障探测仪5提供具体的地理坐标；海缆故障探测仪5：用来探测海缆2的磁场变化，寻找出磁场异常点；

2)检测设备，并给所有用电设备供电，交流电源1的N端接地，L端接故障海缆2，用于模拟海缆2故障时的低阻故障电流的流向情况；

3)设置功率交流电源1输出一个稳定的工频交流信号，使得故障海缆2周围产生一个稳定的工频交变磁场，用于海缆故障探测仪5根据磁场信号进行海缆2定位；

4)通过第一GPS定位器3记录故障点的具体地理坐标：经度J1、纬度W1；

5)把移动平台4安装到滑轨7上，打开海缆故障探测仪5及第二GPS定位器6设备，并开启移动平台4的动力装置，用于模拟海缆故障探测仪5在实际探测过程中的运动情况；

6)当移动平台4从A端行驶到B端，记录海缆故障探测仪5探测到的故障点坐标：经度J2、纬度W2、和两点距离D。

7)计算第一GPS定位器3记录的实际故障点地理坐标与海缆故障探测仪5探测的故障点坐标之间的相对距离，将相对距离作为海缆故障探测仪5的精度。

以上所示的基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法是本发明的具体实施例，已经体现出本发明实质性特点和进步，可根据实际的使用需要，在本发明的启示下，对其进行形状、结构等方面的等同修改，均在本方案的保护范围之列。

Claims (3)

1.基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1)布置设备，设备包括交流电源、海缆、第一GPS定位器、海缆故障探测仪、第二GPS定位器；交流电源：用于提供交流信号；海缆：用来模拟故障点；海缆的一端为交流电源连接端，另一端为接地端，其接地阻抗小于4Ω；第一GPS定位器设于海缆的故障点处，用于提供故障点的具体物理坐标；第二GPS定位器与海缆故障探测仪位于同一移动平台上，第二GPS定位器为海缆故障探测仪提供具体的地理坐标；海缆故障探测仪：用来探测海缆的磁场变化，寻找出磁场异常点，其设有三轴矢量磁传感模块、姿态测量模块，在探测时，从三轴矢量磁传感模块中获取磁场数据，磁场数据包括磁场总场与三分量数据，并通过姿态测量模块获取惯导数据，结合磁场数据与惯导数据，将三轴矢量磁传感模块坐标下的磁场三分量数据转换为地理坐标下的三分量数据，保证测量到的故障海缆产生的磁场数据不受传感器姿态的影响，根据地理坐标下的磁场数据以及电流的磁特征信号，计算出海缆故障探测仪与故障海缆的相对位置，根据海缆故障探测仪的实时位置，计算得到故障海缆的故障点坐标；

2)检测设备，并给所有用电设备供电，交流电源的N端接地，L端接故障海缆，用于模拟海缆故障时的低阻故障电流的流向情况；

3)设置功率交流电源输出一个稳定的工频交流信号，使得故障海缆周围产生一个稳定的工频交变磁场，用于海缆故障探测仪根据磁场信号进行海缆定位；

4)通过第一GPS定位器记录故障点的具体的地理坐标：经度J1、纬度W1；

5)把移动平台安装到滑轨上，打开海缆故障探测仪及第二GPS定位器设备，并开启移动平台的动力装置，用于模拟海缆故障探测仪在实际探测过程中的运动情况；

6)当移动平台从A端行驶到B端，记录海缆故障探测仪探测到的故障点坐标：经度J2、纬度W2、和两点距离D；

7)计算第一GPS定位器记录的实际故障点地理坐标与海缆故障探测仪探测的故障点坐标之间的相对距离，将相对距离作为海缆故障探测仪的精度。

2.根据权利要求1所述的基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，其特征在于：电流的磁特征信号通过磁场模型获取；

海缆的电流载体为内部的通电导体，海缆磁场等效为长直导线的磁场模型；

根据毕奥萨法尔定律，导线周围任意一点的磁场大小为：

其中，L为积分路径，I为源电流，dl为源电流无限微分的电流元，为电流元指向待测点的单位向量；μ₀为真空磁导率，r为距导线的距离；因为海缆可以理解为一条无限长长直导线，经过化简，海缆周围的磁场大小为：

其中，R是距海缆的距离。

3.根据权利要求2所述的基于磁矢量数据的海缆故障探测仪实验室精度检测方法，其特征在于：确定海缆故障探测仪与故障海缆的相对位置步骤为：

依靠航行过程中起点B和终点F探测到的磁场参数与GPS参数进行计算，利用起点B与终点F两点GPS坐标，可以计算两点之间的距离distance与方位角度bearing：

其中，J₁、W₁、J₂、W₂分别对应起点B与终点F的经纬度，R_E为地球半径；

利用地理坐标系下正北和正东方向的磁场分量相位差计算海缆的方向，海缆角度值angle通过这两个分量的反正切得到：

其中，angle为海缆在地理坐标系下与正北方向的角度，B_X为地理北向的磁场值，B_Y为地理东向的磁场值；

当航行到终点F时，海缆故障探测仪与海缆之间的水平距离D通过以下公式进行计算：

其中，B₁、B₂为海缆在起点和终点产生的总磁场值，为起点和终点的垂直方向的磁场值，当海缆方向为北偏东时，第一个正负号取负，海缆方向为北偏西时，则取正；当航行的起点与终点位于海缆同侧时，第二个正负号取负，起点与终点位于海缆不同侧时，则取正；

通过以上计算方式，即可得到海缆方向以及海缆故障探测仪与海缆之间的相对距离。