王劍 董小龍 裴歡 沈煜博 艾敏飛
國家管網集團西氣東輸武漢輸氣分公司 

 

摘要：針對高壓輸電線路與管道交叉處受電磁場干擾導致管道位置和埋深測量不準等問題，運用TRIZ理論以干擾電磁場為研究對象，采取技術系統的功能分析、因果分析、問題關鍵點確定、理想解分析、可用資源分析、九屏圖等方法，探索需解決的問題和產生原因。運用沖突解決理論、物質-場分析及76個標準解和裁剪等工具，獲得技術系統的最終理想解。

關鍵詞：TRIZ理論；高壓輸電線路；最終理想解；管道埋深；測量設備

 

高壓輸電線路正常運行和發生故障時，會在臨近的空氣和土壤中產生感應交流電磁場，從而在管道上產生交流干擾電流和電壓，導致雷迪RD8200系列等檢測設備無法準確測量管道位置和埋深。通過運用TRIZ理論分析問題產生原因并提出最終理想解，為受干擾區域檢測技術方法的改進提供了新思路。

1  基于TRIZ理論分析問題

TRIZ是原俄文轉換成拉丁文的首字母縮寫，英文全稱是Theory of the Solution of Inventive Problems，譯成中文為“發明問題解決理論”。該理論是由阿奇舒勒為首的專家通過專利和案例總結出來的解決創造發明問題的理論體系。

1.1  技術系統分析

（1）定義技術系統實現的功能。問題所在的技術系統為電磁感應系統，該技術系統的功能是測量管道位置和埋深，實現該功能的約束為強電磁干擾。

（2）現有技術系統的工作原理。該系統由發射機、接收機、紅黑直連線、接地棒、管道和大地組成。發射機的紅色線與管道線連接，黑色線與接地釬連接。電流從發射機通過管道到大地再到接地棒然后回到發射機形成一個回路。通過發射機對金屬管線施加信號，在金屬管線中產生電流并在管線周圍產生二級磁場；通過接收機在地面上測定管線的二次磁場，從而準確確定管線的位置和埋深。

（3）當前技術系統存在的問題。當管道處于強電磁干擾的環境中時，導致系統無法正常工作，具體表現為當管道與高壓輸電線路交叉時，管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來。

（4）問題出現的條件和時間。電磁感應系統存在管道位置和埋深測量不準確或者測量不出來的問題，只在管道處于強電磁干擾或者管道中存在較大交流電干擾的特殊條件下才發生。

（5）現有解決方案及其缺點。降低給定信號頻率，提高雷迪系統自身的抗干擾能力，缺點是測量準確性下降，在強電磁干擾環境中無法滿足測量要求。降低回路電阻以增加輸出電流，提高抗干擾能力，缺點是輸出電流的增加量有限，不能有效對抗強電磁干擾環境。使用PCM發射機與雷迪接收機組合，增大輸出功率達到原來的15倍，缺點是只有640HZ一個頻率可以使用，缺少數據比對驗證；70%測量法在磁場變形嚴重、旁側管線影響比較大時使用，缺點是不能準確確定管道位置，測量步驟較繁瑣。采取固態去耦合器加鋅帶排流，能有效降低管道上交流干擾，缺點是成本比較高。

（6）新系統的要求。使用現有檢測設備在管道與高壓輸電線路交叉等特殊條件下，能夠準確測量管道位置及埋深。

1.2  問題分析過程

（1）功能分析。結合系統分析的內容（表 1），建立已有系統功能模型（圖 1）并進行分析，明確了系統元件及其之間的相互關系，并得出導致管道位置和埋深測量不準確或者測不出來等問題的功能因素。其中，干擾電磁場會影響二級磁場，導致接收機無法得到準確的管道位置及埋深。

表 1 系統分析內容

圖 1 系統功能模型

（2）因果分析。應用因果鏈分析法確定產生問題的原因，得到因果分析圖（圖 2）。

圖 2 因果分析圖

（3）問題關鍵點確定。包括其他電磁場干擾，設備功率不夠、接地回路電阻過大，測量人員方法使用不當。

（4）理想解分析。設計的最終目的是準確測量高壓線下管道位置及埋深。理想解是不進行檢測設備系統改造就能滿足測量要求。達到理想解的障礙是強電磁干擾以及交流雜散電流干擾。出現這種障礙的結果是高壓線的固有電磁場特性。不出現這種障礙的條件是消除電磁場干擾，增強設備抗干擾能力。創造這些條件存在的可用資源是排流裝置、大功率設備、優化接地等。

（5）系統內部可用資源分析（表 2），經過分析并應用TRIZ理論中的九屏幕法對超系統、當前系統和子系統進行分析，并繪制了九屏圖（圖 3）。

表 2 系統內部資源

圖 3 九屏圖

1.3  問題求解過程

1.3.1  沖突解決理論

（1）沖突描述。為了提高系統的測量精度和可靠性，需要增加排流裝置、提高設備可靠性、增大設備輸出功率、降低回路電阻值，以消除或抵抗雜散電流產生的干擾電磁場。然而，這樣做會導致系統的材料損失和能量損失。

（2）轉換成TRIZ標準沖突。改善的參數包括測量精度和可靠性，惡化的參數包括材料損失和能量損失。

（3）根據沖突矩陣推薦的解決技術矛盾的發明原理，結合專業知識優選出以下發明原理來提高測量精度和可靠性。包括1號（分離法）、3號（局部質量改善法）、5號（組合法）、10號（預先作用法）、25號（自服務法）。為查找沖突矩陣，得到發明原理如表 3所示。

表 3 發明原理

1.3.2  物質-場分析及76個標準解

（1）所謂物質-場分析法，是指從物質和場的角度來分析和構造最小技術系統的理論和方法。根據現場情況建立問題的物質-場模型，即：

（2）76個標準解分為5級，每一級下又分為若干個子級，共計18個子級，76個標準解就分布在這18個子級中。根據所建問題的物質-場模型，應用76個標準解解決流程，得到標準解為排除有害作用。如果由某個場對某物質產生了有害作用，可以引入另一物質來吸收有害作用。

（3）依據選定的標準解，得到問題的解決方案。標準解為通過消除干擾電磁場的有害作用排除有害作用。

1.3.3  裁剪

針對功能模型中的有害作用、不足作用及過剩作用等小問題，應用4條裁剪規則直接裁剪。高壓線產生的電磁場對管道測量結果有害，對接收機接收測量信號產生不足作用。應用裁剪規則B即如果有用功能的對象自己可以執行這個有用的功能，那么原來實施這個功能的載體可以被裁剪掉，因此裁剪掉高壓線產生的電磁場。通過裁剪前后功能模型進行比對，如圖 4所示。

（a）裁剪前功能模型

（b）裁剪后功能模型

圖 4 裁剪功能模型

2  問題的解和現場驗證

2.1  確定最終解

將上述分析得到的方案進行匯總，方案匯總如表 4所示。

表 4 方案匯總

依據上面得到的七種創新解，通過評價，確定最終解。最終解為使用前對設備進行校驗，對測量人員進行專業培訓，在高壓線與管道交叉處增加排流裝置，使用PCM與雷迪接收機相結合的方式，增加輸出功率，增大輸出電流，采取幾根接地釬串聯方式，使用延長線增加接地釬與管道的垂直距離，對接地釬進行澆水，降低回路接地電阻，達到最終準確測量管道位置和埋深的目的。

2.2  現場驗證

（1）忠武線潛湘支線潛江段總長26公里，附近高壓輸電線路較多，存在較大交流干擾的高壓線點位，該段投用了13套固態去耦合器加鋅帶排流裝置。

（2）選取110 kV、220 kV兩種類型高壓線與管道交叉點位進行試驗，交叉角度接近90°。采用雷迪RD8100、PCMX以及PCMX加雷迪組合的方式進行測量，測量數據后用70%法進行驗證。

（3）測量管道位置及埋深前，對高壓輸電線路與管道交叉處的測試樁、固態去耦合器進行了相關數據測試。由于該段管道投用了13套排流裝置，故測試點處接地體斷開前后管道的交流電壓數值變化相差不大，具體測試數據如表5所示。

表 5 測試樁、固態去耦合器數據表

對兩處高壓線與管道交叉點位的管道位置及埋深進行多種方式測量，得到測量數據如表6所示。

表 6 管道測量數據表

3  結語

對110 kV、220 kV兩種類型高壓線進行試驗，接收機接收信號比較強，感應電流比較大，數據顯示穩定。PCMX加雷迪組合方式測量管道埋深與70%法驗證的埋深數據基本一致。證明通過最終解可以準確完成高壓輸電線路與管道交叉處數據測量工作。該最終解可用于高壓輸電線路與管道交叉、管道存在較大交流干擾等異常管段，能有效提高管道測量精度、降低管道位置和埋深不清引起的第三方損壞風險。同時能節省人工開挖驗證所需的人力物力財力、降低人工開挖過程中光纜損傷風險。

作者簡介：王劍，1985年生，本科，助理工程師，油氣管道保護工高級技師，長期從事油氣管道保護線路管理相關工作。聯系方式：19972812780，342429338@qq.com。