王剑 董小龙 裴欢 沈煜博 艾敏飞
国家管网集团西气东输武汉输气分公司 

 

摘要：针对高压输电线路与管道交叉处受电磁场干扰导致管道位置和埋深测量不准等问题，运用TRIZ理论以干扰电磁场为研究对象，采取技术系统的功能分析、因果分析、问题关键点确定、理想解分析、可用资源分析、九屏图等方法，探索需解决的问题和产生原因。运用冲突解决理论、物质-场分析及76个标准解和裁剪等工具，获得技术系统的最终理想解。

关键词：TRIZ理论；高压输电线路；最终理想解；管道埋深；测量设备

 

高压输电线路正常运行和发生故障时，会在临近的空气和土壤中产生感应交流电磁场，从而在管道上产生交流干扰电流和电压，导致雷迪RD8200系列等检测设备无法准确测量管道位置和埋深。通过运用TRIZ理论分析问题产生原因并提出最终理想解，为受干扰区域检测技术方法的改进提供了新思路。

1  基于TRIZ理论分析问题

TRIZ是原俄文转换成拉丁文的首字母缩写，英文全称是Theory of the Solution of Inventive Problems，译成中文为“发明问题解决理论”。该理论是由阿奇舒勒为首的专家通过专利和案例总结出来的解决创造发明问题的理论体系。

1.1  技术系统分析

（1）定义技术系统实现的功能。问题所在的技术系统为电磁感应系统，该技术系统的功能是测量管道位置和埋深，实现该功能的约束为强电磁干扰。

（2）现有技术系统的工作原理。该系统由发射机、接收机、红黑直连线、接地棒、管道和大地组成。发射机的红色线与管道线连接，黑色线与接地钎连接。电流从发射机通过管道到大地再到接地棒然后回到发射机形成一个回路。通过发射机对金属管线施加信号，在金属管线中产生电流并在管线周围产生二级磁场；通过接收机在地面上测定管线的二次磁场，从而准确确定管线的位置和埋深。

（3）当前技术系统存在的问题。当管道处于强电磁干扰的环境中时，导致系统无法正常工作，具体表现为当管道与高压输电线路交叉时，管道位置和埋深测量不准确或者测量不出来。

（4）问题出现的条件和时间。电磁感应系统存在管道位置和埋深测量不准确或者测量不出来的问题，只在管道处于强电磁干扰或者管道中存在较大交流电干扰的特殊条件下才发生。

（5）现有解决方案及其缺点。降低给定信号频率，提高雷迪系统自身的抗干扰能力，缺点是测量准确性下降，在强电磁干扰环境中无法满足测量要求。降低回路电阻以增加输出电流，提高抗干扰能力，缺点是输出电流的增加量有限，不能有效对抗强电磁干扰环境。使用PCM发射机与雷迪接收机组合，增大输出功率达到原来的15倍，缺点是只有640HZ一个频率可以使用，缺少数据比对验证；70%测量法在磁场变形严重、旁侧管线影响比较大时使用，缺点是不能准确确定管道位置，测量步骤较繁琐。采取固态去耦合器加锌带排流，能有效降低管道上交流干扰，缺点是成本比较高。

（6）新系统的要求。使用现有检测设备在管道与高压输电线路交叉等特殊条件下，能够准确测量管道位置及埋深。

1.2  问题分析过程

（1）功能分析。结合系统分析的内容（表 1），建立已有系统功能模型（图 1）并进行分析，明确了系统元件及其之间的相互关系，并得出导致管道位置和埋深测量不准确或者测不出来等问题的功能因素。其中，干扰电磁场会影响二级磁场，导致接收机无法得到准确的管道位置及埋深。

表 1 系统分析内容

图 1 系统功能模型

（2）因果分析。应用因果链分析法确定产生问题的原因，得到因果分析图（图 2）。

图 2 因果分析图

（3）问题关键点确定。包括其他电磁场干扰，设备功率不够、接地回路电阻过大，测量人员方法使用不当。

（4）理想解分析。设计的最终目的是准确测量高压线下管道位置及埋深。理想解是不进行检测设备系统改造就能满足测量要求。达到理想解的障碍是强电磁干扰以及交流杂散电流干扰。出现这种障碍的结果是高压线的固有电磁场特性。不出现这种障碍的条件是消除电磁场干扰，增强设备抗干扰能力。创造这些条件存在的可用资源是排流装置、大功率设备、优化接地等。

（5）系统内部可用资源分析（表 2），经过分析并应用TRIZ理论中的九屏幕法对超系统、当前系统和子系统进行分析，并绘制了九屏图（图 3）。

表 2 系统内部资源

图 3 九屏图

1.3  问题求解过程

1.3.1  冲突解决理论

（1）冲突描述。为了提高系统的测量精度和可靠性，需要增加排流装置、提高设备可靠性、增大设备输出功率、降低回路电阻值，以消除或抵抗杂散电流产生的干扰电磁场。然而，这样做会导致系统的材料损失和能量损失。

（2）转换成TRIZ标准冲突。改善的参数包括测量精度和可靠性，恶化的参数包括材料损失和能量损失。

（3）根据冲突矩阵推荐的解决技术矛盾的发明原理，结合专业知识优选出以下发明原理来提高测量精度和可靠性。包括1号（分离法）、3号（局部质量改善法）、5号（组合法）、10号（预先作用法）、25号（自服务法）。为查找冲突矩阵，得到发明原理如表 3所示。

表 3 发明原理

1.3.2  物质-场分析及76个标准解

（1）所谓物质-场分析法，是指从物质和场的角度来分析和构造最小技术系统的理论和方法。根据现场情况建立问题的物质-场模型，即：

（2）76个标准解分为5级，每一级下又分为若干个子级，共计18个子级，76个标准解就分布在这18个子级中。根据所建问题的物质-场模型，应用76个标准解解决流程，得到标准解为排除有害作用。如果由某个场对某物质产生了有害作用，可以引入另一物质来吸收有害作用。

（3）依据选定的标准解，得到问题的解决方案。标准解为通过消除干扰电磁场的有害作用排除有害作用。

1.3.3  裁剪

针对功能模型中的有害作用、不足作用及过剩作用等小问题，应用4条裁剪规则直接裁剪。高压线产生的电磁场对管道测量结果有害，对接收机接收测量信号产生不足作用。应用裁剪规则B即如果有用功能的对象自己可以执行这个有用的功能，那么原来实施这个功能的载体可以被裁剪掉，因此裁剪掉高压线产生的电磁场。通过裁剪前后功能模型进行比对，如图 4所示。

（a）裁剪前功能模型

（b）裁剪后功能模型

图 4 裁剪功能模型

2  问题的解和现场验证

2.1  确定最终解

将上述分析得到的方案进行汇总，方案汇总如表 4所示。

表 4 方案汇总

依据上面得到的七种创新解，通过评价，确定最终解。最终解为使用前对设备进行校验，对测量人员进行专业培训，在高压线与管道交叉处增加排流装置，使用PCM与雷迪接收机相结合的方式，增加输出功率，增大输出电流，采取几根接地钎串联方式，使用延长线增加接地钎与管道的垂直距离，对接地钎进行浇水，降低回路接地电阻，达到最终准确测量管道位置和埋深的目的。

2.2  现场验证

（1）忠武线潜湘支线潜江段总长26公里，附近高压输电线路较多，存在较大交流干扰的高压线点位，该段投用了13套固态去耦合器加锌带排流装置。

（2）选取110 kV、220 kV两种类型高压线与管道交叉点位进行试验，交叉角度接近90°。采用雷迪RD8100、PCMX以及PCMX加雷迪组合的方式进行测量，测量数据后用70%法进行验证。

（3）测量管道位置及埋深前，对高压输电线路与管道交叉处的测试桩、固态去耦合器进行了相关数据测试。由于该段管道投用了13套排流装置，故测试点处接地体断开前后管道的交流电压数值变化相差不大，具体测试数据如表5所示。

表 5 测试桩、固态去耦合器数据表

对两处高压线与管道交叉点位的管道位置及埋深进行多种方式测量，得到测量数据如表6所示。

表 6 管道测量数据表

3  结语

对110 kV、220 kV两种类型高压线进行试验，接收机接收信号比较强，感应电流比较大，数据显示稳定。PCMX加雷迪组合方式测量管道埋深与70%法验证的埋深数据基本一致。证明通过最终解可以准确完成高压输电线路与管道交叉处数据测量工作。该最终解可用于高压输电线路与管道交叉、管道存在较大交流干扰等异常管段，能有效提高管道测量精度、降低管道位置和埋深不清引起的第三方损坏风险。同时能节省人工开挖验证所需的人力物力财力、降低人工开挖过程中光缆损伤风险。

作者简介：王剑，1985年生，本科，助理工程师，油气管道保护工高级技师，长期从事油气管道保护线路管理相关工作。联系方式：19972812780，342429338@qq.com。