變電站GIS結(jié)構(gòu)健康狀況在線監(jiān)測(cè)

韓德斌,肖少陽,張超群,王建新

(遼寧東科電力有限公司,遼寧 沈陽 110179)

氣體絕緣全封閉組合電器(GIS)，是將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器、避雷器、母線等設(shè)備或部件全部封閉在接地的金屬外殼中，在其內(nèi)部充有一定壓力的SF6絕緣氣體[1-4]。由于GIS一般采用露天環(huán)境布置，其結(jié)構(gòu)筒體經(jīng)年累月歷經(jīng)酷暑嚴(yán)寒而發(fā)生熱脹冷縮，由此可能導(dǎo)致筒體變形、支座開裂、膨脹節(jié)損壞、絕緣盆子破裂、SF6氣體泄漏等事故[5]。筒體熱脹冷縮時(shí)膨脹受阻或膨脹異常是引起上述事故的主要原因。因此，對(duì)GIS 運(yùn)行過程中的溫度、位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，或者進(jìn)一步對(duì)筒體結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵部位的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將有效保證 GIS 的運(yùn)行安全[6]。

某變電站220 kV GIS于2013年投運(yùn)，工程采用雙母線雙分段布置方式，共計(jì)27間隔[7]。運(yùn)行5年后，發(fā)現(xiàn)端部間隔母線支座存在開裂問題。制造廠于2018年7月進(jìn)行消缺處理，對(duì)大間隔距(12.5 m)的過渡母線中間增加固定支撐(加裝固定支架12組)，并將過渡母線原固定支撐更改為滑動(dòng)支撐。2019年1月，對(duì)加固改造后的母線現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)：母線兩端固定支撐變形開裂；母線支架位置底架與基礎(chǔ)預(yù)埋鋼之間焊縫開裂；部分膨脹節(jié)限位螺桿拉緊使膨脹節(jié)張開受限，筒體無法正常收縮[8]。

制造廠解除了母線兩端變形開裂的固定支撐，對(duì)底架焊縫開裂問題未進(jìn)行處理，對(duì)膨脹節(jié)張開受限問題也未進(jìn)行處理。如此可能使底架焊縫裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展而危及筒體，冬季低溫時(shí)筒體收縮受阻而產(chǎn)生過大的拉應(yīng)力[9-11]。

為保證該GIS結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行，有效治理GIS結(jié)構(gòu)中存在的問題，建立一套能實(shí)時(shí)反映該母線的位移、溫度、應(yīng)力狀況的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。

1 在線監(jiān)測(cè)技術(shù)

用于溫度、位移及應(yīng)變(應(yīng)力)測(cè)量的方法很多，但每一種方法都有其適用范圍和局限性。對(duì)于安裝在室外的變電站GIS健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，除需考慮嚴(yán)寒、酷暑、雨雪等氣候環(huán)境外，強(qiáng)電磁環(huán)境、信號(hào)傳輸及可靠性等問題都影響到測(cè)量方案的選擇。傳統(tǒng)測(cè)量技術(shù)多采用電信號(hào)測(cè)量，強(qiáng)電磁環(huán)境對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾大，而近年來迅速發(fā)展起來的以光纖光柵作為非電量無源器件的光纖測(cè)量技術(shù)不受電磁環(huán)境干擾，是變電站等強(qiáng)電磁環(huán)境中的理想測(cè)量工具[12]。

1.1 光纖光柵原理

光纖光柵是利用光致折射率改變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵傳感器有多種類型，目前使用較為成熟的是利用光纖布喇格光柵(FBG)背向反射特征制作的傳感器。

光纖布喇格光柵纖芯軸向的折射率呈現(xiàn)周期性變化，其作用的實(shí)質(zhì)相當(dāng)于是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的濾波器或反射鏡。如圖1所示，當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布喇格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續(xù)往前傳輸。

圖1 光纖布喇格光柵原理

光纖布喇格光柵反射譜的中心波長λΒ滿足：

λΒ=2neffΛ

(1)

式中：neff為有效折射率；Λ為光纖光柵柵距。

光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界條件諸如溫度、壓力等的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨之改變，從而導(dǎo)致反射光波長產(chǎn)生變化。反射譜中心波長的變化與溫度T、應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系為

(2)

式中：αf為熱膨脹系數(shù)；ξ為熱光系數(shù)；Pe為彈光系數(shù)。

因此在光纖光柵受到軸向應(yīng)力或者自身溫度發(fā)生變化前后，檢測(cè)其反射光中心波長的變化，就可通過式(2)得到光纖光柵受到的軸向應(yīng)力或自身溫度的變化情況，因而光纖布喇格光柵傳感器可用于溫度、位移、應(yīng)變(應(yīng)力)的檢測(cè)。同時(shí)，光纖光柵系統(tǒng)可在一根光纖上刻多個(gè)光纖光柵，可實(shí)現(xiàn)一纖多點(diǎn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器分布式測(cè)量原理

1.2 非接觸式圖像識(shí)別系統(tǒng)

采用現(xiàn)場(chǎng)照相并將圖像上傳給計(jì)算機(jī)進(jìn)行識(shí)別的方法可進(jìn)行位移非接觸式監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)裝置如圖3所示，由監(jiān)測(cè)終端和目標(biāo)靶構(gòu)成。監(jiān)測(cè)終端(相機(jī))固定不動(dòng)，目標(biāo)靶上預(yù)置有已知距離的橫豎線條圖案，當(dāng)目標(biāo)靶隨測(cè)量物體移動(dòng)時(shí)，線條圖案相對(duì)于相機(jī)的位置改變，監(jiān)測(cè)終端實(shí)時(shí)拍下目標(biāo)靶上線條圖案的照片。通過圖像識(shí)別技術(shù)，可確定目標(biāo)靶上關(guān)鍵點(diǎn)(如某一橫豎線條交叉線中心點(diǎn))與圖片中心的偏離像素，將此與已知距離的橫豎線條間像素距離進(jìn)行對(duì)比，可計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)與圖片中心的實(shí)際距離。由于相機(jī)固定不動(dòng)，即圖片中心不動(dòng)，標(biāo)靶上關(guān)鍵點(diǎn)與圖片中心的實(shí)際距離也就是被測(cè)物體的實(shí)際位移。

圖3 位移監(jiān)測(cè)裝置工作示意圖

2 GIS在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前，光纖光柵技術(shù)已覆蓋應(yīng)力、溫度、位移測(cè)量等各方面，本文對(duì)變電站220 kV GIS結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和溫度測(cè)量以光纖光柵測(cè)量技術(shù)為主。根據(jù)不同位移測(cè)量結(jié)果的需要，采用光纖位移計(jì)與非接觸式圖像識(shí)別系統(tǒng)測(cè)量相結(jié)合的方法。溫度測(cè)量分別采用光纖光柵溫度傳感器和熱電偶。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后用無線傳輸方式上傳至云端，具體如下。

a.由光纖應(yīng)變計(jì)、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移計(jì)、傳輸光纜、信號(hào)調(diào)制解調(diào)處理器組成光纖測(cè)量系統(tǒng)，如圖4所示。

圖4 光纖光柵測(cè)量系統(tǒng)

b.采用非接觸式圖像識(shí)別系統(tǒng)(見圖5)進(jìn)行位移測(cè)量，用熱電偶進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。

圖5 非接觸式圖像識(shí)別系統(tǒng)

c.采集數(shù)據(jù)后，通過無線傳輸設(shè)備上傳到云端。

d.編制桌面數(shù)據(jù)計(jì)算和顯示程序，根據(jù)云端數(shù)據(jù)直接在辦公室顯示現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)和各測(cè)點(diǎn)位移、溫度、應(yīng)力等。

3 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及測(cè)點(diǎn)布置

考慮到該GIS存在著支座開裂、膨脹節(jié)張開受限而導(dǎo)致筒體不能正常收縮等問題，監(jiān)測(cè)內(nèi)容以膨脹節(jié)位移以及波紋管、法蘭和筒體應(yīng)力為主，包括膨脹節(jié)法蘭面的相對(duì)位移和相對(duì)于地面的絕對(duì)位移。溫度變化是引起上述位移和應(yīng)力的主要原因，且由于日照方式等影響，不同位置的溫度變化規(guī)律不盡相同，因此選取GIS上日照規(guī)律不同的多個(gè)截面進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)。為了對(duì)已開裂支座的裂紋進(jìn)行監(jiān)控，在裂紋前端附近與裂紋擴(kuò)展方向垂直粘貼應(yīng)變計(jì)，通過應(yīng)變(應(yīng)力)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展行為。

在2條母線上共布置溫度測(cè)點(diǎn)33個(gè)，其中光纖光柵測(cè)點(diǎn)9個(gè)(不包括溫度補(bǔ)償測(cè)點(diǎn))，分別布置在一個(gè)間隔的中央及兩側(cè)3個(gè)截面上(日照程度不同)，每個(gè)截面按倒三角布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)；熱電偶測(cè)點(diǎn)24個(gè)，選擇與光纖光柵溫度測(cè)點(diǎn)布置類似的3個(gè)截面，每個(gè)截面按45°間隔均勻布置8點(diǎn)。

在4條GIS母線上選10個(gè)膨脹節(jié)，采用光纖光柵位移計(jì)進(jìn)行法蘭面間距離變化測(cè)量，對(duì)各膨脹節(jié)波紋管進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量，選取其中2個(gè)膨脹節(jié)法蘭面和4個(gè)筒體進(jìn)行應(yīng)力測(cè)量。在西側(cè)第1個(gè)加裝的固定支架上向兩側(cè)各引出1個(gè)光纖光柵位移計(jì)筒體端頭法蘭，測(cè)量筒體的伸長(或縮短)。在2個(gè)開裂支座的裂紋前沿各布置1個(gè)光纖光柵應(yīng)變計(jì)，監(jiān)測(cè)裂紋擴(kuò)展情況。

在Ⅱ母線最西側(cè)端頭、第1個(gè)加裝固定支架及前2個(gè)膨脹節(jié)法蘭面上各安裝1個(gè)目標(biāo)靶，將6臺(tái)監(jiān)測(cè)終端(相機(jī))固定在地面上，采用非接觸式圖像識(shí)別方法測(cè)量GIS上6個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)地面的相對(duì)位移。各類測(cè)點(diǎn)安裝效果如圖6所示。

(a)開裂支座處應(yīng)力測(cè)點(diǎn)(b)膨脹節(jié)處位移及應(yīng)力測(cè)點(diǎn)

(c)溫度測(cè)點(diǎn)(d)非接觸式位移測(cè)點(diǎn)圖6 測(cè)點(diǎn)安裝效果

4 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示及查詢

各測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果曲線如圖7所示，包括各種監(jiān)測(cè)方法測(cè)量的溫度、位移及應(yīng)力，可以表格型式顯示結(jié)果并查詢。

圖7 監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示

5 結(jié)語

將光纖光柵和熱電偶測(cè)量溫度結(jié)果與當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)溫度比較，實(shí)測(cè)溫度變化規(guī)律與氣溫規(guī)律吻合，各不同位置截面間溫度分布規(guī)律符合日照方式。采用光纖位移計(jì)和圖像識(shí)別方法測(cè)量的Ⅱ母線2個(gè)膨脹節(jié)位移量數(shù)值接近，最大偏差0.3 mm。圖像識(shí)別法測(cè)得的第1個(gè)加裝固定支架位移數(shù)據(jù)表明，該支撐并未完全固定住，GIS筒體熱脹冷縮時(shí)該支架會(huì)發(fā)生相應(yīng)位移。裂紋前端附近應(yīng)力變化幅度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于膨脹節(jié)及筒體。上述結(jié)果表明，此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)準(zhǔn)確反映了GIS結(jié)構(gòu)部件的溫度、位移和應(yīng)力情況，為實(shí)時(shí)掌握GIS結(jié)構(gòu)健康狀況提供了依據(jù)。