水利水電工程安全監測傳感器評價關鍵技術

萬 青

（南皮縣水務局，河北 滄州 061500）

目前，我國已建成水庫約8.7萬座，這些水庫在防洪、灌溉、供水、發電、改善生態環境等方面發揮著重要作用。為評價水利水電工程質量以及便于驗收，特別是對大壩安全運行狀況進行分析。自20世紀90年代以來，大多學者建議在設計與實施新的工程和加固工程項目時，設置不同數量的大壩安全監測傳感器[1]。這些傳感器能夠在施工和運行期間監測水庫安全運行。隨著運行環境和項目運行時間的變化，項目運行管理中存在著傳感器損壞、測量數據不穩定等因素。但目前有關水利水電工程安全監測傳感器評價的關鍵技術的系統研究較少。本文結合工程實踐，系統地研究了安全監測系統的評估過程、差動電阻傳感器的現場檢測方法、通信電纜故障的現場檢測方法以及監測數據的有效性檢驗過程。

1 監測系統評價過程

評價水利水電工程安全監測系統，首先要收集監測項目和傳感器（校準、安裝、埋設）的研究資料，并結合工程實踐，對現有安全監測項目和傳感器布置的合理性、完整性實施評價，明確現有安全監測項目是否滿足工程安全監測的需要。建立基于自動化技術的自動監控系統，包括自動數據采集系統和自動評價分析系統。數據采集系統由通信設備、采集終端、外圍設備、數據采集軟件、信號線和控制線、通信線和電源線等組成。因此，對監控系統的評估還涉及到通信線路的布置和保護、數據采集設備的布置、通信方式和網絡結構的評估。此外，監測數據的有效性檢驗和合理性分析在監測系統評價中尤為重要。從建設期到項目運行期，該系統積累了大量的測量資料，對測量結果的可靠性和準確評價項目運行狀況起到關鍵作用。監測系統評價不僅要評價監測數據的完整性、可靠性、合理性，還要根據設計和施工數據分析監測數據是否能夠反映工程的實際運行情況。安全監測系統的具體評價過程如圖1所示。

圖1 安全監測系統評價流程

2 典型監測傳感器的檢測方法

監測傳感器的現場檢測是評價監測系統性能的基本任務。根據歷史資料和現場觀測了解大壩監測傳感器的運行情況，收集傳感器布置、原始參數、傳感器觀測數據和相應的設計圖紙等資料。此外，還需研究部分傳感器損壞的原因。通過測量二次儀表（如頻率計、數字讀取器、數字電橋、萬用表、兆歐表），實現監測傳感器的綜合現場檢測。本文對水利水電工程中常用差動電阻傳感器現場檢測方法的研究如下。

差動電阻傳感器：采用數字電橋測量差動電阻傳感器的電阻和電阻比。在正常情況下，溫度為0℃時測得的電阻（卡中讀數）和隨溫度變化而變化的電阻（溫度在30 ℃到35 ℃之間，無電纜電阻）之和，電阻比應在9 500到10 500之間。如果電阻過高或無窮大，則視為開路；如果電阻過低或接近零，則視為短路；如果電阻在正常范圍內，但沒有讀數，則通常視為傳感器故障。差動電阻傳感器的現場檢測過程如圖2所示。

圖2 差動電阻傳感器現場檢測過程

3 通信電纜檢測技術

目前，水利工程安全監測儀器中常用的電纜是通信電纜。一般來說，通信電纜故障的原因包括電纜本身的質量缺陷、施工影響（施工過程中由于電纜芯線拼接造成的接地或斷開）、外力或人為影響（其他工程施工、車輛、建筑物變形等），以及自然災害造成的故障。根據通信電纜的故障原因，以及線路故障的性質，將其分為四類：絕緣故障、斷線故障、混合線路故障和接地故障。

3.1 電纜線路故障的檢測步驟和方法

電纜線路故障檢測包括故障性質診斷、故障位置測量和故障點確定。電纜線路故障的性質和嚴重程度首先通過兆歐表、萬用表和其他二次儀表確定。利用專用測試儀器測量電纜故障距離，初步確定最小故障范圍，精確定位故障點。常見的電纜故障排除方法有電橋法、回方法、檢漏法、脈沖反射法、綜合測試法。在水利水電工程安全監測設備的現場實踐中，脈沖反射法在電纜故障檢測中已得到了普遍應用，其主要原理是向電纜發送電壓脈沖，根據反射脈沖的時差與發送脈沖點到故障點的距離成正比的原理確定故障點。

3.2 典型故障的反射脈沖波形

利用不同波形產生不同反射脈沖的七種典型故障如下。

3.2.1 芯線斷線故障

產生正反射脈沖，反射脈沖幅度較大，如圖3(a)所示。

3.2.2 屏蔽層斷開故障

屏蔽層斷開點反射脈沖為正，波形與芯線斷開故障波形相似，如圖3(b)。

3.2.3 感應線圈故障感應線圈的反射脈沖為正或接觸不良，反射脈沖波形的幅度與芯線斷線故障相似，如圖3(c)。

3.2.4 混線（包括混線、自混）故障

混線故障時，故障點處的負反射脈沖如圖3(d)所示。

3.2.5 接地故障

接地故障時能看到故障點的負反射脈沖，其波形類似于混合線路故障，如圖3(e)所示。

3.2.6 均熱故障

一般產生輕微的負反射脈沖，其波形如圖3(f)所示。

3.2.7 錯配故障

在錯配點有正反射脈沖，在另一個錯配點有負反射脈沖，如圖3(g)所示。

圖3 典型故障反射脈沖波形

4 傳感器測量數據的有效性檢查

由于觀察者、儀器和各種外界條件的影響，安全監測傳感器的原始測量數據不可避免地存在誤差。因此，應對原始測量數據進行誤差分析和有效性檢驗，以判斷其可靠性。有效性檢查包括：①檢查操作方法和主要測量方法是否合格；②確定傳感器性能是否穩定、正常；③檢查測量數據的物理意義是否合理；④檢查一致性、相關性、連續性、對稱性。其中，連續性表示當載荷條件和其他外部條件保持不變時，各種觀測數據連續變化而不跳躍；一致性表示連續積累數據的變化趨勢應保持一致。其中，測量值檢查是上述四種檢查中最重要的一種。

相同條件下的觀測稱為等精度觀測。通過計算觀測值與真值的差即真誤差，確定觀測值的可靠性。對于等精度觀測序列，觀測精度可以由一系列觀測值的均方誤差（標準差）來確定。均方誤差的計算

公式表示為：

式中，δ是第i個測量值的真誤差，n是測量值的數量。由于測量值的真實誤差一般未知，通常用測量值的殘差代替。對于測量值{X1,X2,...,Xn}的序列，殘差可以表示為：

編制誤差分析算法，以分析測量值的誤差，評價測量值的準確性和可靠性。根據現場檢測結果，計算測量值的均方誤差，結合觀測儀器的精度、儀器的測量范圍以及相應的監測技術規范，可以制定相應的可靠性評價標準。此外，差動電阻傳感器的可靠性分析不僅包括對上述觀測值均方誤差的分析，還包括對儀器正向和反向測量電阻比誤差的綜合分析。根據《混凝土大壩安全監測技術規程》（DL/T 5178-2003）規定，利用電橋可以得到傳感器的正向測量電阻比Z和反向測量電阻比Z′，然后通過比較Z+Z′和20 000+A2±2來評價測量值的可靠性，其中A=(10 000-Z)/100。

5 案例研究

黃壁莊水電站位于河北省滹沱河中下游，工程布置由右至左依次為：110 kv室內開關站1座，徑流式水電站廠房1座，8孔溢洪道大壩1座，垂直升船機1臺，左岸大壩1座。工程監測項目包括外部變形、地基沉降、抬升壓力、節點變化、鋼應力、錨桿樁應力、混凝土抗壓應力、旁路滲流、壩基滲流、基巖變形、混凝土溫度、環境因素。根據差動電阻傳感器的檢測方法，從介質強度、電阻比、電阻等方面對黃壁莊水電站安全監測系統進行評價。結果表明，在黃壁莊水電站104個差動電阻傳感器中，88個傳感器工作正常，占84.62 %；12個傳感器合格，占11.54 %；4個傳感器損壞，占3.85 %。利用傳感器實測值的有效性檢驗方法，對壩體位移、壩基位移、節理變化、揚壓力、上游水位和下游水位、混凝土溫度等進行檢測。結果表明，黃壁莊水電站工程監測系統可靠：289個監測傳感器中，232個傳感器（占80.28 %）的實測值可靠，合理反映了工程運行過程中的結構變化行為；37個傳感器（占12.80 %）的實測值能提供監測結果供分析參考；其余20個傳感器（占6.92 %）已損壞，不能用于測量。

6 結論

面對當前安全監測系統評價尚無統一標準的現狀，本研究結合工程實踐，研究了安全監測傳感器評價的一些關鍵技術。根據安全監測系統的評價過程，研究差動電阻傳感器的現場檢測方法，分析通信電纜線路故障的主要原因，提出了電纜線路故障的測試步驟和方法，以期保證監測系統的可靠性。因原始觀測數據不可避免地存在誤差，為保證原始測量數據評價的可靠性，提出傳感器測量數據的有效性檢驗方法。本文所設計的安全監測傳感器評價技術通過在黃壁莊水電站工程中的應用，應用結果表明，大多數傳感器的測量值可靠、合理，能夠反映工程運行狀況，說明工程安全監測傳感器具有有效性。