變電站GIS結構健康狀況在線監測

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、接地開關、互感器、避雷器、母線等設備或部件全部封閉在接地的金屬外殼中，在其內部充有一定壓力的SF6絕緣氣體[1-4]。由于GIS一般采用露天環境布置，其結構筒體經年累月歷經酷暑嚴寒而發生熱脹冷縮，由此可能導致筒體變形、支座開裂、膨脹節損壞、絕緣盆子破裂、SF6氣體泄漏等事故[5]。筒體熱脹冷縮時膨脹受阻或膨脹異常是引起上述事故的主要原因。因此，對GIS 運行過程中的溫度、位移進行監測，或者進一步對筒體結構中關鍵部位的應力進行監測，將有效保證 GIS 的運行安全[6]。

某變電站220 kV GIS于2013年投運，工程采用雙母線雙分段布置方式，共計27間隔[7]。運行5年后，發現端部間隔母線支座存在開裂問題。制造廠于2018年7月進行消缺處理，對大間隔距(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支撐。2019年1月，對加固改造后的母線現場檢查發現：母線兩端固定支撐變形開裂；母線支架位置底架與基礎預埋鋼之間焊縫開裂；部分膨脹節限位螺桿拉緊使膨脹節張開受限，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，對底架焊縫開裂問題未進行處理，對膨脹節張開受限問題也未進行處理。如此可能使底架焊縫裂紋進一步擴展而危及筒體，冬季低溫時筒體收縮受阻而產生過大的拉應力[9-11]。

為保證該GIS結構安全運行，有效治理GIS結構中存在的問題，建立一套能實時反映該母線的位移、溫度、應力狀況的在線監測系統是非常必要的。

1 在線監測技術

用于溫度、位移及應變(應力)測量的方法很多，但每一種方法都有其適用范圍和局限性。對于安裝在室外的變電站GIS健康監測系統，除需考慮嚴寒、酷暑、雨雪等氣候環境外，強電磁環境、信號傳輸及可靠性等問題都影響到測量方案的選擇。傳統測量技術多采用電信號測量，強電磁環境對測量結果的干擾大，而近年來迅速發展起來的以光纖光柵作為非電量無源器件的光纖測量技術不受電磁環境干擾，是變電站等強電磁環境中的理想測量工具[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，使纖芯折射率沿軸向產生周期性變化，在纖芯內形成空間相位光柵。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周期性變化，其作用的實質相當于是在纖芯內形成一個窄帶的濾波器或反射鏡。如圖1所示，當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布喇格條件的波長將產生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續往前傳輸。

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，光纖將產生軸向應變與折射率變化，柵距也隨之改變，從而導致反射光波長產生變化。反射譜中心波長的變化與溫度T、應變ε的關系為

(2)

式中：αf為熱膨脹系數；ξ為熱光系數；Pe為彈光系數。

因此在光纖光柵受到軸向應力或者自身溫度發生變化前后，檢測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、應變(應力)的檢測。同時，光纖光柵系統可在一根光纖上刻多個光纖光柵，可實現一纖多點動態測量，如圖2所示。

圖2 光纖光柵傳感器分布式測量原理

1.2 非接觸式圖像識別系統

采用現場照相并將圖像上傳給計算機進行識別的方法可進行位移非接觸式監測。監測裝置如圖3所示，由監測終端和目標靶構成。監測終端(相機)固定不動，目標靶上預置有已知距離的橫豎線條圖案，當目標靶隨測量物體移動時，線條圖案相對于相機的位置改變，監測終端實時拍下目標靶上線條圖案的照片。通過圖像識別技術，可確定目標靶上關鍵點(如某一橫豎線條交叉線中心點)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行對比，可計算出關鍵點與圖片中心的實際距離。由于相機固定不動，即圖片中心不動，標靶上關鍵點與圖片中心的實際距離也就是被測物體的實際位移。

圖3 位移監測裝置工作示意圖

2 GIS在線監測系統

目前，光纖光柵技術已覆蓋應力、溫度、位移測量等各方面，本文對變電站220 kV GIS結構的應力、位移和溫度測量以光纖光柵測量技術為主。根據不同位移測量結果的需要，采用光纖位移計與非接觸式圖像識別系統測量相結合的方法。溫度測量分別采用光纖光柵溫度傳感器和熱電偶。測量數據經解調器解調后用無線傳輸方式上傳至云端，具體如下。

a.由光纖應變計、光纖光柵溫度傳感器、光纖光柵位移計、傳輸光纜、信號調制解調處理器組成光纖測量系統，如圖4所示。

圖4 光纖光柵測量系統

b.采用非接觸式圖像識別系統(見圖5)進行位移測量，用熱電偶進行溫度監測。

圖5 非接觸式圖像識別系統

c.采集數據后，通過無線傳輸設備上傳到云端。

d.編制桌面數據計算和顯示程序，根據云端數據直接在辦公室顯示現場測量數據和各測點位移、溫度、應力等。

3 監測內容及測點布置

考慮到該GIS存在著支座開裂、膨脹節張開受限而導致筒體不能正常收縮等問題，監測內容以膨脹節位移以及波紋管、法蘭和筒體應力為主，包括膨脹節法蘭面的相對位移和相對于地面的絕對位移。溫度變化是引起上述位移和應力的主要原因，且由于日照方式等影響，不同位置的溫度變化規律不盡相同，因此選取GIS上日照規律不同的多個截面進行溫度監測。為了對已開裂支座的裂紋進行監控，在裂紋前端附近與裂紋擴展方向垂直粘貼應變計，通過應變(應力)數據監測裂紋擴展行為。

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

在4條GIS母線上選10個膨脹節，采用光纖光柵位移計進行法蘭面間距離變化測量，對各膨脹節波紋管進行應力測量，選取其中2個膨脹節法蘭面和4個筒體進行應力測量。在西側第1個加裝的固定支架上向兩側各引出1個光纖光柵位移計筒體端頭法蘭，測量筒體的伸長(或縮短)。在2個開裂支座的裂紋前沿各布置1個光纖光柵應變計，監測裂紋擴展情況。

在Ⅱ母線最西側端頭、第1個加裝固定支架及前2個膨脹節法蘭面上各安裝1個目標靶，將6臺監測終端(相機)固定在地面上，采用非接觸式圖像識別方法測量GIS上6個測點對地面的相對位移。各類測點安裝效果如圖6所示。

(a)開裂支座處應力測點(b)膨脹節處位移及應力測點

(c)溫度測點(d)非接觸式位移測點圖6 測點安裝效果

4 監測結果顯示及查詢

各測點監測結果曲線如圖7所示，包括各種監測方法測量的溫度、位移及應力，可以表格型式顯示結果并查詢。

圖7 監測結果顯示

5 結語

將光纖光柵和熱電偶測量溫度結果與當地天氣預報溫度比較，實測溫度變化規律與氣溫規律吻合，各不同位置截面間溫度分布規律符合日照方式。采用光纖位移計和圖像識別方法測量的Ⅱ母線2個膨脹節位移量數值接近，最大偏差0.3 mm。圖像識別法測得的第1個加裝固定支架位移數據表明，該支撐并未完全固定住，GIS筒體熱脹冷縮時該支架會發生相應位移。裂紋前端附近應力變化幅度遠遠高于膨脹節及筒體。上述結果表明，此監測系統準確反映了GIS結構部件的溫度、位移和應力情況，為實時掌握GIS結構健康狀況提供了依據。