一種GIS波紋管位移測量裝置的設計及應用

張盛煒，劉洋李，張 毅，李 濤

(西安咸陽國際機場股份有限公司，陜西 咸陽 712000)

0 引言

氣體絕緣金屬封閉開關(gas-instulated switchgear，GIS)廣泛應用于我國各個電壓等級的變電站中，其運行過程中由于環境溫度及自身發熱部件所引起的溫度變化，會使其產生一定的伸縮;此外，設備震動或地震等原因造成的基礎沉降也會使其相鄰間隔間產生相對位移量，這些位移量都會集中反應在波紋管上。目前，國內常用的為熱伸縮波紋管可以吸收加工尺寸公差、安裝誤差，方便檢修時拆卸，而且可吸收殼體由于熱脹冷縮產生的較大位移的變形量，吸收地震、基礎沉降等產生的較小的下沉量。熱伸縮波紋管一般在左側用法蘭進行連接固定，在右側法蘭處留有一定尺寸，供其伸縮變化[1-2]。

在實際應用中，波紋管的橫向伸縮量需要根據所處位置的環境溫度、安裝使用年限、短時間內的溫差變化等外部因素以及GIS自身通電產生的熱效應、母線長度等綜合考慮得出，其垂直方向的相對位移則是由于設備震動、基礎沉降等原因導致。目前常見的熱伸縮波紋管在GIS設備中的長度一般都小于485 mm，因此可以通過計算得出波紋管的年伸縮形變量約為±10 mm。不同廠家的熱伸縮波紋管的各部件尺寸如表1所示，其中x、y分別為左右兩側法蘭的寬度，z為波紋管伸縮部分長度[3]。

表1 不同廠家的熱伸縮波紋管尺寸

1 現有伸縮量測量方案介紹

針對熱伸縮波紋管在運行過程中產生的伸縮量測量問題，目前市面上有一些相對應的解決方案，主要分為簡易測量裝置和電子測量裝置兩種。

1.1 簡易測量裝置

簡易測量裝置是目前新生產的波紋管中最常見，也是最直接的一種測量方式，即在波紋管兩側法蘭上鉆孔，利用鉚釘或螺絲在一端固定一把鋼尺，在另一端固定一個指針，來測量其位移量。這種方式的局限性為：

1) 需要進行鉆孔才能安裝，僅適合新設備生產時加裝，不適合現有設備改造。

2) 其功能只能測量橫向的伸縮量，對因震動或沉降而產生的垂直方向的位移量無法測量。

1.2 電子測量裝置

電子測量裝置多用于管徑粗、長度長的波紋管中，其結構為在一側法蘭上固定紅外發射裝置，再另一側安裝接受裝置，利用光線進行測距。這種裝置的優點明顯，即測量精度高，且可以實現遙測功能。但其不足之處也較為突出，主要為：

1) 電子設備的供電問題在現有設備改造時難以解決。

2) 裝置造價較高。

2 新型波紋管位移測量裝置設計

針對上述現有裝置在功能和結構上存在的不足，以設備運維需求為出發點，結合現場實際情況，設計了一種新型波紋管位移測量裝置，可以在不對一次設備鉆孔等破壞的前提下牢固固定，且可以同時測量橫向、垂直方向的位移量以及波紋管兩側的相對角度變化。該裝置具有安全、穩定、通用、可靠、測量準確等優點。

2.1 裝置組成

介紹的波紋管位移測量裝置由4部分組成，整體結構如圖1所示，包含左側固定組件、右側固定組件、位移測量組件及角度測量組件。

圖1 波紋管位移測量裝置整體結構

1) 左、右側固定組件由固定夾件、彈簧螺栓兩部分組成，左、右固定夾件分別使用4支彈簧螺栓，夾裝在波紋管左右兩側的法蘭上，固定夾件上有開孔，以便固定位移測量組件及角度測量組件。

2) 位移測量組件包含一個橫向標尺和一個垂直方向標尺，分別固定于左、右兩側的固定夾件上，橫向標尺末端從垂直方向標尺下方穿過，既起到一定的防掉落作用，也可以使兩種標尺互為指針，方便觀測。

3) 角度測量組件包含一個固定底座、一個水平尺及固定螺絲。固定底座通過固定螺絲固定在左、右固定夾件上，根據其設計結構，既可以保證其穩定，也給兩個法蘭伸縮、沉降留有一定的空間。水平尺固定在底座上，用以測量沉降角度。

2.2 裝置功能

1) 新型波紋管位移測量裝置的左、右固定夾件中夾板間距均為70 mm，則可以加裝于法蘭厚度小于70 mm的波紋管。采用彈簧螺栓擰緊固定，可以在一次設備不停電，且不需要對其進行鉆孔固定等破壞的前提下進行安裝，此種固定方式靈活簡便，且本裝置全部為機械測量，不需要考慮取電的問題，因此對于在建設時未加裝波紋管位移測量裝置的變電站升級改造十分友好。

2) 裝置包含橫向、垂直方向兩支測量標尺以及一個水平尺，可以同時測量波紋管橫向、垂直方向的位移量以及兩側的相對沉降角度，相比于現有僅能測量橫向位移的裝置來說，增加了兩項測量值，使運維人員對波紋管設備狀態判斷更加準確。

3) 裝置采用6061鋁合金作為主要材料，具有良好的抗腐蝕性、韌性高且加工后不易變形、材料致密無缺陷且易于拋光、抗氧化效果極佳、密度適中，符合裝置所需要的強度及可加工性，適宜在戶內、外各種環境下運行，同時不會給所測設備增加過多的負重，且造價適中。

3 裝置工程應用

該裝置目前已加裝于西北地區某110 kV變電站，安裝、測試結果如下。

1) 本裝置可以穩定、牢固地安裝在波紋管兩側的法蘭上，并通過彈簧螺栓可靠固定，固定后未出現晃動、變形等情況，很好地解決了不破壞一次設備即可加裝的問題，且對多種厚度的法蘭都可以良好地安裝固定。

2) 通過長時間的測量，本裝置可以有效地觀測波紋管的位移，經測量發現該110 kV變電站GIS設備中的4只波紋管中，一年中橫向伸縮范圍為-3～5 mm，垂直方向最大位移為2 mm，波紋管左右兩側相對沉降最大角度為1.64°。

由于該變電站波紋管長度均小于該裝置的設計寬度345 mm，因此均可以良好應用，而對于更高電壓等級的長度大于345 mm的波紋管，后續需要增加設計長度進行進一步更加深入的研究探討。

4 結束語

以上針對變電站GIS設備波紋管位移監測存在的問題進行了分析，根據現場實際需求設計了一種波紋管位移測量裝置，可以達到不停電、無損安裝，測量參數全面等效果，可以廣泛應用于現有的未加裝波紋管位移測量裝置的變電站中，同時也可以在GIS設備制造時提前加裝。

該測量裝置穩定可靠、靈活方便，可以有效地對因波紋管兩端位移量過大而導致的設備損壞等異常進行提前預警，提升運維水平，提高供電可靠性。