水利水电工程安全监测传感器评价关键技术

万 青

（南皮县水务局，河北 沧州 061500）

目前，我国已建成水库约8.7万座，这些水库在防洪、灌溉、供水、发电、改善生态环境等方面发挥着重要作用。为评价水利水电工程质量以及便于验收，特别是对大坝安全运行状况进行分析。自20世纪90年代以来，大多学者建议在设计与实施新的工程和加固工程项目时，设置不同数量的大坝安全监测传感器[1]。这些传感器能够在施工和运行期间监测水库安全运行。随着运行环境和项目运行时间的变化，项目运行管理中存在着传感器损坏、测量数据不稳定等因素。但目前有关水利水电工程安全监测传感器评价的关键技术的系统研究较少。本文结合工程实践，系统地研究了安全监测系统的评估过程、差动电阻传感器的现场检测方法、通信电缆故障的现场检测方法以及监测数据的有效性检验过程。

1 监测系统评价过程

评价水利水电工程安全监测系统，首先要收集监测项目和传感器（校准、安装、埋设）的研究资料，并结合工程实践，对现有安全监测项目和传感器布置的合理性、完整性实施评价，明确现有安全监测项目是否满足工程安全监测的需要。建立基于自动化技术的自动监控系统，包括自动数据采集系统和自动评价分析系统。数据采集系统由通信设备、采集终端、外围设备、数据采集软件、信号线和控制线、通信线和电源线等组成。因此，对监控系统的评估还涉及到通信线路的布置和保护、数据采集设备的布置、通信方式和网络结构的评估。此外，监测数据的有效性检验和合理性分析在监测系统评价中尤为重要。从建设期到项目运行期，该系统积累了大量的测量资料，对测量结果的可靠性和准确评价项目运行状况起到关键作用。监测系统评价不仅要评价监测数据的完整性、可靠性、合理性，还要根据设计和施工数据分析监测数据是否能够反映工程的实际运行情况。安全监测系统的具体评价过程如图1所示。

图1 安全监测系统评价流程

2 典型监测传感器的检测方法

监测传感器的现场检测是评价监测系统性能的基本任务。根据历史资料和现场观测了解大坝监测传感器的运行情况，收集传感器布置、原始参数、传感器观测数据和相应的设计图纸等资料。此外，还需研究部分传感器损坏的原因。通过测量二次仪表（如频率计、数字读取器、数字电桥、万用表、兆欧表），实现监测传感器的综合现场检测。本文对水利水电工程中常用差动电阻传感器现场检测方法的研究如下。

差动电阻传感器：采用数字电桥测量差动电阻传感器的电阻和电阻比。在正常情况下，温度为0℃时测得的电阻（卡中读数）和随温度变化而变化的电阻（温度在30 ℃到35 ℃之间，无电缆电阻）之和，电阻比应在9 500到10 500之间。如果电阻过高或无穷大，则视为开路；如果电阻过低或接近零，则视为短路；如果电阻在正常范围内，但没有读数，则通常视为传感器故障。差动电阻传感器的现场检测过程如图2所示。

图2 差动电阻传感器现场检测过程

3 通信电缆检测技术

目前，水利工程安全监测仪器中常用的电缆是通信电缆。一般来说，通信电缆故障的原因包括电缆本身的质量缺陷、施工影响（施工过程中由于电缆芯线拼接造成的接地或断开）、外力或人为影响（其他工程施工、车辆、建筑物变形等），以及自然灾害造成的故障。根据通信电缆的故障原因，以及线路故障的性质，将其分为四类：绝缘故障、断线故障、混合线路故障和接地故障。

3.1 电缆线路故障的检测步骤和方法

电缆线路故障检测包括故障性质诊断、故障位置测量和故障点确定。电缆线路故障的性质和严重程度首先通过兆欧表、万用表和其他二次仪表确定。利用专用测试仪器测量电缆故障距离，初步确定最小故障范围，精确定位故障点。常见的电缆故障排除方法有电桥法、回方法、检漏法、脉冲反射法、综合测试法。在水利水电工程安全监测设备的现场实践中，脉冲反射法在电缆故障检测中已得到了普遍应用，其主要原理是向电缆发送电压脉冲，根据反射脉冲的时差与发送脉冲点到故障点的距离成正比的原理确定故障点。

3.2 典型故障的反射脉冲波形

利用不同波形产生不同反射脉冲的七种典型故障如下。

3.2.1 芯线断线故障

产生正反射脉冲，反射脉冲幅度较大，如图3(a)所示。

3.2.2 屏蔽层断开故障

屏蔽层断开点反射脉冲为正，波形与芯线断开故障波形相似，如图3(b)。

3.2.3 感应线圈故障感应线圈的反射脉冲为正或接触不良，反射脉冲波形的幅度与芯线断线故障相似，如图3(c)。

3.2.4 混线（包括混线、自混）故障

混线故障时，故障点处的负反射脉冲如图3(d)所示。

3.2.5 接地故障

接地故障时能看到故障点的负反射脉冲，其波形类似于混合线路故障，如图3(e)所示。

3.2.6 均热故障

一般产生轻微的负反射脉冲，其波形如图3(f)所示。

3.2.7 错配故障

在错配点有正反射脉冲，在另一个错配点有负反射脉冲，如图3(g)所示。

图3 典型故障反射脉冲波形

4 传感器测量数据的有效性检查

由于观察者、仪器和各种外界条件的影响，安全监测传感器的原始测量数据不可避免地存在误差。因此，应对原始测量数据进行误差分析和有效性检验，以判断其可靠性。有效性检查包括：①检查操作方法和主要测量方法是否合格；②确定传感器性能是否稳定、正常；③检查测量数据的物理意义是否合理；④检查一致性、相关性、连续性、对称性。其中，连续性表示当载荷条件和其他外部条件保持不变时，各种观测数据连续变化而不跳跃；一致性表示连续积累数据的变化趋势应保持一致。其中，测量值检查是上述四种检查中最重要的一种。

相同条件下的观测称为等精度观测。通过计算观测值与真值的差即真误差，确定观测值的可靠性。对于等精度观测序列，观测精度可以由一系列观测值的均方误差（标准差）来确定。均方误差的计算

公式表示为：

式中，δ是第i个测量值的真误差，n是测量值的数量。由于测量值的真实误差一般未知，通常用测量值的残差代替。对于测量值{X1,X2,...,Xn}的序列，残差可以表示为：

编制误差分析算法，以分析测量值的误差，评价测量值的准确性和可靠性。根据现场检测结果，计算测量值的均方误差，结合观测仪器的精度、仪器的测量范围以及相应的监测技术规范，可以制定相应的可靠性评价标准。此外，差动电阻传感器的可靠性分析不仅包括对上述观测值均方误差的分析，还包括对仪器正向和反向测量电阻比误差的综合分析。根据《混凝土大坝安全监测技术规程》（DL/T 5178-2003）规定，利用电桥可以得到传感器的正向测量电阻比Z和反向测量电阻比Z′，然后通过比较Z+Z′和20 000+A2±2来评价测量值的可靠性，其中A=(10 000-Z)/100。

5 案例研究

黄壁庄水电站位于河北省滹沱河中下游，工程布置由右至左依次为：110 kv室内开关站1座，径流式水电站厂房1座，8孔溢洪道大坝1座，垂直升船机1台，左岸大坝1座。工程监测项目包括外部变形、地基沉降、抬升压力、节点变化、钢应力、锚杆桩应力、混凝土抗压应力、旁路渗流、坝基渗流、基岩变形、混凝土温度、环境因素。根据差动电阻传感器的检测方法，从介质强度、电阻比、电阻等方面对黄壁庄水电站安全监测系统进行评价。结果表明，在黄壁庄水电站104个差动电阻传感器中，88个传感器工作正常，占84.62 %；12个传感器合格，占11.54 %；4个传感器损坏，占3.85 %。利用传感器实测值的有效性检验方法，对坝体位移、坝基位移、节理变化、扬压力、上游水位和下游水位、混凝土温度等进行检测。结果表明，黄壁庄水电站工程监测系统可靠：289个监测传感器中，232个传感器（占80.28 %）的实测值可靠，合理反映了工程运行过程中的结构变化行为；37个传感器（占12.80 %）的实测值能提供监测结果供分析参考；其余20个传感器（占6.92 %）已损坏，不能用于测量。

6 结论

面对当前安全监测系统评价尚无统一标准的现状，本研究结合工程实践，研究了安全监测传感器评价的一些关键技术。根据安全监测系统的评价过程，研究差动电阻传感器的现场检测方法，分析通信电缆线路故障的主要原因，提出了电缆线路故障的测试步骤和方法，以期保证监测系统的可靠性。因原始观测数据不可避免地存在误差，为保证原始测量数据评价的可靠性，提出传感器测量数据的有效性检验方法。本文所设计的安全监测传感器评价技术通过在黄壁庄水电站工程中的应用，应用结果表明，大多数传感器的测量值可靠、合理，能够反映工程运行状况，说明工程安全监测传感器具有有效性。