变电站GIS结构健康状况在线监测

韩德斌,肖少阳,张超群,王建新

(辽宁东科电力有限公司,辽宁 沈阳 110179)

气体绝缘全封闭组合电器(GIS)，是将断路器、隔离开关、接地开关、互感器、避雷器、母线等设备或部件全部封闭在接地的金属外壳中，在其内部充有一定压力的SF6绝缘气体[1-4]。由于GIS一般采用露天环境布置，其结构筒体经年累月历经酷暑严寒而发生热胀冷缩，由此可能导致筒体变形、支座开裂、膨胀节损坏、绝缘盆子破裂、SF6气体泄漏等事故[5]。筒体热胀冷缩时膨胀受阻或膨胀异常是引起上述事故的主要原因。因此，对GIS 运行过程中的温度、位移进行监测，或者进一步对筒体结构中关键部位的应力进行监测，将有效保证 GIS 的运行安全[6]。

某变电站220 kV GIS于2013年投运，工程采用双母线双分段布置方式，共计27间隔[7]。运行5年后，发现端部间隔母线支座存在开裂问题。制造厂于2018年7月进行消缺处理，对大间隔距(12.5 m)的过渡母线中间增加固定支撑(加装固定支架12组)，并将过渡母线原固定支撑更改为滑动支撑。2019年1月，对加固改造后的母线现场检查发现：母线两端固定支撑变形开裂；母线支架位置底架与基础预埋钢之间焊缝开裂；部分膨胀节限位螺杆拉紧使膨胀节张开受限，筒体无法正常收缩[8]。

制造厂解除了母线两端变形开裂的固定支撑，对底架焊缝开裂问题未进行处理，对膨胀节张开受限问题也未进行处理。如此可能使底架焊缝裂纹进一步扩展而危及筒体，冬季低温时筒体收缩受阻而产生过大的拉应力[9-11]。

为保证该GIS结构安全运行，有效治理GIS结构中存在的问题，建立一套能实时反映该母线的位移、温度、应力状况的在线监测系统是非常必要的。

1 在线监测技术

用于温度、位移及应变(应力)测量的方法很多，但每一种方法都有其适用范围和局限性。对于安装在室外的变电站GIS健康监测系统，除需考虑严寒、酷暑、雨雪等气候环境外，强电磁环境、信号传输及可靠性等问题都影响到测量方案的选择。传统测量技术多采用电信号测量，强电磁环境对测量结果的干扰大，而近年来迅速发展起来的以光纤光栅作为非电量无源器件的光纤测量技术不受电磁环境干扰，是变电站等强电磁环境中的理想测量工具[12]。

1.1 光纤光栅原理

光纤光栅是利用光致折射率改变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤光栅传感器有多种类型，目前使用较为成熟的是利用光纤布喇格光栅(FBG)背向反射特征制作的传感器。

光纤布喇格光栅纤芯轴向的折射率呈现周期性变化，其作用的实质相当于是在纤芯内形成一个窄带的滤波器或反射镜。如图1所示，当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布喇格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输。

图1 光纤布喇格光栅原理

光纤布喇格光栅反射谱的中心波长λΒ满足：

λΒ=2neffΛ

(1)

式中：neff为有效折射率；Λ为光纤光栅栅距。

光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界条件诸如温度、压力等的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之改变，从而导致反射光波长产生变化。反射谱中心波长的变化与温度T、应变ε的关系为

(2)

式中：αf为热膨胀系数；ξ为热光系数；Pe为弹光系数。

因此在光纤光栅受到轴向应力或者自身温度发生变化前后，检测其反射光中心波长的变化，就可通过式(2)得到光纤光栅受到的轴向应力或自身温度的变化情况，因而光纤布喇格光栅传感器可用于温度、位移、应变(应力)的检测。同时，光纤光栅系统可在一根光纤上刻多个光纤光栅，可实现一纤多点动态测量，如图2所示。

图2 光纤光栅传感器分布式测量原理

1.2 非接触式图像识别系统

采用现场照相并将图像上传给计算机进行识别的方法可进行位移非接触式监测。监测装置如图3所示，由监测终端和目标靶构成。监测终端(相机)固定不动，目标靶上预置有已知距离的横竖线条图案，当目标靶随测量物体移动时，线条图案相对于相机的位置改变，监测终端实时拍下目标靶上线条图案的照片。通过图像识别技术，可确定目标靶上关键点(如某一横竖线条交叉线中心点)与图片中心的偏离像素，将此与已知距离的横竖线条间像素距离进行对比，可计算出关键点与图片中心的实际距离。由于相机固定不动，即图片中心不动，标靶上关键点与图片中心的实际距离也就是被测物体的实际位移。

图3 位移监测装置工作示意图

2 GIS在线监测系统

目前，光纤光栅技术已覆盖应力、温度、位移测量等各方面，本文对变电站220 kV GIS结构的应力、位移和温度测量以光纤光栅测量技术为主。根据不同位移测量结果的需要，采用光纤位移计与非接触式图像识别系统测量相结合的方法。温度测量分别采用光纤光栅温度传感器和热电偶。测量数据经解调器解调后用无线传输方式上传至云端，具体如下。

a.由光纤应变计、光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移计、传输光缆、信号调制解调处理器组成光纤测量系统，如图4所示。

图4 光纤光栅测量系统

b.采用非接触式图像识别系统(见图5)进行位移测量，用热电偶进行温度监测。

图5 非接触式图像识别系统

c.采集数据后，通过无线传输设备上传到云端。

d.编制桌面数据计算和显示程序，根据云端数据直接在办公室显示现场测量数据和各测点位移、温度、应力等。

3 监测内容及测点布置

考虑到该GIS存在着支座开裂、膨胀节张开受限而导致筒体不能正常收缩等问题，监测内容以膨胀节位移以及波纹管、法兰和筒体应力为主，包括膨胀节法兰面的相对位移和相对于地面的绝对位移。温度变化是引起上述位移和应力的主要原因，且由于日照方式等影响，不同位置的温度变化规律不尽相同，因此选取GIS上日照规律不同的多个截面进行温度监测。为了对已开裂支座的裂纹进行监控，在裂纹前端附近与裂纹扩展方向垂直粘贴应变计，通过应变(应力)数据监测裂纹扩展行为。

在2条母线上共布置温度测点33个，其中光纤光栅测点9个(不包括温度补偿测点)，分别布置在一个间隔的中央及两侧3个截面上(日照程度不同)，每个截面按倒三角布置3个测点；热电偶测点24个，选择与光纤光栅温度测点布置类似的3个截面，每个截面按45°间隔均匀布置8点。

在4条GIS母线上选10个膨胀节，采用光纤光栅位移计进行法兰面间距离变化测量，对各膨胀节波纹管进行应力测量，选取其中2个膨胀节法兰面和4个筒体进行应力测量。在西侧第1个加装的固定支架上向两侧各引出1个光纤光栅位移计筒体端头法兰，测量筒体的伸长(或缩短)。在2个开裂支座的裂纹前沿各布置1个光纤光栅应变计，监测裂纹扩展情况。

在Ⅱ母线最西侧端头、第1个加装固定支架及前2个膨胀节法兰面上各安装1个目标靶，将6台监测终端(相机)固定在地面上，采用非接触式图像识别方法测量GIS上6个测点对地面的相对位移。各类测点安装效果如图6所示。

(a)开裂支座处应力测点(b)膨胀节处位移及应力测点

(c)温度测点(d)非接触式位移测点图6 测点安装效果

4 监测结果显示及查询

各测点监测结果曲线如图7所示，包括各种监测方法测量的温度、位移及应力，可以表格型式显示结果并查询。

图7 监测结果显示

5 结语

将光纤光栅和热电偶测量温度结果与当地天气预报温度比较，实测温度变化规律与气温规律吻合，各不同位置截面间温度分布规律符合日照方式。采用光纤位移计和图像识别方法测量的Ⅱ母线2个膨胀节位移量数值接近，最大偏差0.3 mm。图像识别法测得的第1个加装固定支架位移数据表明，该支撑并未完全固定住，GIS筒体热胀冷缩时该支架会发生相应位移。裂纹前端附近应力变化幅度远远高于膨胀节及筒体。上述结果表明，此监测系统准确反映了GIS结构部件的温度、位移和应力情况，为实时掌握GIS结构健康状况提供了依据。