激光传感器在GIS设备波纹管伸缩节数据采集中的应用

□□ 蔡晓龙，冯俊杰，段雨松 (国网山西省电力公司检修分公司，山西 太原 030032)

引言

近年来，公司系统发生户外GIS设备因环境温度变化引起的故障及异常高达35起，对电网及设备的安全可靠运行形成了严重威胁。因此，对GIS设备因热胀冷缩、地基沉降、电动力等引起的位移变化进行监测显得尤为重要。

1 GIS设备波纹管伸缩节

变电站内GIS设备经常采用波纹管伸缩节来调整设备位移以抵消地基或施工误差。工作中的波纹管可用来缓解部分地基沉降、机械震动、热胀冷缩等。

在安装GIS设备时，如果波纹管在不可拆卸的部位，则保持最初的状态；如果波纹管正好在对接部位，则核准或调整波纹管至标称长度(标称长度为230 mm的小波纹管，轴向长度允许调节±3 mm；标称长度为500 mm的大波纹管，轴向长度允许调节±5 mm)。

波纹管的调节如下：

(1)在安装GIS设备时，安装了波纹管气室没有充气，通过调整波纹管拉紧螺杆上螺母的位置，来整定对接法兰的前后、左右或上下位置，从而实现法兰对接吻合。

(2)波纹管有一个轴向标称长度L0，技术条件规定：波纹管轴向长度可在规定范围内变化。调整波纹管长度L1时不得超出该范围。

(3)GIS设备的各气室填充额定SF6气压以后，带有拉紧螺杆的波纹管应该把水平摆放的一端或垂直放置的上端内侧双螺母轻轻松开距离t，另一端或下端螺母不动，如图1所示。波纹管的外侧螺母在安装时位置已调节好，充气后不允许再动。这样工作时波纹管具有出厂设置测试的收缩量。小波纹管为t=3+(L1-L0)mm，大波纹管为t=5+(L1-L0)mm。

图1 带有拉紧螺杆的波纹管工作状态

(4)若波纹管的法兰之间用碟形弹簧连接，则安装调试基本完成后，该气室充进额定气压的SF6气体之后，也要做松开处理，如图2所示。

图2 用碟形弹簧连接的波纹管工作状态

用碟形弹簧连接的结构波纹管：松开距离为t=5+(L1-500)mm。

在GIS设备安装完成初期，波纹管伸缩节会被调节到设备运行的最佳范围。随着时间的推移，波纹管伸缩节会因受到地基沉降和机械震动发生位移，同时设备在运行过程中因为环境温度、导体载流发热等原因会产生一定的热胀冷缩，进而引起波纹管伸缩节产生一定的位移。若此时波纹管伸缩节超出允许补偿量，将会引起GIS设备在水平或者垂直面上的整体移位，从而改变GIS设备内部导电杆与触头之间的接触面积，进而引起设备发热、短路等故障。因此，波纹管伸缩节的长度监测对GIS设备的安全稳定运行至关重要。

2 波纹管伸缩节在日常运维中的监测

对此，不少变电站多措并举，设置了水平观测点、移位观察点作为检测基准，并利用水平检测仪(如图3)、重力锤等观测组合电器的运行状况。在日常运维工作中，运维人员利用游标卡尺等高精度测量工具对波纹管伸缩节位移进行仔细测量，并认真填写GIS设备水平、移位检查记录表。

图3 母线水平检测仪

为了便于运维管理，运维人员常常把所记录数据绘制成曲线，并进行阶段性位移分析。此举能及时发现位移较大的设备，便于进行动态跟踪检查。如运维人员在12个月内等时间差对220 kV管母1号波纹管伸缩节长度进行了30次精确测量，每次均测量4次，并将其平均值进行记录，最终绘制曲线如图4所示。

图4 人工测量1号伸缩节长度曲线图

3 位移传感器在GIS设备波纹管伸缩节中的应用

由于人工测量往往存在误差和局限性。运维人员在测量过程中往往会由于测量工具限制、测量位置差异、读数误差、测量不规范等给测量数据的参考性带来一定的质疑。若对GIS设备母线本身是否发生位移或是位移量大小判断不准确，乃至错误的判断，进而加剧设备本体的位移。

为了让测量数据真实有效，且具有一定的参考价值，运维人员本站220 kV管母1号伸缩节之间装设一组位移传感器，利用传感器进行位移采集。测试前对光电式传感器、激光位移传感器、超声波传感器和雷达位移传感器逐一比较分析，考虑到耐磨性能、经济性能、实用性等，选用激光位移传感器来测量220 kV管母1号伸缩节位移的传感器。

所选用的激光位移传感器能适用于该系统中位移的测量，该传感器精度高，线性度优，可精确测量非接触物体的位置、位移等变化，主要应用于测量物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量，并且具有RS232/484串行接口，能实时与上位机进行通信，数据采集后可实时传输到后台电脑，便于运维人员对指定的伸缩节进行数据监测。

RS232串行接口可以实现数据的实时上传，常用的串口有9针串口(DB9)、25针串口(DB25)，通信传输距离<12 m，可以直接用电缆线连接标准RS232端口，若距离>12 m，需增设调制解调器(MODEM)。常用三线制接法进行连接，地线、接收数据端和发送数据端三脚对应相连。同一串口的接收端和发送端直连，9针和25针串口为2与3直接相连；两个不一样的串口(不管是同一台计算机的两个串口或不同计算机的串口)接收数据端与发送数据端相互连接，彼此交叉，信号地对应相接。接头可以分为公头和母头：公头泛指针式接头；母头泛指插槽式接头。所有串行接口的针脚有统一规定,在接头上有印有序号，连接时应查看说明。接线时其他没有提及的针脚应做悬空处理。

激光位移传感器是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器的激光发射器1 s可以发射一百万个激光脉冲到检测物再返回至接收器单元，处理器可以计算激光脉冲遇到检测物再返回至接收器所需的时间t，进而计算出距离d，该传感器输出到控制器的值是上千次测量结果的平均值，即所谓的脉冲时间法测量，如图5所示。

图5 激光位移传感器工作原理

运维人员将其在12个月内等时间差对220 kV管母1号伸缩节长度所进行人工30次测量时间所对应的数据进行调取、记录，绘制曲线如图6所示。

图6 传感器测量1号伸缩节长度曲线图

为了便于比较，运维人员将人工测量数据和传感器测量数据绘制于同一坐标图中，如图7所示。分析、对比发现，传感器所测数据更加集中，突变量小，曲线平滑性好，准确性高。

图7 1号伸缩节长度比对曲线图

4 结语

通过数据对比可知，采用激光位移传感器能实现GIS设备中伸缩节长度的自动、准确测量，可以降低员工的劳动强度，同时提升测量精度，实现了对测量数据的实时监测，减少和防止了意外事故的发生。后续还可以将该信号引入控制器中，控制器会结合信号的变化情况，执行相应的动作命令，从而实现自动调整位移的功能。