一种GIS伸缩节监测装置的研究与应用

摘要：本文针对变电站GIS高压组合电气随季节和温度变化引起设备故障问题，分析了GIS设备管道母线伸缩节形变特点，提出了基于物联网无线传输技术的GIS伸缩节形变量监测装置，进行GIS伸缩节监测和故障分析的技术方案。应用结果表明：该装置能够提前发现故障隐患，有效保障设备运行安全，同时节省设备巡视及数据抄录时间，提高了数据抄录可靠性和运维人员工作效率，少运维人员巡视工作量。

关键词：GIS；伸缩节；形变；传感器；效率

随着高压电网向着高电压、大容量、集约化等方向发展，电网对供电可靠性和安全稳定运行要求也随之不断提升，GIS组合电器类设备正越来越多的被各级电网，特别是特高压电网使用。截止到2015年底，63～1000kV组合电器在运量将超过60000间隔，年平均增长率超过13%［1］。随着GIS设备数量的增加，其故障发生率也随之增加。2013-2015年国家电网公司所辖330kV及以上变电设备共发生故障跳闸分别为34次、28次和20次［1］，呈逐年下降趋势。按设备类型分类，GIS（HGIS）引起的故障跳闸占比分别为17.6%、35.7%和45.0%［1］，GIS设备故障引发的故障跳闸占比有所上升。其中，我国北方地区因温度变化引起GIS管道母线伸缩引发设备故障占较大比重。 1.GIS伸缩节概述

GIS 设备主要由开关、电流互感器、隔离开关、管道母线、出线套管、伸缩节等设备组成。其中，管道母线是GIS的重要组成部分，其长度一般都在几百米。GIS设备伸缩节作为管道母线附属设备，其基本作用是用于GIS 设备安装时长度调节补偿及运行后管道母线筒随季节、环境温度变化时的伸缩量变化的补偿。

在我国北方地区，冬季气温极低，昼夜温差较大，GIS管道母线长度会随着环境温度的变化而变化。如果GIS伸缩节因安装或制造工艺问题，在该过程中起不到伸缩量调节补偿的作用，就可能造成GIS设备因伸缩应力作用，造成连接部位变形漏气，严重的导致设备绝缘击穿。所以，GIS伸缩节伸缩量监视是GIS设备日常运维的重要项目。

针对上述情况，国家电网公司编制下发了《国家电网公司户外 GIS 设备伸缩节反事故措施》，其中要求GIS伸缩节加装形变量测量标尺，同时加强户外 GIS 设备伸缩节的运维巡视工作。并应结合设备巡视，对伸缩节伸缩量进行定期抄录。而目前所有变电站GIS伸缩节数量众多，且均装设机械读数式标尺，由于现有伸缩量监测装置不具备记录功能，需要人工现场抄录。而人工抄录周期长、工作量大，且易因抄录不及时或看错标尺造成抄录误差，工作效率低和可靠性低，不便于设备日常运维。 2.GIS伸缩节监测装置的设计与实现 2.1 GIS伸缩节监测系统设计方案

GIS伸缩节监测系统由后台展示与管理软件系统、数据服务器、汇聚网关、手持机、数据传输基站和GIS伸缩缝波纹管形变传感器等组成（如图1所示）。

形变传感器实时采集GIS伸缩缝波纹管的形变量大小与方向，同时采集环境温度，记录采集时刻，同时将采集到的数据通过数据传输基站或巡检手持机传输到数据库，通过后台软件系统自动分析采集到数据，对异常形变量发出告警，并将温度-形变量-GIS管道母线长度与发生时刻的关系以图形方式直观展示，协助运维管理人员全面把控GIS管道母线的工作状态，提升运维管理的工作质量和运行人员工作效率。 2.2 GIS伸缩节监测传感器工作原理

GIS伸缩缝波纹管形变监测传感器由形变跟踪弹簧、形变传导杆、直线位移传感器、温度传感器、MCU、EEPROM、RF射频通信模块、长寿命电池和密闭外壳等组成（如图2所示）。

形变传感器外壳固定在GIS伸缩缝波纹管一端的法兰上，形变跟踪弹簧推动形变传导杆

抵紧波纹管的另一端法兰，当波纹管发生伸缩形变时，形变传导杆跟踪伸缩形变，并将该形变传导到直线位移传感器，直线位移传感器感知到该形变的变化量，转换成模拟电信号，该信号被MCU内置A/D转换器变换为数字信号，同时MCU也采集温度传感器的信息，将温度信息与形变量信息绑定作为一条记录，同时记录该形变量产生的时刻，这些数据经无损压缩被记录在EEPROM 存储器内，EEPROM可以存储1年以上的数据。RF无线通信模块与数据传输基站构成无线自组网通信，实时将MCU采集的形变-温度与时间信息传输到后台软件系统，在非自组网模式下，RF模块工作在蓝牙BLE模式，实时与巡检手持机通信，手持机读取上次巡检以来的全部数据记录，并保存在手持机内，并通过手机APP软件进行初步分析对比。同时，数据服务器通过传输基站组成的物联网或手持机收集数据，利用后台软件系统分析处理、预警、展示收集到的信息。 2.3 物联网

GSI伸缩节监测装置是基于物联网技术在电力系统的实际应用。物联网是指通过部署具有一定感知、计算、执行和通信等能力的各种设备，获得物理世界的信息或对物理世界的物质进行控制，功过网络实现信息的传输、协同和处理，从而实现人与物通信、物与物通信的网络。

物联网系统主要由感知层、网络层以及应用层三部分构成，其中感知层主要是由各种传感器识别设备实现信息采集、识别和汇集；网络层通过接收基站和统一接入网关，按照规范化统一通信规约实现对数据的传输；应用层遵循SG-ERP的体系构架，将感知层采集到的多种数据信息统一管理、分析，并针对外界需求提供服务［3］。 3.GIS伸缩节监测装置应用效果

通过在灵州换流站750千伏GIS设备上进行的为期半年的试验运行，应用结果表明：（1）利用物联网无线传感器收集GIS伸缩节状态信息，通过后台服务器软件分析处理，实现了

750千伏和330千伏GIS所有管道母线伸缩节的伸缩量数据收集，同时实现异常伸缩节告警；（2）该装置的使用，每月节省了运行人员抄录母线伸缩节伸缩量的时间，使GIS设备巡视时间由3小时/天减少到1小时/天，提高了运行人员巡视效率；（3）GIS伸缩节监测装置安装后半年内，发现1个因设备安装不到位导致伸缩节未起到伸缩量调节作用，导致GIS基础变形的故障，有效提高了设备运行可靠性。 4.结论

GIS伸缩节伸缩量监测装置，实时采集伸缩量数据，并通过物联网无线传输技术和手持机将采集的数据上传至后台服务器进行对比分析，并实现异常数据的告警。能够提前发现故障隐患，有效保障设备运行安全；同时节省设备巡视及数据抄录时间，提高了数据抄录可靠性和运维人员工作效率，少运维人员巡视工作量；该装置对GIS设备管道母线伸缩节运行监测和故障预警效果显著，可在我国北方地区所有使用GIS设备的变电站和发电厂进一步推广应用。

参考文献：

[1] 国家电网公司.设备运行分析年报.2013.2014.2015.

[2] 李宁，邹洪森.换流站高压电容器故障检测技术的研究与应用[J]，宁夏电力，2015（4）：30-32.

作者简介：

李宁（1984），男，汉族，学士，工程师，现在国网宁夏电力公司检修公司从事换流站维护管理工作。