CN115930903A - 一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，包括储液罐、若干通液管、若干通气管、应变传感光缆、若干个光栅静力水准仪和数据采集记录仪，通过布设在关键部位的各类监测传感器，获取设备基础的状态信息，利用可靠的光纤传感网络将采集信号传输至管理中心；实现获取的设备基础状态信息、分析结果、安全状况信息以及预警信息进行存储、归档、汇总、管理等功能；利用超低反射率光栅作为微测力敏感元件，通过水位高度差对浮筒产生的浮力变化对光栅波长的影响来测量该位置相对基准水面的沉降量，具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快。

Description

一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统

技术领域

本发明涉及变电站土木建筑工程监测领域，尤其是一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统。

背景技术

变电站是电力系统中传输与变换能源的重要枢纽，也是国家重点基础建设的重要组成部分。随着我省城乡建设水平不断提高，土地资源日益紧缺，变电站选址难度不断加大，有时被迫需要建设在某些特殊地质的地区。

若建设区域的地基含水量高，软土层深厚，则容易导致设备基础不均匀沉降以致变形、开裂。当设备基础局部或整体沉降超过一定范围时，就会影响设备的安全稳定运行甚至造成重大安全事故。

变电站地质沉降主要依靠运维人员人工巡检、视频监控等手段，精密的测量需要依靠测绘专业人员定期水准仪测量，存在实时性较差，无法及时发现和消除隐患，或者精度不足，现象特征不明显时较难判断等缺点。

因此，研究一种新型的变电站沉降监测方法，实现长期、实时、在线的高精度测量，提高变电站维护效率、降低运维成本，具有重大社会效益和经济效益。

例如，一种在中国专利文献上公开的“一种基于激光传感器的变电站建筑物沉降监测系统”，其公开号为CN107869981A，通过在线监测系统不受天气影响，基本上在各种环境下均可长期、不间断的测量分析，实现自动化、远程化监测，快速有效的准确实时掌握变电站建筑物安全状态，包括监测灵敏度低、响应速度慢，维护成本较高，实时在线采集数据的精度较低的问题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，变电站地基沉降、形变监测装置灵敏度较低，监测过程受电磁影响较大，耐腐蚀性能较差，无法实现长期、实时、在线的高精度监测，变电站运维成本较高的问题，提供了一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，它结合了光纤光栅（FBG）和布里渊分布式传感（B-OTDR）的优势，不仅灵敏度高、响应速度快，而且单根光纤上可复用上万只传感器，可实现长距离、高精度、高速度的测量，是大规模网络化监测的首选方案。

为了实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，包括储液罐、若干通液管、若干通气管、应变传感光缆、若干个光栅静力水准仪和数据采集记录仪，所述储液罐包括主储液罐和若干子储液罐，所述通液管从所述主储液罐接出后接入子储液罐底部将各个子储液罐底部连接，所述通气管安装连接在各个子储液罐的上端，所述应变传感光缆一端安装在各个子储液罐顶部，所述应变感应光缆另一端接入数据采集记录仪，所述通液管从储液罐底部接出，另一端接入任一光栅静力水准仪底端，从通液管接入口再次接出通液管，所述通液管的另一端在光栅静力水准仪的相同位置接入，以此类推通过通液管将所有光栅静力水准仪的水体部连通，每个光栅静力水准仪之间的水可通过通液管相互流动，所述通气管从所述光栅静力水准仪的上端接出，从通气管接入口再次接出通气管，所述通气管的另一端在光栅静力水准仪的相同位置接入，以此类推通过通气管将所有光栅静力水准仪的气体部连通，所述光缆穿过并接入光栅静力水准仪气体部的上端高于通气管处。

通过布设在关键部位的各类监测传感器，获取设备基础的状态信息，利用可靠的光纤传感网络将采集信号传输至管理中心；实现获取的设备基础状态信息、分析结果、安全状况信息以及预警信息进行存储、归档、汇总、管理等功能。

作为优选，所述光栅静力水准仪包括有光栅传感器，所述光栅传感器包括光栅敏感元件、浮筒和储液桶，每个光栅传感器包括一根测压光栅和一根测温光栅，所述浮筒放置在储液桶内，储液桶内的水位高度改变产生水压变化，传感器通过浮筒感应水压变化，传递到压力光栅进行检测，测温光栅检测当前温度并对传感器进行温度补正，修正因外温变化引起的传感器数据漂移和水压变化。

采用超低反射率光栅阵列静力水准仪对变电站大型设备基础沉降进行长期、实时、在线监测，该水准仪采用液体连通器原理，利用超低反射率光栅作为微测力敏感元件，通过水位高度差对浮筒产生的浮力变化对光栅波长的影响来测量该位置相对基准水面的沉降量，具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等优点。

作为优选，所述光栅敏感元件包括超低反射率光栅，基于所述超低反射率光栅构成超低反射率光栅阵列，将所述超低反射率光栅阵列集成构成传感光纤，并将所述传感光纤紧包海萃料形成新型光纤，利用超低反射率光栅作为微测力敏感元件，通过水位高度差对浮筒产生的浮力变化对光栅波长的影响来测量该位置相对基准水面的沉降量，具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等优点。

作为优选，所述新型光纤进行基于金属基带材料的封装成缆，通过定点安装的方式埋装到待监测区域的土壤。

通过多层次的紧包设计以及土壤或混凝土的组合安装，使得新型光纤具有很好的应变一致性和抗压抗弯型，并能抵御各类恶劣工况和极端天气环境的干扰。

作为优选，所述光栅静力水准仪安装在换流变广场的混凝土防火墙以及阀厅内的承重柱上，采用安装支架将光栅静力水准仪安装在统一标准高度的位置，各个光栅静力水准仪通过应变感应光缆串接，串接位置高于通气管水平位置，完成串接后连接到信号调解设备进行数据信号处理。

作为优选，所述阀厅内的光栅静力水准仪安装高度离阀厅地面40cm，混凝土防火墙上的光栅静力水准仪安装高度与阀厅钢柱上的光栅静力水准仪一致，所述应变感应光缆沿阀厅周围布置，固定在与阀厅连接的墙体上。

作为优选，所述光栅水准在GIS室管线出口附近的承重钢柱外侧布置1只光栅静力水准仪，用于监测出口处基础沉降；其余光栅静力水准仪安装在独立支墩的侧面，来监测支墩基础沉降。

作为优选，水准仪的安装底板用膨胀螺栓固定与基本等高的支墩侧面；应变传感光缆沿支墩并排铺设，使监测区带与裂缝走向以大角度相交并穿越，在固定方向开挖土槽以进行锚固件的布设和光缆的铺设工作。

因此，本发明具有以下有益效果：

通过布设在关键部位的各类监测传感器，获取设备基础的状态信息，利用可靠的光纤传感网络将采集信号传输至管理中心；实现获取的设备基础状态信息、分析结果、安全状况信息以及预警信息进行存储、归档、汇总、管理等功能；

利用超低反射率光栅作为微测力敏感元件，通过水位高度差对浮筒产生的浮力变化对光栅波长的影响来测量该位置相对基准水面的沉降量，具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等优点；

通过多层次的紧包设计以及土壤或混凝土的组合安装，使得新型光纤具有很好的应变一致性和抗压抗弯型，并能抵御各类恶劣工况和极端天气环境的干扰。

附图说明

图1是本发明光栅静力水准仪示意图；

图2是本发明高端阀厅及换流变基础光纤静力水准仪布置示意图；

图3是本发明GIS管道支墩测点分布图；

图4是本发明应变传感光缆埋地安装示意图。

其中，1.储液罐；2.通液管；3.通气管；4.光缆；5.静力水准仪；6.数据采集记录仪。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例，对本发明作进一步具体的描述。

如图1所示，一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，包括储液罐1、若干通液管2、若干通气管3、应变传感光缆4、若干个光栅静力水准仪5和数据采集记录仪6，所述通液管从储液罐底部接出，另一端接入任一光栅静力水准仪底端，从通液管接入口再次接出第二条通液管，所述第二条通液管的另一端在第二个光栅静力水准仪的相同位置接入，以此类推通过通液管将所有光栅静力水准仪的水体部连通，每个光栅静力水准仪之间的水可通过通液管相互流动，所述通气管从所述光栅静力水准仪的上端接出，从通气管接入口再次接出第二条通气管，所述第二条通气管的另一端在第二个光栅静力水准仪的相同位置接入，以此类推通过通气管将所有光栅静力水准仪的气体部连通，所述光缆穿过并接入光栅静力水准仪气体部的上端高于通气管处，所述光缆末端接入数据采集记录仪。

采用超低反射率光栅阵列静力水准仪对变电站大型设备基础沉降进行长期、实时、在线监测，该水准仪采用液体连通器原理，利用超低反射率光栅作为微测力敏感元件，通过水位高度差对浮筒产生的浮力变化对光栅波长的影响来测量该位置相对基准水面的沉降量，具有高精度、高稳定性、高可靠性、响应时间快，工作寿命长等优点；传感器主要由光栅敏感元件，浮筒，储液筒等组成；液位变化通过超低反射率光栅测出，每一个传感器包含一根测压力光栅及一根测温光栅，传感器由浮筒感应水压变化，传递到压力光栅上，测温光栅对传感器进行温度补偿，修正外温变化引起的传感器数据飘移，绝对精度亚mm级。

如图2所示为高端阀厅及换流变基础光纤静力水准仪布置，光栅静力水准仪安装在换流变广场的混凝土防火墙以及阀厅内的承重柱上，共布设13只，采用安装支架将静力水准仪安装在标高相同的位置，通过连接光缆串接，最后连接到信号解调设备进行信号处理。其中10只布置在换流变基础的混凝土防火墙和混凝土柱上， 3只安装在阀厅另一侧矮墙上。阀厅内的光栅静力水准仪安装高度离阀厅地面40cm左右，混凝土防火墙上的光栅静力水准仪安装高度和阀厅钢柱上的光栅静力水准仪一致。应变传感光缆沿阀厅周边布置，固定在和阀厅基础相连的矮墙上。

在GIS室管线出口附近的承重钢柱外侧布置1只光栅静力水准仪，用于监测出口处基础沉降；其余光栅静力水准仪安装在独立支墩的侧面，来监测支墩基础沉降；共34只，布置位置如图3所示。水准仪的安装底板用膨胀螺栓固定与基本等高的支墩侧面；应变传感光缆沿支墩并排铺设，使监测区带与裂缝走向以大角度相交并穿越，在固定方向开挖土槽以进行锚固件的布设和光缆的铺设工作。

如图4所示，铺设光缆时，先沿设计光缆走向挖宽20~50cm 的沟槽，再将应力光缆铺设在地沟内，将铠装光缆铺设于沟槽内，并处于拉直的状态，在光缆定点处使用角铁和金属夹具将光缆与地层耦合，定点之间穿过 PVC 管保护；用原状土回填并压紧光缆，回填时用 信号处理仪表测量光缆的应变量，以光缆产生小于 500 微应变为佳；记录光缆的实际走向及标记，光缆铺设完成后，再将沟槽回填，平整地基。

光栅静力水准仪的安装底板用膨胀螺栓固定在支墩侧面的安装坑中，安装坑顶部有现浇盖板覆盖，整体沉入地下，安装完成后不影响监测目标的外观。

安装过程包括底座安装、气管安装、水管安装等，在每个水准仪下方加接水阀及金属软管，金属软管作为液体进入水准仪的通道。金属软管与水准仪下部接头连接，使用金属喉箍锁紧。在下部连通水管一端，加入比水准仪相对高度要高的储液桶，储液桶的直径需要比连通水管大，用途作为储存液体之用，保证一个相对大的液体量在桶内，防止长期放置时，桶内液体的蒸发。必要时在储液桶内液位表面加滴一点硅油，以防蒸发。

本发明拟采用一种基于光栅静里水准传感网络的变电站沉降在线监测系统。对浙北换流站进行长期、实时、在线监测，对竖直方向的沉降和水平方向上难以观测的裂缝、位移构建精确的监测系统与网络，达到亚毫米级监测精度，建立变电站沉降监测数字化和智能化运行维护的应用示范，并为进一步掌握地质基础沉降对变电站设备的影响规律，以及变电站防治地质灾害提供辅助决策和效果评估手段。

以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，但以上仅为本发明的较佳实施例，需要言明的是，上述实施例及其优选方式所涉及的技术特征，本领域技术人员可以在不脱离、不改变本发明的设计思路以及技术效果的前提下，合理地组合搭配成多种等效方案；因此，本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，包括储液罐、若干通液管、若干通气管、应变传感光缆、若干个光栅静力水准仪和数据采集记录仪，所述储液罐包括主储液罐和若干子储液罐，所述通液管从所述主储液罐接出后接入子储液罐底部将各个子储液罐底部连接，所述通气管安装连接在各个子储液罐的上端，所述应变传感光缆一端安装在各个子储液罐顶部，所述应变感应光缆另一端接入数据采集记录仪。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述光栅静力水准仪包括有光栅传感器，所述光栅传感器包括光栅敏感元件、浮筒和储液桶，每个光栅传感器包括一根测压光栅和一根测温光栅，所述浮筒放置在储液桶内，储液桶内的水位高度改变产生水压变化，传感器通过浮筒感应水压变化，传递到压力光栅进行检测，测温光栅检测当前温度并对传感器进行温度补正，修正因外温变化引起的传感器数据漂移和水压变化。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述光栅敏感元件包括超低反射率光栅，基于所述超低反射率光栅构成超低反射率光栅阵列，将所述超低反射率光栅阵列集成构成传感光纤，并将所述传感光纤紧包海萃料形成新型光纤。

4.根据权利要求3所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述新型光纤进行基于金属基带材料的封装成缆，通过定点安装的方式埋装到待监测区域的土壤。

5.根据权利要求1或2所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述光栅静力水准仪安装在换流变广场的混凝土防火墙以及阀厅内的承重柱上，采用安装支架将光栅静力水准仪安装在统一标准高度的位置，各个光栅静力水准仪通过应变感应光缆串接，串接位置高于通气管水平位置，完成串接后连接到信号调解设备进行数据信号处理。

6.根据权利要求5所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述阀厅内的光栅静力水准仪安装高度离阀厅地面40cm，混凝土防火墙上的光栅静力水准仪安装高度与阀厅钢柱上的光栅静力水准仪一致，所述应变感应光缆沿阀厅周围布置，固定在与阀厅连接的墙体上。

7.根据权利要求1或5所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，所述光栅水准在GIS室管线出口附近的承重钢柱外侧布置1只光栅静力水准仪，用于监测出口处基础沉降；其余光栅静力水准仪安装在独立支墩的侧面，来监测支墩基础沉降。

8.根据权利要求7所述的一种基于光栅静力水准传感网络的变电站沉降在线监测系统，其特征是，水准仪的安装底板用膨胀螺栓固定与基本等高的支墩侧面；应变传感光缆沿支墩并排铺设，使监测区带与裂缝走向以大角度相交并穿越，在固定方向开挖土槽以进行锚固件的布设和光缆的铺设工作。

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