一种GIS波纹管位移测量装置的设计及应用

张盛炜，刘洋李，张 毅，李 涛

(西安咸阳国际机场股份有限公司，陕西 咸阳 712000)

0 引言

气体绝缘金属封闭开关(gas-instulated switchgear，GIS)广泛应用于我国各个电压等级的变电站中，其运行过程中由于环境温度及自身发热部件所引起的温度变化，会使其产生一定的伸缩;此外，设备震动或地震等原因造成的基础沉降也会使其相邻间隔间产生相对位移量，这些位移量都会集中反应在波纹管上。目前，国内常用的为热伸缩波纹管可以吸收加工尺寸公差、安装误差，方便检修时拆卸，而且可吸收壳体由于热胀冷缩产生的较大位移的变形量，吸收地震、基础沉降等产生的较小的下沉量。热伸缩波纹管一般在左侧用法兰进行连接固定，在右侧法兰处留有一定尺寸，供其伸缩变化[1-2]。

在实际应用中，波纹管的横向伸缩量需要根据所处位置的环境温度、安装使用年限、短时间内的温差变化等外部因素以及GIS自身通电产生的热效应、母线长度等综合考虑得出，其垂直方向的相对位移则是由于设备震动、基础沉降等原因导致。目前常见的热伸缩波纹管在GIS设备中的长度一般都小于485 mm，因此可以通过计算得出波纹管的年伸缩形变量约为±10 mm。不同厂家的热伸缩波纹管的各部件尺寸如表1所示，其中x、y分别为左右两侧法兰的宽度，z为波纹管伸缩部分长度[3]。

表1 不同厂家的热伸缩波纹管尺寸

1 现有伸缩量测量方案介绍

针对热伸缩波纹管在运行过程中产生的伸缩量测量问题，目前市面上有一些相对应的解决方案，主要分为简易测量装置和电子测量装置两种。

1.1 简易测量装置

简易测量装置是目前新生产的波纹管中最常见，也是最直接的一种测量方式，即在波纹管两侧法兰上钻孔，利用铆钉或螺丝在一端固定一把钢尺，在另一端固定一个指针，来测量其位移量。这种方式的局限性为：

1) 需要进行钻孔才能安装，仅适合新设备生产时加装，不适合现有设备改造。

2) 其功能只能测量横向的伸缩量，对因震动或沉降而产生的垂直方向的位移量无法测量。

1.2 电子测量装置

电子测量装置多用于管径粗、长度长的波纹管中，其结构为在一侧法兰上固定红外发射装置，再另一侧安装接受装置，利用光线进行测距。这种装置的优点明显，即测量精度高，且可以实现遥测功能。但其不足之处也较为突出，主要为：

1) 电子设备的供电问题在现有设备改造时难以解决。

2) 装置造价较高。

2 新型波纹管位移测量装置设计

针对上述现有装置在功能和结构上存在的不足，以设备运维需求为出发点，结合现场实际情况，设计了一种新型波纹管位移测量装置，可以在不对一次设备钻孔等破坏的前提下牢固固定，且可以同时测量横向、垂直方向的位移量以及波纹管两侧的相对角度变化。该装置具有安全、稳定、通用、可靠、测量准确等优点。

2.1 装置组成

介绍的波纹管位移测量装置由4部分组成，整体结构如图1所示，包含左侧固定组件、右侧固定组件、位移测量组件及角度测量组件。

图1 波纹管位移测量装置整体结构

1) 左、右侧固定组件由固定夹件、弹簧螺栓两部分组成，左、右固定夹件分别使用4支弹簧螺栓，夹装在波纹管左右两侧的法兰上，固定夹件上有开孔，以便固定位移测量组件及角度测量组件。

2) 位移测量组件包含一个横向标尺和一个垂直方向标尺，分别固定于左、右两侧的固定夹件上，横向标尺末端从垂直方向标尺下方穿过，既起到一定的防掉落作用，也可以使两种标尺互为指针，方便观测。

3) 角度测量组件包含一个固定底座、一个水平尺及固定螺丝。固定底座通过固定螺丝固定在左、右固定夹件上，根据其设计结构，既可以保证其稳定，也给两个法兰伸缩、沉降留有一定的空间。水平尺固定在底座上，用以测量沉降角度。

2.2 装置功能

1) 新型波纹管位移测量装置的左、右固定夹件中夹板间距均为70 mm，则可以加装于法兰厚度小于70 mm的波纹管。采用弹簧螺栓拧紧固定，可以在一次设备不停电，且不需要对其进行钻孔固定等破坏的前提下进行安装，此种固定方式灵活简便，且本装置全部为机械测量，不需要考虑取电的问题，因此对于在建设时未加装波纹管位移测量装置的变电站升级改造十分友好。

2) 装置包含横向、垂直方向两支测量标尺以及一个水平尺，可以同时测量波纹管横向、垂直方向的位移量以及两侧的相对沉降角度，相比于现有仅能测量横向位移的装置来说，增加了两项测量值，使运维人员对波纹管设备状态判断更加准确。

3) 装置采用6061铝合金作为主要材料，具有良好的抗腐蚀性、韧性高且加工后不易变形、材料致密无缺陷且易于抛光、抗氧化效果极佳、密度适中，符合装置所需要的强度及可加工性，适宜在户内、外各种环境下运行，同时不会给所测设备增加过多的负重，且造价适中。

3 装置工程应用

该装置目前已加装于西北地区某110 kV变电站，安装、测试结果如下。

1) 本装置可以稳定、牢固地安装在波纹管两侧的法兰上，并通过弹簧螺栓可靠固定，固定后未出现晃动、变形等情况，很好地解决了不破坏一次设备即可加装的问题，且对多种厚度的法兰都可以良好地安装固定。

2) 通过长时间的测量，本装置可以有效地观测波纹管的位移，经测量发现该110 kV变电站GIS设备中的4只波纹管中，一年中横向伸缩范围为-3～5 mm，垂直方向最大位移为2 mm，波纹管左右两侧相对沉降最大角度为1.64°。

由于该变电站波纹管长度均小于该装置的设计宽度345 mm，因此均可以良好应用，而对于更高电压等级的长度大于345 mm的波纹管，后续需要增加设计长度进行进一步更加深入的研究探讨。

4 结束语

以上针对变电站GIS设备波纹管位移监测存在的问题进行了分析，根据现场实际需求设计了一种波纹管位移测量装置，可以达到不停电、无损安装，测量参数全面等效果，可以广泛应用于现有的未加装波纹管位移测量装置的变电站中，同时也可以在GIS设备制造时提前加装。

该测量装置稳定可靠、灵活方便，可以有效地对因波纹管两端位移量过大而导致的设备损坏等异常进行提前预警，提升运维水平，提高供电可靠性。