變電站GIS設備安裝法蘭對接報警系統設計

周 鵬，李 松

（新疆送變電有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

0 引 言

法蘭結構簡單，可操作性好，廣泛應用于工業連接，如航天器間的對接、輸油輸氣管道的連接以及電力系統GIS設備組件的軸向連接等。隨著我國電力工業的高速發展，氣體絕緣金屬封閉開關設備（Gas Insulated Switchgear，GIS）在電網投入使用。作為電力系統的核心部件，它具有安裝工期長、技術復雜、投資額巨大以及質量要求高等特點。但是，電力系統GIS設備組件軸向連接的安裝質量和效率問題，影響著電力工程項目能否如期交付。法蘭具有一定的連接剛度和強度，但由于連續性造成破壞，安裝時會發生局部變形，造成接觸面的摩擦，是法蘭出現故障的主要原因[1-2]。現階段，GIS設備進入高速發展階段，但設備的施工仍采取吊裝加以人工輔助的傳統方式，存在因晃動產生的法蘭螺栓孔錯位等問題，不能實現精準定位，影響安裝質量。為提高GIS法蘭對接安裝質量和效率，實現GIS法蘭對接安裝過程的科學把控，確保安裝工藝并降低對接難度，需采取先進的自動化技術與設備輔助對接安裝。

1 GIS設備安裝法蘭對接工藝要求

變電站的GIS設備法蘭對接安裝流程主要涉及母線對接、間隔組件安裝以及SF6氣體管道連接。母線對接包括BUS+BUS主母線對接、GIL串內母線與DS隔離開關對接以及串內母線GIL與高位母線BUS對接。間隔組件安裝包括斷路器CB與電流互感器CT的對接安裝、隔離開關DS與斷路器CB的對接以及套管的安裝。GIS對接施工包括裝備密封圈、法蘭面對接、合攏加緊以及緊固螺栓4個過程。法蘭裝配工藝不佳、質量差，會引起絕緣故障和本體滲漏故障。故障一般分為絕緣故障、機械故障、本體漏氣故障、二次回路故障以及其他故障，發生各類故障的比例分別達到38.1%、39.3%、9.5%、8.3%以及4.8%，而因現場安裝和調試環節原因造成的故障占故障總數的23.8%[3]。控制GIS法蘭安裝質量和工藝水平，能減少絕緣故障和本體滲漏故障，是提高GIS運行可靠性的關鍵點。

由于GIS設備組件法蘭主要用于罐體的密封和連接，對安裝工藝的要求更加嚴格。GIS設備法蘭對接安裝前，要求檢查密封面（槽）是否有劃傷和不光滑等現象，并檢查密封圈質量是否完好，將其放入法蘭的密封槽內，確保法蘭連接處不發生絕緣故障和本體滲漏故障[4]。GIS密封環節不合格的原因是密封面漏氣和殼體焊縫漏氣。密封面漏氣的原因包括“O”型密封圈損傷、密封膠涂敷不規范以及密封面劃傷等。密封膠涂敷作業不規范造成漏氣的概率較低，大多數的密封面漏氣是由于密封面被劃傷或“O”型密封圈損傷引起的。因此，GIS設備安裝法蘭對接報警系統要避免類似問題，從而提高對接作業的安裝質量和效率。

2 GIS設備安裝法蘭對接報警系統

2.1 法蘭安裝對接報警硬件系統

GIS設備法蘭安裝對接報警硬件系統主要包括激光檢測單元、數據處理單元以及報警單元。激光檢測單元包括激光發射器和激光接收器兩部分。數據處理單元包括數據采集模塊、數據分析處理模塊以及數據輸出模塊。報警單元包括聲光驅動模塊和顯示模塊。該系統將激光發射器和激光接收器均勻分布安裝在定法蘭和動法蘭的非裝配面的螺栓孔內。數據采集模塊采集到激光接收器接收到的光斑信息。這個光斑信息由激光發射器的激光束形成，經數據處理單元進一步處理得到光斑的坐標信息和距離信息，用于動法蘭的水平檢測和垂直扭度檢測[5]。當動法蘭在水平方向和垂直扭度出現偏差時，利用報警單元進行聲光報警，并顯示檢測信息。

2.2 點線結合法蘭位姿測量方法

為保證GIS法蘭對接作業的簡單化和精準性，利用點線結合方法測量動法蘭相對于定法蘭的位姿。水平方向通過激光接收器內接收板的點坐標檢測動法蘭的水平位姿。點坐標水平檢測法原理如圖1所示。

圖1 點坐標水平檢測法原理圖

定法蘭的激光發射器產生的激光發射線束正交穿過動法蘭激光接收器的凸透鏡時，如圖1中實線的激光線束，在激光接收板的原點O處成像，說明定法蘭和動法蘭在同一水平面。如果激光發射線束非正交穿過動法蘭激光接收器的凸透鏡，如圖1中虛線的激光線束，在激光接收板的非原點處成像即圖中的F’點，說明定法蘭和動法蘭不在同一水平面。

為檢測動法蘭端面和定法蘭端面在垂直方向上的扭轉角度，分別在動法蘭和定法蘭上均勻取n（n≥3）個對應螺栓孔，將檢測動法蘭端面的扭轉角度轉化為測量法蘭n個對應點間距離的方差。當n=3時，線距檢測垂直扭度原理如圖2所示。

圖2 線距檢測垂直扭度原理圖

A、B、C為定法蘭的3個裝有激光發射器的螺栓孔，A’、B’、C’為動法蘭對應的裝有激光接收器的螺栓孔，測得對應螺栓孔的距離分別為lAA'、lBB'、lCC'，則對應點距離的方差為：

式中，σ為距離方差，lp為3個距離的平均值。理想情況下，如果σ=0，說明三點的距離相等，這時動法蘭端面和定法蘭端面在垂直方向上扭轉角度為0，滿足對接安裝要求。如果σ＞0，說明動法蘭端面和定法蘭端面在垂直方向上存在一定的扭轉角度，需要進行調整，直至滿足要求。

2.3 法蘭安裝對接報警軟件系統

法蘭安裝對接報警軟件系統基于模塊化的設計，主要包括計算激光光斑的點坐標和動法蘭安裝端面的扭度。GIS法蘭對接報警軟件系統的流程如圖3所示。

圖3 GIS法蘭對接報警軟件系統流程圖

3 結 論

為保證GIS法蘭對接現場作業的簡單化和精準性，從GIS設備安裝法蘭對接工藝的要求出發，設計GIS設備安裝法蘭對接報警系統，包括硬件系統的構成和軟件系統的開發，并提出點線結合的法蘭位姿測量方法，快速實現動法蘭安裝端面的位姿檢測，以降低安裝法蘭密封面的漏氣事故，確保安裝質量。