大型水電站大壩安全監測磁致伸縮液位計改造效果分析
發布時間：2019-07-17 發布作者：
摘要：主要介紹了大型水電站大壩安全監測磁致伸縮液位計改造的項目內容、采取的主要措施及改造前后的運行效果分析評價，并指出了目前系統存在的問題，提出相關建議。該系統對大型水電站大壩的安全監測發揮了重要的作用，可為同類項目實施提供工程經驗。
1 工程概況
大型水電站位于青海省尖扎縣、化隆縣交界處，距青海省會西寧市112km，上游距龍羊峽水電站108.6km。電站總裝機容量2000MW（5×400MW），是以發電為主，兼顧灌溉、供水等綜合利用的大型水電工程。大型水電站為一等大（Ⅰ）型工程，電站樞紐由三圓心雙曲混凝土拱壩、左岸重力墩、左岸副壩、左右中孔及底孔泄水建筑物、1#~5#引水壓力鋼管、壩后雙排機組廠房、330kV出線站及左壩溝、德龍尖巴溝防洪工程等永久性建筑物組成。
工程于1988年4月開工，1996年12月底初期蓄水，1999年一期4臺機組全部投產發電，2001年12月19日通過工程竣工驗收。
改造工程于2010年9月開工，2011年12月通過完工驗收，2013年9月14日通過竣工驗收。
2 改造前的主要問題
大型水電站
磁致伸縮液位計自2004年12月投入運行至2009年9月，由于廊道環境潮濕、供電線路運行可靠性低、設備自身存在缺陷等原因，故障頻繁，監測數據缺失率、平均無故障工作時間指標達不到自動化監測規范要求。經統計，系統測點報警共計37221次，MCU報警共計743次。
3 改造的項目內容及主要措施
3.1 大壩安全監測磁致伸縮液位計優化
改造內容涉及系統供電電源、通信網絡垂線、靜力水準、壩基揚壓力、內觀及軟件等。
（1）網絡及供電電源改造內容包括線路規劃、電纜更換、機房供電電源盤柜更換、MCU電源接線端子更換、新增MCU安裝；
（2）垂線系統的改造內容為垂線坐標儀更換、電源電纜及通信電纜更換；
（3）靜力水準改造內容傳感器返廠標定、連通管更換、傳感器準確性試驗、采集單元開關電源更換；
（4）揚壓力改造內容為滲壓計率定、信號電纜更換、管口裝置滲水及銹蝕處理；
（5）內觀改造內容為系統優化、測站遷移、測站合并、保護箱更換、手動集線箱更換；
（6）計算機設備及軟件更新、系統管理軟件升級。
3.1.1 供電系統的規劃與優化
原通信網絡與供電線路同步布設，主壩5層廊道按右、中、左位置分A、B、C3個網段。電源電纜為二芯銅線電纜，電纜敷設中，在廊道分層、豎井、垂線室等位置設置分線箱，電纜中間段每200m左右有1個接頭。存在的問題：①電纜接頭和分線箱的線頭接入點未做防水處理，遇水易造成斷路；②線路均偏長，設備供電電壓不足200v；③電流泄露大，運行穩定性和可靠性較差。
為解決上述問題，對供電線路進行重新規劃和優化改進，具體內容為：
（1）優化供電線路結構，采用樹型結構，減少線路往返重復。
供電電源線路在主壩8#壩段電纜豎井中垂直布設主供電電纜，在各層廊道入口處干燥位置設置分線箱，線頭接入點用密封膠封閉，分線箱蓋增設密封圈以增強防水性能。各層廊道分層供電，從分線箱向廊道兩端的各測站處延伸。
（2）更換老化、分段電源線，采用合理線徑。各個MCU之間、垂線CCD之間連線均為整根線，中間不設接頭。主線路選用2.5mm2三芯銅芯屏蔽電纜，各層分線電纜選用1.5mm2三芯銅芯屏蔽電纜。
（3）做好線頭絕緣和密封，防止線體老化。對線頭芯線和絕緣皮之間用密封膠密封，防止潮氣進入，對芯線線頭刮錫并加壓冷壓頭，防止線體外露部分氧化。
（4）各層分線箱內根據各層模塊功率配置保險，防止短路電流導致設備損壞。
電源系統接地線設置：A網段在2150層32#MCU、33#MCU、2114層23#MCU、24#MCU；B網段在2150層37#MCU、2114層26#MCU、；C網段在2150層40#MCU、2162層44#MCU、2114層30#MCU；D、E網段在前方六樓機房配電柜設置接地；計算機監控機房處也設置了接地點。電源線接地點選擇建筑物內電阻符合要求的鋼筋頭或金屬物，采用寬50mm厚4mm鍍鋅扁鐵焊接，就近連接至采集單元，經測試接地電阻均小于10Ω。
經過重新規劃和優化的供電線路，主供電電纜長度875m，各層廊道電纜長度較長為2114層1066m，較短為2150層869m，比原來較長的C網段2896m減少955m。
新布設的供電線路，經實測較大壓降11V，滿足系統供電要求。
3.1.2 系統網絡優化
主壩通信網絡保持原來A、B、C3個網段分段方式不變，D、E網段保持不變，在此基礎上，對其進行了優化：
（1）將原來存在分叉的線路調整為總線結構，即各網段按“葫蘆串”方式將各個采集單元連接起來。
（2）更換已老化的信號線，并對信號線接頭進行密封處理。
（3）對于故障率高、年變幅不大的右岸交通洞測點、右中孔測點、左底孔測點，從整體網絡中剔除。線路長度分別由原來的2345m、1900m、2896m減少到1547m、1169m、1662m。縮短線路長度，增加了通信可靠性。
（4）5個網段匯集處，加裝485通信集線器，避免該處產生由“星型”網絡結構導致的信號衰減。
（5）各網段末端增加100Ω的匹配電阻，進一步提高通信能力。
3.1.3 各子系統改造和優化
3.1.3.1 垂線系統的改造與維修
（1）將全部的垂線坐標儀升級為目前該產品較新版本的儀器；
（2）加裝2臺采集模塊，原來所有32個垂線測點的數據采集均有安裝與2014層的單個模塊采集，在此次改造中，分別在2087層和2059層分別增加1臺采集模塊，用來承擔原來模塊2087層和2059層及下層垂線坐標儀的數據采集，提高了數據采集及時性了完整性；
（3）更換垂線坐標儀老化通信線，線路中間不設接頭，線路兩頭進行密封處理。
3.1.3.2 揚壓力系統的改造與維修
（1）對38只滲壓計全部拆除后，清理表面污垢和透水石內部堵塞；
（2）對38只滲壓計全部進行現場標定，重新確定其靈敏度，對于標定已損壞的滲壓計進行更換；
（3）對38只滲壓計通信線全部進行更換，除與滲壓計連接處外不設接頭，模塊內部線體接頭進行密封處理。
3.1.3.3 靜力水準系統的改造與維修
（1）測點優化。優化的原則是“監測有效、重點突出，取舍合理”，監測的重點是拱冠、左右岸1/4拱、拱壩基礎重點部位。取消原設置的標定墩，對同一壩段設置2個以上的測點進行優化，優化后的測點數量由原來的60個減少為50個。
（2）通過靜力水準儀返廠標定，對儀器靈敏度系數重新確認，對誤差較大和運行中穩定性較差的4支傳感器進行了更換。
（3）對缽體、浮子進行清洗。清洗方法為采用酒精對缽體和浮子進行浸泡，擦拭去除表面的水垢，用蒸餾水沖洗干凈。
（4）拆除靜力水準連通管路，更換為Φ20mm白色透明塑料管。考慮到廊道內溫差對靜力水準觀測值有一定的影響，采用隔熱材料對管路進行保溫。隔熱材料選用Φ75mm壁厚25mm泡沫石棉管，用30mm寬塑料綁扎帶分段扎緊。
3.1.3.4 內觀系統的改造與維修
磁致伸縮液位計按地理位置分為A、B、C、D、E5個子網絡，測點分散，系統龐大。為減少磁致伸縮液位計負荷，防止系統供電電源線和網線過長而造成系統末端電壓過低和維護帶來的不方便，改善設備運行條件，使布設合理、簡潔，便于運行維護。8#MCU、46#~58#MCU中所接儀器不再接入磁致伸縮液位計，采用人工觀測。現場保留MCU及電源線、通信線、網線、手動集線箱。
（1）對于MCU內觀測儀器較少，而臨近MCU有足夠通道的，將2個測站合并；如將2185層重力墩45#MCU、2185層3#重力墩9#MCU所接內觀儀器合并到2162m高程44#MCU中；將2087層左岸基礎部位22#MCU所接儀器合并到14#～15#壩段騎縫廊道20#MCU中；將2135m高程43#MCU所接儀器合并到2114層8#～9#壩段騎縫廊道25#MCU中。
（2）對于運行環境（如環境很潮濕）很差的MCU進行遷移；如：2114層1#機背管內觀25#MCU及集線箱、保護箱整體遷移至高程2114層5#～6#壩段騎縫廊道內，遷移距離10m，遷移儀器13支。2135層43#MCU采集單元遷移至高程2114層5～6壩段騎縫廊道內，與遷移后的25#MCU采集單元進行合并，遷移儀器支數6支，遷移距離70m。2087層10#MCU位于第二橫向基礎排水廊道，整體遷移到5～6騎縫干燥處，遷移距離25m。
3.2 磁致伸縮液位計運行環境的改善
（1）將各垂線室的滲水、冷凝水統一引至垂線室排水溝，然后統一排至廊道排水溝，清理排水溝雜物，保證排水通暢。
（2）更換各垂線室門，觀測完畢后及時關門，防止竄風.
（3）垂線線體頂部擋物罩安裝。垂線觀測孔孔徑過大，為減小或消除因垂線孔內掉出的雜物、滴水對垂線自動化觀測的影響，在垂線室頂部安裝擋物罩，擋物罩上設排水管。
（4）墻面滲水處理4處。處理方法：用Φ70mmPVC管在墻面開槽引至室外，PVC管管箍、彎管連接處涂抹PVC膠粘結，滲水接引點處用水泥砂漿抹面。
（5）垂線室地面積水處理8處。處理方法：先對頂部裸露開挖面用M10砂漿回填，使洞壁面平整；頂部安裝引水槽引至室外；地面排水溝開鑿寬度為15cm，深度為15cm，用M10砂漿抹面，坡度5%，排水溝穿過墻體通向室外。
3.3 系統管理軟件升級
將系統采集和管理軟件更新為較新版本。新版本重點解決了公式編輯、自動計算、計算速度、數據管理、數據管理與運用等問題。
4 結語
綜上所述，大型水電站大壩觀測磁致伸縮液位計自2011年12月通過預驗收投入試運行，2013年9月完成試運行通過竣工驗收，運行相較之前系統運行情況，設備運行良好，故障率明顯降低，觀測數據質量提高，能準確、及時、完整地采集大壩各方面監測數據，反映大壩運行狀態。改造效果明顯，對大型水電站大壩安全監測具有積極意義。
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