大型水电站大坝安全监测磁致伸缩液位计改造效果分析
发布时间：2019-07-17 发布作者：
摘要：主要介绍了大型水电站大坝安全监测磁致伸缩液位计改造的项目内容、采取的主要措施及改造前后的运行效果分析评价，并指出了目前系统存在的问题，提出相关建议。该系统对大型水电站大坝的安全监测发挥了重要的作用，可为同类项目实施提供工程经验。
1 工程概况
大型水电站位于青海省尖扎县、化隆县交界处，距青海省会西宁市112km，上游距龙羊峡水电站108.6km。电站总装机容量2000MW（5×400MW），是以发电为主，兼顾灌溉、供水等综合利用的大型水电工程。大型水电站为一等大（Ⅰ）型工程，电站枢纽由三圆心双曲混凝土拱坝、左岸重力墩、左岸副坝、左右中孔及底孔泄水建筑物、1#~5#引水压力钢管、坝后双排机组厂房、330kV出线站及左坝沟、德龙尖巴沟防洪工程等永久性建筑物组成。
工程于1988年4月开工，1996年12月底初期蓄水，1999年一期4台机组全部投产发电，2001年12月19日通过工程竣工验收。
改造工程于2010年9月开工，2011年12月通过完工验收，2013年9月14日通过竣工验收。
2 改造前的主要问题
大型水电站
磁致伸缩液位计自2004年12月投入运行至2009年9月，由于廊道环境潮湿、供电线路运行可靠性低、设备自身存在缺陷等原因，故障频繁，监测数据缺失率、平均无故障工作时间指标达不到自动化监测规范要求。经统计，系统测点报警共计37221次，MCU报警共计743次。
3 改造的项目内容及主要措施
3.1 大坝安全监测磁致伸缩液位计优化
改造内容涉及系统供电电源、通信网络垂线、静力水准、坝基扬压力、内观及软件等。
（1）网络及供电电源改造内容包括线路规划、电缆更换、机房供电电源盘柜更换、MCU电源接线端子更换、新增MCU安装；
（2）垂线系统的改造内容为垂线坐标仪更换、电源电缆及通信电缆更换；
（3）静力水准改造内容传感器返厂标定、连通管更换、传感器准确性试验、采集单元开关电源更换；
（4）扬压力改造内容为渗压计率定、信号电缆更换、管口装置渗水及锈蚀处理；
（5）内观改造内容为系统优化、测站迁移、测站合并、保护箱更换、手动集线箱更换；
（6）计算机设备及软件更新、系统管理软件升级。
3.1.1 供电系统的规划与优化
原通信网络与供电线路同步布设，主坝5层廊道按右、中、左位置分A、B、C3个网段。电源电缆为二芯铜线电缆，电缆敷设中，在廊道分层、竖井、垂线室等位置设置分线箱，电缆中间段每200m左右有1个接头。存在的问题：①电缆接头和分线箱的线头接入点未做防水处理，遇水易造成断路；②线路均偏长，设备供电电压不足200v；③电流泄露大，运行稳定性和可靠性较差。
为解决上述问题，对供电线路进行重新规划和优化改进，具体内容为：
（1）优化供电线路结构，采用树型结构，减少线路往返重复。
供电电源线路在主坝8#坝段电缆竖井中垂直布设主供电电缆，在各层廊道入口处干燥位置设置分线箱，线头接入点用密封胶封闭，分线箱盖增设密封圈以增强防水性能。各层廊道分层供电，从分线箱向廊道两端的各测站处延伸。
（2）更换老化、分段电源线，采用合理线径。各个MCU之间、垂线CCD之间连线均为整根线，中间不设接头。主线路选用2.5mm2三芯铜芯屏蔽电缆，各层分线电缆选用1.5mm2三芯铜芯屏蔽电缆。
（3）做好线头绝缘和密封，防止线体老化。对线头芯线和绝缘皮之间用密封胶密封，防止潮气进入，对芯线线头刮锡并加压冷压头，防止线体外露部分氧化。
（4）各层分线箱内根据各层模块功率配置保险，防止短路电流导致设备损坏。
电源系统接地线设置：A网段在2150层32#MCU、33#MCU、2114层23#MCU、24#MCU；B网段在2150层37#MCU、2114层26#MCU、；C网段在2150层40#MCU、2162层44#MCU、2114层30#MCU；D、E网段在前方六楼机房配电柜设置接地；计算机监控机房处也设置了接地点。电源线接地点选择建筑物内电阻符合要求的钢筋头或金属物，采用宽50mm厚4mm镀锌扁铁焊接，就近连接至采集单元，经测试接地电阻均小于10Ω。
经过重新规划和优化的供电线路，主供电电缆长度875m，各层廊道电缆长度较长为2114层1066m，较短为2150层869m，比原来较长的C网段2896m减少955m。
新布设的供电线路，经实测较大压降11V，满足系统供电要求。
3.1.2 系统网络优化
主坝通信网络保持原来A、B、C3个网段分段方式不变，D、E网段保持不变，在此基础上，对其进行了优化：
（1）将原来存在分叉的线路调整为总线结构，即各网段按“葫芦串”方式将各个采集单元连接起来。
（2）更换已老化的信号线，并对信号线接头进行密封处理。
（3）对于故障率高、年变幅不大的右岸交通洞测点、右中孔测点、左底孔测点，从整体网络中剔除。线路长度分别由原来的2345m、1900m、2896m减少到1547m、1169m、1662m。缩短线路长度，增加了通信可靠性。
（4）5个网段汇集处，加装485通信集线器，避免该处产生由“星型”网络结构导致的信号衰减。
（5）各网段末端增加100Ω的匹配电阻，进一步提高通信能力。
3.1.3 各子系统改造和优化
3.1.3.1 垂线系统的改造与维修
（1）将全部的垂线坐标仪升级为目前该产品较新版本的仪器；
（2）加装2台采集模块，原来所有32个垂线测点的数据采集均有安装与2014层的单个模块采集，在此次改造中，分别在2087层和2059层分别增加1台采集模块，用来承担原来模块2087层和2059层及下层垂线坐标仪的数据采集，提高了数据采集及时性了完整性；
（3）更换垂线坐标仪老化通信线，线路中间不设接头，线路两头进行密封处理。
3.1.3.2 扬压力系统的改造与维修
（1）对38只渗压计全部拆除后，清理表面污垢和透水石内部堵塞；
（2）对38只渗压计全部进行现场标定，重新确定其灵敏度，对于标定已损坏的渗压计进行更换；
（3）对38只渗压计通信线全部进行更换，除与渗压计连接处外不设接头，模块内部线体接头进行密封处理。
3.1.3.3 静力水准系统的改造与维修
（1）测点优化。优化的原则是“监测有效、重点突出，取舍合理”，监测的重点是拱冠、左右岸1/4拱、拱坝基础重点部位。取消原设置的标定墩，对同一坝段设置2个以上的测点进行优化，优化后的测点数量由原来的60个减少为50个。
（2）通过静力水准仪返厂标定，对仪器灵敏度系数重新确认，对误差较大和运行中稳定性较差的4支传感器进行了更换。
（3）对钵体、浮子进行清洗。清洗方法为采用酒精对钵体和浮子进行浸泡，擦拭去除表面的水垢，用蒸馏水冲洗干净。
（4）拆除静力水准连通管路，更换为Φ20mm白色透明塑料管。考虑到廊道内温差对静力水准观测值有一定的影响，采用隔热材料对管路进行保温。隔热材料选用Φ75mm壁厚25mm泡沫石棉管，用30mm宽塑料绑扎带分段扎紧。
3.1.3.4 内观系统的改造与维修
磁致伸缩液位计按地理位置分为A、B、C、D、E5个子网络，测点分散，系统庞大。为减少磁致伸缩液位计负荷，防止系统供电电源线和网线过长而造成系统末端电压过低和维护带来的不方便，改善设备运行条件，使布设合理、简洁，便于运行维护。8#MCU、46#~58#MCU中所接仪器不再接入磁致伸缩液位计，采用人工观测。现场保留MCU及电源线、通信线、网线、手动集线箱。
（1）对于MCU内观测仪器较少，而临近MCU有足够通道的，将2个测站合并；如将2185层重力墩45#MCU、2185层3#重力墩9#MCU所接内观仪器合并到2162m高程44#MCU中；将2087层左岸基础部位22#MCU所接仪器合并到14#～15#坝段骑缝廊道20#MCU中；将2135m高程43#MCU所接仪器合并到2114层8#～9#坝段骑缝廊道25#MCU中。
（2）对于运行环境（如环境很潮湿）很差的MCU进行迁移；如：2114层1#机背管内观25#MCU及集线箱、保护箱整体迁移至高程2114层5#～6#坝段骑缝廊道内，迁移距离10m，迁移仪器13支。2135层43#MCU采集单元迁移至高程2114层5～6坝段骑缝廊道内，与迁移后的25#MCU采集单元进行合并，迁移仪器支数6支，迁移距离70m。2087层10#MCU位于第二横向基础排水廊道，整体迁移到5～6骑缝干燥处，迁移距离25m。
3.2 磁致伸缩液位计运行环境的改善
（1）将各垂线室的渗水、冷凝水统一引至垂线室排水沟，然后统一排至廊道排水沟，清理排水沟杂物，保证排水通畅。
（2）更换各垂线室门，观测完毕后及时关门，防止窜风.
（3）垂线线体顶部挡物罩安装。垂线观测孔孔径过大，为减小或消除因垂线孔内掉出的杂物、滴水对垂线自动化观测的影响，在垂线室顶部安装挡物罩，挡物罩上设排水管。
（4）墙面渗水处理4处。处理方法：用Φ70mmPVC管在墙面开槽引至室外，PVC管管箍、弯管连接处涂抹PVC胶粘结，渗水接引点处用水泥砂浆抹面。
（5）垂线室地面积水处理8处。处理方法：先对顶部裸露开挖面用M10砂浆回填，使洞壁面平整；顶部安装引水槽引至室外；地面排水沟开凿宽度为15cm，深度为15cm，用M10砂浆抹面，坡度5%，排水沟穿过墙体通向室外。
3.3 系统管理软件升级
将系统采集和管理软件更新为较新版本。新版本重点解决了公式编辑、自动计算、计算速度、数据管理、数据管理与运用等问题。
4 结语
综上所述，大型水电站大坝观测磁致伸缩液位计自2011年12月通过预验收投入试运行，2013年9月完成试运行通过竣工验收，运行相较之前系统运行情况，设备运行良好，故障率明显降低，观测数据质量提高，能准确、及时、完整地采集大坝各方面监测数据，反映大坝运行状态。改造效果明显，对大型水电站大坝安全监测具有积极意义。
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