变电站GIS设备安装法兰对接报警系统设计

周 鹏，李 松

（新疆送变电有限公司，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引 言

法兰结构简单，可操作性好，广泛应用于工业连接，如航天器间的对接、输油输气管道的连接以及电力系统GIS设备组件的轴向连接等。随着我国电力工业的高速发展，气体绝缘金属封闭开关设备（Gas Insulated Switchgear，GIS）在电网投入使用。作为电力系统的核心部件，它具有安装工期长、技术复杂、投资额巨大以及质量要求高等特点。但是，电力系统GIS设备组件轴向连接的安装质量和效率问题，影响着电力工程项目能否如期交付。法兰具有一定的连接刚度和强度，但由于连续性造成破坏，安装时会发生局部变形，造成接触面的摩擦，是法兰出现故障的主要原因[1-2]。现阶段，GIS设备进入高速发展阶段，但设备的施工仍采取吊装加以人工辅助的传统方式，存在因晃动产生的法兰螺栓孔错位等问题，不能实现精准定位，影响安装质量。为提高GIS法兰对接安装质量和效率，实现GIS法兰对接安装过程的科学把控，确保安装工艺并降低对接难度，需采取先进的自动化技术与设备辅助对接安装。

1 GIS设备安装法兰对接工艺要求

变电站的GIS设备法兰对接安装流程主要涉及母线对接、间隔组件安装以及SF6气体管道连接。母线对接包括BUS+BUS主母线对接、GIL串内母线与DS隔离开关对接以及串内母线GIL与高位母线BUS对接。间隔组件安装包括断路器CB与电流互感器CT的对接安装、隔离开关DS与断路器CB的对接以及套管的安装。GIS对接施工包括装备密封圈、法兰面对接、合拢加紧以及紧固螺栓4个过程。法兰装配工艺不佳、质量差，会引起绝缘故障和本体渗漏故障。故障一般分为绝缘故障、机械故障、本体漏气故障、二次回路故障以及其他故障，发生各类故障的比例分别达到38.1%、39.3%、9.5%、8.3%以及4.8%，而因现场安装和调试环节原因造成的故障占故障总数的23.8%[3]。控制GIS法兰安装质量和工艺水平，能减少绝缘故障和本体渗漏故障，是提高GIS运行可靠性的关键点。

由于GIS设备组件法兰主要用于罐体的密封和连接，对安装工艺的要求更加严格。GIS设备法兰对接安装前，要求检查密封面（槽）是否有划伤和不光滑等现象，并检查密封圈质量是否完好，将其放入法兰的密封槽内，确保法兰连接处不发生绝缘故障和本体渗漏故障[4]。GIS密封环节不合格的原因是密封面漏气和壳体焊缝漏气。密封面漏气的原因包括“O”型密封圈损伤、密封胶涂敷不规范以及密封面划伤等。密封胶涂敷作业不规范造成漏气的概率较低，大多数的密封面漏气是由于密封面被划伤或“O”型密封圈损伤引起的。因此，GIS设备安装法兰对接报警系统要避免类似问题，从而提高对接作业的安装质量和效率。

2 GIS设备安装法兰对接报警系统

2.1 法兰安装对接报警硬件系统

GIS设备法兰安装对接报警硬件系统主要包括激光检测单元、数据处理单元以及报警单元。激光检测单元包括激光发射器和激光接收器两部分。数据处理单元包括数据采集模块、数据分析处理模块以及数据输出模块。报警单元包括声光驱动模块和显示模块。该系统将激光发射器和激光接收器均匀分布安装在定法兰和动法兰的非装配面的螺栓孔内。数据采集模块采集到激光接收器接收到的光斑信息。这个光斑信息由激光发射器的激光束形成，经数据处理单元进一步处理得到光斑的坐标信息和距离信息，用于动法兰的水平检测和垂直扭度检测[5]。当动法兰在水平方向和垂直扭度出现偏差时，利用报警单元进行声光报警，并显示检测信息。

2.2 点线结合法兰位姿测量方法

为保证GIS法兰对接作业的简单化和精准性，利用点线结合方法测量动法兰相对于定法兰的位姿。水平方向通过激光接收器内接收板的点坐标检测动法兰的水平位姿。点坐标水平检测法原理如图1所示。

图1 点坐标水平检测法原理图

定法兰的激光发射器产生的激光发射线束正交穿过动法兰激光接收器的凸透镜时，如图1中实线的激光线束，在激光接收板的原点O处成像，说明定法兰和动法兰在同一水平面。如果激光发射线束非正交穿过动法兰激光接收器的凸透镜，如图1中虚线的激光线束，在激光接收板的非原点处成像即图中的F’点，说明定法兰和动法兰不在同一水平面。

为检测动法兰端面和定法兰端面在垂直方向上的扭转角度，分别在动法兰和定法兰上均匀取n（n≥3）个对应螺栓孔，将检测动法兰端面的扭转角度转化为测量法兰n个对应点间距离的方差。当n=3时，线距检测垂直扭度原理如图2所示。

图2 线距检测垂直扭度原理图

A、B、C为定法兰的3个装有激光发射器的螺栓孔，A’、B’、C’为动法兰对应的装有激光接收器的螺栓孔，测得对应螺栓孔的距离分别为lAA'、lBB'、lCC'，则对应点距离的方差为：

式中，σ为距离方差，lp为3个距离的平均值。理想情况下，如果σ=0，说明三点的距离相等，这时动法兰端面和定法兰端面在垂直方向上扭转角度为0，满足对接安装要求。如果σ＞0，说明动法兰端面和定法兰端面在垂直方向上存在一定的扭转角度，需要进行调整，直至满足要求。

2.3 法兰安装对接报警软件系统

法兰安装对接报警软件系统基于模块化的设计，主要包括计算激光光斑的点坐标和动法兰安装端面的扭度。GIS法兰对接报警软件系统的流程如图3所示。

图3 GIS法兰对接报警软件系统流程图

3 结 论

为保证GIS法兰对接现场作业的简单化和精准性，从GIS设备安装法兰对接工艺的要求出发，设计GIS设备安装法兰对接报警系统，包括硬件系统的构成和软件系统的开发，并提出点线结合的法兰位姿测量方法，快速实现动法兰安装端面的位姿检测，以降低安装法兰密封面的漏气事故，确保安装质量。