Как контролировать осадку фундамента подстанции с помощью технологии распределенного оптоволоконного зондирования-INNO

Распределенное оптоволоконное зондирование с оптоволоконным зондированием

Для решения проблемы осадки фундаментов некоторых подстанций, построенных в низменных районах, предложена схема мониторинга осадки фундамента подстанции с использованием технологии распределенного оптоволоконного зондирования.. На основе внедрения технологии распределенного оптоволоконного зондирования, в качестве чувствительных элементов были изучены оптические кабели с повышенной помехоустойчивостью.. Методы развертывания оптических кабелей контроля деформации поверхности, Оптические кабели для мониторинга глубокой деформации, оптические кабели для мониторинга осадки свай фундамента, и соединительные оптические кабели введены отдельно. Окончательно, В качестве объектов пилотного применения выбраны подстанции двух типов. Analysis of the monitoring results showed that the peak and valley positions in the monitoring positioning map can determine the degree of fiber optic cable relaxation, and then determine the direction and amplitude of strain. The proposed monitoring scheme can well meet the needs of substation foundation settlement monitoring. This can provide reference and assistance for the advancement of foundation settlement prevention and control technology in substations.

Substation is an important hub of the power network. With the rapid development of the economy and society, land resources are becoming increasingly scarce. In order to ensure normal power supply in high concentration neutral power load areas, substations are sometimes forced to be built in certain special geological areas. In the the Pearl River Delta region of Guangdong Province, the geological foundation has high water content and deep soft soil layer. Due to urban development and changes, some substations built on soft soil layer and river alluvial soil layer have foundation settlement problems. The southern subtropical rainy climate has strengthened the geological erosion and infiltration of substations, and is also prone to secondary disasters such as cracking and tilting of ground buildings, posing a potential threat to the operation of substation equipment.

To prevent and treat the settlement problem of substation foundation, while implementing the site selection, строительство, and supervision of substations in various regions, it is also necessary to pay attention to the monitoring, раннее предупреждение, and treatment of substation settlement problems. Сейчас, к основным методам контроля геологических просадок на подстанциях относится ручной осмотр, видеонаблюдение, мониторинг геологического смещения, и так далее., которые имеют низкую производительность в реальном времени, неспособность своевременно обнаружить и устранить скрытые опасности, или недостаточная точность, и трудность в суждении, когда характеристики явления неочевидны. В последние годы, распределенный волоконно-оптический Сенсорная технология получила широкое распространение и применение благодаря своим преимуществам, заключающимся в хорошей технической экономии., большое расстояние мониторинга, и способность измерять сигналы в широких пространственных положениях. Технология распределенных волоконно-оптических датчиков основана на таких эффектах, как рэлеевское рассеяние., Комбинационное рассеяние света, и рассеяние Бриллюэна в оптических волокнах. Расстояние срабатывания и точность измерения оптического отражения во временной области на основе рэлеевского рассеяния ограничены., и обратный сигнал технологии комбинационного рассеяния света слабый. Следовательно, в последние годы, в Китае проводились дополнительные исследования технологии оптоволоконных датчиков на основе рассеяния Бриллюэна. В связи с острой необходимостью контроля осадки фундамента подстанции, Технология распределенного оптического зондирования использована для разработки системы устройств контроля осадки фундамента подстанции. Эта система устройств может снизить сложность предотвращения расчетных аварий на подстанциях., понять влияние осадки геологического фундамента на оборудование подстанции, и предоставить вспомогательные методы принятия решений и оценки эффективности для предотвращения и контроля осадки подстанции..

Технология распределенного оптического зондирования, из-за неоднородности самого материала волокна, когда свет распространяется по волокну, it will propagate in directions other than the original direction, which is the scattering phenomenon of light propagation in the fiber. Among various scattering phenomena, there exists a type of Brillouin scattering, which is the result of the coupling effect between the light waves propagating into the fiber and the sound waves existing inside the fiber, ultimately leading to a change in the frequency of the scattered light compared to the initial incident light. The factors affecting the difference between the two include the scattering angle of the scattered light and the characteristics of the sound waves.

Research both domestically and internationally has found that the frequency change (frequency shift) of Brillouin scattering light in optical fibers exhibits a linear relationship with the axial strain of the fiber and the ambient temperature. Under constant temperature conditions, the tensile strain experienced by the fiber can be directly reflected by the Brillouin frequency shift.

By eliminating the influence of temperature while setting a temperature reference, a single linear relationship between the Brillouin frequency shift value and the axial strain in the fiber can be obtained. By measuring the frequency shift values at various positions in the entire fiber using an induction element, the corresponding change in strain at each position can be calculated, which can then be applied in related stress measurement fields. This is Brillouin fiber optic sensing technology. The working process can be simply described as: using a narrowband laser to generate an initial light source, dividing it into two paths. One path of light is modulated into optical pulses, amplified, and transmitted along the sensing fiber to generate a reverse Brillouin scattering light signal for detection; The other path of light generated by narrowband lasers is made into frequency shifted light and coherent with Brillouin scattering light. The coherent processed signal is input into a computer for analysis to obtain temperature or strain measurement results. The BOTDA system is a dual input system, and the sensing fiber mainly conducts energy carried by the Brillouin frequency shift between the pump light and the detection light. If the frequency shift values of the pump light and the detection light are closer to the Brillouin frequency shift values, the energy value transmitted by the sensing fiber is greater. In actual measurement, it is necessary to gradually adjust the frequency difference between the pump light and the detection light according to a specific set value. Вообще, frequency scanning is used to obtain the discrete points below each frequency value in the spectrum. After fitting, the complete Brillouin scattering spectrum reflecting the frequency shift value at each position can be obtained. Окончательно, the temperature or strain values can be calculated and converted based on linear relationships.

Monitoring optical cable

Учитывая, что контроль осадки фундаментов на подстанциях требует высокой точности методов контроля., а блоки мониторинга, установленные в земле, должны иметь сильную помехоустойчивость., традиционные оптические волокна более чувствительны и хрупки, и не может удовлетворить требованиям. Для удобства строительства и контроля, в этой статье исследуется и разрабатывается оптический кабель с нагрузкой с функцией фиксированной точки.. Этот оптический кабель имеет функцию сегментной идентификации.. В фактической установке, персоналу необходимо использовать только специальные приспособления для непрерывной прокладки оптического кабеля и основных узлов объекта мониторинга с учетом ситуации взлома в доме на объекте на фиксированную длину, для достижения полной связи между оптическим кабелем и объектом мониторинга. By fixing the optical cable in segments, effective measurement of the monitoring section can be achieved, providing convenience for strain point positioning and data analysis, especially for deformation conversion. В то же время, this type of optical cable can be reinforced with reinforcement bars according to the engineering situation, ensuring the toughness of the optical fiber. Следовательно, it has good mechanical properties and tensile and compressive properties, which is convenient for construction under special conditions and can withstand various harsh working conditions.

Fiber optic cable deployment plan

As a sensing unit, the stress optical cable has the advantages of passivity, коррозионная стойкость, Стойкость к старению, Радиационная стойкость, и так далее. It has strong plasticity and is suitable for deployment of complex terrain in the field. В то же время, the optical cable used in this layout scheme is both a sensing optical cable and a transmission optical cable, facilitating the connection of the monitoring host in the monitoring area and the substation machine room. According to the on-site installation and debugging situation, the BOTDA monitoring instrument adopts a spatial sampling interval of 0.5 Метров. In order to effectively identify the small deformation results obtained from surface deformation monitoring, deep deformation monitoring, and foundation pile settlement monitoring, at least 2 meters of optical cables are reserved when the measurement method changes during construction to complete the identification of spatial resolution and temperature calibration. The specific fiber optic cable layout plan includes surface deformation monitoring fiber optic cable layout, deep deformation monitoring fiber optic cable layout, foundation pile settlement monitoring fiber optic cable layout, and connection fiber optic cable layout.

Surface deformation monitoring

Fiber optic cable deployment

The surface deformation monitoring optical cable can monitor the horizontal deformation of landslides, and the monitoring optical cable is laid using a 2m fixed point stress optical cable.

Layout method of surface deformation monitoring optical cable

When laying optical cables, first dig a trench with a width of 17 cm and a depth of 10 cm along the design direction of the optical cable, then lay the stress optical cable in the trench, lay the armored optical cable in the trench, and keep it in a straight state. Используйте уголки и металлические зажимы, чтобы соединить оптический кабель с слоем земли в фиксированной точке оптического кабеля., и проходят через трубы ПВХ для защиты между фиксированными точками; Засыпьте и уплотните оптический кабель ненарушенной почвой., и измерить натяжение оптического кабеля с помощью монитора BOTDA во время засыпки. Рекомендуется, чтобы оптический кабель генерировал менее 500 микродеформация (микродеформация: одна миллионная изменения механического размера относительно исходного размера); Запишите фактическое направление и маркировку оптического кабеля., и после прокладки кабеля, засыпка траншеи.

Схема расположения оптических кабелей контроля глубоких деформаций

Чтобы обеспечить раннее предупреждение о постепенном и внезапном оседании фундамента., the method of on-site sampling and deep hole settlement monitoring in this layout plan is used to measure the deformation situation in the deformation zone in advance.

Layout method of deep deformation monitoring optical cable

When deploying deep deformation monitoring optical cables, drill a bare hole with a diameter of 200mm at a selected location using a drilling rig; Using a heavy hammer and steel pipe pressurization method, place the optical fiber into the bottom of a 15 meter hole; In order to increase the measurement range, one 2m fixed point optical cable and one 10m fixed point optical cable were selected for deployment, and the strain of the optical cable was monitored using a BOTDA monitoring instrument; После, when backfilling the borehole, необходимо рассчитать, что в месте узла оптоволоконного кабеля необходимо заполнить всего 20 см глиняных шариков., а остальные позиции должны быть засыпаны ненарушенным грунтом, чтобы обеспечить хорошую связь между узлом оптоволоконного кабеля и геологическим слоем.. В то же время, натяжение оптоволоконного кабеля должно постоянно регулироваться, чтобы гарантировать, что напряжение, создаваемое кабелем, не превышает 500 микродеформация.

Мониторинг осадки свай

Основной принцип контроля осадки фундаментных свай при прокладке оптоволоконного кабеля заключается в том, чтобы сначала просверлить отверстие, достигающее скальной породы, с помощью буровой установки., затем сделайте тестовую установку, и проложите контрольный оптоволоконный кабель между эталонной установкой и контролируемой сваей фундамента.. Поскольку эталонная стопка не приводит к каким-либо изменениям расчетов, изменения деформации оптоволоконного кабеля можно отслеживать с помощью инструментов мониторинга BOTDA для определения изменений осадки фундаментной сваи. Метод изготовления эталонных свай заключается в том, чтобы сначала просверлить отверстие в коренной породе с помощью буровой установки на безопасном расстоянии 6 метров от оборудования высокого давления, с глубиной около 19 Метров. Тогда, сварить стальную трубу диаметром 160 мм и помести сюда. Заливаем бетон в стальную трубу, а высота стальной трубы от поверхности земли составляет около 3 Метров. Метод установки оптического кабеля для мониторинга осадки фундаментной сваи заключается в сварке уголка со стальной трубой опорной сваи во время установки., просверлить отверстия в уголке, and fix the stainless steel pulley with screws; Lift a 0.5 meter long cement pile with one end of stainless steel wire, connect the other end to a steel plate, and connect the steel plate to the monitoring pile; Fix the nodes of the monitoring optical cable and the steel plate of the monitoring pile with metal clamps; Fix the other node of the monitoring optical cable to the angle iron of the reference pile through a metal fixture; The optical cable between the benchmark installation and the monitoring pile is protected with PVC pipes, which are fixed to the steel wire; It is recommended to adjust the tensioning device under the monitoring of the BOTDA monitor to achieve a strain of 1/20 of the full range generated by the optical fiber; Окончательно, fix the monitoring optical cables between the remaining 4 monitoring piles and the benchmark piles in sequence.

Layout of connecting optical cables

Due to the placement of BOTDA monitoring instruments in the computer room, there is a certain distance between the settlement hazard monitoring area and the computer room. Следовательно, it is necessary to install and lay a connecting optical cable between the monitoring optical cable and the monitoring instrument, как показано на рисунке 6. The stress optical cable is laid horizontally in the key monitoring area of the substation. Some optical fibers are not suitable for burial underground, and it is necessary to fuse jumper wires on the surface of the optical fiber and add certain protective measures. Вообще, a layer of metal hose or armored metal corrugated pipe can be nested outside.

Анализ данных пилотного применения метода прокладки оптоволоконного кабеля для подключения

Мониторинг осадки фундамента в 110 кВ подстанция

Тем 110 КВ подстанция расположена вокруг промзоны. В связи с расчетом и другими причинами, тот 110 Подстанция кВ имеет явные трещины и трещины на стенах. Для контроля деформации стен здания, оптические кабели мониторинга закрепляются на поверхности стен здания с помощью креплений; Для контроля осадки и деформации фундамента башни за пределами подстанции., установлен оптический кабель для мониторинга осадки фундаментных свай. Через сбор данных BOTDA, в общей сложности 1541 были определены точки отбора проб. Помимо контроля начального и конечного концов оптического кабеля, карта позиционирования мониторинга была разделена на три части: tower foundation deformation monitoring section, station ground deformation monitoring section, and wall deformation monitoring section.

There are four peaks in the positioning map of the tower base deformation monitoring section, which correspond to the four sections of optical cables laid out. The three valley positions are reserved spare cables and can be used as temperature reference optical cables.

The ground deformation monitoring sections inside the station are all in varying degrees of tension. Surface deformation can cause changes in the tension of these two optical cables, and the Brillouin frequency shift value will correspondingly change. The direction and magnitude of surface deformation can be determined by its linear relationship with strain.

Секция мониторинга деформации стены состоит из натянутой секции оптического кабеля и расслабленной секции оптического кабеля.. Натянутый оптический кабель представляет собой фиксированный оптический кабель с обоих концов для мониторинга деформации стен., и данные отражаются в положении локального пика на карте позиционирования мониторинга.. Расслабленный оптический кабель — это соединительный оптический кабель между двумя фиксированными оптическими кабелями., который можно использовать в качестве оптического кабеля для измерения температуры. После появления трещин на стене, герметичность оптического кабеля изменится, что приводит к изменению значения сдвига частоты Бриллюэна и позволяет сделать вывод о степени деформации, который может определить, появляются ли трещины на стене.

Мониторинг осадки фундамента 220 КВ подстанция на набережной

Тем 220 kV embankment station of the power supply bureau is located on the southeast side of the aluminum plant. The topography of the station area is mountainous and leveled land. Except for a small amount of hilly terrain in the northeast corner, the station site is located in other areas with relatively flat terrain. The Quaternary covering layer of the station site is mostly caused by alluvial and siltation, mainly consisting of cohesive soil, silty soil, and sand. The underlying bedrock is Cretaceous sandstone. The southwestern part of the station area was originally a fish pond, which was backfilled and leveled during the construction of the station. Настоящее время, the settlement of the 220 kV busbar pillars in this area is relatively severe, with a drop of about 10 cm between the two pillars. The ground settlement is significant at 20-30 Метров, and the edge wall is damaged due to settlement, presenting a wave like pattern on the horizontal line of the wall edges. The height of the outer slope of the substation is 7-9 Метров. Настоящее время, due to the unstable foundation of the slope, no drainage ditch has been constructed, and the embedded PVC drainage pipes have shown significant deformation and damage. In order to use distributed passive optical sensing technology to monitor geological foundation settlement disasters in substations and achieve online monitoring of geological foundation settlement disasters in substations, data was collected through BOTDA, В общей сложности 2031 sampling points. In addition to monitoring the beginning and end of the optical cable, the monitoring positioning map is divided into three parts: foundation pile deformation monitoring section, deep deformation monitoring section, and surface deformation monitoring section. Всего существует 5 foundation piles set up in the settlement monitoring section, and their monitoring data features are the same. There is a trough between two peaks, and the trough position is reserved for the top of the monitoring pile foundation, который можно использовать в качестве оптического кабеля для измерения температуры.

The peak position of the deep deformation monitoring section is the suspension point of the optical cable above the ground. This suspension point is relaxed after the natural settlement of the backfill soil is completed. The optical cables in this section are in different degrees of tension, and deep settlement will gradually reduce the degree of tension.

The valley position of the surface deformation monitoring section is the relaxation section near the wall, with two monitoring optical cables in grooves on both sides of the relaxation section. The optical cables in these two sections are in varying degrees of tension, and surface deformation can cause changes in the tension degree of these two optical cables, thereby determining the direction and magnitude of surface deformation.

A распределенный волоконно-оптический sensing technology is proposed to monitor the foundation settlement of substations by utilizing the linear relationship between the frequency value of Brillouin scattering light and stress changes. In order to improve the anti-interference ability of optical fibers and meet the accuracy requirements, В качестве чувствительного элемента разработан оптический кабель с функцией сегментированной идентификации.. В этой статье представлены методы прокладки четырех типов оптических кабелей.: оптические кабели для контроля деформации поверхности, Оптические кабели для мониторинга глубокой деформации, оптические кабели для мониторинга осадки свай фундамента, и подключение оптических кабелей. Пилотное применение приводит к созданию двух разных сред на подстанциях., он подтверждает, что технология распределенного оптоволоконного измерения дает хорошие результаты при мониторинге осадки фундамента подстанции., предоставление нового решения для улучшения возможности мониторинга ошибок осадки фундамента подстанции.