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广东省飞来峡水利枢纽管理处 广东清远 511825
摘要：本文介绍飞来峡大坝安全监测系统溢流坝引张线运行现状、存在问题，提出改造目的和技术措施，详细介绍改造内容，为以后类似引张线的改造提供参考。
关键词：安全监测；引张线；改造。
1.概述
大坝安全监测自动化系统是监测大坝状态、保障大坝正常运行的重要手段之一。飞来峡大坝安全监测系统于1998年底安装并投入运行，至今已运行15年多，其中溢流坝段布设1条引张线测线，共4个测控装置、测点16个测点。由于引张线安置在露天环境、运行时间长、测控设备和传感器均出现不同程度的老化、绝缘度降低、接触不良、部件老化情况。而新一代测控设备、传感器、软件的出现，旧设备面临淘汰，缺乏厂家备件和维护保养工作的支持，该类监测设备将出现无法正常运行的局面，鉴于上述原因，需对溢流坝段引张线监测设备进行技术改造。
2.溢流坝段引张线监测设备运行现状
溢流坝段引张线监测设备主要包括测控模块、传感器、电源和通讯线路等，经常出现监测设备故障和测值异常，监测系统电源和通讯线路短路，当前监测设备运行情况如下：
2.1测控模块存在的问题
溢流坝段布设有4块NAD1330电容式测控模块，于1999年投入运行至今已有15年多，模块内部模板和芯片都有老化的迹象，多次出现通讯成功但无测值的情况。大部分模块都出现故障返厂维修，维修次数增加，导致其内部芯片运行不稳定测值出现异常。大部分模块内部电子元器件老化，尤其是遭受过雷击的测控模块，模块内部电路板出现芯片焊接点氧化脱落现象，模块外部接线口接触不良；随着时间的推移，测控模块故障率会继续增加。
2.2引张线存在问题
溢流坝引张线设于坝顶，共16个测点（EX4-1-EX4-16），用于监测溢流坝水平位移。引张线使用的是RY-20电容式传感器。长时间的运行中，主要出现以下几种情况，影响引张线正常稳定运行。
一是引张线传感器连接钢丝的铜线老化容易氧化而断损，近2年已发生6起铜线断损故障；
二是传感器固定极板的黏胶老化脱落，引起测值异常，传感器连接极板和铜丝线路表层老化绝缘度降低，导致测值异常和无测值现象；
三是引张线钢丝挂重锤处保护设计不合理，挂锤处位于电缆沟内常年潮湿，特别是挂锤处伴有积水。严重影响到钢丝的使用寿命；
四是引张线保护管安装在电缆沟内，且支架为角铁材料，常年在潮湿环境下锈蚀严重。
2.3维护和备品备件保障困难
我们每年汛前进行大坝安全监测系统年度检修，进行常规保养和一般维护，并配置了一批备品备件。但监测设备老化出现的故障，涉及到监测设备电子元器件、传感器内部故障处理、极板更换等情况则需要将监测设备运往厂家处理。我们使用的15年前的大坝安全监测设备，随着监测技术和设备的发展，已经面临淘汰，原厂家已经不生产相应的设备，故障设备也很难买到备件，厂家建议旧设备进行改造。
在没有新的备品备件供应的情况下，只能通过监测设备改造消除上述监测设备存在的问题，达到治标又治本的效果。
3. 改造目标及措施
飞来峡大坝安全监测系统在建设时，集成了当时监测技术较为先进的三家厂家。将三家的监测仪器、测控设备、采集软件、数据处理软件组合而成，但监测系统在长期的运行后，逐渐暴露出系统兼容性、防雷效果差、测控设备故障率高等缺点。
对需改造的设备进行研究和探讨，结合当前监测系统各类设备的实际运行情况和监测技术发展趋势，对比、分析和经济性考虑后，确定相关改造的系统设备。这次改造的拟采用高度集成、稳定性强、抗雷击性能好、便于保障维护、技术成熟、可靠性强、经济性合理的硬件和软件来替代目前存在问题的设备，关键在于适合飞来峡枢纽当地环境的监测设备，以提高系统的可靠、稳定性。确保通过改造至少正常运行10年以上。
3.1提高系统可靠性、稳定性
MCU-1M型测控装置是分布式数据采集网络的节点装置，它由密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块和防雷模块等组成，具有上锁功能，内有温控加热除湿装置，用于系统中各种类型监测仪器（传感器）的数据测量、存储和传输。其主要特点如下：
（1）防雷性能提高。针对模块设备受雷击的特点，专门重新设计了防雷电路，设置了防雷功能模块，选用抗雷击性能高的专用电子元器件，采取抗雷击的运行模式，使设备的防雷效果得到提高。
（2）功能强大。每个智能数据采集模块均自带CPU，形成一个MCU多CPU的并行运行模式，能对接入的各类仪器实现三种运行方式的测量。提供强大软件功能支持，各种功能可提供由用户按需设置。
（3）可靠性高。所有测控装置内置备用的蓄电池电源，在系统供电完全中断的情况下仍能正常自动工作一周。当监控主机或通讯总线发生故障时可用便携式计算机直接控制测控装置进行巡测、选测或读取数据。具有测量控制、电源管理、掉电保护、定时自动测量、防雷抗干扰、人工比测接口、自检、自诊断等功能。
（4）兼容性好。MCU-1M型测控装置可接入各类监测仪器（传感 器），即步进式、差阻式、振弦式、电感式、电容式、差动变压器式、可变电阻式、浮子式以及输出标准信号（电压、电流、频率）的传感器，基本上兼容了我国混凝土坝、土石坝和岩土工程所用的各类国内外监测仪器。
（5）维护方便。MCU-1M型测控装置采用RS—485数据总线或其他通讯方式将各测控装置连成总线拓扑，便于扩展和分期实施，具有自检自校功能，同时显示故障信息，便于维护和修复。运行人员只要针对故障信息更换备用模块或零配件即可恢复运行。
3.2 具体改造内容
针对多年系统故障特征和运行经验，参考先期改造监测设备运行情况，从以下四个系统或设备进行改造完善： （1）对溢流坝段南瑞系统电源系统进行改造；
（2）对溢流坝段南瑞系统通讯系统进行改造；
（3）对溢流坝段南瑞系统测控装置进行改造；
（4）对溢流坝段南瑞系统传感器进行改造。
4.设备改造
4.1电源系统改造
大坝安全监测自动化系统主要采用220V50Hz交流电给监控计算机和测控装置供电。原监测系统的电源线路是采用普通电源线路进行供电。电源系统改造步骤如下：断开并取消原供电线路（测控模块现场和大坝安全监测室配电箱）；改造后的MCU电源能满足新增监测设备的供电要求，采用水文所MCU测箱引出电源采用RVVP-22型铠装电缆接入原DAU测箱供电，能节省布线费用；
采用RVVP-22型铠装电缆作为MCU测箱和原DAU测箱间的电源电缆，替代原来的普通电源电缆。铠装电源电缆具有很好的屏蔽作用，能降低感应雷电压的强度。
4.2通讯系统改造
原南瑞监测设备采用普通信号电缆进行信号传输，线路老化严重，2009年出现过信号电缆短路情况。通讯线路改造步骤如下：断开原通讯线路（测控模块和大坝安全监测室），从附近MCU改造过的测箱引出光纤进行通讯，在每个改造的DAU测控模块安装光端机，通过改造的MCU测箱光纤传输到大坝安全监测系统。
4.3 测控模块更换
将原DAU测箱内的NAD1330测控模块更换，按所在部位监测使用的传感器确定新模块的监测类型更换模块，待每个改造测箱电源系统安装好，传感器连接线相连接后实施，引张线原测量模块改造更换为4块标准信号采集模块。
4.4传感器改造
按照监控类型确定所使用的传感器类型，本次改造主要针对引张线电容式传感器更换为新型RY-40型电容式单向引张线仪并配合安装在仪器测点箱内的信号转换器将信号转换为标准信号接入，共计16台，并对引张线的线体进行更换。
4.4.1仪器观测原理
RY-40型电容式单向引张线仪用于测量单向水平位移。该仪器基本原理是采用电容感应式原理。测量单元采用比率测量技术，测出测点相对于引张线的变化，引张线的原理示意图如图2-11所示。
在引张线的不锈钢丝上安装遥测RY-40型电容式引张线仪的中间极，
摘要：本文介绍飞来峡大坝安全监测系统溢流坝引张线运行现状、存在问题，提出改造目的和技术措施，详细介绍改造内容，为以后类似引张线的改造提供参考。
关键词：安全监测；引张线；改造。
1.概述
大坝安全监测自动化系统是监测大坝状态、保障大坝正常运行的重要手段之一。飞来峡大坝安全监测系统于1998年底安装并投入运行，至今已运行15年多，其中溢流坝段布设1条引张线测线，共4个测控装置、测点16个测点。由于引张线安置在露天环境、运行时间长、测控设备和传感器均出现不同程度的老化、绝缘度降低、接触不良、部件老化情况。而新一代测控设备、传感器、软件的出现，旧设备面临淘汰，缺乏厂家备件和维护保养工作的支持，该类监测设备将出现无法正常运行的局面，鉴于上述原因，需对溢流坝段引张线监测设备进行技术改造。
2.溢流坝段引张线监测设备运行现状
溢流坝段引张线监测设备主要包括测控模块、传感器、电源和通讯线路等，经常出现监测设备故障和测值异常，监测系统电源和通讯线路短路，当前监测设备运行情况如下：
2.1测控模块存在的问题
溢流坝段布设有4块NAD1330电容式测控模块，于1999年投入运行至今已有15年多，模块内部模板和芯片都有老化的迹象，多次出现通讯成功但无测值的情况。大部分模块都出现故障返厂维修，维修次数增加，导致其内部芯片运行不稳定测值出现异常。大部分模块内部电子元器件老化，尤其是遭受过雷击的测控模块，模块内部电路板出现芯片焊接点氧化脱落现象，模块外部接线口接触不良；随着时间的推移，测控模块故障率会继续增加。
2.2引张线存在问题
溢流坝引张线设于坝顶，共16个测点（EX4-1-EX4-16），用于监测溢流坝水平位移。引张线使用的是RY-20电容式传感器。长时间的运行中，主要出现以下几种情况，影响引张线正常稳定运行。
一是引张线传感器连接钢丝的铜线老化容易氧化而断损，近2年已发生6起铜线断损故障；
二是传感器固定极板的黏胶老化脱落，引起测值异常，传感器连接极板和铜丝线路表层老化绝缘度降低，导致测值异常和无测值现象；
三是引张线钢丝挂重锤处保护设计不合理，挂锤处位于电缆沟内常年潮湿，特别是挂锤处伴有积水。严重影响到钢丝的使用寿命；
四是引张线保护管安装在电缆沟内，且支架为角铁材料，常年在潮湿环境下锈蚀严重。
2.3维护和备品备件保障困难
我们每年汛前进行大坝安全监测系统年度检修，进行常规保养和一般维护，并配置了一批备品备件。但监测设备老化出现的故障，涉及到监测设备电子元器件、传感器内部故障处理、极板更换等情况则需要将监测设备运往厂家处理。我们使用的15年前的大坝安全监测设备，随着监测技术和设备的发展，已经面临淘汰，原厂家已经不生产相应的设备，故障设备也很难买到备件，厂家建议旧设备进行改造。
在没有新的备品备件供应的情况下，只能通过监测设备改造消除上述监测设备存在的问题，达到治标又治本的效果。
3. 改造目标及措施
飞来峡大坝安全监测系统在建设时，集成了当时监测技术较为先进的三家厂家。将三家的监测仪器、测控设备、采集软件、数据处理软件组合而成，但监测系统在长期的运行后，逐渐暴露出系统兼容性、防雷效果差、测控设备故障率高等缺点。
对需改造的设备进行研究和探讨，结合当前监测系统各类设备的实际运行情况和监测技术发展趋势，对比、分析和经济性考虑后，确定相关改造的系统设备。这次改造的拟采用高度集成、稳定性强、抗雷击性能好、便于保障维护、技术成熟、可靠性强、经济性合理的硬件和软件来替代目前存在问题的设备，关键在于适合飞来峡枢纽当地环境的监测设备，以提高系统的可靠、稳定性。确保通过改造至少正常运行10年以上。
3.1提高系统可靠性、稳定性
MCU-1M型测控装置是分布式数据采集网络的节点装置，它由密封机箱、智能数据采集模块、电源模块、人工比测模块和防雷模块等组成，具有上锁功能，内有温控加热除湿装置，用于系统中各种类型监测仪器（传感器）的数据测量、存储和传输。其主要特点如下：
（1）防雷性能提高。针对模块设备受雷击的特点，专门重新设计了防雷电路，设置了防雷功能模块，选用抗雷击性能高的专用电子元器件，采取抗雷击的运行模式，使设备的防雷效果得到提高。
（2）功能强大。每个智能数据采集模块均自带CPU，形成一个MCU多CPU的并行运行模式，能对接入的各类仪器实现三种运行方式的测量。提供强大软件功能支持，各种功能可提供由用户按需设置。
（3）可靠性高。所有测控装置内置备用的蓄电池电源，在系统供电完全中断的情况下仍能正常自动工作一周。当监控主机或通讯总线发生故障时可用便携式计算机直接控制测控装置进行巡测、选测或读取数据。具有测量控制、电源管理、掉电保护、定时自动测量、防雷抗干扰、人工比测接口、自检、自诊断等功能。
（4）兼容性好。MCU-1M型测控装置可接入各类监测仪器（传感 器），即步进式、差阻式、振弦式、电感式、电容式、差动变压器式、可变电阻式、浮子式以及输出标准信号（电压、电流、频率）的传感器，基本上兼容了我国混凝土坝、土石坝和岩土工程所用的各类国内外监测仪器。
（5）维护方便。MCU-1M型测控装置采用RS—485数据总线或其他通讯方式将各测控装置连成总线拓扑，便于扩展和分期实施，具有自检自校功能，同时显示故障信息，便于维护和修复。运行人员只要针对故障信息更换备用模块或零配件即可恢复运行。
3.2 具体改造内容
针对多年系统故障特征和运行经验，参考先期改造监测设备运行情况，从以下四个系统或设备进行改造完善： （1）对溢流坝段南瑞系统电源系统进行改造；
（2）对溢流坝段南瑞系统通讯系统进行改造；
（3）对溢流坝段南瑞系统测控装置进行改造；
（4）对溢流坝段南瑞系统传感器进行改造。
4.设备改造
4.1电源系统改造
大坝安全监测自动化系统主要采用220V50Hz交流电给监控计算机和测控装置供电。原监测系统的电源线路是采用普通电源线路进行供电。电源系统改造步骤如下：断开并取消原供电线路（测控模块现场和大坝安全监测室配电箱）；改造后的MCU电源能满足新增监测设备的供电要求，采用水文所MCU测箱引出电源采用RVVP-22型铠装电缆接入原DAU测箱供电，能节省布线费用；
采用RVVP-22型铠装电缆作为MCU测箱和原DAU测箱间的电源电缆，替代原来的普通电源电缆。铠装电源电缆具有很好的屏蔽作用，能降低感应雷电压的强度。
4.2通讯系统改造
原南瑞监测设备采用普通信号电缆进行信号传输，线路老化严重，2009年出现过信号电缆短路情况。通讯线路改造步骤如下：断开原通讯线路（测控模块和大坝安全监测室），从附近MCU改造过的测箱引出光纤进行通讯，在每个改造的DAU测控模块安装光端机，通过改造的MCU测箱光纤传输到大坝安全监测系统。
4.3 测控模块更换
将原DAU测箱内的NAD1330测控模块更换，按所在部位监测使用的传感器确定新模块的监测类型更换模块，待每个改造测箱电源系统安装好，传感器连接线相连接后实施，引张线原测量模块改造更换为4块标准信号采集模块。
4.4传感器改造
按照监控类型确定所使用的传感器类型，本次改造主要针对引张线电容式传感器更换为新型RY-40型电容式单向引张线仪并配合安装在仪器测点箱内的信号转换器将信号转换为标准信号接入，共计16台，并对引张线的线体进行更换。
4.4.1仪器观测原理
RY-40型电容式单向引张线仪用于测量单向水平位移。该仪器基本原理是采用电容感应式原理。测量单元采用比率测量技术，测出测点相对于引张线的变化，引张线的原理示意图如图2-11所示。
在引张线的不锈钢丝上安装遥测RY-40型电容式引张线仪的中间极，