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水电厂测温电阻故障及解决办法

skbolo
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2007-09-27

测温电阻是水电厂最重要的传感器，水电厂测温电阻运行情况直接影响发电机组是否能够安全运行。在水电行业中，测温电阻性能不稳定、可靠性差是非常普遍的问题，由于性能不稳定导致温度信号误报一直困扰着电厂的运行人员和检修人员，严重时可造成机组事故停机的，这对于机组寿命及电网的安全都会造成不可估量的影响。因此，分析测温电阻故障原因，提高测温电阻的长期稳定性和可靠性是非常紧迫的一项工作。 
在我们服务于众多电厂的过程中，经常在现场碰到了形形色色的问题，起初我们以为是中小型水电厂存在这些问题，后来发现在三峡、广蓄、小浪底等国外大机组中也存在这些问题，所以这些问题在全行业中带有某些共性。在这里我们把这些问题罗列出来加以分析，并试图解决这些问题。 
水电厂的特殊性 
对于测温电阻来说，水电厂的运行环境是非常特殊的，这有别于其他的工业领域，如果把工业上通用的测温电阻拿到水电厂使用是肯定要出问题的。这些特殊性表现为： 
    1、运行时间长、不易维护。瓦温测温电阻安装在空间狭小不宜维护更换传感器的地方，一般在大修时才有机会维护测温电阻。而现在由于技术进步，大修周期越来越长，这就要求测温电阻长期稳定运行。 
    2、重要程度高。 推力轴承是发电机组的关键装置之一，其中的测温电阻又是监测推力瓦运行状态的的唯一手段。而且推力瓦温测温电阻，一般要求接保护，重要性不言而喻。而一般的工业领域没有这么高的重要性。 
    3、运行环境恶劣。还是以推力瓦测温电阻为例，传感器及其导线长期浸泡在温度较高的透平油里，并时刻承受油流的冲击和机组的振动。在这样的环境中很少有传感器及导线能经受长达5年的考验。 
    4、电磁干扰的强度相当大。一般水电厂发电机的功率都非常大，发电机产生的强电场特别是漏磁产生的强磁场对上导瓦和推力瓦测温电阻干扰非常大。这对传感器及其导线的抗干扰能力的要求很高。 

 
普遍存在的问题 
正是由于水电厂测温电阻使用环境的特殊性，使得水电厂测温电阻普遍存在如下的问题。 
    1、长期稳定性差、可靠性低。其实水电厂对测温电阻的精度要求并不高，但对于传感器的长期稳定性和可靠性要求非常高。许多的电厂由于采用了长期稳定性差的测温电阻，在机组运行了几年后，就会出现大量的误报、跳变和没有读数等问题，使工程人员很难判断到底是机组本身的问题还是测温电阻的问题，如果推力瓦测温电阻出现上述问题，就会造成跳机，酿成重大事故。 
    2、电缆折断或外皮开裂。电缆在根部折断现象几乎在每个电厂都有，电缆长期浸泡在流动透平油中，如果不做特殊的处理，时间长了导线就会在传感器根部断开。根部断线的故障占了测温电阻故障的一半左右，应该引起重视。另外，电缆外皮在高温及腐蚀性的透平油环境中也会开裂。 
    3、传感器及导线没有屏蔽，或有屏蔽但没有接好。许多电厂都没有对测温电阻实施有效的屏蔽，使发电机的强电场和强磁场对测温电阻干扰并把干扰信号导入测温回路中，造成测温不准。我们见到过，推力瓦测温电阻感应漏磁信号达到110V。这使得测量值无任何意义，还会导致回路中的其他器件损坏。测温电阻和整个测温回路，导线多且长，接线环节多，屏蔽要求在整个环节中都要有可靠的屏蔽，只要有一个环节出现问题，屏蔽就会无效。 
    4、传感器安装不规范。一般在安装瓦温电阻时要求传感器与瓦体刚性连接，最好是螺纹连接，瓦内的导线也要可靠固定，特别是根部导线要与传感器固定在同一个刚体上。但我们见到有些电厂在安装轴瓦测温电阻时只是简单的放置在瓦孔内，还有些是用环氧树脂灌封在孔里。这些都是不规范的安装方式，这样的安装方式都不能有效地保护导线根部。 
    5、线制和接线问题。线制就是测温电阻的引出线方式，如：4线制、3线制和2线制，线制决定了传感器导线的电阻对测量结果的影响。其中4线制和3线制可以把导线电阻对测量结果的影响降到最低，而2线制则可以。以20米电缆为例，导线的电阻为3欧姆，换算成温度值是6℃， 这个误差是非常大的。三线制接线方式，同样是20米的导线，只有0.1欧姆被加到了系统里，产生0.2℃的误差，这个误差是可以接受的，这说明导线电阻几乎不会影响到测量结果。如果用四线制测量，则导线电阻的影响可完全不计。我们看到很多电厂采用2线制测温电阻，或把3线制接成2线制的，或者在中间某个环节接成2线制。无论如何这都会产生很大的误差。可能有人会在后端温度模块上对此进行补偿，但面对不同类型不同长度的导线进行补偿就不是一种好方法了。 
    6、传感器尾部结构问题。传感器尾部结构有全密封的和带连接器的区别，现在起码有一半的电厂在使用尾部连接器的结构，这种结构的优点是方便拆卸，一旦传感器有问题可以在不用动导线的情况下把传感器换下来。但这样的结构只适合安装在油水冷却器或空冷器的地方，对于轴瓦的温度监测就不合适了。例如在推力轴承内传感器是完全浸泡在透平油里，而且透平油在不停地流动着，加上轴瓦的振动，尾部连接器非常容易漏油或触点脱开，从而降低了传感器的长期稳定性。实际上如果传感器本身长期稳定性高，应该是很少维护或根本不需要维护。 
    7、Pt100和Cu50的问题。这是测温电阻分度值的问题，Pt100和Cu50是目前电厂最常用的测温电阻，基本上99%的水电厂都在使用。Pt100是用铂金材料作为敏感元件，Cu50是用铜做敏感元件。Cu50与Pt100的比较有几个缺点：首先铜比铂的阻值小，需要很长的铜丝绕制成敏感元件，铂则相对短一些，一般的越长越细的材料可靠性越低。第二，铂电阻是主流的测温电阻，大的制造商、特别是德国厂家都以光刻溅射工艺生产Pt100芯片，非常成熟可靠。几乎没有厂家生产Cu芯片，这样如果要用Cu50产品只有自己绕制线圈来做敏感元件，可靠性大大降低。这也就是有些电厂使用的Cu50测温电阻经常坏的原因。 
    8、非常好的传感器用错了地方。在三峡和小浪底等电厂，由于是VOITH 和ALSTON的机组，所以传感器都是瑞士或德国的传感器。传感器本身非常好，但由于不是为特定的使用环境制作的传感器，结果也经常出现一些问题。如：传感器结构的问题、导线在根部断开的问题。不同的电厂有不同的特点，对测温电阻的要求也是不同的，到现在为止，我们还没有发现测温电阻完全一样的水电厂。对于特定的电厂而言，测温电阻没有针对性的进行设计，再好的传感器也仍然会出问题。 

解决办法 
一切努力都是为提高测温电阻的长期稳定性和可靠性。这要求在测温电阻的制造和安装各个环节上下功夫。 
    1、 采用高品质的Pt100芯片。前面提到了铂电阻要优于其他材料的测温电阻，而铂电阻芯片的品质也是千差万别的。应该采用溅射光刻工艺制作的Pt100芯片，精度要求达到A级。这类芯片的漂移很小，长期稳定性高，而且抗冲击和振动。芯片引脚采用铂镍合金。因为芯片引脚最终要和导线或铠装丝的芯线焊接，焊接容易导致金属材料发脆而断开，所以这也是个薄弱环节。芯片引脚采用铂镍合金可以保证焊接后引线的机械性能，避免导线在传感器内断开。 
    2、 采用特制的导线。导线长期浸泡在油里出现变硬变脆是由于导线最外层绝缘层材料选择不合理造成的，例如导线的外皮材料是PVC材料，其耐油、耐温性能比较差。在温度较高场合，它的耐油性能会大大的降低，使用寿命会缩短很多。在较高温度的油中长时间浸泡后，导线会出现变硬、变脆的现象。我们选用耐油、耐温的导线材料。我们选用的是聚全氟乙丙烯（FEP）简称F-46，是四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物，是聚四氟乙烯的改性材料。它具有优良的耐油、耐腐蚀和耐热性能，可在-250～250℃温度内长期使用。除在高温高压 下氟元素和熔融状态的碱金属对它有腐蚀作用，其它诸如强酸（包括浓硝酸和王水）、强碱、强氧化剂、油脂、酮、醚、醇等即使在高温下 也对它不起作用。另外它的耐开裂性能也非常突出，可以彻底解决导线长时间泡在油中出现开裂的问题。 
    3、 在导线与测温电阻的结合部位加保护装置。主要解决导线根部断线的问题。根据现场的情况，选择不同的保护形式，如锥形弹簧保护管、波纹管和铠装丝延伸保护等。这里特别要强调铠装丝延伸保护方式，将传感器内部的铠装丝一直延伸出来，这样导线受到油流冲击的部分全部是铠装丝，实际上铠装丝是可以任意弯折的不锈钢导线，抗腐蚀、冲击和振动的性能非常好，这样可彻底解决导线受油腐蚀和冲击的问题。使用寿命更久，性能更可靠。 
    4、 测温电阻及其导线的一体化网状屏蔽。理论上说磁场比电场更难屏蔽，对于强磁场的干扰来说，网状屏蔽是最有效的方案。由于推力和上导轴承最接近发电机，所以推力和上导瓦的测温电阻的网状屏蔽特别重要。测温系统的导线多且长，中间环节又多，在布线时要特别仔细，在每个环节上都要求把导线的屏蔽线可靠地接到公共接地端。 
    5、 三线制以上的接线方式。我们推荐用三线制的接线方式，传感器本身要做成三线制的，测温系统中各个环节都要用三线制的方式来接线，这样才能有效的保证测量精度。这里特别强调，一定不要采用二线制的接线方式。 
    6、 封装工艺和结构。全铠装封装工艺，采用德国专业化厂生产的铠装丝，这种铠装丝经过高纯度氧化镁填充、高温干燥、拉丝、滚轧和退火的工序制作完成，其特点是寿命长、响应速度快、机械强度高和绝缘性好。用于瓦温和瓦内油温的测温电阻一定不要采用尾部连接器的结构。 
    7、 定做测温电阻。对于特定的电厂，测温电阻都要有针对性地进行设计和制造。
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