水輪發(fā)電機測溫元件應用研究

摘要:本文簡(jiǎn)要介紹了鉑熱電阻測溫基本原理，分析了水輪發(fā)電機測溫元件工作工況的特性和常用鉑熱電阻結構特點(diǎn)及失效機理，提出了提高可靠性的定制對策。
隨著(zhù)水輪發(fā)電機單機容量的不斷提升，設備運行的安全性要求也隨之提高。熱電阻是水輪發(fā)電機測溫系統中直接反映設備零部件溫度變化的元器件，當其發(fā)生異?；虺霈F故障時(shí)，會(huì )引起機組非計劃停機或減少出力，進(jìn)而危及電網(wǎng)安全。因此，弄清其工作原理，分析其失效機理，提高其運行可靠性，具有重要意義。
1測溫原理
       熱電阻RTD(ResistanceTemperatureDetector)是中低溫區常用的一種溫度測量元件，由純金屬材料制成，在工業(yè)領(lǐng)域，應用多的是鉑(Pt)和銅(Cu)，其中鉑熱電阻的測量精度較高。目前，水輪發(fā)電機測溫系統中通常采用鉑熱電阻。
       鉑熱電阻測溫是利用鉑絲的電阻值隨著(zhù)溫度的變化而變化這一基本原理設計與制作。在水輪發(fā)電機中，大多采用分度號為Pt100鉑熱電阻，即0℃電阻值R0=100Ω，其測溫范圍為－200℃～850℃。在測溫范圍內，鉑熱電阻的阻值與溫度呈近似直線(xiàn)的非線(xiàn)性關(guān)系。對于鉑熱電阻的命名，我國采用的是國際電工委員會(huì )(IEC)關(guān)于熱電阻分度號的標準，以對應0℃時(shí)的電阻值R0為熱電阻命名代號，即分度號。
為把反映溫度高低及變化的鉑熱電阻值轉換為相應的電信號，并用儀表指示出來(lái)，一般采用直流電橋原理來(lái)實(shí)現?？紤]到電橋中連接導線(xiàn)本身存在阻值，且在電橋中會(huì )被計入到熱電阻阻值中，而使測量結果產(chǎn)生附加誤差，工業(yè)上常用三線(xiàn)制或四線(xiàn)制的熱電阻接線(xiàn)方法來(lái)減小附加誤差。水輪發(fā)電機溫度監測的精度要求不太高，關(guān)鍵在于測溫電路的穩定性和溫度漂移要小，因此，水輪發(fā)電機溫度監測廣泛采用鉑熱電阻三線(xiàn)制接線(xiàn)方法。
2工況特點(diǎn)
       水輪發(fā)電機常用RTD溫度測點(diǎn)有:發(fā)電機定子繞組溫度，發(fā)電機定子鐵心溫度，軸承溫度及油溫等。在這些測點(diǎn)位置，RTD測溫系統運行工況特點(diǎn)如下:
(1)安裝位置特殊，運行時(shí)間長(cháng)且不易維護。定子測溫電阻是預埋在發(fā)電機定子鐵心和上下層線(xiàn)棒層間，如果在機組運行過(guò)程中損壞，更換就十分困難;軸瓦溫度傳感器安裝在軸瓦及其油槽內，油槽空間狹小，一般在大修時(shí)才有機會(huì )對RTD進(jìn)行維修和維護，而隨著(zhù)技術(shù)進(jìn)步，機組大修周期越來(lái)越長(cháng)，這都對RTD長(cháng)期穩定運行與維護十分不利。
(2)重要程度高。定子溫度對其絕緣系統的安全至關(guān)重要，推力軸承溫度是監測推力軸承運行狀態(tài)的唯一手段，因此這些溫度信號往往與電廠(chǎng)保護系統連接，作為電廠(chǎng)保護系統的重點(diǎn)監測環(huán)節。
(3)工況惡劣。振動(dòng)、壓力、油流沖擊等都會(huì )對RTD的正常使用壽命造成一定影響，強電磁場(chǎng)對測溫系統的干擾也非常嚴重，導致測溫信號不穩和跳變等異?，F象。
(4)溫度測量系統環(huán)節眾多。從水輪發(fā)電機中安裝的RTD到監控中心，其距離有的達幾百米，中間經(jīng)過(guò)多個(gè)接線(xiàn)端子盒，如此眾多的環(huán)節，任何一個(gè)出現問(wèn)題，都會(huì )影響到測溫系統的正常工作。
3結構特點(diǎn)
       目前市場(chǎng)上的鉑熱電阻產(chǎn)品主要分為薄膜芯體技術(shù)和繞絲芯體技術(shù)，兩者在制造工藝上存在較大差異。
3.1薄膜芯體
       薄膜芯體制作工藝是在基材上濺射一層鉑薄膜，然后使用激光刻蝕工藝燒蝕出電阻電路，焊接引腳，最后進(jìn)行封裝。圖1所示為薄膜芯體。薄膜芯體熱電阻是將薄膜芯體封裝在玻纖環(huán)氧板或鋼管中，將薄膜芯體引腳和引線(xiàn)相焊接，最后封裝成型。

       其膜芯體特點(diǎn)是薄膜芯體機械化批量生產(chǎn)，個(gè)體精度高，體積小，響應快，整體封裝工藝簡(jiǎn)單。
3.2繞絲芯體
       繞絲芯體常用結構有定子測溫元件用繞絲芯體和軸承測溫元件用繞絲芯體兩種類(lèi)型。
       定子測溫元件用繞絲芯體主要采用“聚酰亞胺基材芯體”、“云母基材芯體”、無(wú)骨架芯體”3種結構;軸承測溫元件用繞絲芯體主要采用“陶瓷繞絲芯體”結構。
(1)聚酰亞胺基材芯體。使用可編程繞絲設備將定長(cháng)鉑絲繞制在聚酰亞胺棒材上，然后將鉑絲與FPC基材焊接，最后使用聚酰亞胺薄膜進(jìn)行整體封裝。將芯體嵌在玻纖環(huán)氧中，焊接引線(xiàn)，最后封裝成型。圖2所示為聚酰亞胺基材芯體。

(2)云母基材芯體。該芯體是將鉑絲采用雙繞方法纏繞在云母片上，鉑絲的兩頭與引線(xiàn)焊接。圖3所示為云母基材芯體。

(3)無(wú)骨架芯體。將鉑絲退火消除應力處理后繞成彈簧形狀，再放入預先留好的槽內，交叉，然后涂上軟膠，密封封裝。
(4)陶瓷繞絲芯體。將鉑絲雙繞在陶瓷絕緣枝桿上，焊接引腳，再使用陶瓷殼體材料進(jìn)行封裝。圖4所示為陶瓷繞絲芯體

       上述為幾種典型的繞絲芯體，其具備下列共同特點(diǎn):
(1)平均溫度測溫。繞絲芯體基本能夠覆蓋整個(gè)傳感器的空間范圍，達到平均溫度測量的效果。
(2)熱循環(huán)性好。鉑絲與基材不是粘合的，因此可以經(jīng)受反復的熱循環(huán)。
(3)抗電子干擾性良好。采用雙繞絲技術(shù)的繞絲芯體能夠消除EMC干擾，在1000V電壓以?xún)葻o(wú)需額外的電磁屏蔽。
(4)工作激勵電流5mA。.
4失效機理
4.1薄膜測溫元件失效機理
       鉑質(zhì)薄膜測溫元件的鉑質(zhì)薄膜芯體和坯體的熱膨脹系數不一樣，在振動(dòng)、高溫工況下會(huì )形成顯微裂紋;RTD電極經(jīng)高溫燒結后向低溫冷卻過(guò)程中，受到的熱應力超過(guò)一定程度時(shí)，會(huì )在鉑質(zhì)薄膜測溫元件坯體內形成顯微裂紋。在較為嚴酷的使用環(huán)境和條件下，如反復的機械沖擊、振動(dòng)，工作溫度的反復升降和快速變化等，致使樣品的內應力進(jìn)一步加大，顯微裂紋蔓延和擴展，產(chǎn)生層裂和龜裂。這會(huì )使得RTD的機械強度下降，同時(shí)使引出電極的附著(zhù)力下降以致脫落。
4.2繞絲測溫元件失效機理
       鉑絲在經(jīng)過(guò)繞制、清冼的過(guò)程中將產(chǎn)生應力，因此繞制、清冼完畢烘干后必須經(jīng)過(guò)退火，以消除鉑絲應力。但是，如果退火不完全，應力沒(méi)有全部消除，則RTD在使用中不穩定印。
熱循環(huán)時(shí)，由于鉑絲和鑲嵌住鉑絲的骨架材料的膨脹系數不同，鉑絲中會(huì )產(chǎn)生額外的應力電阻，由此引起幾何尺寸的變化也會(huì )改變其阻值，特別是當其膨脹時(shí)所產(chǎn)生的應力變化會(huì )導致鉑絲伸長(cháng)變細，阻值增加。.
4.3引出線(xiàn)斷裂失效
       在RTD本體與引線(xiàn)交界過(guò)渡處，最易引起折斷，因為該處應力比較集中且又易扭曲，因此極易導致開(kāi)路折斷。由于其斷裂位置比較特殊，形成似斷非斷的情況，因此在振動(dòng)情況下，就會(huì )出現斷裂處間隙突然變大、阻值突然升高的現象，而在振動(dòng)有所下降或緩解時(shí)，由于斷裂處間隙變小又恢復正常的狀況。
軸瓦測溫用鉑熱電阻引線(xiàn)長(cháng)期浸泡在透平油中，承受油流的沖擊和機組的振動(dòng)，時(shí)間一長(cháng)，導線(xiàn)就會(huì )磨損和折斷。
4.4焊點(diǎn)脫落失效
       焊接完成后沒(méi)有清除焊劑噴涂防腐劑、工作溫度的反復升降引起結露，加速了焊接點(diǎn)的腐蝕速率等原因，造成鉑電阻引腳與外引出導線(xiàn)的焊接點(diǎn)脫落開(kāi)路，或焊接工藝不怡當導致虛焊，有外拉力或反復長(cháng)期振動(dòng)造成焊點(diǎn)脫落。
4.5工況環(huán)境下虛失效
       測溫元件在工況環(huán)境下，如機械振動(dòng)(甚至某些并不劇烈的振動(dòng))或承壓環(huán)境等，雖然不會(huì )損壞RTD，但也會(huì )在測溫元件中引起應力，導致其阻值增加。而將其從工況環(huán)境中拆出，檢定其電阻值又會(huì )恢復正常。
4.6密封性失效
       使用時(shí)間較長(cháng)的鉑電阻測溫元件骨架絕緣材料及絕緣性能變壞和填充絕緣材料(比如氧化鎂粉末)的受潮，也會(huì )引起絕緣與介電性能下降，造成RTD失效。
5提高測溫系統可靠性對策
       通過(guò)對RTD工作原理和失效機理分析，除了RTD本身故障外，約有40%的故障是由于連接、引線(xiàn)異常等原因造成的。因此，要提高水輪發(fā)電機測溫系統可靠性，應該從以下幾個(gè)方面綜合考慮:
(1)依據具體的安裝位置、工況等因素綜合考慮，選擇適當結構高質(zhì)量的RTD。.
(2)鎧裝導線(xiàn)結構:對長(cháng)期浸泡在透平油中的鉑熱電阻引線(xiàn)，油槽內部采用鎧裝電纜結構，抵御油槽內的攪動(dòng)和沖擊。
(3)在RTD與引線(xiàn)結合部位加保護措施，未解決根部斷線(xiàn)問(wèn)題，應根據選用結構，選擇不同的保護形式，如加裝熱縮管、彈簧保護管等。
6結語(yǔ)
       對水輪發(fā)電機來(lái)說(shuō)，通常不要求RTD具有很.高的精度和復現性，但要求在不利的工況下(如振動(dòng)、壓力、強電磁場(chǎng)、熱循環(huán)和油流沖擊等)有較好的長(cháng)期穩定性和可靠性，因此，要提高測溫系統可靠性，必須從RTD制造工藝、結構選用以及安裝維護等都嚴格把關(guān)。