水輪發電機測溫元件應用研究

摘要:本文簡要介紹了鉑熱電阻測溫基本原理，分析了水輪發電機測溫元件工作工況的特性和常用鉑熱電阻結構特點及失效機理，提出了提高可靠性的定制對策。
隨著水輪發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，當其發生異常或出現故障時，會引起機組非計劃停機或減少出力，進而危及電網安全。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，在工業領域，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溫度的變化而變化這一基本原理設計與制作。在水輪發電機中，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的非線性關系。對于鉑熱電阻的命名，我國采用的是國際電工委員會(IEC)關于熱電阻分度號的標準，以對應0℃時的電阻值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，一般采用直流電橋原理來實現。考慮到電橋中連接導線本身存在阻值，且在電橋中會被計入到熱電阻阻值中，而使測量結果產生附加誤差，工業上常用三線制或四線制的熱電阻接線方法來減小附加誤差。水輪發電機溫度監測的精度要求不太高，關鍵在于測溫電路的穩定性和溫度漂移要小，因此，水輪發電機溫度監測廣泛采用鉑熱電阻三線制接線方法。
2工況特點
       水輪發電機常用RTD溫度測點有:發電機定子繞組溫度，發電機定子鐵心溫度，軸承溫度及油溫等。在這些測點位置，RTD測溫系統運行工況特點如下:
(1)安裝位置特殊，運行時間長且不易維護。定子測溫電阻是預埋在發電機定子鐵心和上下層線棒層間，如果在機組運行過程中損壞，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，一般在大修時才有機會對RTD進行維修和維護，而隨著技術進步，機組大修周期越來越長，這都對RTD長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重要，推力軸承溫度是監測推力軸承運行狀態的唯一手段，因此這些溫度信號往往與電廠保護系統連接，作為電廠保護系統的重點監測環節。
(3)工況惡劣。振動、壓力、油流沖擊等都會對RTD的正常使用壽命造成一定影響，強電磁場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常現象。
(4)溫度測量系統環節眾多。從水輪發電機中安裝的RTD到監控中心，其距離有的達幾百米，中間經過多個接線端子盒，如此眾多的環節，任何一個出現問題，都會影響到測溫系統的正常工作。
3結構特點
       目前市場上的鉑熱電阻產品主要分為薄膜芯體技術和繞絲芯體技術，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氧板或鋼管中，將薄膜芯體引腳和引線相焊接，最后封裝成型。

       其膜芯體特點是薄膜芯體機械化批量生產，個體精度高，體積小，響應快，整體封裝工藝簡單。
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行整體封裝。將芯體嵌在玻纖環氧中，焊接引線，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，鉑絲的兩頭與引線焊接。圖3所示為云母基材芯體。

(3)無骨架芯體。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:
(1)平均溫度測溫。繞絲芯體基本能夠覆蓋整個傳感器的空間范圍，達到平均溫度測量的效果。
(2)熱循環性好。鉑絲與基材不是粘合的，因此可以經受反復的熱循環。
(3)抗電子干擾性良好。采用雙繞絲技術的繞絲芯體能夠消除EMC干擾，在1000V電壓以內無需額外的電磁屏蔽。
(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
       鉑質薄膜測溫元件的鉑質薄膜芯體和坯體的熱膨脹系數不一樣，在振動、高溫工況下會形成顯微裂紋;RTD電極經高溫燒結后向低溫冷卻過程中，受到的熱應力超過一定程度時，會在鉑質薄膜測溫元件坯體內形成顯微裂紋。在較為嚴酷的使用環境和條件下，如反復的機械沖擊、振動，工作溫度的反復升降和快速變化等，致使樣品的內應力進一步加大，顯微裂紋蔓延和擴展，產生層裂和龜裂。這會使得RTD的機械強度下降，同時使引出電極的附著力下降以致脫落。
4.2繞絲測溫元件失效機理
       鉑絲在經過繞制、清冼的過程中將產生應力，因此繞制、清冼完畢烘干后必須經過退火，以消除鉑絲應力。但是，如果退火不完全，應力沒有全部消除，則RTD在使用中不穩定印。
熱循環時，由于鉑絲和鑲嵌住鉑絲的骨架材料的膨脹系數不同，鉑絲中會產生額外的應力電阻，由此引起幾何尺寸的變化也會改變其阻值，特別是當其膨脹時所產生的應力變化會導致鉑絲伸長變細，阻值增加。.
4.3引出線斷裂失效
       在RTD本體與引線交界過渡處，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，因此在振動情況下，就會出現斷裂處間隙突然變大、阻值突然升高的現象，而在振動有所下降或緩解時，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長期浸泡在透平油中，承受油流的沖擊和機組的振動，時間一長，導線就會磨損和折斷。
4.4焊點脫落失效
       焊接完成后沒有清除焊劑噴涂防腐劑、工作溫度的反復升降引起結露，加速了焊接點的腐蝕速率等原因，造成鉑電阻引腳與外引出導線的焊接點脫落開路，或焊接工藝不怡當導致虛焊，有外拉力或反復長期振動造成焊點脫落。
4.5工況環境下虛失效
       測溫元件在工況環境下，如機械振動(甚至某些并不劇烈的振動)或承壓環境等，雖然不會損壞RTD，但也會在測溫元件中引起應力，導致其阻值增加。而將其從工況環境中拆出，檢定其電阻值又會恢復正常。
4.6密封性失效
       使用時間較長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、引線異常等原因造成的。因此，要提高水輪發電機測溫系統可靠性，應該從以下幾個方面綜合考慮:
(1)依據具體的安裝位置、工況等因素綜合考慮，選擇適當結構高質量的RTD。.
(2)鎧裝導線結構:對長期浸泡在透平油中的鉑熱電阻引線，油槽內部采用鎧裝電纜結構，抵御油槽內的攪動和沖擊。
(3)在RTD與引線結合部位加保護措施，未解決根部斷線問題，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
       對水輪發電機來說，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、壓力、強電磁場、熱循環和油流沖擊等)有較好的長期穩定性和可靠性，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。