水輪發(fā)電機(jī)測(cè)溫元件應(yīng)用研究

摘要:本文簡(jiǎn)要介紹了鉑熱電阻測(cè)溫基本原理，分析了水輪發(fā)電機(jī)測(cè)溫元件工作工況的特性和常用鉑熱電阻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及失效機(jī)理，提出了提高可靠性的定制對(duì)策。
隨著水輪發(fā)電機(jī)單機(jī)容量的不斷提升，設(shè)備運(yùn)行的安全性要求也隨之提高。熱電阻是水輪發(fā)電機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)中直接反映設(shè)備零部件溫度變化的元器件，當(dāng)其發(fā)生異?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，會(huì)引起機(jī)組非計(jì)劃停機(jī)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(jī)理，提高其運(yùn)行可靠性，具有重要意義。
1測(cè)溫原理
       熱電阻RTD(ResistanceTemperatureDetector)是中低溫區(qū)常用的一種溫度測(cè)量元件，由純金屬材料制成，在工業(yè)領(lǐng)域，應(yīng)用多的是鉑(Pt)和銅(Cu)，其中鉑熱電阻的測(cè)量精度較高。目前，水輪發(fā)電機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)中通常采用鉑熱電阻。
       鉑熱電阻測(cè)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(shè)計(jì)與制作。在水輪發(fā)電機(jī)中，大多采用分度號(hào)為Pt100鉑熱電阻，即0℃電阻值R0=100Ω，其測(cè)溫范圍為－200℃～850℃。在測(cè)溫范圍內(nèi)，鉑熱電阻的阻值與溫度呈近似直線的非線性關(guān)系。對(duì)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(hào)的標(biāo)準(zhǔn)，以對(duì)應(yīng)0℃時(shí)的電阻值R0為熱電阻命名代號(hào)，即分度號(hào)。
為把反映溫度高低及變化的鉑熱電阻值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，并用儀表指示出來，一般采用直流電橋原理來實(shí)現(xiàn)。考慮到電橋中連接導(dǎo)線本身存在阻值，且在電橋中會(huì)被計(jì)入到熱電阻阻值中，而使測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生附加誤差，工業(yè)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(fā)電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)的精度要求不太高，關(guān)鍵在于測(cè)溫電路的穩(wěn)定性和溫度漂移要小，因此，水輪發(fā)電機(jī)溫度監(jiān)測(cè)廣泛采用鉑熱電阻三線制接線方法。
2工況特點(diǎn)
       水輪發(fā)電機(jī)常用RTD溫度測(cè)點(diǎn)有:發(fā)電機(jī)定子繞組溫度，發(fā)電機(jī)定子鐵心溫度，軸承溫度及油溫等。在這些測(cè)點(diǎn)位置，RTD測(cè)溫系統(tǒng)運(yùn)行工況特點(diǎn)如下:
(1)安裝位置特殊，運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)且不易維護(hù)。定子測(cè)溫電阻是預(yù)埋在發(fā)電機(jī)定子鐵心和上下層線棒層間，如果在機(jī)組運(yùn)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(nèi)，油槽空間狹小，一般在大修時(shí)才有機(jī)會(huì)對(duì)RTD進(jìn)行維修和維護(hù)，而隨著技術(shù)進(jìn)步，機(jī)組大修周期越來越長(zhǎng)，這都對(duì)RTD長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行與維護(hù)十分不利。
(2)重要程度高。定子溫度對(duì)其絕緣系統(tǒng)的安全至關(guān)重要，推力軸承溫度是監(jiān)測(cè)推力軸承運(yùn)行狀態(tài)的唯一手段，因此這些溫度信號(hào)往往與電廠保護(hù)系統(tǒng)連接，作為電廠保護(hù)系統(tǒng)的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)。
(3)工況惡劣。振動(dòng)、壓力、油流沖擊等都會(huì)對(duì)RTD的正常使用壽命造成一定影響，強(qiáng)電磁場(chǎng)對(duì)測(cè)溫系統(tǒng)的干擾也非常嚴(yán)重，導(dǎo)致測(cè)溫信號(hào)不穩(wěn)和跳變等異?，F(xiàn)象。
(4)溫度測(cè)量系統(tǒng)環(huán)節(jié)眾多。從水輪發(fā)電機(jī)中安裝的RTD到監(jiān)控中心，其距離有的達(dá)幾百米，中間經(jīng)過多個(gè)接線端子盒，如此眾多的環(huán)節(jié)，任何一個(gè)出現(xiàn)問題，都會(huì)影響到測(cè)溫系統(tǒng)的正常工作。
3結(jié)構(gòu)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相焊接，最后封裝成型。

       其膜芯體特點(diǎn)是薄膜芯體機(jī)械化批量生產(chǎn)，個(gè)體精度高，體積小，響應(yīng)快，整體封裝工藝簡(jiǎn)單。
3.2繞絲芯體
       繞絲芯體常用結(jié)構(gòu)有定子測(cè)溫元件用繞絲芯體和軸承測(cè)溫元件用繞絲芯體兩種類型。
       定子測(cè)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(jié)構(gòu);軸承測(cè)溫元件用繞絲芯體主要采用“陶瓷繞絲芯體”結(jié)構(gòu)。
(1)聚酰亞胺基材芯體。使用可編程繞絲設(shè)備將定長(zhǎng)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，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(yīng)力處理后繞成彈簧形狀，再放入預(yù)先留好的槽內(nèi)，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(cè)溫。繞絲芯體基本能夠覆蓋整個(gè)傳感器的空間范圍，達(dá)到平均溫度測(cè)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(fù)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電壓以內(nèi)無需額外的電磁屏蔽。
(4)工作激勵(lì)電流5mA。.
4失效機(jī)理
4.1薄膜測(cè)溫元件失效機(jī)理
       鉑質(zhì)薄膜測(cè)溫元件的鉑質(zhì)薄膜芯體和坯體的熱膨脹系數(shù)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?zé)Y(jié)后向低溫冷卻過程中，受到的熱應(yīng)力超過一定程度時(shí)，會(huì)在鉑質(zhì)薄膜測(cè)溫元件坯體內(nèi)形成顯微裂紋。在較為嚴(yán)酷的使用環(huán)境和條件下，如反復(fù)的機(jī)械沖擊、振動(dòng)，工作溫度的反復(fù)升降和快速變化等，致使樣品的內(nèi)應(yīng)力進(jìn)一步加大，顯微裂紋蔓延和擴(kuò)展，產(chǎn)生層裂和龜裂。這會(huì)使得RTD的機(jī)械強(qiáng)度下降，同時(shí)使引出電極的附著力下降以致脫落。
4.2繞絲測(cè)溫元件失效機(jī)理
       鉑絲在經(jīng)過繞制、清冼的過程中將產(chǎn)生應(yīng)力，因此繞制、清冼完畢烘干后必須經(jīng)過退火，以消除鉑絲應(yīng)力。但是，如果退火不完全，應(yīng)力沒有全部消除，則RTD在使用中不穩(wěn)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(shù)不同，鉑絲中會(huì)產(chǎn)生額外的應(yīng)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(dāng)其膨脹時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力變化會(huì)導(dǎo)致鉑絲伸長(zhǎng)變細(xì)，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?yàn)樵撎帒?yīng)力比較集中且又易扭曲，因此極易導(dǎo)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(dòng)情況下，就會(huì)出現(xiàn)斷裂處間隙突然變大、阻值突然升高的現(xiàn)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(fù)正常的狀況。
軸瓦測(cè)溫用鉑熱電阻引線長(zhǎng)期浸泡在透平油中，承受油流的沖擊和機(jī)組的振動(dòng)，時(shí)間一長(zhǎng)，導(dǎo)線就會(huì)磨損和折斷。
4.4焊點(diǎn)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(fù)升降引起結(jié)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(dǎo)線的焊接點(diǎn)脫落開路，或焊接工藝不怡當(dāng)導(dǎo)致虛焊，有外拉力或反復(fù)長(zhǎng)期振動(dòng)造成焊點(diǎn)脫落。
4.5工況環(huán)境下虛失效
       測(cè)溫元件在工況環(huán)境下，如機(jī)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(cè)溫元件中引起應(yīng)力，導(dǎo)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(fù)正常。
4.6密封性失效
       使用時(shí)間較長(zhǎng)的鉑電阻測(cè)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(cè)溫系統(tǒng)可靠性對(duì)策
       通過對(duì)RTD工作原理和失效機(jī)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(fā)電機(jī)測(cè)溫系統(tǒng)可靠性，應(yīng)該從以下幾個(gè)方面綜合考慮:
(1)依據(jù)具體的安裝位置、工況等因素綜合考慮，選擇適當(dāng)結(jié)構(gòu)高質(zhì)量的RTD。.
(2)鎧裝導(dǎo)線結(jié)構(gòu):對(duì)長(zhǎng)期浸泡在透平油中的鉑熱電阻引線，油槽內(nèi)部采用鎧裝電纜結(jié)構(gòu)，抵御油槽內(nèi)的攪動(dòng)和沖擊。
(3)在RTD與引線結(jié)合部位加保護(hù)措施，未解決根部斷線問題，應(yīng)根據(jù)選用結(jié)構(gòu)，選擇不同的保護(hù)形式，如加裝熱縮管、彈簧保護(hù)管等。
6結(jié)語
       對(duì)水輪發(fā)電機(jī)來說，通常不要求RTD具有很.高的精度和復(fù)現(xiàn)性，但要求在不利的工況下(如振動(dòng)、壓力、強(qiáng)電磁場(chǎng)、熱循環(huán)和油流沖擊等)有較好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性，因此，要提高測(cè)溫系統(tǒng)可靠性，必須從RTD制造工藝、結(jié)構(gòu)選用以及安裝維護(hù)等都嚴(yán)格把關(guān)。