熱電阻測溫系統(tǒng)的故障模式及運行對策

秦華蔚，楊 斌，高天云

（1.華東天荒坪抽水蓄能有限責(zé)任公司，浙江安吉 313302；2.華東宜興抽水蓄能有限公司，江蘇宜興 214205；3.上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200437）

從近幾年抽水蓄能機組投產(chǎn)后的運行情況分析，由于熱電阻（RTD）測溫元件發(fā)生異常或故障，引起機組非計劃停運及減出力的情況時有發(fā)生，嚴重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。因此，分析RTD測溫元件發(fā)生異常的原因，弄清其失效機理，提高RTD運行的可靠性，具有重要的意義。

1 RTD在抽水蓄能機組上的應(yīng)用特點

1.1 RTD的接線方式

在眾多的測量溫度方法中，采用RTD測得的溫度值不但精確而且穩(wěn)定，其線性也比熱電偶要好。常用的RTD為鉑熱電阻Pt100，測溫范圍可達－270～850℃。采用RTD測溫有多種接線方式，如二線制、三線制和四線制。抽水蓄能電站機組目前大多采用三線制連接方式，主要用于上下導(dǎo)軸承溫度、推力軸承溫度以及水導(dǎo)溫度等的測量和控制。通常將Pt100與電橋配套使用，能有效地消除引線電阻的影響。

1.2 RTD測溫系統(tǒng)的特點

抽水蓄能電站機組常用RTD溫度測點為：勵磁機空氣溫度，上導(dǎo)軸承溫度及油溫，定子繞組溫度，發(fā)電機空氣溫度，發(fā)電機定子鐵心溫度，推力及下導(dǎo)軸承溫度及油溫，水導(dǎo)軸承溫度及油溫。

RTD測溫系統(tǒng)的特點如下：

1）運行時間長且不易維護 軸承溫度RTD通常安裝在空間狹小而且不容易維護的地方，盡管機組啟停頻繁（白天發(fā)電晚上抽水），只有在大修時才有機會吊罩對RTD進行檢修和維護，而且按照狀態(tài)檢修的要求，機組大修的周期將越來越長，這對RTD的長期穩(wěn)定運行和維護十分不利。

2）重要程度高 推力軸承溫度（包括上／下導(dǎo)軸承）是抽水蓄能電站機組的關(guān)鍵溫度檢測點，而采用RTD測溫又是監(jiān)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要求投保護。

3）工作環(huán)境惡劣 以推力軸承、上／下導(dǎo)軸承RTD為例，RTD及其引出導(dǎo)線長期浸泡在溫度較高的潤滑油里，其油膜甩起的速度和沖擊力很大，加上機組的劇烈振動，會對RTD的正常使用壽命造成一定的影響。

4）強烈的電／磁場干擾 目前抽水蓄能電站機組的功率越來越大，裝機容量已達300 MW，其產(chǎn)生的強電／磁場對測溫系統(tǒng)的干擾非常嚴重，尤其對靠近發(fā)電機的上導(dǎo)和推力軸承等RTD測溫元件，更容易受到干擾，導(dǎo)致測溫信號不穩(wěn)，出現(xiàn)鋸齒波、尖脈沖和跳變等異?，F(xiàn)象。

5）溫度測量系統(tǒng)的連接導(dǎo)線過長 現(xiàn)場實際調(diào)查，一套推力軸承溫度測量系統(tǒng)，從RTD到監(jiān)控中心長度超過400 m，中間經(jīng)過5個接線端子盒及不同長度的信號導(dǎo)線。如此多的環(huán)節(jié)和信號導(dǎo)線，只要中間任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會影響到溫度測量系統(tǒng)的正常工作。

2 抽水蓄能電站RTD測溫系統(tǒng)故障

近幾年來，華東電網(wǎng)數(shù)個抽水蓄能電站RTD測溫系統(tǒng)發(fā)生故障，主要原因如下。

1）老式鉑絲RTD穩(wěn)定性差 部分抽水蓄能機組采用了性能較差的老式鉑絲RTD，在機組投產(chǎn)初期就出現(xiàn)大量的誤報、跳變以及機組跳閘等事故。如某抽水蓄能電站投產(chǎn)一年內(nèi)，因RTD異常引起機組非計劃停運14次，嚴重影響到電網(wǎng)頻率的穩(wěn)定和事故調(diào)峰作用的發(fā)揮。

2）RTD延長電纜磨損或外皮破裂 抽水蓄能機組RTD延長電纜根部折斷或磨損現(xiàn)象十分普遍，幾乎占RTD故障的一半。有的直接斷掉，有的外部絕緣層斷開，如圖1所示。這是因為RTD長期浸泡在高速流動、長期振動的潤滑油中，時間一長，延長導(dǎo)線就會折斷和磨損。

圖1 RTD延長導(dǎo)線折斷和外皮破裂

3）信號導(dǎo)線屏蔽層腐蝕脫落 抽水蓄能機組RTD信號電纜的屏蔽層沒有有效連接，少數(shù)屏蔽層由于長期得不到維護存在腐蝕斷開，如圖2所示，使得可逆電機的強電／磁場對溫度信號回路造成嚴重干擾，影響測溫系統(tǒng)的穩(wěn)定工作和正常顯示。

圖2 信號導(dǎo)線屏蔽層腐蝕脫落

4）RTD安裝不規(guī)范 在安裝RTD時大多要求將RTD與瓦體剛性連接，最好用緊固連接，瓦內(nèi)的導(dǎo)線也要可靠固定，特別是根部導(dǎo)線要與RTD固定在同一個剛體上。但發(fā)現(xiàn)不少抽水蓄能機組將RTD隨意放置在瓦孔內(nèi)（沒有采取固定措施），這種安裝方式不僅由于機組振動容易造成RTD在測溫孔內(nèi)隨意串動，而且極易造成引出導(dǎo)線磨損或者折斷，安裝隱患縮短了RTD的正常使用壽命。

5）RTD保護結(jié)構(gòu)不合理 RTD探頭與連接導(dǎo)線之間是剛性和柔性聯(lián)結(jié)的過渡處，這個部位應(yīng)力比較集中，加上長時間的導(dǎo)線擺動、振動、油膜沖擊等容易產(chǎn)生疲勞，并導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂和破損等現(xiàn)象發(fā)生。

6）RTD尾部連接缺陷 目前市場上RTD的尾部結(jié)構(gòu)有全密封和帶連接器的兩種，不少抽水蓄能機組為了拆裝維護方便，往往采用尾部帶連接器（航空插頭）結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)如果用于瓦溫測量就會出現(xiàn)一些意想不到的問題。如在推力瓦內(nèi)RTD是完全浸泡在潤滑油里，而潤滑油是不停地高速流動的，加上機組的劇烈振動，容易造成連接器漏油、接插觸點松動、接觸電阻增大，甚至完全分離等隱患，最終導(dǎo)致溫度信號跳變、高頻脈沖、信號丟失等異?，F(xiàn)象發(fā)生。

7）RTD元件質(zhì)量差異 目前RTD普遍采用Pt100，由于微機械加工技術(shù)的發(fā)展，Pt100的制造普遍采用光刻濺射工藝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、工藝可靠和響應(yīng)快等特點。但是，由于不同制造廠家設(shè)備、技術(shù)上的差異，生產(chǎn)的Pt100在性能上可能會有些差別，用戶在選用時一定要特別注意，切實選用高質(zhì)量的Pt100元件，因為不同價格的Pt100元件，其長期穩(wěn)定性和使用可靠性具有較大的差異。

8）單點溫度保護 不少抽水蓄能機組軸承溫度保護，普遍采用單點信號方式，由此構(gòu)成的保護往往為“一取一”判斷邏輯，因此其誤動概率高。

3 RTD故障模式及失效分析

3.1 故障模式

三線制Pt100鉑熱電阻，其標稱阻值R0＝（100 ±0.005）Ω，電阻溫度系數(shù)α＝R100℃／R0℃＝1.3850。故障判據(jù)是根據(jù)RTD產(chǎn)品的技術(shù)指標和部頒標準JB／T 8622—1997《工業(yè)鉑電阻技術(shù)條件及分度表》和國家檢定規(guī)程JJG229—2010《工業(yè)鉑、銅熱電阻》要求確定的。目前抽水蓄能機組使用的RTD主要有兩種形式：一種為鉑絲繞制的RTD，另一種為鉑質(zhì)薄膜RTD。

為了弄清RTD的故障原因，相繼對故障的RTD在恒溫油槽中，分別在0℃，20℃，100℃時測量了失效RTD的阻值，將測試數(shù)據(jù)分類后按5種故障模式進行分析，如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)及5種RTD故障模式

3.2 故障原因及失效分析

3.2.1 阻值不穩(wěn)模式

RTD系鉑絲繞制在陶瓷骨架上，剖開測溫元件后發(fā)現(xiàn)其故障原因有以下兩種。

1）鉑絲在繞制和清洗過程中會產(chǎn)生應(yīng)力，因此在繞制、清洗和烘干后必須經(jīng)過退火工藝，以消除鉑絲的應(yīng)力。如果退火不完全，應(yīng)力沒有全部消除，則RTD的R0℃值至R100℃值很不穩(wěn)定，阻值時高時低。

2）鉑絲在還原性介質(zhì)中，特別是在較高溫度下容易被從氧化物中還原出來的蒸汽所污染，污染后的鉑絲不但變脆，而且還會改變鉑絲阻值與溫度的關(guān)系，從而引起RTD阻值變化。

3.2.2 阻值突變模式

剖開測溫元件的不銹鋼護套，未發(fā)現(xiàn)RTD電極間有短路跡象。將測溫元件清洗后重新測量各溫度點阻值，發(fā)現(xiàn)與剖開前的阻值完全不同，說明RTD的失效不是裝配工藝不當(dāng)引起，而是因測溫元件失效和外力原因造成。

1）對故障測溫元件沿邊緣進行微分剝離，發(fā)現(xiàn)某一局部被剝離后，阻值突然增大。出現(xiàn)阻值突然增大的原因是鉑質(zhì)薄膜RTD封裝在氧化鎂粉絕緣填料內(nèi)時，雖然測溫元件出現(xiàn)龜裂，但由于絕緣材料的嚴密封裝保護，RTD電極間沒有發(fā)生短路現(xiàn)象。一旦將絕緣材料剝離，導(dǎo)致RTD龜裂增大，阻值上升。電鏡觀察證實，鉑質(zhì)的測溫元件坯體尚有其它微裂紋存在。

2）逐層剝離測溫元件不銹鋼外套封接固定交界過渡處，發(fā)現(xiàn)有部分引出線已經(jīng)斷裂。實驗和分析證實，在外套封接固定交界過渡處，最易引起引出線折斷，這是因為那里的應(yīng)力比較集中而且又容易扭曲，因此極易發(fā)生引出線折斷。

由于測溫元件斷裂的位置特殊，形成似斷非斷情況，因此在振動下會出現(xiàn)斷裂處間隙突然變大RTD阻值升高現(xiàn)象，而在振動有所下降或緩解時，斷裂處間隙變小RTD又恢復(fù)到正常狀況。上述分析已為實驗室模擬試驗所證實。

3.2.3 阻值高模式

RTD樣品的標稱阻值及各個溫度點的阻值均略高于規(guī)范值，其故障原因有以下幾種。

1）點缺陷變化引起電阻值漂移 根據(jù)Bloch理論，自由電子在金屬中的輸送，猶如由具有晶格周期性的函數(shù)所調(diào)節(jié)的平面波，只有晶格點陣的不完善性才引起金屬的電阻。RTD在貯存或使用過程中，由于組織結(jié)構(gòu)及內(nèi)部的各種缺陷，逐步使外來原子、點缺陷和晶粒邊界引起附加散射。另外，晶格點陣的振動、發(fā)射或吸收一個晶格振動能的量子（聲子），也會引起電子的散射，導(dǎo)致RTD阻值增大。

2）測溫元件有效電極面積減小 解剖后發(fā)現(xiàn)樣品部分電極根部燒結(jié)處有效截面積變小。電極截面積變小原因是電極制備工藝控制不當(dāng)，比如基體研磨不平整，清冼不干凈；電極燒滲工藝條件選取不合理等。同時，后續(xù)熱處理工藝控制不當(dāng)，也會造成電極早期老化。部分電極截面積的變小，使測溫元件的實際電極面積減小，導(dǎo)致RTD阻值升高。

3）測溫元件在機械振動、甚至某些并不劇烈的振動環(huán)境中，雖然不會損壞RTD，但也會在測溫元件中引起應(yīng)力，導(dǎo)致RTD阻值增加。

3.2.4 阻值特高模式

測溫元件RTD的阻值呈現(xiàn)無窮大，其故障原因有以下幾種。

1）將樣品置于金相顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)電極表面已經(jīng)出現(xiàn)龜裂，斷面處有層裂痕跡。RTD電極在高溫?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，會在鉑質(zhì)的薄膜測溫元件坯體內(nèi)形成顯微裂紋。在諸如機械沖擊、振動，工作溫度快速變化等嚴酷使用環(huán)境下，會使樣品內(nèi)應(yīng)力進一步加大，促使顯微裂紋蔓延和擴展，產(chǎn)生層裂和龜裂。反復(fù)的熱沖擊可使焊錫合金產(chǎn)生分離效應(yīng)而形成多鉛區(qū)，從而容易產(chǎn)生開裂，使樣品的機械強度下降甚至破碎，同時使引出電極的附著力下降以至脫落，最終導(dǎo)致電阻值上升到很高甚至無窮大。

2）剝離外絕緣層，發(fā)現(xiàn)鉑絲引出電極與外引出導(dǎo)線的焊接點（錫焊）已嚴重腐蝕，鉑引出電極已經(jīng)脫落開路。焊接點腐蝕的原因是焊接完成后沒有清除焊劑噴涂防腐劑或者是測溫元件組裝時保護套管內(nèi)沒有嚴密填充絕緣材料（如環(huán)氧樹脂、氧化鎂粉等），導(dǎo)致腐蝕性氣體侵入以及工作溫度的反復(fù)升降引起結(jié)露，加速了焊接點的腐蝕速率。

圖4 RTD陶瓷套管已斷

3）從解剖結(jié)果分析，RTD引出的2根信號線中有1根已經(jīng)斷開脫落，斷口正好處在陶瓷套管斷面處，分析認為斷口原因為高頻振動反復(fù)沖擊碰撞導(dǎo)致引出信號線根部磨損斷裂，同時整根陶瓷套管已斷為幾段，如圖4所示。

3.2.5 阻值低模式

測溫元件RTD的阻值略低于標準值，其故障原因有以下幾種。

1）外觀檢查發(fā)現(xiàn)，測溫元件信號引出線密封不良，在引出線連接處的密封膠伴有明顯的縫隙，致使水汽沿著縫隙進入內(nèi)部絕緣填料，造成測溫元件的絕緣電阻下降。

2）通過打磨測溫元件，解剖后發(fā)現(xiàn)RTD引出線僅在引出端部進行了封膠處理，而其內(nèi)部全是空隙，經(jīng)過長期的沖擊或晃動，在引出端部密封膠與引出導(dǎo)線間出現(xiàn)縫隙，導(dǎo)致水汽滲入其內(nèi)部，如圖5所示。

圖5 RTD引出端部出現(xiàn)縫隙

正常情況下測溫元件內(nèi)部的氧化鎂絕緣填料呈干燥的粉塵狀，微風(fēng)一吹會四處飛揚。但從解剖現(xiàn)場看，氧化鎂粉呈結(jié)塊顆粒狀，說明氧化鎂粉已經(jīng)受潮，其絕緣特性已經(jīng)喪失。

3）對解剖后的感溫元件進行測量，RTD阻值和顯示溫度值一致，說明RTD本身沒有損壞，在現(xiàn)場使用中溫度為零的原因是因內(nèi)部氧化鎂絕緣填料受潮造成。

4）對這支感溫元件多次振動和敲打后，發(fā)現(xiàn)RTD內(nèi)部出現(xiàn)開路狀況，說明這類陶瓷體感溫元件的抗振性能較差。

3.3 結(jié)論及建議

1）減小外來振動幅度及頻率 從RTD故障原因分析可知，振動引起的失效，占了很大的比例。樣品的故障模式及其特征，主要表現(xiàn)為電阻值增大。對此只要加以注意或減小外來振動幅度及頻率，就可有效地避免此類失效的發(fā)生。

2）提高RTD的抗疲勞能力 優(yōu)化RTD制造工藝，避免內(nèi)部顯微裂紋及層裂，改善引出電極的制備工藝，提高引出電極的附著力和強度；優(yōu)化熱處理條件，避免引出電極的熱疲勞及過大的機械應(yīng)力；選擇合理的老化篩選工藝條件，及早剔除早期故障產(chǎn)品，提高RTD的抗疲勞能力。

3）應(yīng)力加速壽命試驗表明 RTD的壽命服從威布爾分布，理論上預(yù)計其平均壽命應(yīng)在4萬h以上，如能合理選用材料和生產(chǎn)工藝，避免上述超常失效模式發(fā)生，不僅可大大延長RTD壽命，可靠性也會有更大的提高。

4）選用高質(zhì)量的RTD測溫元件 結(jié)構(gòu)上采用全鎧裝形式，優(yōu)選填充材料，優(yōu)化填充工藝，增加外導(dǎo)線的柔性和韌性，提高其抗疲勞和抗沖擊能力。由于陶瓷RTD在沖擊及振動情況下易造成破裂或引出線開路，建議采用光刻硅RTD元件，這種RTD具有良好的抗沖擊性和抗震性。

5）改善現(xiàn)場安裝條件 ①實驗證明，RTD的測量誤差隨其插入深度的增加而減少，因此，在安裝時一定要插到底；②引出線要留有一定的余地，以便在振動等環(huán)境條件下引出線能承受較大的沖擊和反復(fù)的扭折；③RTD外徑與安裝孔要盡可能精密配合，最好改為帶有彈簧結(jié)構(gòu)的螺紋固定方式，這樣即可使測溫元件與被測表面保持緊密接觸，又可消除RTD在安裝孔內(nèi)的串動和二次振動的形成，減緩RTD故障速率。

4 提高RTD測溫系統(tǒng)可靠性的對策

通過對抽水蓄能機組RTD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、引出信號線異常等原因引起。因此，必須從RTD制造、選用以及日常的安裝維護上著手，切實提高測溫系統(tǒng)的可靠性。

1）采用高品質(zhì)的RTD 盡管鉑電阻材料要優(yōu)于其他材料的測溫電阻，但鉑電阻芯片品質(zhì)也是千差萬別。采用濺射光刻工藝制作的Pt100芯片，具有溫漂小、長期穩(wěn)定性高特點，而且具有很好的抗沖擊和耐振動性能。

為了提高Pt100芯片引腳與引出導(dǎo)線或嵌裝導(dǎo)線的可靠焊接及良好的機械性能，Pt100芯片引腳普遍采用鉑鎳合金，從而保證焊接后引線的可靠連接和機械性能，可有效避免引出導(dǎo)線在RTD內(nèi)部斷開現(xiàn)象發(fā)生。

2）采用特制的導(dǎo)線 RTD及導(dǎo)線長期浸泡在潤滑油里會出現(xiàn)絕緣層變硬變脆現(xiàn)象，其原因是導(dǎo)線外層絕緣層材料不合理造成的，如當(dāng)導(dǎo)線的外層絕緣是PVC材料時，其耐油、耐溫性能比較差。

尤其是在溫度較高的場合，其耐油性能會大大降低而出現(xiàn)變硬、變脆現(xiàn)象。因此應(yīng)該選用耐油、耐高溫的聚烯氟乙丙烯導(dǎo)線，它具有優(yōu)良的耐油、耐腐蝕和耐熱性能，可在－250～250℃溫度內(nèi)長期使用。

3）在RTD與引出導(dǎo)線的結(jié)合部位加保護裝置 為解決導(dǎo)線根部斷線的問題，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況，選擇不同的保護形式，如錐形彈簧保護管、波紋管和鎧裝絲延伸保護等。

近年來發(fā)展起來的嵌裝RTD內(nèi)填高純度氧化鎂，同時具有導(dǎo)熱和絕緣性能，外套采用不銹鋼，具有耐高溫、抗腐蝕、耐沖擊和振動等特性，良好的機械性能可以任意彎折，大大提高了RTD的使用壽命和測溫可靠性。

4）測溫電阻及其導(dǎo)線的一體化屏蔽 理論上說磁場比電場更難屏蔽，對于強磁場干擾來說，網(wǎng)狀屏蔽是最有效的方案。由于推力和上導(dǎo)軸承靠近發(fā)電機，其強電場特別是漏磁產(chǎn)生的強磁場對RTD干擾十分強烈，因此做好屏蔽措施尤其重要。

測溫系統(tǒng)中間環(huán)節(jié)多，連接導(dǎo)線長，在布線時要特別仔細，在每個環(huán)節(jié)上都要求把導(dǎo)線的屏蔽層可靠的聯(lián)結(jié)，不允許屏蔽層中間連接出現(xiàn)斷開、接線端子盒蓋打開等現(xiàn)象，并切實做好屏蔽層的單點接地措施。

5）改變RTD信號傳送方式 對個別干擾比較強烈、難以防范的位置，可在現(xiàn)場加裝Pt100溫度變送器，將Pt100電阻信號就近轉(zhuǎn)換為4～20 m A信號，由于4～20 m A信號具有很強的抗干擾能力，因此可有效消除信號傳輸過程中產(chǎn)生的干擾，使監(jiān)控系統(tǒng)顯示的溫度恢復(fù)正常。

6）優(yōu)化溫度保護邏輯 對溫度單點保護問題，可以增加RTD開路和速率保護以及增加壞值判斷等功能，改善和提高溫度保護系統(tǒng)的可靠性。對重要溫度保護信號應(yīng)盡可能使用2取2或3取2判斷邏輯，消除因單點溫度信號異常而導(dǎo)致機組跳閘事故的發(fā)生。

5 結(jié)語

在抽水蓄能電站機組中電磁兼容是一個突出而重要的問題，而自動控制系統(tǒng)所涉及的信號基本上都是弱電信號，在信號的遠距離傳輸過程中極易受到電／磁場的干擾。但由于受到現(xiàn)場以及技術(shù)條件的限制，不可能對這些干擾現(xiàn)象進行實時監(jiān)測或仿真試驗，從而給防范干擾和消除干擾帶來較大難度。

因此，除了要在設(shè)計、選型、安裝等過程中嚴格把關(guān)外，加強日常的維護保養(yǎng)、定期進行檢查以及有針對性地采取一些行之有效的技改工作，確實是提高和改進抽水蓄能電站機組溫度測系統(tǒng)可靠性，確保機組穩(wěn)定運行的有效措施。