水電廠機組瓦溫測量系統(tǒng)

　　水電廠機組瓦溫測量系統(tǒng)運行情況直接影響整個電廠機組是否能夠安全運行，這因為機組瓦溫測量系統(tǒng)故障造成誤發(fā)信號會導(dǎo)致機組事故停機。這對于機組壽命及整個電網(wǎng)都會造成極大的影響，因此機組瓦溫測量系統(tǒng)在水電廠監(jiān)控系統(tǒng)中占有很重要的地位。為了便于大家理解水電廠機組瓦溫測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，根據(jù)我們長時間服務(wù)水電廠以及為水電廠提供專門的瓦溫測量電阻(RTD),我們在下面將對水電廠機組瓦溫測溫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)做一個簡單的描述。

　　水電廠機組瓦一般包括上導(dǎo)瓦、下導(dǎo)瓦、推力瓦、水導(dǎo)瓦，瓦的材料有巴氏合金瓦、俄羅斯的彈性金屬塑料瓦，如三峽用的是巴氏合金瓦，五強溪用的是彈性金屬塑料瓦。測溫電阻裝在瓦里邊，有的是直接與瓦接觸通過接觸法來測量機組瓦的溫度，有的是通過油、水間接來測量瓦溫的。

　　我們以推力瓦瓦溫測量示意圖來說明，其它位置的和這個類似：

　　1、 由上圖可以看出測溫電阻對推力瓦瓦溫進行監(jiān)測，一般水輪機的瓦數(shù)為偶數(shù)，如16快、24快等，每個瓦上裝有一個測溫電阻，有時根據(jù)現(xiàn)場不同的情況有的瓦裝有兩支測溫電阻，輸送到不同的監(jiān)測位置。水電廠測溫電阻的分度號不盡相同，用的最多的為Cu50和PT100。

　　2、 測溫電阻從瓦里出來后，有一段距離是在油槽中，在油槽中測溫電阻導(dǎo)線會根據(jù)現(xiàn)場的情況沿著某個方向盤在一起，最后從油槽里邊出來。出來后他們會就近接到如圖所示的端子箱1和端子箱2上，端子箱1、2根據(jù)現(xiàn)場情況可增減，如果推力或者推力油槽直徑較大可安排4個，尺寸小可安排2個，如三峽電廠在推力油槽部位設(shè)置了三個端子箱，漫灣電廠在推力油槽部位設(shè)置了兩個端子箱。這些端子箱到測溫電阻Pt100的引線為傳感器本身的引線。

　　3、 端子箱1、2出來后接到總端子箱上，這段距離一般為30米左右，根據(jù)不同的電廠情況不太相同，這一段導(dǎo)線走線比較困難，因此不易經(jīng)常更換。如果傳感器出問題要更換時，只更換端子箱1、2到推力瓦測溫電阻這一塊。端子箱1、2到總端子箱的引線為屏蔽導(dǎo)線，即Pt100引線。大部分電廠都設(shè)置有現(xiàn)地端子箱1、2，只有一小部分電廠取消了，如天生橋二級電廠等。

　　4、 總端子箱出來后會接到現(xiàn)地單元1監(jiān)控機的溫度巡檢裝置上，如上圖中的南瑞公司的SJ40C。它最多可以擴展到96路輸入，它的每路可以接入不同熱電阻，有兩路保護出口(可組態(tài))。當機組瓦溫升高時，鉑電阻阻值增大，模擬量信號改變，測溫巡檢儀根據(jù)模擬信號的改變判斷機組瓦溫，同時把信號傳遞給PLC，PLC通過對造、判斷、分析后，發(fā)出報警信號或停機信號。實現(xiàn)機組的安全運行。

　　根據(jù)大部分水電廠現(xiàn)場情況來看，在整個系統(tǒng)中，出問題最多的是由測溫電阻的斷線、導(dǎo)線的絕緣、開裂引起的。因此選用質(zhì)量可靠、性能穩(wěn)定的傳感器對整個測量系統(tǒng)有著重要的意義。

　　水電廠測溫電阻故障及解決辦法

　　測溫電阻是水電廠最重要的傳感器，水電廠測溫電阻運行情況直接影響發(fā)電機組是否能夠安全運行。在水電行業(yè)中，測溫電阻性能不穩(wěn)定、可靠性差是非常普遍的問題，由于性能不穩(wěn)定導(dǎo)致溫度信號誤報一直困擾著電廠的運行人員和檢修人員，嚴重時可造成機組事故停機的，這對于機組壽命及電網(wǎng)的安全都會造成不可估量的影響。因此，分析測溫電阻故障原因，提高測溫電阻的長期穩(wěn)定性和可靠性是非常緊迫的一項工作。

　　在我們服務(wù)于眾多電廠的過程中，經(jīng)常在現(xiàn)場碰到了形形色色的問題，起初我們以為是中小型水電廠存在這些問題，后來發(fā)現(xiàn)在三峽、廣蓄、小浪底等國外大機組中也存在這些問題，所以這些問題在全行業(yè)中帶有某些共性。在這里我們把這些問題羅列出來加以分析，并試圖解決這些問題。

　　水電廠的特殊性

　　對于測溫電阻來說，水電廠的運行環(huán)境是非常特殊的，這有別于其他的工業(yè)領(lǐng)域，如果把工業(yè)上通用的測溫電阻拿到水電廠使用是肯定要出問題的。這些特殊性表現(xiàn)為：

　　1、運行時間長、不易維護。瓦溫測溫電阻安裝在空間狹小不宜維護更換傳感器的地方，一般在大修時才有機會維護測溫電阻。而現(xiàn)在由于技術(shù)進步，大修周期越來越長，這就要求測溫電阻長期穩(wěn)定運行。

　　2、重要程度高。 推力軸承是發(fā)電機組的關(guān)鍵裝置之一，其中的測溫電阻又是監(jiān)測推力瓦運行狀態(tài)的的唯一手段。而且推力瓦溫測溫電阻，一般要求接保護，重要性不言而喻。而一般的工業(yè)領(lǐng)域沒有這么高的重要性。

　　3、運行環(huán)境惡劣。還是以推力瓦測溫電阻為例，傳感器及其導(dǎo)線長期浸泡在溫度較高的透平油里，并時刻承受油流的沖擊和機組的振動。在這樣的環(huán)境中很少有傳感器及導(dǎo)線能經(jīng)受長達5年的考驗。

　　4、電磁干擾的強度相當大。一般水電廠發(fā)電機的功率都非常大，發(fā)電機產(chǎn)生的強電場特別是漏磁產(chǎn)生的強磁場對上導(dǎo)瓦和推力瓦測溫電阻干擾非常大。這對傳感器及其導(dǎo)線的抗干擾能力的要求很高。

　　普遍存在的問題

　　正是由于水電廠測溫電阻使用環(huán)境的特殊性，使得水電廠測溫電阻普遍存在如下的問題。

　　1、長期穩(wěn)定性差、可靠性低。其實水電廠對測溫電阻的精度要求并不高，但對于傳感器的長期穩(wěn)定性和可靠性要求非常高。許多的電廠由于采用了長期穩(wěn)定性差的測溫電阻，在機組運行了幾年后，就會出現(xiàn)大量的誤報、跳變和沒有讀數(shù)等問題，使工程人員很難判斷到底是機組本身的問題還是測溫電阻的問題，如果推力瓦測溫電阻出現(xiàn)上述問題，就會造成跳機，釀成重大事故。

　　2、電纜折斷或外皮開裂。電纜在根部折斷現(xiàn)象幾乎在每個電廠都有，電纜長期浸泡在流動透平油中，如果不做特殊的處理，時間長了導(dǎo)線就會在傳感器根部斷開。根部斷線的故障占了測溫電阻故障的一半左右，應(yīng)該引起重視。另外，電纜外皮在高溫及腐蝕性的透平油環(huán)境中也會開裂。

　　3、傳感器及導(dǎo)線沒有屏蔽，或有屏蔽但沒有接好。許多電廠都沒有對測溫電阻實施有效的屏蔽，使發(fā)電機的強電場和強磁場對測溫電阻干擾并把干擾信號導(dǎo)入測溫回路中，造成測溫不準。我們見到過，推力瓦測溫電阻感應(yīng)漏磁信號達到110V。這使得測量值無任何意義，還會導(dǎo)致回路中的其他器件損壞。測溫電阻和整個測溫回路，導(dǎo)線多且長，接線環(huán)節(jié)多，屏蔽要求在整個環(huán)節(jié)中都要有可靠的屏蔽，只要有一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，屏蔽就會無效。

　　4、傳感器安裝不規(guī)范。一般在安裝瓦溫電阻時要求傳感器與瓦體剛性連接，最好是螺紋連接，瓦內(nèi)的導(dǎo)線也要可靠固定，特別是根部導(dǎo)線要與傳感器固定在同一個剛體上。但我們見到有些電廠在安裝軸瓦測溫電阻時只是簡單的放置在瓦孔內(nèi)，還有些是用環(huán)氧樹脂灌封在孔里。這些都是不規(guī)范的安裝方式，這樣的安裝方式都不能有效地保護導(dǎo)線根部。

　　5、線制和接線問題。線制就是測溫電阻的引出線方式，如：4線制、3線制和2線制，線制決定了傳感器導(dǎo)線的電阻對測量結(jié)果的影響。其中4線制和3線制可以把導(dǎo)線電阻對測量結(jié)果的影響降到最低，而2線制則可以。以20米電纜為例，導(dǎo)線的電阻為3歐姆，換算成溫度值是6℃， 這個誤差是非常大的。三線制接線方式，同樣是20米的導(dǎo)線，只有0.1歐姆被加到了系統(tǒng)里，產(chǎn)生0.2℃的誤差，這個誤差是可以接受的，這說明導(dǎo)線電阻幾乎不會影響到測量結(jié)果。如果用四線制測量，則導(dǎo)線電阻的影響可完全不計。我們看到很多電廠采用2線制測溫電阻，或把3線制接成2線制的，或者在中間某個環(huán)節(jié)接成2線制。無論如何這都會產(chǎn)生很大的誤差。可能有人會在后端溫度模塊上對此進行補償，但面對不同類型不同長度的導(dǎo)線進行補償就不是一種好方法了。

　　6、傳感器尾部結(jié)構(gòu)問題。傳感器尾部結(jié)構(gòu)有全密封的和帶連接器的區(qū)別，現(xiàn)在起碼有一半的電廠在使用尾部連接器的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是方便拆卸，一旦傳感器有問題可以在不用動導(dǎo)線的情況下把傳感器換下來。但這樣的結(jié)構(gòu)只適合安裝在油水冷卻器或空冷器的地方，對于軸瓦的溫度監(jiān)測就不合適了。例如在推力軸承內(nèi)傳感器是完全浸泡在透平油里，而且透平油在不停地流動著，加上軸瓦的振動，尾部連接器非常容易漏油或觸點脫開，從而降低了傳感器的長期穩(wěn)定性。實際上如果傳感器本身長期穩(wěn)定性高，應(yīng)該是很少維護或根本不需要維護。

　　7、Pt100和Cu50的問題。這是測溫電阻分度值的問題，Pt100和Cu50是目前電廠最常用的測溫電阻，基本上99%的水電廠都在使用。Pt100是用鉑金材料作為敏感元件，Cu50是用銅做敏感元件。Cu50與Pt100的比較有幾個缺點：首先銅比鉑的阻值小，需要很長的銅絲繞制成敏感元件，鉑則相對短一些，一般的越長越細的材料可靠性越低。第二，鉑電阻是主流的測溫電阻，大的制造商、特別是德國廠家都以光刻濺射工藝生產(chǎn)Pt100芯片，非常成熟可靠。幾乎沒有廠家生產(chǎn)Cu芯片，這樣如果要用Cu50產(chǎn)品只有自己繞制線圈來做敏感元件，可靠性大大降低。這也就是有些電廠使用的Cu50測溫電阻經(jīng)常壞的原因。

　　8、非常好的傳感器用錯了地方。在三峽和小浪底等電廠，由于是VOITH 和ALSTON的機組，所以傳感器都是瑞士或德國的傳感器。傳感器本身非常好，但由于不是為特定的使用環(huán)境制作的傳感器，結(jié)果也經(jīng)常出現(xiàn)一些問題。如：傳感器結(jié)構(gòu)的問題、導(dǎo)線在根部斷開的問題。不同的電廠有不同的特點，對測溫電阻的要求也是不同的，到現(xiàn)在為止，我們還沒有發(fā)現(xiàn)測溫電阻完全一樣的水電廠。對于特定的電廠而言，測溫電阻沒有針對性的進行設(shè)計，再好的傳感器也仍然會出問題。

　　解決辦法

　　一切努力都是為提高測溫電阻的長期穩(wěn)定性和可靠性。這要求在測溫電阻的制造和安裝各個環(huán)節(jié)上下功夫。

　　1、 采用高品質(zhì)的Pt100芯片。前面提到了鉑電阻要優(yōu)于其他材料的測溫電阻，而鉑電阻芯片的品質(zhì)也是千差萬別的。應(yīng)該采用濺射光刻工藝制作的Pt100芯片，精度要求達到A級。這類芯片的漂移很小，長期穩(wěn)定性高，而且抗沖擊和振動。芯片引腳采用鉑鎳合金。因為芯片引腳最終要和導(dǎo)線或鎧裝絲的芯線焊接，焊接容易導(dǎo)致金屬材料發(fā)脆而斷開，所以這也是個薄弱環(huán)節(jié)。芯片引腳采用鉑鎳合金可以保證焊接后引線的機械性能，避免導(dǎo)線在傳感器內(nèi)斷開。

　　2、 采用特制的導(dǎo)線。導(dǎo)線長期浸泡在油里出現(xiàn)變硬變脆是由于導(dǎo)線最外層絕緣層材料選擇不合理造成的，例如導(dǎo)線的外皮材料是PVC材料，其耐油、耐溫性能比較差。在溫度較高場合，它的耐油性能會大大的降低，使用壽命會縮短很多。在較高溫度的油中長時間浸泡后，導(dǎo)線會出現(xiàn)變硬、變脆的現(xiàn)象。我們選用耐油、耐溫的導(dǎo)線材料。我們選用的是聚全氟乙丙烯(FEP)簡稱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。除在高溫高壓下氟元素和熔融狀態(tài)的堿金屬對它有腐蝕作用，其它諸如強酸(包括濃硝酸和王水)、強堿、強氧化劑、油脂、酮、醚、醇等即使在高溫下 也對它不起作用。另外它的耐開裂性能也非常突出，可以徹底解決導(dǎo)線長時間泡在油中出現(xiàn)開裂的問題。

　　3、 在導(dǎo)線與測溫電阻的結(jié)合部位加保護裝置。主要解決導(dǎo)線根部斷線的問題。根據(jù)現(xiàn)場的情況，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。這里特別要強調(diào)鎧裝絲延伸保護方式，將傳感器內(nèi)部的鎧裝絲一直延伸出來，這樣導(dǎo)線受到油流沖擊的部分全部是鎧裝絲，實際上鎧裝絲是可以任意彎折的不銹鋼導(dǎo)線，抗腐蝕、沖擊和振動的性能非常好，這樣可徹底解決導(dǎo)線受油腐蝕和沖擊的問題。使用壽命更久，性能更可靠。

　　4、 測溫電阻及其導(dǎo)線的一體化網(wǎng)狀屏蔽。理論上說磁場比電場更難屏蔽，對于強磁場的干擾來說，網(wǎng)狀屏蔽是最有效的方案。由于推力和上導(dǎo)軸承最接近發(fā)電機，所以推力和上導(dǎo)瓦的測溫電阻的網(wǎng)狀屏蔽特別重要。測溫系統(tǒng)的導(dǎo)線多且長，中間環(huán)節(jié)又多，在布線時要特別仔細，在每個環(huán)節(jié)上都要求把導(dǎo)線的屏蔽線可靠地接到公共接地端。

　　5、 三線制以上的接線方式。我們推薦用三線制的接線方式，傳感器本身要做成三線制的，測溫系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)都要用三線制的方式來接線，這樣才能有效的保證測量精度。這里特別強調(diào)，一定不要采用二線制的接線方式。

　　6、 封裝工藝和結(jié)構(gòu)。全鎧裝封裝工藝，采用德國專業(yè)化廠生產(chǎn)的鎧裝絲，這種鎧裝絲經(jīng)過高純度氧化鎂填充、高溫干燥、拉絲、滾軋和退火的工序制作完成，其特點是壽命長、響應(yīng)速度快、機械強度高和絕緣性好。用于瓦溫和瓦內(nèi)油溫的測溫電阻一定不要采用尾部連接器的結(jié)構(gòu)。

　　7、 定做測溫電阻。對于特定的電廠，測溫電阻都要有針對性地進行設(shè)計和制造.

　　水電廠測溫電阻導(dǎo)線問題原因分析和解決方案

　　一、水電廠測溫電阻導(dǎo)線問題：

　　1、導(dǎo)線長期浸泡在導(dǎo)軸承、推力軸承油槽里，使導(dǎo)線變硬變脆，導(dǎo)線很難彎折。導(dǎo)線表面出現(xiàn)很多裂紋，嚴重時導(dǎo)線里邊的芯線也出現(xiàn)裂紋，導(dǎo)線線芯裸露在外邊。

　　2、導(dǎo)線根部斷線情況比較嚴重，有的直接斷掉，有的外部絕緣層斷開。

　　3、導(dǎo)線線徑太小，包括導(dǎo)線外徑和單股導(dǎo)線芯線的線徑。

　　二、原因分析：

　　1、 導(dǎo)線長期浸泡在油里出現(xiàn)變硬變脆是由于導(dǎo)線最外層絕緣層材料選擇不合理造成的，例如導(dǎo)線的外皮材料是PVC材料，其耐油、耐溫性能比較差。在溫度較高場合，它的耐油性能會大大的降低，使用壽命會縮短很多。在較高溫度的油中長時間浸泡后，導(dǎo)線會出現(xiàn)變硬、變脆的現(xiàn)象。

　　2、 導(dǎo)線根部斷線的情況根據(jù)不同的機組、現(xiàn)場使用環(huán)境會有不同，其中推力出現(xiàn)斷線的可能性最大。導(dǎo)線根部斷線原因如下：

　　1) 導(dǎo)線長時間受到油流的沖擊。機組運轉(zhuǎn)起來，形成流動的油膜不斷作用在導(dǎo)線的根部。導(dǎo)線根部是剛性(傳感器)和柔性(導(dǎo)線)連接的部位，正好是一個應(yīng)力容易集中的部位，這樣很容易造成導(dǎo)線材料的疲勞，從而出現(xiàn)斷線情況。

　　2) 不同的機組、現(xiàn)場的使用環(huán)境。抽水蓄能機組和混流式機組的現(xiàn)場使用環(huán)境就不太相同，抽水蓄能機組由于大軸的旋轉(zhuǎn)方向頻繁切換，因此機組瓦溫測溫電阻根部會受到兩個相反方向油流作用力的來回沖擊，這樣傳感器根部出現(xiàn)斷線的可能性更大。另一種情況是抽水蓄能機組的開停機頻率遠遠高于其它形式的機組，這就要求傳感器的可靠性能更高。

　　3、 導(dǎo)線外徑不符合現(xiàn)場的使用環(huán)境和機組的具體要求，對于不同容量的機組，其油膜甩起來的速度，沖擊力都不盡相同，要按照現(xiàn)場的具體情況選擇合適的導(dǎo)線外徑，導(dǎo)線線徑太小，很難承受一定的作用力，對傳感器的壽命會構(gòu)成影響。

　　三、解決方案

　　1、我們選用耐油、耐溫的導(dǎo)線材料。我們選用的是聚全氟乙丙烯(FEP)簡稱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。除在高溫高壓 下氟元素和熔融狀態(tài)的堿金屬對它有腐蝕作用，其它諸如強酸(包括濃硝酸和王水)、強堿、強氧化劑、油脂、酮、醚、醇等即使在高溫下 也對它不起作用。另外它的耐開裂性能也非常突出，可以徹底解決導(dǎo)線長時間泡在油中出現(xiàn)開裂的問題。

　　2、我們對導(dǎo)線根部做了保護裝置。

　　1)們給傳感器后端做了彈簧保護裝置，防止油流沖擊、振動、彎折造成的導(dǎo)線根部斷線。

　　2)我們將傳感器根部用鎧裝絲一直延伸出來，這樣導(dǎo)線受到油流沖擊的部分全部是鎧裝絲，由于鎧裝絲是可以任意彎折的，這樣導(dǎo)線就成了具有不銹鋼外殼的導(dǎo)線，徹底解決導(dǎo)線受油腐蝕和沖擊的問題。使用壽命更久，性能更可靠。

　　4、我們導(dǎo)線的外徑大小可以根據(jù)電廠的實際情況和客戶的具體要求來定做，我們給別的電廠提供的測溫電阻導(dǎo)線外徑分別是:三芯、四芯的為5mm左右，6芯的為6mm左右。導(dǎo)線是帶網(wǎng)裝屏蔽層，線芯為鍍銀線芯，性能非常穩(wěn)定。