大型水力發電機組溫度傳感器故障分析及改進措施

王茹玉，茍小軍，羅宏平

（國網甘肅劉家峽水電廠，甘肅省永靖縣 731600）

0 引言

劉家峽水電廠1～4號機組為懸吊式水輪發電機組，推力、上導、水導三部軸承支撐機組運行時的軸向力和徑向力，軸承溫度是監測機組運行狀態的重要手段，軸瓦溫度接入機組保護，若溫度超高則會報警或停機，重要性不言而喻。但在機組運行過程中，特別是汛期大發電機組長周期運行時，各軸瓦測溫電阻出現不同程度的誤報、跳變和沒有讀數等問題，很難判斷到底是機組本身的問題還是測溫電阻的問題，給機組的安全運行帶來隱患。

1 水輪機組測溫系統簡介

在工業應用中，溫度測量有熱電偶和熱電阻兩種測量原理。熱電阻是基于電阻的熱效應進行溫度測量的，即電阻體的阻值隨溫度的變化而變化的特性。因此，只要測量出感溫熱電阻的阻值變化，就可以測量出溫度。目前應用最廣泛的金屬熱電阻材料是鉑和銅，常用的分度號有Ptl00和Cu50兩種[1]。劉家峽水電廠機組軸承部分均采用Ptl00測溫電阻。

測溫電阻安裝在生產現場，與控制盤柜之間存在一定的距離，電阻信號通過引線傳遞到計算機采集模塊上。一般采用的信號連接方式有二線制、三線制、四線制。由于劉家峽水電廠機組軸瓦溫度超過定值后直接動作于發信號和跳閘，對溫度測量精度有較高要求，為將電纜電阻不平衡對測量結果的影響降到最小，所以軸瓦溫度測量采用三線制接線方式[2]。

2 存在問題

統計數據（見表1）后發現，測溫電阻運行中主要存在：測量值頻繁跳變；測溫元件短路，阻值為0Ω；測溫元件斷路，阻值為∞；顯示值與實際測量值偏差大等問題。

表1 4～11月測溫系統缺陷統計表Table 1 Statistical table of defects in temperature measurement system from April to November

3 故障原因分析

3.1 運行時間長、不易維護

推力及各導軸承瓦測溫電阻安裝在空間狹小不宜維護更換的地方，機組運行過程中傳感器和部分導線長期浸泡在溫度較高的透平油中，并時刻承受油流的沖擊和機組的振動，因此機械破壞較為嚴重。由于軸承位置測溫元件一般在A級檢修進行機組分解時才有機會檢查維護。在平時若需對故障元件進行處理，需申請機組非計劃停機，并進行排油、拆除彈簧油箱、抽瓦等一系列工作，停機時間長、難度大。因此，在正常運行時測溫電阻出現跳變、斷線等現象時，通常無法及時處理，需將故障點暫時退出運行。而軸承溫度屬于機組運行的重要參數，長期缺失軸承部分測點溫度，會使運行人員無法及時、準確判斷機組運行情況，直接危及設備安全穩定運行。

3.2 測溫電阻自身問題

3.2.1 元件固定部位無彈簧

由于安裝在軸瓦部位的測溫元件在運行時一直受到持續振動，固定部位無彈簧無法緩沖振動對元件造成的影響。

3.2.2 測溫導線外部無保護

測溫導線耐油、耐腐蝕、耐熱性能比較差；長期在油浸的環境中，容易出現變硬、變脆、外皮開裂等現象，縮短其使用壽命；長期振動會導致導線在傳感器根部斷開（見圖1、圖2）。經現場檢查發現，根部斷線的故障幾乎占了測溫電阻故障總數的50%。

圖1 傳感器根部斷線Figure 1 Root wire of the sensor is broken

圖2 傳感器根部斷線Figure 2 Root wire of the sensor is broken

3.3 測溫電阻安裝問題

3.3.1 導線轉接問題

測溫電阻出線較短造成在油槽中轉接點較多，每個轉接點都要焊接，油槽中位置狹小，焊接操作不便，容易出現虛焊、脫焊等現象，導致測溫元件在運行中受到振動及油流沖擊后出現焊點部位斷開。如：以劉家峽水電廠4號機組為例，推力及上導油槽內測溫電阻導線轉接采用螺桿轉接，測溫元件引線與測溫電纜導線通過螺母固定在環氧板上，以達到轉接目的。但在機組檢修分解時發現，轉接環氧板接線端子容易松動和氧化，造成接觸不良，引起溫度值跳變。

3.3.2 油槽中布線不規范

導線固定、綁扎采用塑料扎帶，容易傷及導線外皮。油槽內的固定線卡材質為薄鐵皮，其邊緣較尖銳，若導線外皮不包裹保護層，很容易被尖銳部分損壞而留存隱患。有的布線在油槽中固定不牢靠，機組運行時油流、浪涌造成測溫線在接頭處斷線，如圖3所示。

圖3 測溫引線被磨損Figure 3 Temperature leads are worn

3.3.3 測溫電阻及導線沒有實施有效屏蔽

由于所使用的測溫電阻引線較細，屏蔽層薄弱，在進行轉接時，測溫電阻外屏蔽與測溫電纜外屏蔽未有效連接，發電機在運行時產生的強電場特別是漏磁產生的強磁場對測溫回路產生較大干擾[3]，導致溫度出現跳變現象。

4 改進措施

4.1 對測溫電阻進行改進

在元件固定部位加裝特制彈簧，如圖4所示，緩沖機組振動對測溫元件的影響；為測溫引線選擇具有優良的耐油、耐腐蝕和耐熱性能的外層絕緣材料，延長導線使用壽命；使用具有致密網狀屏蔽的測溫導線，減小強磁場對測溫元件的干擾。

圖4 固定部位加裝特制彈簧Figure 4 Special spring is installed on the fixed part

在導線與測溫電阻的結合部位選擇波紋管和鎧裝絲延伸保護，如圖5所示。這里特別要強調鎧裝絲延伸保護方式，將傳感器內部的鎧裝絲一直延伸出來，這樣導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線防護層，抗腐蝕、沖擊和振動的性能非常好，這樣可徹底解決導線受油腐蝕和沖擊的問題。使用壽命更久，性能更可靠。

圖5 延伸保護Figure 5 Extended protection

4.2 規范測溫電阻安裝、布線

（1）推力、上導、水導油槽內，油旋轉速度很快，對測溫電阻探頭和導線的連接部位沖擊力很大，現場安裝時盡量順著油流沖擊的方向布線以減少油流對探頭根部導線的沖擊[4]。

（2）測溫電阻導線在油槽內走線，每隔500mm用白布帶綁扎，然后用調配好的絕緣漆，涂刷至白布帶綁扎處，使其同化、引線集結成束，減少油流沖擊的影響。

（3）沿軸瓦托架將測溫電阻引線集結成一束，用線卡將線束固定在油槽壁或支架上。采用由耐油橡膠包裹著的線卡，防止導線外皮被磨破，避免導線在油槽內發生機械損壞。線卡較大時，先用白布帶將線束纏繞后，再用線卡固定。

4.3 改進油槽出線裝置

采用特殊定制的油槽出線裝置，如圖6所示，解決導線出油槽時漏油、安裝不便等問題。油槽出線裝置的基礎板及隔油鎖扣均采用304不銹鋼，可保證機組檢修分解中不發生拆裝變形。鋼板上布置有若干通透的穿線孔，導線穿出后旋緊隔油鎖扣，鎖扣內部的密封條能極好的貼合導線外皮，杜絕機組運行時的壓力油從出線孔中滲漏。采用該裝置后導線無需一根根焊接或通過螺桿轉接，而是從油槽中直接穿出至油盆外壁的接線端子箱。減少中間轉接環節，具有工藝簡單、防護等級高等優點。目前劉家峽水電廠1～4號機組油槽出線裝置已全部更換，運行中未出現滲漏油現象。

圖6 油槽出線裝置Figure 6 Oil groove outlet device

4.4 重要監測點采用冗余配置

由于機組正常運行期間，一旦發生測溫元件損壞，更換難度極大，為了提高運行可靠性，應盡量在推力及導軸承等重要部位，使用雙支式測溫電阻。即在同一鎧裝外護套內布置兩支同一分度號、同等精度的熱電阻，用于測量同一點溫度。測溫元件引出導線應使用六線制，以消除引線電阻不平衡對測量結果的影響。

采用雙支式測溫電阻可在同一位置引出兩個測量點，兩個測點的引線均引出至油盆外壁的接線端子箱。正常情況下一支運行，一支作為備用。在元件出現故障時，僅在端子箱處將外接電纜接至備用元件即可，減少了因單支電阻損壞后無法更換造成的設備隱患。

5 結束語

本文分析了水電廠測溫電阻運行過程中出現的斷線、測量值瞬間達到最大值等問題的原因，并提出了以下改進措施：

圖7 雙支式測溫電阻結構示意圖1—測溫引線；2—測溫元件固定螺栓；3—熱電阻Figure 7 Schematic diagram of double - branch temperature resistance

（1）改進測溫電阻。

（2）規范測溫電阻安裝、布線。

（3）改進油槽出線裝置。

（4）重要監測點采用冗余配置。

按上述方法逐步對劉家峽水電廠1～4號機組軸承部分測溫電阻進行了改造，運行情況表明，改進后的測溫電阻在五年一次的A級檢修期內可以安全可靠穩定運行，避免了元件誤報、損壞等造成的停機檢修，實踐證明該方法可操作性強，能夠很好地在現場實施應用，對其他在運水電站測溫電阻改造和新建水電站測溫電阻選型、安裝具有借鑒意義。