離相封閉母線測溫元件故障分析及處理

（國家能源集團大渡河大崗山水電開發有限公司，四川省石棉縣 625409）

0 引言

大崗山水電站發電機組為混流式發電機組，發電機與變壓器采用單元接線方式，機組出口通過全連離相封閉母線與主變壓器相連。勵磁變壓器、機端電壓互感器柜、主變壓器低壓側電壓互感器柜、廠用變壓器通過分支回路母線與主回路封閉母線相連。全連封閉母線主母線外徑1450mm、壁厚度8mm，主母線導體外徑950mm、壁厚度16mm。分支封閉母線外徑650mm、壁厚度5mm，導體外徑150mm、壁厚度12mm。在發電機機端主回路母線外殼處、勵磁變壓器分支母線端部、機端PT（YH）柜分支母線端部、主變壓器低壓側PT（YH）柜分支母線端部、廠用變壓器分支母線端部、主變壓器低壓側主回路母線外殼上分別安裝有三相短路板，使得封閉母線三相外殼間形成閉合回路，同時短路板經接地銅排引至電站接地網可靠接地。

1 離相封閉母線測溫概況

大崗山水電站離相封閉母線總共4處設置有測溫系統，每處包含三相導體測溫和外殼測溫裝置，裝設位置分別位于離相封閉母線與機組出口斷路器（GCB）兩側連接處，封閉母線與主變壓器低壓側連接處、封閉母線與發電機出口連接處。JPB導體測溫裝置及其安裝位置分別如圖1、圖2所示。

圖1 IPB導體測溫裝置Figure 1 IPB conductor temperature measurement device

大崗山水電站采用Pt100鉑熱電阻測溫元件對離相封閉母線外殼進行測溫，采用Pt100測溫元件三線制接線方式，利用三線制是為了更好地削弱因測溫元件引出線電阻所產生的測量偏差，一般情況下，鉑熱電阻回路是一個不平衡電橋電路，熱電阻充當其中一個電橋的橋臂電阻，與它連接的導線阻值也疊加在橋臂電阻當中，這部分導線電阻隨外界溫度變化而變化，存在諸多不確定因素，使得鉑電阻溫度測量產生偏差，以三線制接線方式，將導線第一根接電橋電路的電源端，第二根接到熱電阻所在的橋臂，第三根接到其相鄰的橋臂上，如此一來就根除了導線回路電阻帶來的測量偏差。

圖2 IPB導體（外殼）測溫裝置安裝位置Figure 2 Installation position of IPB conductor （shell）temperature measuring device

離相封閉母線導體測溫是利用導體發出的紅外線來測量溫度的紅外測溫傳感器，紅外測溫原理是黑體輻射定律，自然界中一切高于絕對零度的物體都在不停向外輻射能量，物體的向外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的聯系，物體的溫度越高，所發出的紅外輻射能力越強[1]。紅外測溫不需要像鉑電阻那樣直接接觸被測物體才能感知溫度，而是非接觸就能直接測量物體溫度，它的工作原理是利用所測物體發出的紅外線能量，紅外傳感器將測量的紅外能量轉換成電信號，再將電信號轉換成溫度值用于顯示。

測溫控制器采用的UDIAN溫度控制器，用于接收外殼測溫Pt100鉑熱電阻電阻值顯示外殼溫度，也接收紅外測溫傳感器輸出的4～20mA模擬量信號顯示導體溫度，并將溫度值上送至電站監控系統，當被測物體溫度異常升高時，裝置具有高溫報警輸出功能，便于運行人員及時發現并進行相關處理。全連離相封閉母線在正常運行情況下，每個位置溫度情況對應表1要求。

表1 離相封閉母線各部位最熱點的允許 溫度和溫升限值表Table 1 Allowable temperature and temperature rise limits of the most hot spots in the off- phase closed bus

2 故障情況

大崗山水電站4臺發電機—變壓器組自2015年9月投產以來，主變壓器低壓側IPB測溫故障共發生31次，其中離相封閉母線與主變壓器低壓側連接處導體測溫故障13次，外殼測溫故障18次。其余部位測溫故障發生共計2次。離相封閉母線測溫故障統計如表2所示。

表2 離相封閉母線測溫故障統計表Table 2 Temperature fault statistics of off-phase closed bus

根據對以上故障數據分析，得出測溫儀表及測溫元件的故障位置幾乎都發生在封閉母線與主變壓器低壓側連接處，而從以往運行的情況發現，故障時間通常發生在主變壓器充電投入運行或線路跳閘后的重合閘期間。對于其余部位的測溫元器件，在運行設備高電壓、強磁場復雜環境下溫度測量正常，只有偶爾會因測溫元器件本身原因或自然老化引起故障。IPB導體測溫裝置故障示例如圖3所示。

圖3 IPB導體測溫裝置故障Figure 3 Failure of IPB conductor temperature measurement device

3 母線測溫系統故障原因分析

3.1 主變壓器操作過電壓對測溫元器件放電

主變壓器通過電磁感應原理將高、低壓繞組聯系起來，當主變壓器由熱備用轉運行或線路跳閘后的重合閘時，產生的操作過電壓首先作用于高壓繞組，然后在高、低壓繞組間產生電磁振蕩，形成比變壓器正常運行時更強的電磁場[2]。由于主變壓器低壓側與全連離相封閉母線外殼連接處通過三相短路板互聯后直接接于地網，當與主變壓器關聯開關狀態發生變化時，此時主變壓器受到操作過電壓沖擊，在電磁振蕩產生的強交變電磁場作用下，封閉母線外殼表面瞬間產生較多感應電荷，這些感應電荷會經過三相短路板流入大地，根據電流密度等于電荷量與時間的比值關系得知，此時感應電荷多，流入大地的時間短，因此電流密度較大，該大電流通過短路板接地必然形成壓降，會在安裝測溫元件處形成過電壓（測溫元件安裝位置靠近三相短路板），此過電壓將對主變壓器低壓側封閉母線外殼的測溫元件放電，電荷經過測溫元件外殼、芯線及屏蔽層到達溫度控制器，造成裝置板件損壞。

圖4 測溫元件安裝于IPB外殼表面Figure 4 The temperature measuring element is installed on the surface of the IPB shell

3.2 電磁場干擾

根據現場實際情況，紅外測溫元件及鉑熱電阻引出線敷設路徑沿封閉母線外殼、主變壓器器身表面到達溫控裝置，導線在經過強電磁場區域內，傳感器引出線及屏蔽層因電磁感應勢必產生感應電壓[3]。一方面，當測溫裝置接地不可靠時，電纜屏蔽層僅在傳感器端直接接地，雖可消除屏蔽層循環電流，減少干擾，但在合閘沖擊時，金屬屏蔽接地不良端可能會出現很高的沖擊過電壓，造成溫度控制器測溫異常甚至板件損壞。另一方面，測溫裝置端接地良好，因測溫元件直接安裝在封閉母線外殼上，此時引出線屏蔽層兩端可靠接地，屏蔽層受電磁場干擾的影響使屏蔽層形成接地環流，此環流可能起到對電流信號削弱或者增強的效果，造成設備損壞[4]。

3.3 漏磁導致測溫元件發熱

大崗山水電站主變壓器低壓側與封閉母線導體采用專用銅編織線伸縮節相連。在封閉母線外殼端部經過三相短路板連接形成閉合電氣回路，類似變壓器工作原理一樣，封閉母線導體相當于一次側，母線外殼近似二次側，空心變壓器變比為1:1，因為三相封閉母線外殼端部接地，即空心變壓器二次繞組短路，母線鋁外殼電阻值極小，當一次側導體通過電流時，二次側短路外殼電磁感應出與導體電流大小基本一致且方向相反的電流。為避免此電流流入變壓器本體，主變壓器與封閉母線外殼通過橡膠伸縮套連接，起到有效的電氣隔離作用。

圖5 外殼連接采用橡膠伸縮套Figure 5 Rubber expansion sleeve is used for housing connection

因主變壓器低壓側與離相封閉母線連接的這段外殼用橡膠伸縮套連接，不能有效地將母線通過電流時產生的磁場束縛在外殼內部，使得母線電磁場泄漏于外殼以外形成漏磁，金屬外套的測溫元件長期在漏磁的作用下，形成渦流，導致測溫元件不斷發熱，高溫燒損設備。

4 改造方案

4.1 溫度傳感器防護

大崗山水電站紅外測溫探頭和PT100測溫探頭保護套均是鋁金屬材料制成，測溫元件鋁保護套通過螺栓連接方式嵌入離相封閉母線外殼內，與母線外殼充分接觸，在復雜的交變磁場情況下，為消除測溫元件引出線屏蔽層內產生的環流和變壓器操作過電壓時外殼感應電壓對測溫元件放電，將測溫探頭鋁保護套與離相封閉母線之間增加環氧樹脂絕緣材料，使測溫元件與離相封閉母線外殼進行有效的電氣隔離。紅外測溫探頭和PT100測溫探頭絕緣套設計如圖6所示。

由于原測溫電阻探頭偏短，套上絕緣探頭后探頭感溫部分遠離被測部位，所以重新設計測溫電阻，新測溫電阻如圖7所示。

圖6 測溫探頭絕緣套加工圖及安裝示意圖Figure 6 Processing chart and installation schematic diagram of temperature probe insulation sleeve

圖7 新測溫電阻示意圖Figure 7 Schematic diagram of new temperature resistance

測溫電阻絕緣套加工圖及安裝示意圖8所示。

圖8 測溫電阻絕緣套加工圖及安裝示意圖Figure 8 Processing diagram and installation diagram of temperature resistance insulation sleeve

4.2 降低電磁場干擾

二次信號電纜在強電磁場作用下，若屏蔽不到位，容易對其傳輸的模擬量形成較強的干擾，造成數據失真。根據現場實際，首先借鑒本站500kV高壓電纜金屬套的接地方式，采用金屬屏蔽層一端接地方式，在正常運行時強電磁場或者過電壓情況下，不接地端容易產生高電壓，出于安全考慮，選擇將測溫元件端懸空，測溫裝置端直接接地，這樣合理地消除了金屬屏蔽層內的感應環流對模擬量造成的干擾。再者，將測溫元件引出線外面套裝上金屬管，并且將該金屬管兩端可靠接地，進一步削弱主變壓器周圍電磁場對引出線屏蔽層的干擾強度，從而降低單端接地而產生的非接地端高電壓。

5 結束語

大崗山水電站離相封閉母線測溫系統此次改造最大的特點就是將測溫元件與封閉母線外殼進行電氣隔離，方法簡單易行，費用低，周期短，但因外殼測溫元件與封閉母線之間有絕緣材料隔離，測溫動態響應較差，熱傳遞過程中存在熱量損失，所測溫度與實際溫度存在一定偏差，所以測溫裝置需進行溫度補償，以確保測量溫度的準確性。

目前，無線測溫技術已經非常成熟，但應用在高電壓、大電流封閉母線的案例還不多，實際效果還有待檢驗。另外，無線測溫傳感器如果能通過電磁感應獲取工作電源，則能減少后期維護工作量。