水电站发电机组测温系统设计.docx

水电站发电机组测温系统设计.docx

《水电站发电机组测温系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水电站发电机组测温系统设计.docx（18页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

水电站发电机组测温系统设计

1.引言

水力发电厂发电机组温度的测量监控主要包括机组轴承（推力轴承、导向轴承）、发电机铁芯与绕组、发电机冷却水（风、油）等部位的运行温度监测。

发电机组的运行温度是发电厂最主要的非电气量监控参数，它直接关系到发电机组的安全稳定运转和发电机组的工作寿命。

测温热电阻是水电厂最主要的传感器之一。

由于发电机组的特殊性，测温元件的安装和工作环境相对较差，这使得热电阻（含引接线）容易出现断线、短路、受强磁场干扰等故障，从而导致整个测温系统工作的稳定性和可靠性很差。

热电阻误发误报温度信号可能造成运维人员对机组运行工况的误判断，可能导致继电保护动作使机组跳闸停机，造成发电厂和电网不必要的损失。

因此有必要认真的分析研究发电机组测温装置（主要针对热电阻）的选择、安装、接线方式；总结在实际工作中发现的热电阻常见故障与其处理方法。

这对水电厂发电机组和整个电网的安全稳定运行有着较大的实际意义。

本文主要是从水电厂发电机组测温热电阻工作的特殊性、热电阻普遍存在的问题和解决和改进方法、热电阻的选择、热电阻的接线方式、热电阻的安装要点、测温系统的设计方案等几个方面进行阐述。

2.水电厂发电机组测温热电阻工作环境的特殊性

水电厂测温热电阻的工作环境是非常特殊的，这有别于其他的产业领域。

这些特殊性表现为：

2.1运行时间长

水力发电厂因其各自的水力资源不同，年持续运行时间有长有短，但普遍都是在千小时以上。

最长的我们曾遇见过年持续运行8000小时以上才进行大修作业的水力发电机组。

并且现在因为设备制造技术水平的提高和电力需求的持续增长，水力发电机组的检修（大修）周期间隔越来越长。

这就对测温热电阻稳定可靠地长期运行提出了更高的要求。

2.2运行过程中不易维护检修

水力发电机组的测温电阻大多安装在狭小或封闭的空间中，仅有引接线与温控仪连接，在运行过程中不易甚至无法进行维护或更换。

比如：

发电机定子线圈测温热电阻安装在定子线圈的层间，只能在定子解体大修时才能更换热电阻。

2.3重要程度高

水力发电机组各部位运行温度的监控是运维人员或自动化设备判断机组安全运行工况的最重要非电气量参数。

测温系统一般都要接入发电机保护和警报系统，作用于报警或机组出口开关跳闸。

比如：

推力轴承是发电机组的关键部位之一，其运行温度监测是监测推力瓦运行状态的的唯一手段，因此推力轴承瓦温监控必须要求接入保护。

《立式水力发电机组运行规程》规定：

推力轴承瓦温60℃时，保护系统发出声光或语音报警；70℃时，保护系统作用于跳发电机出口断路器，发电机组停止运行。

故测温热电阻的重要性不言而喻。

2.4运行环境恶劣

仍以推力瓦测温电阻为例：

测温电阻与其引接线长期浸泡在温度较高（一般在30℃-50℃）的透平油里，并时刻承受高速油流和机组振动的冲击。

在这样的环境中热电阻与其引接线的可靠性经受着较大的考验。

2.5运行中电磁干扰较大

水电厂发电机组的端口电压大多数都在千伏级，其产生的强电场以与转子漏磁产生的强磁场对热电阻和测温系统的干扰非常大。

这对热电阻与其引接线的抗干扰能力提出了很高的要求。

2.6测温热电阻引线较长

一般各个轴承测点的热电阻的电缆走向是：

热电阻→引接线→油槽壁端子→屏蔽电缆→测温屏端子→测温控制元件，有些甚至还需要在风洞壁进行再一次转接。

因此热电阻引线较长，线路电阻较大且不可忽略。

线路电阻的存在将使温度测量结果与测点的实际温度有很大的偏差，这对于要求越来越高的自动化控制方面有着不小的影响。

3.水电厂发电机组测温热电阻普遍存在的问题和解决改进方法

3.1普遍存在的问题

正因为上述特殊性，使得水电厂的热电阻在使用中普遍存在如下问题。

1.长期工作的稳定性差、可靠性低。

实际上水电厂发电机组对热电阻的测量精度要求并不是太高，却对于热电阻长期工作的稳定性、可靠性要求却非常高。

很多电厂因为采用了制造质量不好或不适宜发电机组使用的测温热电阻，在运行不长时间后，就会发生大量误报、跳变、没有读数、断线和短路等故障，使运维人员很难判定到底是机组本身的故障还是测温系统的故障，并引发保护系统误动作。

2.测温热电阻引接线电缆折断或外皮开裂。

测温热电阻引接线电缆在热电阻根部折断现象在大多数电厂都出现过。

电缆长期浸泡在顺机组转动方向流动透平油中，承受着油流的径向剪切力和机组振动的上下剪切力，以与油脂对引接线的侵蚀。

电缆外皮在高温与侵蚀性的透平油环境中长时间使用会开裂、破皮、发硬、变脆。

假如不做特殊的处理，运行时间长了引接线就会在热电阻根部完全断开或不完全断开造成接触不良。

根部断线的故障占了测温电阻故障的一半左右，应该特别重视。

3.测温热电阻与引接线电缆没有屏蔽，或有屏蔽但没有接好。

很多电厂都没有对热电阻与其引接线实施有效的屏蔽，使发电机组的强电场和强磁场对测温电阻产生干扰并把干扰信号导入测温回路中，造成测温不准。

我们实际测量到过，推力瓦测温电阻感应漏磁电压信号达到110V。

这使得温度测量值毫无意义，还会导致回路中的其他器件损坏。

热电阻和整个测温回路，引接线电缆多且长，接线环节多，屏蔽要求在整个环节中每一个连接点都要有可靠的屏蔽并形成整体的屏蔽接地，只要有一个环节没有做好，屏蔽就可能会无效。

4.热电阻安装不规范。

一般在安装瓦温电阻时要求测温热电阻与瓦体刚性连接，最好是螺纹连接。

但金属外壳结构的测温热电阻与瓦体不能直接接触，测温热电阻要通过一个绝缘胶木制作的固定块插入瓦体测温孔并螺纹连接在瓦体上。

并用500V兆欧表测量热电阻与轴瓦之间有不低于0.5MΩ的绝缘电阻，避免形成轴电流产生微小放电损坏轴瓦瓦面。

测温热电阻的引接线也要可靠固定，特别是根部导线要与热电阻固定在同一个刚体上。

若热电阻只是简单的放在瓦孔内是极不规范的安装方式。

5.测温电阻尾部结构有全密封的和带连接器两种，现在还有很多老电厂在使用尾部有连接器的热电阻。

这种结构的好处是利于拆卸，一旦测温电阻出现故障可以在不用动电缆引接线就把测温电阻换下来。

但这样的结构只适合安装在油水冷却器或空冷器等地方，对于轴瓦的温度监测就不适用了。

例如在推力轴承内热电阻是完全浸泡在透平油里，而且透平油在不停地活动着，加上机组的振动，尾部连接器非常轻易漏油或触点脱开，从而降低热电阻长期工作的稳定性。

而且推力油池内狭小的空间也不方便安装此类结构的测温电阻。

6.热电阻线制和接线的问题。

线制就是测温电阻的引出线方式，如：

4线制、3线制和2线制，线制决定了热电阻引接线电阻对测量结果的影响。

很多电厂采用2线制测温电阻，或把3线制接成2线制的，或者在中间某个环节接成2线制。

不管那种情况都会产生很大的误差。

可能有人会在后端温度模块上对此进行补偿，但面临不同类型不同长度的电缆引接线在后端温度模块上进行补偿确实不是一种很实用和很准确方法。

3.2解决改进方法

1.采用测量漂移量小、长期工作稳定性高、抗冲击和振动的高品质测温热电阻。

2.采用特制的电缆引接线。

电缆引接线长期浸泡在油里变硬变脆是因为最外层绝缘层材料不耐油造成的。

例如电缆引接线的外皮材料是材料，其耐油、耐温性能比较差。

在温度较高场合，它的耐油性能更会大大的降低，使用寿命缩短更多。

建议选用耐油、耐温的聚全氟乙丙烯（）绝缘电缆。

聚全氟乙丙烯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。

它具有优良的耐油、耐侵蚀和耐热性能，可在-250～250℃温度内长期使用，一般情况下强酸碱、强氧化剂、油脂、酮、醚、醇等即使在高温下也对它不起作用。

它的耐开裂性能也非常好，可以彻底解决长时间泡在油中造成开裂故障。

另外引接线外径要符合现场的使用环境和机组的具体要求。

对于不同容量和转速的机组，其油膜甩起速度，冲击力都不尽相同。

要按照现场的具体情况选择合适的导线外径。

导线线径太小，很难承受一定的作用力，对热电阻的使用会构成影响。

3.在电缆引接线与测温电阻的结合部位加保护装置解决根部断线的故障。

由于热电阻芯片引脚要和引接线焊接，焊接易导致金属材料发脆而断开，所以这热电阻根部是个薄弱环节。

根据现场的情况，选择不同的保护形式，如锥形弹簧保护管、波纹管和铠装丝延伸保护等。

比如：

铠装丝延伸保护方式是将测温热电阻内部的铠装丝一直延伸出来，这样导线受到油流冲击时受力的部位是铠装丝，而铠装丝是可以任意弯折的不锈钢导线，抗侵蚀、冲击和振动的机能非常好，这样可彻底解决引接线受油侵蚀和冲击的问题。

4.热电阻与引接线要采取一体化网状屏蔽方式。

磁场比电场更难屏蔽，对于强磁场的干扰来说，网状屏蔽是最有效的方案。

热电阻的电缆引接线多且长，中间环节又多，在布线时要特别仔细，在每个环节上都要求把引接线的屏蔽线可靠地接到公共接地端。

引接线一定要选用测量专用的带铜丝网状屏蔽层、线芯为镀银线芯的三芯（或四芯）电缆。

5.测温电阻尽量采用铠装封装结构。

一般铠装封装结构经由高纯度氧化镁填充、高温干燥、拉丝、滚轧和退火的工序制作完成，其特点是寿命长、响应速度快、机械强度高和绝缘性好。

特别是用于瓦温、油池油温的测温热电阻一定不要采用尾部带连接器的结构，而是采用铠装封装结构的热电阻。

6.对于有特殊要求的测温电阻都要有针对性地进行设计和定制。

4.水电厂发电机组测温热电阻的选择

4.1温度变送器不适用于水电厂

目前在水电厂测温系统中，有不少设计是采用带温度变送器结构，将温度信号转换成4～20的直流电流后再送到二次仪表或其它数据采集系统进行温度显示。

这样一来，每一个测温元件都需要一个温度变送器。

这种系统的缺点是成本高，每一个变送器都价值几千元；由于温度变送器的存在，测温系统既增加了一个误差环节，又多了一层故障点。

因此，本人认为在水电厂测温系统中应彻底摈弃温度变送器，而使用热电阻测量，并将各种信号直接送到模拟量输入回路。

这样，在满足水电厂测温系统测量精度要求的前提下既提高了可靠性，又降低了成本。

4.250和100适用于水电厂

热电阻是中低温区最常用的一种温度检测器。

它的主要特点是测量精度高，性能稳定。

其中铂热是阻的测量精确度是最高的，它不仅广泛应用于工业测温，而且被制成标准的基准仪。

与热电偶的测温原理不同的是，热电阻是基于电阻的热效应进行温度测量的，即电阻体的阻值随温度的变化而变化的特性。

因此，只要测量出感温热电阻的阻值变化，就可以测量出温度。

目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。

金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示，即：

0[1+α（0）]

式中，为温度t时的阻值；

0为温度t0（通常t0=0℃）时对应电阻值；

α为温度系数。

相比较而言，热敏电阻的温度系数更大，常温下的电阻值更高（通常在数千欧以上），但互换性较差，非线性严重，测温范围只有-50~300℃左右，大量用于家电和汽车用温度检测和控制。

金属热电阻一般适用于-200~500℃范围内的温度测量，其特点是测量准确、稳定性好、性能可靠，在程控制中的应用极其广泛。

热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的。

热电阻大都由纯金属材料制成，目前应用最多的是铂和铜，此外，现在已开始采用镍、锰和铑等材料制造热电阻。

热电阻种类有精密型热电阻、铠装热电阻、端面热电阻、隔爆型热电阻等。

其中铠装热电阻是由感温元件（电阻体）、引线、绝缘材料、不锈钢套管组合而成的坚实体，它的外径一般为φ2~φ8，与普通型热电阻相比，它有下列优点：

1.体积小，内部无空气隙，热惯性上，测量滞后小；2.机械性能好、耐振，抗冲击；3.能弯曲，便于安装；4.使用寿命长。

我认为选择不锈钢外壳的铠装铜热电阻50和铠装铂热电阻100是最为适用于水电厂发电机组测温使用的热电阻。

例如：

262C型铜热电阻，分度号50，测温范围-50~150℃。

4.3铜热电阻与铂热电阻的比较

1、铜热电阻在我国应用已有五十多年历史了，早在二十世纪五十年代就已广泛用于发电厂中，它具有电阻—温度变化率大、价格低廉、材料来源容易等优点。

但是，从二十世纪八十年代起就逐渐被淘汰，被铂热电阻所代替。

究其原因，是