热电阻测温系统的故障模式及运行对策

秦华蔚，杨 斌，高天云

（1.华东天荒坪抽水蓄能有限责任公司，浙江安吉 313302；2.华东宜兴抽水蓄能有限公司，江苏宜兴 214205；3.上海市电力公司电力科学研究院，上海 200437）

从近几年抽水蓄能机组投产后的运行情况分析，由于热电阻（RTD）测温元件发生异常或故障，引起机组非计划停运及减出力的情况时有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。因此，分析RTD测温元件发生异常的原因，弄清其失效机理，提高RTD运行的可靠性，具有重要的意义。

1 RTD在抽水蓄能机组上的应用特点

1.1 RTD的接线方式

在众多的测量温度方法中，采用RTD测得的温度值不但精确而且稳定，其线性也比热电偶要好。常用的RTD为铂热电阻Pt100，测温范围可达－270～850℃。采用RTD测温有多种接线方式，如二线制、三线制和四线制。抽水蓄能电站机组目前大多采用三线制连接方式，主要用于上下导轴承温度、推力轴承温度以及水导温度等的测量和控制。通常将Pt100与电桥配套使用，能有效地消除引线电阻的影响。

1.2 RTD测温系统的特点

抽水蓄能电站机组常用RTD温度测点为：励磁机空气温度，上导轴承温度及油温，定子绕组温度，发电机空气温度，发电机定子铁心温度，推力及下导轴承温度及油温，水导轴承温度及油温。

RTD测温系统的特点如下：

1）运行时间长且不易维护 轴承温度RTD通常安装在空间狭小而且不容易维护的地方，尽管机组启停频繁（白天发电晚上抽水），只有在大修时才有机会吊罩对RTD进行检修和维护，而且按照状态检修的要求，机组大修的周期将越来越长，这对RTD的长期稳定运行和维护十分不利。

2）重要程度高 推力轴承温度（包括上／下导轴承）是抽水蓄能电站机组的关键温度检测点，而采用RTD测温又是监测推力轴承运行状态的唯一手段，因此这些温度信号往往要求投保护。

3）工作环境恶劣 以推力轴承、上／下导轴承RTD为例，RTD及其引出导线长期浸泡在温度较高的润滑油里，其油膜甩起的速度和冲击力很大，加上机组的剧烈振动，会对RTD的正常使用寿命造成一定的影响。

4）强烈的电／磁场干扰 目前抽水蓄能电站机组的功率越来越大，装机容量已达300 MW，其产生的强电／磁场对测温系统的干扰非常严重，尤其对靠近发电机的上导和推力轴承等RTD测温元件，更容易受到干扰，导致测温信号不稳，出现锯齿波、尖脉冲和跳变等异常现象。

5）温度测量系统的连接导线过长 现场实际调查，一套推力轴承温度测量系统，从RTD到监控中心长度超过400 m，中间经过5个接线端子盒及不同长度的信号导线。如此多的环节和信号导线，只要中间任何一个环节出现问题，都会影响到温度测量系统的正常工作。

2 抽水蓄能电站RTD测温系统故障

近几年来，华东电网数个抽水蓄能电站RTD测温系统发生故障，主要原因如下。

1）老式铂丝RTD稳定性差 部分抽水蓄能机组采用了性能较差的老式铂丝RTD，在机组投产初期就出现大量的误报、跳变以及机组跳闸等事故。如某抽水蓄能电站投产一年内，因RTD异常引起机组非计划停运14次，严重影响到电网频率的稳定和事故调峰作用的发挥。

2）RTD延长电缆磨损或外皮破裂 抽水蓄能机组RTD延长电缆根部折断或磨损现象十分普遍，几乎占RTD故障的一半。有的直接断掉，有的外部绝缘层断开，如图1所示。这是因为RTD长期浸泡在高速流动、长期振动的润滑油中，时间一长，延长导线就会折断和磨损。

图1 RTD延长导线折断和外皮破裂

3）信号导线屏蔽层腐蚀脱落 抽水蓄能机组RTD信号电缆的屏蔽层没有有效连接，少数屏蔽层由于长期得不到维护存在腐蚀断开，如图2所示，使得可逆电机的强电／磁场对温度信号回路造成严重干扰，影响测温系统的稳定工作和正常显示。

图2 信号导线屏蔽层腐蚀脱落

4）RTD安装不规范 在安装RTD时大多要求将RTD与瓦体刚性连接，最好用紧固连接，瓦内的导线也要可靠固定，特别是根部导线要与RTD固定在同一个刚体上。但发现不少抽水蓄能机组将RTD随意放置在瓦孔内（没有采取固定措施），这种安装方式不仅由于机组振动容易造成RTD在测温孔内随意串动，而且极易造成引出导线磨损或者折断，安装隐患缩短了RTD的正常使用寿命。

5）RTD保护结构不合理 RTD探头与连接导线之间是刚性和柔性联结的过渡处，这个部位应力比较集中，加上长时间的导线摆动、振动、油膜冲击等容易产生疲劳，并导致导线断裂和破损等现象发生。

6）RTD尾部连接缺陷 目前市场上RTD的尾部结构有全密封和带连接器的两种，不少抽水蓄能机组为了拆装维护方便，往往采用尾部带连接器（航空插头）结构。这种结构如果用于瓦温测量就会出现一些意想不到的问题。如在推力瓦内RTD是完全浸泡在润滑油里，而润滑油是不停地高速流动的，加上机组的剧烈振动，容易造成连接器漏油、接插触点松动、接触电阻增大，甚至完全分离等隐患，最终导致温度信号跳变、高频脉冲、信号丢失等异常现象发生。

7）RTD元件质量差异 目前RTD普遍采用Pt100，由于微机械加工技术的发展，Pt100的制造普遍采用光刻溅射工艺，具有结构紧凑、工艺可靠和响应快等特点。但是，由于不同制造厂家设备、技术上的差异，生产的Pt100在性能上可能会有些差别，用户在选用时一定要特别注意，切实选用高质量的Pt100元件，因为不同价格的Pt100元件，其长期稳定性和使用可靠性具有较大的差异。

8）单点温度保护 不少抽水蓄能机组轴承温度保护，普遍采用单点信号方式，由此构成的保护往往为“一取一”判断逻辑，因此其误动概率高。

3 RTD故障模式及失效分析

3.1 故障模式

三线制Pt100铂热电阻，其标称阻值R0＝（100 ±0.005）Ω，电阻温度系数α＝R100℃／R0℃＝1.3850。故障判据是根据RTD产品的技术指标和部颁标准JB／T 8622—1997《工业铂电阻技术条件及分度表》和国家检定规程JJG229—2010《工业铂、铜热电阻》要求确定的。目前抽水蓄能机组使用的RTD主要有两种形式：一种为铂丝绕制的RTD，另一种为铂质薄膜RTD。

为了弄清RTD的故障原因，相继对故障的RTD在恒温油槽中，分别在0℃，20℃，100℃时测量了失效RTD的阻值，将测试数据分类后按5种故障模式进行分析，如表1所示。

表1 测试数据及5种RTD故障模式

3.2 故障原因及失效分析

3.2.1 阻值不稳模式

RTD系铂丝绕制在陶瓷骨架上，剖开测温元件后发现其故障原因有以下两种。

1）铂丝在绕制和清洗过程中会产生应力，因此在绕制、清洗和烘干后必须经过退火工艺，以消除铂丝的应力。如果退火不完全，应力没有全部消除，则RTD的R0℃值至R100℃值很不稳定，阻值时高时低。

2）铂丝在还原性介质中，特别是在较高温度下容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所污染，污染后的铂丝不但变脆，而且还会改变铂丝阻值与温度的关系，从而引起RTD阻值变化。

3.2.2 阻值突变模式

剖开测温元件的不锈钢护套，未发现RTD电极间有短路迹象。将测温元件清洗后重新测量各温度点阻值，发现与剖开前的阻值完全不同，说明RTD的失效不是装配工艺不当引起，而是因测温元件失效和外力原因造成。

1）对故障测温元件沿边缘进行微分剥离，发现某一局部被剥离后，阻值突然增大。出现阻值突然增大的原因是铂质薄膜RTD封装在氧化镁粉绝缘填料内时，虽然测温元件出现龟裂，但由于绝缘材料的严密封装保护，RTD电极间没有发生短路现象。一旦将绝缘材料剥离，导致RTD龟裂增大，阻值上升。电镜观察证实，铂质的测温元件坯体尚有其它微裂纹存在。

2）逐层剥离测温元件不锈钢外套封接固定交界过渡处，发现有部分引出线已经断裂。实验和分析证实，在外套封接固定交界过渡处，最易引起引出线折断，这是因为那里的应力比较集中而且又容易扭曲，因此极易发生引出线折断。

由于测温元件断裂的位置特殊，形成似断非断情况，因此在振动下会出现断裂处间隙突然变大RTD阻值升高现象，而在振动有所下降或缓解时，断裂处间隙变小RTD又恢复到正常状况。上述分析已为实验室模拟试验所证实。

3.2.3 阻值高模式

RTD样品的标称阻值及各个温度点的阻值均略高于规范值，其故障原因有以下几种。

1）点缺陷变化引起电阻值漂移 根据Bloch理论，自由电子在金属中的输送，犹如由具有晶格周期性的函数所调节的平面波，只有晶格点阵的不完善性才引起金属的电阻。RTD在贮存或使用过程中，由于组织结构及内部的各种缺陷，逐步使外来原子、点缺陷和晶粒边界引起附加散射。另外，晶格点阵的振动、发射或吸收一个晶格振动能的量子（声子），也会引起电子的散射，导致RTD阻值增大。

2）测温元件有效电极面积减小 解剖后发现样品部分电极根部烧结处有效截面积变小。电极截面积变小原因是电极制备工艺控制不当，比如基体研磨不平整，清冼不干净；电极烧渗工艺条件选取不合理等。同时，后续热处理工艺控制不当，也会造成电极早期老化。部分电极截面积的变小，使测温元件的实际电极面积减小，导致RTD阻值升高。

3）测温元件在机械振动、甚至某些并不剧烈的振动环境中，虽然不会损坏RTD，但也会在测温元件中引起应力，导致RTD阻值增加。

3.2.4 阻值特高模式

测温元件RTD的阻值呈现无穷大，其故障原因有以下几种。

1）将样品置于金相显微镜下观察，发现电极表面已经出现龟裂，断面处有层裂痕迹。RTD电极在高温烧结后向低温冷却过程中，受到的热应力超过一定程度时，会在铂质的薄膜测温元件坯体内形成显微裂纹。在诸如机械冲击、振动，工作温度快速变化等严酷使用环境下，会使样品内应力进一步加大，促使显微裂纹蔓延和扩展，产生层裂和龟裂。反复的热冲击可使焊锡合金产生分离效应而形成多铅区，从而容易产生开裂，使样品的机械强度下降甚至破碎，同时使引出电极的附着力下降以至脱落，最终导致电阻值上升到很高甚至无穷大。

2）剥离外绝缘层，发现铂丝引出电极与外引出导线的焊接点（锡焊）已严重腐蚀，铂引出电极已经脱落开路。焊接点腐蚀的原因是焊接完成后没有清除焊剂喷涂防腐剂或者是测温元件组装时保护套管内没有严密填充绝缘材料（如环氧树脂、氧化镁粉等），导致腐蚀性气体侵入以及工作温度的反复升降引起结露，加速了焊接点的腐蚀速率。

图4 RTD陶瓷套管已断

3）从解剖结果分析，RTD引出的2根信号线中有1根已经断开脱落，断口正好处在陶瓷套管断面处，分析认为断口原因为高频振动反复冲击碰撞导致引出信号线根部磨损断裂，同时整根陶瓷套管已断为几段，如图4所示。

3.2.5 阻值低模式

测温元件RTD的阻值略低于标准值，其故障原因有以下几种。

1）外观检查发现，测温元件信号引出线密封不良，在引出线连接处的密封胶伴有明显的缝隙，致使水汽沿着缝隙进入内部绝缘填料，造成测温元件的绝缘电阻下降。

2）通过打磨测温元件，解剖后发现RTD引出线仅在引出端部进行了封胶处理，而其内部全是空隙，经过长期的冲击或晃动，在引出端部密封胶与引出导线间出现缝隙，导致水汽渗入其内部，如图5所示。

图5 RTD引出端部出现缝隙

正常情况下测温元件内部的氧化镁绝缘填料呈干燥的粉尘状，微风一吹会四处飞扬。但从解剖现场看，氧化镁粉呈结块颗粒状，说明氧化镁粉已经受潮，其绝缘特性已经丧失。

3）对解剖后的感温元件进行测量，RTD阻值和显示温度值一致，说明RTD本身没有损坏，在现场使用中温度为零的原因是因内部氧化镁绝缘填料受潮造成。

4）对这支感温元件多次振动和敲打后，发现RTD内部出现开路状况，说明这类陶瓷体感温元件的抗振性能较差。

3.3 结论及建议

1）减小外来振动幅度及频率 从RTD故障原因分析可知，振动引起的失效，占了很大的比例。样品的故障模式及其特征，主要表现为电阻值增大。对此只要加以注意或减小外来振动幅度及频率，就可有效地避免此类失效的发生。

2）提高RTD的抗疲劳能力 优化RTD制造工艺，避免内部显微裂纹及层裂，改善引出电极的制备工艺，提高引出电极的附着力和强度；优化热处理条件，避免引出电极的热疲劳及过大的机械应力；选择合理的老化筛选工艺条件，及早剔除早期故障产品，提高RTD的抗疲劳能力。

3）应力加速寿命试验表明 RTD的寿命服从威布尔分布，理论上预计其平均寿命应在4万h以上，如能合理选用材料和生产工艺，避免上述超常失效模式发生，不仅可大大延长RTD寿命，可靠性也会有更大的提高。

4）选用高质量的RTD测温元件 结构上采用全铠装形式，优选填充材料，优化填充工艺，增加外导线的柔性和韧性，提高其抗疲劳和抗冲击能力。由于陶瓷RTD在冲击及振动情况下易造成破裂或引出线开路，建议采用光刻硅RTD元件，这种RTD具有良好的抗冲击性和抗震性。

5）改善现场安装条件 ①实验证明，RTD的测量误差随其插入深度的增加而减少，因此，在安装时一定要插到底；②引出线要留有一定的余地，以便在振动等环境条件下引出线能承受较大的冲击和反复的扭折；③RTD外径与安装孔要尽可能精密配合，最好改为带有弹簧结构的螺纹固定方式，这样即可使测温元件与被测表面保持紧密接触，又可消除RTD在安装孔内的串动和二次振动的形成，减缓RTD故障速率。

4 提高RTD测温系统可靠性的对策

通过对抽水蓄能机组RTD失效机理分析，除了RTD本身故障外，约有40%的故障是由于连接、引出信号线异常等原因引起。因此，必须从RTD制造、选用以及日常的安装维护上着手，切实提高测温系统的可靠性。

1）采用高品质的RTD 尽管铂电阻材料要优于其他材料的测温电阻，但铂电阻芯片品质也是千差万别。采用溅射光刻工艺制作的Pt100芯片，具有温漂小、长期稳定性高特点，而且具有很好的抗冲击和耐振动性能。

为了提高Pt100芯片引脚与引出导线或嵌装导线的可靠焊接及良好的机械性能，Pt100芯片引脚普遍采用铂镍合金，从而保证焊接后引线的可靠连接和机械性能，可有效避免引出导线在RTD内部断开现象发生。

2）采用特制的导线 RTD及导线长期浸泡在润滑油里会出现绝缘层变硬变脆现象，其原因是导线外层绝缘层材料不合理造成的，如当导线的外层绝缘是PVC材料时，其耐油、耐温性能比较差。

尤其是在温度较高的场合，其耐油性能会大大降低而出现变硬、变脆现象。因此应该选用耐油、耐高温的聚烯氟乙丙烯导线，它具有优良的耐油、耐腐蚀和耐热性能，可在－250～250℃温度内长期使用。

3）在RTD与引出导线的结合部位加保护装置 为解决导线根部断线的问题，应根据现场情况，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。

近年来发展起来的嵌装RTD内填高纯度氧化镁，同时具有导热和绝缘性能，外套采用不锈钢，具有耐高温、抗腐蚀、耐冲击和振动等特性，良好的机械性能可以任意弯折，大大提高了RTD的使用寿命和测温可靠性。

4）测温电阻及其导线的一体化屏蔽 理论上说磁场比电场更难屏蔽，对于强磁场干扰来说，网状屏蔽是最有效的方案。由于推力和上导轴承靠近发电机，其强电场特别是漏磁产生的强磁场对RTD干扰十分强烈，因此做好屏蔽措施尤其重要。

测温系统中间环节多，连接导线长，在布线时要特别仔细，在每个环节上都要求把导线的屏蔽层可靠的联结，不允许屏蔽层中间连接出现断开、接线端子盒盖打开等现象，并切实做好屏蔽层的单点接地措施。

5）改变RTD信号传送方式 对个别干扰比较强烈、难以防范的位置，可在现场加装Pt100温度变送器，将Pt100电阻信号就近转换为4～20 m A信号，由于4～20 m A信号具有很强的抗干扰能力，因此可有效消除信号传输过程中产生的干扰，使监控系统显示的温度恢复正常。

6）优化温度保护逻辑 对温度单点保护问题，可以增加RTD开路和速率保护以及增加坏值判断等功能，改善和提高温度保护系统的可靠性。对重要温度保护信号应尽可能使用2取2或3取2判断逻辑，消除因单点温度信号异常而导致机组跳闸事故的发生。

5 结语

在抽水蓄能电站机组中电磁兼容是一个突出而重要的问题，而自动控制系统所涉及的信号基本上都是弱电信号，在信号的远距离传输过程中极易受到电／磁场的干扰。但由于受到现场以及技术条件的限制，不可能对这些干扰现象进行实时监测或仿真试验，从而给防范干扰和消除干扰带来较大难度。

因此，除了要在设计、选型、安装等过程中严格把关外，加强日常的维护保养、定期进行检查以及有针对性地采取一些行之有效的技改工作，确实是提高和改进抽水蓄能电站机组温度测系统可靠性，确保机组稳定运行的有效措施。