离相封闭母线测温元件故障分析及处理

（国家能源集团大渡河大岗山水电开发有限公司，四川省石棉县 625409）

0 引言

大岗山水电站发电机组为混流式发电机组，发电机与变压器采用单元接线方式，机组出口通过全连离相封闭母线与主变压器相连。励磁变压器、机端电压互感器柜、主变压器低压侧电压互感器柜、厂用变压器通过分支回路母线与主回路封闭母线相连。全连封闭母线主母线外径1450mm、壁厚度8mm，主母线导体外径950mm、壁厚度16mm。分支封闭母线外径650mm、壁厚度5mm，导体外径150mm、壁厚度12mm。在发电机机端主回路母线外壳处、励磁变压器分支母线端部、机端PT（YH）柜分支母线端部、主变压器低压侧PT（YH）柜分支母线端部、厂用变压器分支母线端部、主变压器低压侧主回路母线外壳上分别安装有三相短路板，使得封闭母线三相外壳间形成闭合回路，同时短路板经接地铜排引至电站接地网可靠接地。

1 离相封闭母线测温概况

大岗山水电站离相封闭母线总共4处设置有测温系统，每处包含三相导体测温和外壳测温装置，装设位置分别位于离相封闭母线与机组出口断路器（GCB）两侧连接处，封闭母线与主变压器低压侧连接处、封闭母线与发电机出口连接处。JPB导体测温装置及其安装位置分别如图1、图2所示。

图1 IPB导体测温装置Figure 1 IPB conductor temperature measurement device

大岗山水电站采用Pt100铂热电阻测温元件对离相封闭母线外壳进行测温，采用Pt100测温元件三线制接线方式，利用三线制是为了更好地削弱因测温元件引出线电阻所产生的测量偏差，一般情况下，铂热电阻回路是一个不平衡电桥电路，热电阻充当其中一个电桥的桥臂电阻，与它连接的导线阻值也叠加在桥臂电阻当中，这部分导线电阻随外界温度变化而变化，存在诸多不确定因素，使得铂电阻温度测量产生偏差，以三线制接线方式，将导线第一根接电桥电路的电源端，第二根接到热电阻所在的桥臂，第三根接到其相邻的桥臂上，如此一来就根除了导线回路电阻带来的测量偏差。

图2 IPB导体（外壳）测温装置安装位置Figure 2 Installation position of IPB conductor （shell）temperature measuring device

离相封闭母线导体测温是利用导体发出的红外线来测量温度的红外测温传感器，红外测温原理是黑体辐射定律，自然界中一切高于绝对零度的物体都在不停向外辐射能量，物体的向外辐射能量的大小及其按波长的分布与它的表面温度有着十分密切的联系，物体的温度越高，所发出的红外辐射能力越强[1]。红外测温不需要像铂电阻那样直接接触被测物体才能感知温度，而是非接触就能直接测量物体温度，它的工作原理是利用所测物体发出的红外线能量，红外传感器将测量的红外能量转换成电信号，再将电信号转换成温度值用于显示。

测温控制器采用的UDIAN温度控制器，用于接收外壳测温Pt100铂热电阻电阻值显示外壳温度，也接收红外测温传感器输出的4～20mA模拟量信号显示导体温度，并将温度值上送至电站监控系统，当被测物体温度异常升高时，装置具有高温报警输出功能，便于运行人员及时发现并进行相关处理。全连离相封闭母线在正常运行情况下，每个位置温度情况对应表1要求。

表1 离相封闭母线各部位最热点的允许 温度和温升限值表Table 1 Allowable temperature and temperature rise limits of the most hot spots in the off- phase closed bus

2 故障情况

大岗山水电站4台发电机—变压器组自2015年9月投产以来，主变压器低压侧IPB测温故障共发生31次，其中离相封闭母线与主变压器低压侧连接处导体测温故障13次，外壳测温故障18次。其余部位测温故障发生共计2次。离相封闭母线测温故障统计如表2所示。

表2 离相封闭母线测温故障统计表Table 2 Temperature fault statistics of off-phase closed bus

根据对以上故障数据分析，得出测温仪表及测温元件的故障位置几乎都发生在封闭母线与主变压器低压侧连接处，而从以往运行的情况发现，故障时间通常发生在主变压器充电投入运行或线路跳闸后的重合闸期间。对于其余部位的测温元器件，在运行设备高电压、强磁场复杂环境下温度测量正常，只有偶尔会因测温元器件本身原因或自然老化引起故障。IPB导体测温装置故障示例如图3所示。

图3 IPB导体测温装置故障Figure 3 Failure of IPB conductor temperature measurement device

3 母线测温系统故障原因分析

3.1 主变压器操作过电压对测温元器件放电

主变压器通过电磁感应原理将高、低压绕组联系起来，当主变压器由热备用转运行或线路跳闸后的重合闸时，产生的操作过电压首先作用于高压绕组，然后在高、低压绕组间产生电磁振荡，形成比变压器正常运行时更强的电磁场[2]。由于主变压器低压侧与全连离相封闭母线外壳连接处通过三相短路板互联后直接接于地网，当与主变压器关联开关状态发生变化时，此时主变压器受到操作过电压冲击，在电磁振荡产生的强交变电磁场作用下，封闭母线外壳表面瞬间产生较多感应电荷，这些感应电荷会经过三相短路板流入大地，根据电流密度等于电荷量与时间的比值关系得知，此时感应电荷多，流入大地的时间短，因此电流密度较大，该大电流通过短路板接地必然形成压降，会在安装测温元件处形成过电压（测温元件安装位置靠近三相短路板），此过电压将对主变压器低压侧封闭母线外壳的测温元件放电，电荷经过测温元件外壳、芯线及屏蔽层到达温度控制器，造成装置板件损坏。

图4 测温元件安装于IPB外壳表面Figure 4 The temperature measuring element is installed on the surface of the IPB shell

3.2 电磁场干扰

根据现场实际情况，红外测温元件及铂热电阻引出线敷设路径沿封闭母线外壳、主变压器器身表面到达温控装置，导线在经过强电磁场区域内，传感器引出线及屏蔽层因电磁感应势必产生感应电压[3]。一方面，当测温装置接地不可靠时，电缆屏蔽层仅在传感器端直接接地，虽可消除屏蔽层循环电流，减少干扰，但在合闸冲击时，金属屏蔽接地不良端可能会出现很高的冲击过电压，造成温度控制器测温异常甚至板件损坏。另一方面，测温装置端接地良好，因测温元件直接安装在封闭母线外壳上，此时引出线屏蔽层两端可靠接地，屏蔽层受电磁场干扰的影响使屏蔽层形成接地环流，此环流可能起到对电流信号削弱或者增强的效果，造成设备损坏[4]。

3.3 漏磁导致测温元件发热

大岗山水电站主变压器低压侧与封闭母线导体采用专用铜编织线伸缩节相连。在封闭母线外壳端部经过三相短路板连接形成闭合电气回路，类似变压器工作原理一样，封闭母线导体相当于一次侧，母线外壳近似二次侧，空心变压器变比为1:1，因为三相封闭母线外壳端部接地，即空心变压器二次绕组短路，母线铝外壳电阻值极小，当一次侧导体通过电流时，二次侧短路外壳电磁感应出与导体电流大小基本一致且方向相反的电流。为避免此电流流入变压器本体，主变压器与封闭母线外壳通过橡胶伸缩套连接，起到有效的电气隔离作用。

图5 外壳连接采用橡胶伸缩套Figure 5 Rubber expansion sleeve is used for housing connection

因主变压器低压侧与离相封闭母线连接的这段外壳用橡胶伸缩套连接，不能有效地将母线通过电流时产生的磁场束缚在外壳内部，使得母线电磁场泄漏于外壳以外形成漏磁，金属外套的测温元件长期在漏磁的作用下，形成涡流，导致测温元件不断发热，高温烧损设备。

4 改造方案

4.1 温度传感器防护

大岗山水电站红外测温探头和PT100测温探头保护套均是铝金属材料制成，测温元件铝保护套通过螺栓连接方式嵌入离相封闭母线外壳内，与母线外壳充分接触，在复杂的交变磁场情况下，为消除测温元件引出线屏蔽层内产生的环流和变压器操作过电压时外壳感应电压对测温元件放电，将测温探头铝保护套与离相封闭母线之间增加环氧树脂绝缘材料，使测温元件与离相封闭母线外壳进行有效的电气隔离。红外测温探头和PT100测温探头绝缘套设计如图6所示。

由于原测温电阻探头偏短，套上绝缘探头后探头感温部分远离被测部位，所以重新设计测温电阻，新测温电阻如图7所示。

图6 测温探头绝缘套加工图及安装示意图Figure 6 Processing chart and installation schematic diagram of temperature probe insulation sleeve

图7 新测温电阻示意图Figure 7 Schematic diagram of new temperature resistance

测温电阻绝缘套加工图及安装示意图8所示。

图8 测温电阻绝缘套加工图及安装示意图Figure 8 Processing diagram and installation diagram of temperature resistance insulation sleeve

4.2 降低电磁场干扰

二次信号电缆在强电磁场作用下，若屏蔽不到位，容易对其传输的模拟量形成较强的干扰，造成数据失真。根据现场实际，首先借鉴本站500kV高压电缆金属套的接地方式，采用金属屏蔽层一端接地方式，在正常运行时强电磁场或者过电压情况下，不接地端容易产生高电压，出于安全考虑，选择将测温元件端悬空，测温装置端直接接地，这样合理地消除了金属屏蔽层内的感应环流对模拟量造成的干扰。再者，将测温元件引出线外面套装上金属管，并且将该金属管两端可靠接地，进一步削弱主变压器周围电磁场对引出线屏蔽层的干扰强度，从而降低单端接地而产生的非接地端高电压。

5 结束语

大岗山水电站离相封闭母线测温系统此次改造最大的特点就是将测温元件与封闭母线外壳进行电气隔离，方法简单易行，费用低，周期短，但因外壳测温元件与封闭母线之间有绝缘材料隔离，测温动态响应较差，热传递过程中存在热量损失，所测温度与实际温度存在一定偏差，所以测温装置需进行温度补偿，以确保测量温度的准确性。

目前，无线测温技术已经非常成熟，但应用在高电压、大电流封闭母线的案例还不多，实际效果还有待检验。另外，无线测温传感器如果能通过电磁感应获取工作电源，则能减少后期维护工作量。