主变冷却器系统铂热电阻温度传感器应用分析及故障对策探讨

摘要：本文通过研究铂热电阻温度传感器（PT100）测温原理，统计分析某水电厂主变冷却器系统铂热电阻温度传感器运行数据及运行工况，总结提炼出铂热电阻温度传感器测量不准确的原因，针对存在的问题，提出相应对策。

关键词：冷却器系统；铂热电阻；温度传感器

ApplicationAnalysisandFaultCountermeasuresofPlatinumThermal

ResistanceTemperatureSensorinMainTransformerCoolerSystem

ZhouYaoWangXinleiZhuEnfeiZhangQianXueMishuai

YalongRiverHydropowerDevelopmentCompany.，LtdSichuanChengdu610051

Abstract：BystudyingtheprincipleoftemperaturemeasurementofPTthermistortemperaturesensor（PT100），theoperationdataandoperatingconditionsofPTthermistortemperaturesensor ea63e643d5143668ab3b414c6c0957bfabc8e7cfdf8d1c586b05d17750c2b0a1;inmaintransformercoolersystemofahydropowerplantwereanalyzedstatistically，andthereasonsforinaccuratemeasurementofPTthermistortemperaturesensorweresummarizedandextracted.

Keywords：coolersystem；platinumthermistor；temperaturesensor

目前，随着电力系统的不断发展壮大，变压器作为输配电系统中重要的基础组成部分，其额定容量及在装规模也在不断发展扩大，进而保障变压器安全可靠运行是十分重要的。冷却器作为热交换器，是保障变压器正常运行的重要设备之一。［1］其测量的油温、水温等介质温度的可靠性直接影响着运维人员对冷却器运行状态及其冷却效果的判断。某水电厂主变冷却器系统采用强迫油循环水冷方式，每台单相变压器有4台冷却器成组运行，测温传感器采用PT100铂热电阻完成进油、出油温度及进水、出水温度测量，并送至现地测温柜进而上送中控室，供运行人员监盘使用。

1PT100物理特性

铂热电阻温度传感器利用的是金属铂（PT）对温度较为敏感的物理特性，其随着环境温度上升，电阻值也随之增大，整体呈正电阻系数，具备一定的近线性关系。利用这一特性制成的铂热电阻温度传感器测温区间大、测量较为精确、应用范围广，其阻值计算公式为：

Rt=R01+At+Bt2+Ct-100t3-200℃＜t＜0℃

Rt=R01+At+Bt20℃t＜850℃

其中，Rt为环境温度t℃时的电阻值，R0为环境温度0℃时的电阻值，A、B、C为常数，一般为：

A=3.9083×10-3，B=-5.775×10-7，C=-4.183×10-12。［2］

某电厂使用的PT100铂热电阻温度传感器即是在环境温度为0℃时，其测量电阻值约为100Ω，在100℃，测量电阻值约为138.5Ω。环境温度每升高1℃，其电阻值增加约0.385Ω，即电阻变化率约为0.385Ω/℃。根据电阻值与温度的一一对应关系，就可以实现通过测量电阻值达到测量温度的目的。

2PT100铂热电阻温度传感器测温原理

铂热电阻温度传感器与测温变送器之间的接线方式一般分为两线制、三线制及四线制。

2.1两线制接线方式

两线制接法是直接在铂热电阻两端引出接线至测温变送器中。但是由于测量现场与测温变送器一般有一定距离，有的甚至很远，由于铂热电阻在0℃时电阻值为100Ω，电阻值相对较小，此时造成引线电阻值不可忽略，而又由于铂热电阻变化率为0.385Ω/℃，灵敏度高，电阻值的细微变化就会造成温度的较大变化，此时引线电阻的存在就会造成测量温度的极度不准确，体现为测量温度值虚高。

2.2三线制接线方式

三线制接法即在铂热电阻一端接一根线，另一端接入两根线，一起将三根接线送至测温变送器中。

如图1所示，铂热电阻阻值Rt，三根引线电阻值为R。R1、R2、R3为温度变送器内部电阻，其利用不平衡电桥原理测量Rt值。将铂热电阻两端接入装置，与R1、R2形成不平衡桥，R3为可变电阻，调整电桥达到平衡。此时有下式：

R1R2=Rt+RR3+R

即：

Rt=R1×R3R2+R1×RR2-R

当R1=R2时，Rt=R3，即测得铂热电阻值，此时引线电阻的大小完全不影响阻值测量结果，但是前提为三根电阻阻值完全相等。现场受实际工况及环境影响，引线电阻值不可能存在完全意义上的相等，其测量结果依然存在一定偏差。

2.3四线制接线方式

四线制接法即在铂热电阻两端各接入两组接线，其中一组为测温变送器提供的稳定电流，另一组接入装置的电压测量回路，此时测量的电压即为铂热电阻两端电压。［3］

如图2所示，测量时虽然测温变送器与铂热电阻之间仍存在引线电阻，但测温变送器此时测量的电压范围未包括电流流过的引线电阻上的电压降，连接测量仪表的导线虽然也存在引线电阻，但由于测量仪表可以视为电压表，其内阻相对于铂热电阻来说非常大，即连接测量仪表的导线不存在电流，所以四根导线的引线电阻对测量结果没有影响，在恒流电流源输出的电流稳定的情况下，其测量的结果最为准确。

3PT100铂热电阻测温回路

某电厂主变冷却器系统测温传感器采用的是接线盒式的铂热电阻，其铂热电阻封装在圆柱探体内以螺纹M27*2方式插入主变冷却器油管及水管中，并不与油流及水流直接接触，通过油介质传导温度。铂热电阻内部由三根引出线接至底座后，再通过螺栓连接的方式经电缆接至一旁的端子箱内，在端子箱内通过端子排以三线制方式转接至相应的测温变送器中，最后再送至上位机供运行人员监盘使用，因此对铂热电阻测量准确度及稳定性有一定的要求。

4PT100铂热电阻测温误差原因分析及对策研究

4.1历年数据统计

主变冷却器系统在实际运行过程中经常发生由于PT100铂热电阻温度传感器异常导致油温、水温显示不准确的情况，甚至引起监控系统因数据品质差导致该温度显示白屏的现象，笔者统计了投产至2021年的#1—#4主变冷却器铂热电阻历年缺陷数量，如图3所示。

由上述数据，可以得出两个特征点：（1）铂热电阻温度传感器发生缺陷次数随着设备运行年限明显增加，但部分传感器运行仅2～3年就开始出现缺陷；（2）#1—#4主变冷却器均出现测温不准确问题，尤其#1主变冷却器出现问题次数最多。而#4主变冷却器虽很少出现较大温度偏差的缺陷，但是在实际运行中，相同运行工况下，通过对比同一相不同铂热电阻测量的油温、水温，仍然存在一定的测量偏差。

4.2现场检查及处理

通过现场查看，发现#4主变冷却器铂热电阻运行工况良好，其制作工艺明显优于其他铂热电阻，而#1主变冷却器铂热电阻却大部分存在：（1）部分金属螺母及塑胶底座松脱；（2）部分引出线氧化锈蚀严重；（3）部分引出线压接接头不规范、尺寸不合适；（4）部分金属螺母锈蚀、滑丝，与金属外壳有接触等。

针对铂热电阻运行工况，现场人员通过用胶水固定底座、重新压接接头或采用焊接方式替代；对于不能处理的如金属氧化锈蚀问题等，则用同型号备品或航空插拔式、一体式的铂热电阻替换。在经过近两年的运行观察后发现：（1）温度大幅度跳变现象未再出现，但仍然偶尔发现个别温度与实际存在一定误差，且频次随运行时间增加而逐渐上升；（2）更换后的接线盒式铂热电阻受环境影响其运行工况正在逐渐变差，如金属接头部分开始氧化等；（3）更换后的航空插拔式或一体式的铂热电阻运行稳定，运行工况保持良好。

4.3原因分析及对策研究

根据上述统计数据及实际处理分析，得出影响主变冷却器铂热电阻温度传感器测量不准确的原因主要为：

（1）测量原理上的原因：铂热电阻三线制接法测量精确的前提为三根引线的引线电阻完全相等，其在理论上可以消除引线电阻带来的误差因素，但是受实际工况的影响，是不可能真正消除引线电阻带来的附加误差。尤其是电缆中间转接处过多造成接触电阻的存在，再加上温度传感器至测温变送器距离过长，其引线电阻值更加不可忽略，又因为在发电厂封闭母线等区域的电缆又极容易受强电场等环境影响。综合考虑上述因素，接入温度变送器的三根引线电阻不完全相等，从而造成测量上的误差。［4］

（2）传感器自身的原因：接线盒式的铂热电阻带来的最大问题就是接线的不可靠，再加上底座松动等情况，容易造成接线处接触电阻随振动等影响产生变化，又由于铂热电阻阻值变化率为0.385Ω/℃，接触电阻值的轻微变化就能让测量的温度也发生较大改变，造成温度测量不准确，而且油泵在启停瞬间造成的管路震动极易造成运行工况不好的温度传感器接触电阻发生变化。

（3）环境的原因：变压器油温夏季负荷最高时可超过70℃，且冷却器上长期存在冷凝水，造成变压器室湿度较大，再加上振动的原因，这样的环境下，造成了前期投产的铂电阻温度传感器运行状况再次逐步劣化。

针对上述原因，可采取以下措施进行避免：

（1）根据温度测量需求及经济效益合理选择铂热电阻接线方式。在采取两线制接线方式时要注意引线电阻不可忽略，尤其是针对电缆过长的情况，此时可以考虑在温度变送器侧在采集的温度上固定减去引线电阻值造成的温度增加值；采取三线制接线方式时，温度传感器与测温变送器之间的电缆不宜过长，要尽量避免电缆接线的中间转接环节，若有接线也采取焊接的方式，尽量杜绝接触电阻变化进而带来测量温度的变化；针对四线制接法，保证恒流源的电流稳定是关键点，要尽量避免变频器产生的谐波、现场环境存在强磁场、强电场等对恒流源电流稳定输出的影响。［5］

（2）根据铂热电阻温度传感器所处环境，做好设备选型。针对测量部件振动较大等情况，可以选择航空插拔式或者一体式的铂热电阻，避免接线不牢固或松动等原因造成温度测量不准确，更能有效地避免因为高温、潮湿环境造成的金属锈蚀、氧化等因素带来的运行工况的持续恶化；针对于谐波、强磁场等环境因素，可以选择针对性的抗干扰产品，同时做好电缆屏蔽层接线。

（3）对于已使用此类接线盒式的铂热电阻，可将底座固定牢靠，发现接线松动时可以采取焊接的方式避免振动带来的影响，检查电缆屏蔽层是否两端接地，同时需做好密封措施，防止金属进一步锈蚀及氧化。［6］

5结论

本文介绍了铂热电阻温度传感器物理特性及测温原理，统计分析了某水电厂主变冷却器系统铂热电阻温度传感器运行数据及运行工况，总结了铂热电阻温度传感器测量不准确的原因。对存在的问题，本文针对性地提出了几点相应对策，提高了介质温度测量准确度及稳定性，为类似故障处理提供了解决办法。

参考文献：

［1］李超，杜巍.水电站主变冷却器常见故障成因及处理［J］.水电与新能源，2022（11）：6467.

［2］王响.机车上Pt100温度传感器原理及调试方法分析［J］.创新与实践，2019（5）：2225.

［3］汪成，赵磊.PT100铂热电阻错误接线与二次仪表电阻测量回路分析［J］.武汉船舶职业技术学院学报，2015（04）：3840.

［4］蒋鹏，张萍.影响Pt100温度传感器热响应时间的因素［J］.科技与创新，2018（2）：4950.

［5］刘睿.Pt100热电阻接线方式的改进［J］.电力安全技术，2016（08）：6162.

［6］李西西，吴广辉.Pt100温度传感器引线焊接方法试验研究［J］.铁道技术监督，2021（02）：2426.

作者简介：周尧（1996—），男，工学学士，助理工程师，2018年毕业于成都理工大学电气工程及其自动化专业，主要从事继电保护维护工作。