大水电厂机组轴瓦测温热电阻故障分析及改进

刘家峡水电厂1-4号机组为悬吊式水轮发电机组，推力、上导、水导三部轴承支撑机组运行时的轴向力和径向力，轴承温度是监测机组运行状态的重要手段，轴瓦温度接入机组保护，若温度超高则会报警或停机，重要性不言而喻。但在机组运行过程中，特别是汛期大发电机组长周期运行时，各轴瓦测温Pt100热电阻出现不同程度的误报、跳变和没有读数等问题，很难判断到底是机组本身的问题还是测温铂电阻的问题，给机组的安全运行带来隐患。
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1、水轮机组测温系统简介
在工业应用中，温度测量有热电偶和热电阻两种测量原理。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，只要测量出感温铂电阻的阻值变化，就可以测量出温度。目前应用最广泛的金属热电阻材料是铂和铜，常用的分度号有Pt100和Cu50两种。刘家峡水电厂机组轴承温度测量均采用Pt100热电阻测温。

Pt100热电阻安装在生产现场，与控制盘柜之间存在一定的距离，电阻信号通过引线传递到计算机采集模块上。一般热电阻二线制、三线制和四线制引线方式。由于刘家峡水电厂机组轴瓦温度超过定值后直接动作于发信号和跳闸，对温度测量精度有较高要求，为将电缆电阻不平衡对测量结果的影响降到最小，所以轴瓦温度测量采用三线制Pt100热电阻。

2、存在问题
统计数据(见表1)后发现，Pt100热电阻运行中主要存在：测量值频繁跳变；测温元件短路，阻值为0Ω；测温元件断路，阻值为∞；显示值与实际测量值偏差大等问题。
表1   4-11月测温系统缺陷统计表

                               
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3、故障原因分析
①运行时间长、不易维护
推力及各导轴承瓦测温电阻安装在空间狭小不宜维护更换的地方，机组运行过程中传感器和部分导线长期浸泡在温度较高的透平油中，并时刻承受油流的冲击和机组的振动，因此机械破坏较为严重。由于轴承位置测温元件一般在A级检修进行机组分解时才有机会检查维护。在平时若需对故障元件进行处理，需申请机组非计划停机，并进行排油、拆除弹簧油箱、抽瓦等一系列工作，停机时间长、难度大。因此，在正常运行时测温电阻出现跳变、断线等现象时，通常无法及时处理， 需将故障点暂时退出运行。而轴承温度属于机组运行的重要参数，长期缺失轴承部分测点温度，会使运行人员无法及时、准确判断机组运行情况，直接危及设备安全稳定运行。

②测温电阻自身问题
a、元件固定部位无弹簧
由于安装在轴瓦部位的测温元件在运行时一直受到持续振动，固定部位无弹簧无法缓冲振动对元件造成的影响。
b、测温导线外部无保护
测温导线耐油、耐腐蚀、耐热性能比较差；长期在油浸的环境中，容易出现变硬、变脆、外皮开裂等现象，缩短其使用寿命；长期振动会导致导线在传感器根部断开见(图1、图2)。经现场检查发现，根部断线的故障几乎占了测温电阻故障总数的50%。

                               
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图1   传感器根部断线

                               
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图2   传感器根部断线

③测温电阻安装问题
a、导线转接问题
测温电阻出线较短造成在油槽中转接点较多，每个转接点都要焊接，油槽中位置狭小，焊接操作不便，容易出现虚焊、脱焊等现象，导致测温元件在运行中受到振动及油流冲击后出现焊点部位断开。如 ：以刘家峡水电厂 4 号机组为例，推力及上导油槽内测温电阻导线转接采用螺杆转接，测温元件引线与测温电缆导线通过螺母固定在环氧板上，以达到转接目的。但在机组检修分解时发现，转接环氧板接线端子容易松动和氧化，造成接触不良，引起温度值跳变。
b、油槽中布线不规范
导线固定、绑扎采用塑料扎带，容易伤及导线外皮。油槽内的固定线卡材质为薄铁皮，其边缘较尖锐，若导线外皮不包裹保护层，很容易被尖锐部分损坏而留存隐患。有的布线在油槽中固定不牢靠，机组运行时油流、浪涌造成测温线在接头处断线，如图3所示。

                               
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图3   测温引线被磨损
c、测温电阻及导线没有实施有效屏蔽
由于所使用的测温电阻引线较细，屏蔽层薄弱，在进行转接时，测温电阻外屏蔽与测温电缆外屏蔽未有效连接，发电机在运行时产生的强电场特别是漏磁产生的强磁场对测温回路产生较大干扰，导致温度出现跳变现象。

4、改进措施
①对测温电阻进行改进
昌晖仪表制造有限公司在汽轮机铂电阻生产中引进和吸收了国外进口技术，在对测温铂电阻改进过程中得到昌晖仪表的建议和技术支持，在新更换的Pt100热电阻固定部位加装特制弹簧，如图4所示，缓冲机组振动对测温元件的影响；为测温引线选择具有优良的耐油、耐腐蚀和耐热性能的外层绝缘材料，延长导线使用寿命；使用具有致密网状屏蔽的测温导线，减小强磁场对测温元件的干扰。

                               
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图4   固定部位加装特制弹簧

在导线与测温电阻的结合部位选择波纹管和铠装丝延伸保护，如图5所示。这里特别要强调铠装丝延伸保护方式，将传感器内部的铠装丝一直延伸出来，这样导线受到油流冲击的部分全部是铠装丝，实际上铠装丝是可以任意弯折的不锈钢导线防护层，抗腐蚀、冲击和振动的性能非常好，这样可彻底解决导线受油腐蚀和冲击的问题。使用寿命更久，性能更可靠。

                               
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图5   延伸保护

②规范测温电阻安装、布线
a、推力、上导、水导油槽内，油旋转速度很快，对测温电阻探头和导线的连接部位冲击力很大，现场安装时尽量顺着油流冲击的方向布线以减少油流对探头根部导线的冲击。
b、测温Pt100热电阻导线在油槽内走线，每隔500mm用白布带绑扎，然后用调配好的绝缘漆，涂刷至白布带绑扎处，使其同化、引线集结成束，减少油流冲击的影响。
c、沿轴瓦托架将测温电阻引线集结成一束，用线卡将线束固定在油槽壁或支架上。采用由耐油橡胶包裹着的线卡，防止导线外皮被磨破，避免导线在油槽内发生机械损坏。线卡较大时，先用白布带将线束缠绕后， 再用线卡固定。

③改进油槽出线装置
采用特殊定制的油槽出线装置，如图6所示，解决导线出油槽时漏油、安装不便等问题。油槽出线装置的基础板及隔油锁扣均采用304不锈钢，可保证机组检修分解中不发生拆装变形。钢板上布置有若干通透的穿线孔，导线穿出后旋紧隔油锁扣，锁扣内部的密封条能极好的贴合导线外皮，杜绝机组运行时的压力油从出线孔中渗漏。采用该装置后导线无需一根根焊接或通过螺杆转接，而是从油槽中直接穿出至油盆外壁的接线端子箱。减少中间转接环节，具有工艺简单、防护等级高等优点。目前刘家峡水电厂1-4号机组油槽出线装置已全部更换，运行中未出现渗漏油现象。

                               
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图6   油槽出线装置

④重要监测点采用冗余配置
由于机组正常运行期间，一旦发生测温元件损坏， 更换难度极大，为了提高运行可靠性，应尽量在推力及导轴承等重要部位，使用双支式测温电阻。即在同一铠装外护套内布置两支同一分度号、同等精度的热电阻，用于测量同一点温度。测温元件引出导线应使用六线制，以消除引线电阻不平衡对测量结果的影响。

                               
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图7   双支式测温电阻结构示意图

采用双支式测温电阻可在同一位置引出两个测量点，两个测点的引线均引出至油盆外壁的接线端子箱。正常情况下一支运行，一支作为备用。在元件出现故障时，仅在端子箱处将外接电缆接至备用元件即可，减少了因单支电阻损坏后无法更换造成的设备隐患。
本文分析了水电厂测温电阻运行过程中出现的断线、测量值瞬间达到最大值等问题的原因，并提出了以下改进措施：
①改进测温电阻。
②规范测温电阻安装、布线。
③改进油槽出线装置。
④重要监测点采用冗余配置。

按上述方法逐步对刘家峡水电厂1-4号机组轴承部分测温电阻进行了改造，运行情况表明，改进后的测温Pt100热电阻在五年一次的A级检修期内可以安全可靠稳定运行，避免了元件误报、损坏等造成的停机检修，实践证明该方法可操作性强，能够很好地在现场实施应用，对其他在运水电站测温电阻改造和新建水电站测温电阻选型、安装具有借鉴意义。
作者：国网甘肃刘家峡水电厂 王茹玉、苟小军、罗宏平

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