主變冷卻器系統鉑熱電阻溫度傳感器應用分析及故障對策探討

摘要：本文通過研究鉑熱電阻溫度傳感器（PT100）測溫原理，統計分析某水電廠主變冷卻器系統鉑熱電阻溫度傳感器運行數據及運行工況，總結提煉出鉑熱電阻溫度傳感器測量不準確的原因，針對存在的問題，提出相應對策。

關鍵詞：冷卻器系統；鉑熱電阻；溫度傳感器

ApplicationAnalysisandFaultCountermeasuresofPlatinumThermal

ResistanceTemperatureSensorinMainTransformerCoolerSystem

ZhouYaoWangXinleiZhuEnfeiZhangQianXueMishuai

YalongRiverHydropowerDevelopmentCompany.，LtdSichuanChengdu610051

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

Keywords：coolersystem；platinumthermistor；temperaturesensor

目前，隨著電力系統的不斷發展壯大，變壓器作為輸配電系統中重要的基礎組成部分，其額定容量及在裝規模也在不斷發展擴大，進而保障變壓器安全可靠運行是十分重要的。冷卻器作為熱交換器，是保障變壓器正常運行的重要設備之一。［1］其測量的油溫、水溫等介質溫度的可靠性直接影響著運維人員對冷卻器運行狀態及其冷卻效果的判斷。某水電廠主變冷卻器系統采用強迫油循環水冷方式，每臺單相變壓器有4臺冷卻器成組運行，測溫傳感器采用PT100鉑熱電阻完成進油、出油溫度及進水、出水溫度測量，并送至現地測溫柜進而上送中控室，供運行人員監盤使用。

1PT100物理特性

鉑熱電阻溫度傳感器利用的是金屬鉑（PT）對溫度較為敏感的物理特性，其隨著環境溫度上升，電阻值也隨之增大，整體呈正電阻系數，具備一定的近線性關系。利用這一特性制成的鉑熱電阻溫度傳感器測溫區間大、測量較為精確、應用范圍廣，其阻值計算公式為：

Rt=R01+At+Bt2+Ct-100t3-200℃＜t＜0℃

Rt=R01+At+Bt20℃t＜850℃

其中，Rt為環境溫度t℃時的電阻值，R0為環境溫度0℃時的電阻值，A、B、C為常數，一般為：

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

某電廠使用的PT100鉑熱電阻溫度傳感器即是在環境溫度為0℃時，其測量電阻值約為100Ω，在100℃，測量電阻值約為138.5Ω。環境溫度每升高1℃，其電阻值增加約0.385Ω，即電阻變化率約為0.385Ω/℃。根據電阻值與溫度的一一對應關系，就可以實現通過測量電阻值達到測量溫度的目的。

2PT100鉑熱電阻溫度傳感器測溫原理

鉑熱電阻溫度傳感器與測溫變送器之間的接線方式一般分為兩線制、三線制及四線制。

2.1兩線制接線方式

兩線制接法是直接在鉑熱電阻兩端引出接線至測溫變送器中。但是由于測量現場與測溫變送器一般有一定距離，有的甚至很遠，由于鉑熱電阻在0℃時電阻值為100Ω，電阻值相對較小，此時造成引線電阻值不可忽略，而又由于鉑熱電阻變化率為0.385Ω/℃，靈敏度高，電阻值的細微變化就會造成溫度的較大變化，此時引線電阻的存在就會造成測量溫度的極度不準確，體現為測量溫度值虛高。

2.2三線制接線方式

三線制接法即在鉑熱電阻一端接一根線，另一端接入兩根線，一起將三根接線送至測溫變送器中。

如圖1所示，鉑熱電阻阻值Rt，三根引線電阻值為R。R1、R2、R3為溫度變送器內部電阻，其利用不平衡電橋原理測量Rt值。將鉑熱電阻兩端接入裝置，與R1、R2形成不平衡橋，R3為可變電阻，調整電橋達到平衡。此時有下式：

R1R2=Rt+RR3+R

即：

Rt=R1×R3R2+R1×RR2-R

當R1=R2時，Rt=R3，即測得鉑熱電阻值，此時引線電阻的大小完全不影響阻值測量結果，但是前提為三根電阻阻值完全相等。現場受實際工況及環境影響，引線電阻值不可能存在完全意義上的相等，其測量結果依然存在一定偏差。

2.3四線制接線方式

四線制接法即在鉑熱電阻兩端各接入兩組接線，其中一組為測溫變送器提供的穩定電流，另一組接入裝置的電壓測量回路，此時測量的電壓即為鉑熱電阻兩端電壓。［3］

如圖2所示，測量時雖然測溫變送器與鉑熱電阻之間仍存在引線電阻，但測溫變送器此時測量的電壓范圍未包括電流流過的引線電阻上的電壓降，連接測量儀表的導線雖然也存在引線電阻，但由于測量儀表可以視為電壓表，其內阻相對于鉑熱電阻來說非常大，即連接測量儀表的導線不存在電流，所以四根導線的引線電阻對測量結果沒有影響，在恒流電流源輸出的電流穩定的情況下，其測量的結果最為準確。

3PT100鉑熱電阻測溫回路

某電廠主變冷卻器系統測溫傳感器采用的是接線盒式的鉑熱電阻，其鉑熱電阻封裝在圓柱探體內以螺紋M27*2方式插入主變冷卻器油管及水管中，并不與油流及水流直接接觸，通過油介質傳導溫度。鉑熱電阻內部由三根引出線接至底座后，再通過螺栓連接的方式經電纜接至一旁的端子箱內，在端子箱內通過端子排以三線制方式轉接至相應的測溫變送器中，最后再送至上位機供運行人員監盤使用，因此對鉑熱電阻測量準確度及穩定性有一定的要求。

4PT100鉑熱電阻測溫誤差原因分析及對策研究

4.1歷年數據統計

主變冷卻器系統在實際運行過程中經常發生由于PT100鉑熱電阻溫度傳感器異常導致油溫、水溫顯示不準確的情況，甚至引起監控系統因數據品質差導致該溫度顯示白屏的現象，筆者統計了投產至2021年的#1—#4主變冷卻器鉑熱電阻歷年缺陷數量，如圖3所示。

由上述數據，可以得出兩個特征點：（1）鉑熱電阻溫度傳感器發生缺陷次數隨著設備運行年限明顯增加，但部分傳感器運行僅2～3年就開始出現缺陷；（2）#1—#4主變冷卻器均出現測溫不準確問題，尤其#1主變冷卻器出現問題次數最多。而#4主變冷卻器雖很少出現較大溫度偏差的缺陷，但是在實際運行中，相同運行工況下，通過對比同一相不同鉑熱電阻測量的油溫、水溫，仍然存在一定的測量偏差。

4.2現場檢查及處理

通過現場查看，發現#4主變冷卻器鉑熱電阻運行工況良好，其制作工藝明顯優于其他鉑熱電阻，而#1主變冷卻器鉑熱電阻卻大部分存在：（1）部分金屬螺母及塑膠底座松脫；（2）部分引出線氧化銹蝕嚴重；（3）部分引出線壓接接頭不規范、尺寸不合適；（4）部分金屬螺母銹蝕、滑絲，與金屬外殼有接觸等。

針對鉑熱電阻運行工況，現場人員通過用膠水固定底座、重新壓接接頭或采用焊接方式替代；對于不能處理的如金屬氧化銹蝕問題等，則用同型號備品或航空插拔式、一體式的鉑熱電阻替換。在經過近兩年的運行觀察后發現：（1）溫度大幅度跳變現象未再出現，但仍然偶爾發現個別溫度與實際存在一定誤差，且頻次隨運行時間增加而逐漸上升；（2）更換后的接線盒式鉑熱電阻受環境影響其運行工況正在逐漸變差，如金屬接頭部分開始氧化等；（3）更換后的航空插拔式或一體式的鉑熱電阻運行穩定，運行工況保持良好。

4.3原因分析及對策研究

根據上述統計數據及實際處理分析，得出影響主變冷卻器鉑熱電阻溫度傳感器測量不準確的原因主要為：

（1）測量原理上的原因：鉑熱電阻三線制接法測量精確的前提為三根引線的引線電阻完全相等，其在理論上可以消除引線電阻帶來的誤差因素，但是受實際工況的影響，是不可能真正消除引線電阻帶來的附加誤差。尤其是電纜中間轉接處過多造成接觸電阻的存在，再加上溫度傳感器至測溫變送器距離過長，其引線電阻值更加不可忽略，又因為在發電廠封閉母線等區域的電纜又極容易受強電場等環境影響。綜合考慮上述因素，接入溫度變送器的三根引線電阻不完全相等，從而造成測量上的誤差。［4］

（2）傳感器自身的原因：接線盒式的鉑熱電阻帶來的最大問題就是接線的不可靠，再加上底座松動等情況，容易造成接線處接觸電阻隨振動等影響產生變化，又由于鉑熱電阻阻值變化率為0.385Ω/℃，接觸電阻值的輕微變化就能讓測量的溫度也發生較大改變，造成溫度測量不準確，而且油泵在啟停瞬間造成的管路震動極易造成運行工況不好的溫度傳感器接觸電阻發生變化。

（3）環境的原因：變壓器油溫夏季負荷最高時可超過70℃，且冷卻器上長期存在冷凝水，造成變壓器室濕度較大，再加上振動的原因，這樣的環境下，造成了前期投產的鉑電阻溫度傳感器運行狀況再次逐步劣化。

針對上述原因，可采取以下措施進行避免：

（1）根據溫度測量需求及經濟效益合理選擇鉑熱電阻接線方式。在采取兩線制接線方式時要注意引線電阻不可忽略，尤其是針對電纜過長的情況，此時可以考慮在溫度變送器側在采集的溫度上固定減去引線電阻值造成的溫度增加值；采取三線制接線方式時，溫度傳感器與測溫變送器之間的電纜不宜過長，要盡量避免電纜接線的中間轉接環節，若有接線也采取焊接的方式，盡量杜絕接觸電阻變化進而帶來測量溫度的變化；針對四線制接法，保證恒流源的電流穩定是關鍵點，要盡量避免變頻器產生的諧波、現場環境存在強磁場、強電場等對恒流源電流穩定輸出的影響。［5］

（2）根據鉑熱電阻溫度傳感器所處環境，做好設備選型。針對測量部件振動較大等情況，可以選擇航空插拔式或者一體式的鉑熱電阻，避免接線不牢固或松動等原因造成溫度測量不準確，更能有效地避免因為高溫、潮濕環境造成的金屬銹蝕、氧化等因素帶來的運行工況的持續惡化；針對于諧波、強磁場等環境因素，可以選擇針對性的抗干擾產品，同時做好電纜屏蔽層接線。

（3）對于已使用此類接線盒式的鉑熱電阻，可將底座固定牢靠，發現接線松動時可以采取焊接的方式避免振動帶來的影響，檢查電纜屏蔽層是否兩端接地，同時需做好密封措施，防止金屬進一步銹蝕及氧化。［6］

5結論

本文介紹了鉑熱電阻溫度傳感器物理特性及測溫原理，統計分析了某水電廠主變冷卻器系統鉑熱電阻溫度傳感器運行數據及運行工況，總結了鉑熱電阻溫度傳感器測量不準確的原因。對存在的問題，本文針對性地提出了幾點相應對策，提高了介質溫度測量準確度及穩定性，為類似故障處理提供了解決辦法。

參考文獻：

［1］李超，杜巍.水電站主變冷卻器常見故障成因及處理［J］.水電與新能源，2022（11）：6467.

［2］王響.機車上Pt100溫度傳感器原理及調試方法分析［J］.創新與實踐，2019（5）：2225.

［3］汪成，趙磊.PT100鉑熱電阻錯誤接線與二次儀表電阻測量回路分析［J］.武漢船舶職業技術學院學報，2015（04）：3840.

［4］蔣鵬，張萍.影響Pt100溫度傳感器熱響應時間的因素［J］.科技與創新，2018（2）：4950.

［5］劉睿.Pt100熱電阻接線方式的改進［J］.電力安全技術，2016（08）：6162.

［6］李西西，吳廣輝.Pt100溫度傳感器引線焊接方法試驗研究［J］.鐵道技術監督，2021（02）：2426.

作者簡介：周堯（1996—），男，工學學士，助理工程師，2018年畢業于成都理工大學電氣工程及其自動化專業，主要從事繼電保護維護工作。