天荒坪抽水蓄能電站RTD（鉑熱電阻）失效機理分析

天荒坪抽水蓄能電站共有6 臺300MW 立式、同軸、單速、可逆式水泵水輪機——發(fā)電電動機組，承擔調(diào)峰、填谷、事故備用、調(diào)頻等功能，屬純抽水蓄能電站，機組能否正常運行對整個華東電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全具有十分重要的意義。6 臺機組的主控設備為貝利公司的N90，所有的檢測儀表（如溫度、壓力、流量、液位等檢測儀表）均為國外進口產(chǎn)品，這些產(chǎn)品來自不同國家和地區(qū)，品種繁多、規(guī)格雜亂，不僅備品備件的采購周期長，相互的替換性差，而且對故障的分析處理帶來極大的麻煩和不便。6 臺機組自投產(chǎn)以來到2001 年6 月止，因一次自動化測溫元件RTD（鉑熱電阻）故障引起的停機次數(shù)達18 次。圖1 繪出了各臺機組RTD 故障引起的停機次數(shù)分布，其中3#機組RTD鉑熱電阻故障引起停機7 次，占39%。不同位置RTD（鉑熱電阻）的故障分布情況如圖2 所示，推力軸承RTD（鉑熱電阻）故障達7 次，占39%，空冷RTD鉑熱電阻故障4 次，占22%。在推力軸承的7 次RTD 故障中，3#機組RTD（鉑熱電阻）故障有6 次，占85.7%。是什么原因使3#機組推力軸承RTD（鉑熱電阻）故障率比其他機組要高？通過對表1 所列出的6 臺機組推力軸承振動數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，3#機組推力軸承振動幅度明顯高于其他機組，因此，筆者認為劇烈、反復的振動和沖擊是導致3#機組推力軸承RTD鉑熱電阻故障率高于其他機組的一個重要原因。為了弄清RTD（鉑熱電阻）故障原因，對故障RTD（鉑熱電阻）樣品進行了測試、解剖和各種分析試驗，以便在弄清失效機理的基礎上，尋求改進措施，提高可靠性、延長使用壽命。
二 失效判據(jù)和失效模式
天荒坪抽水蓄能電站使用的RTD（鉑熱電阻）均為進口Pt100 三線制鉑熱電阻，其標稱電阻值R0=（100±0.005）O， 電阻溫度系數(shù)a=R100℃/R0℃=1.3850，其內(nèi)部接線如圖3所示。
失效判據(jù)是根據(jù)RTD（鉑熱電阻）產(chǎn)品的技術指標和我國專業(yè)標準JB/T 8622-1997《工業(yè)鉑電阻技術條件及分度表》和檢定規(guī)程JJG229-1998《工業(yè)鉑、銅熱電阻》要求確定的。
失效不僅是指致命性破壞或*喪失功能，還包括性能降低（如性能參數(shù)漂移、材料退化變質(zhì)等）。但是，不管是何種失效，都有一個共同特點，即只要來自環(huán)境、工作條件等的能量積蓄一旦超過某個界限，元器件就開始退化或被破壞。在這些環(huán)境和工作條件中，促使元器件退化的誘因一般稱為“應力”，元器件總是經(jīng)過一定時間才演變成失效的。如果說應力和時間是元器件失效的外因，那么導致元器件失效的內(nèi)因，即引起元器件失效的物理、化學或機械過程，則是元器件的失效機理。這實質(zhì)上是一種微觀變化，而表現(xiàn)為宏觀現(xiàn)象的過程，失效現(xiàn)象（指失效內(nèi)因的表現(xiàn)形式）或失效狀態(tài)的類型稱為失效模式。失效模式是可以觀測到的，而失效機理則不一定，但有可能通過各種理化分析找出來，例如開路失效、短路失效、參數(shù)漂移等都是具體的失效模式。失效模式常分為突然失效和逐漸失效兩種主要類型。元器件的失效模式和失效機理并不是固定不變的，它是儲存、使用、維護等環(huán)境（應力）以及時間的函數(shù)，而且還與設計、處理、制造、試驗（篩選）等條件密切相關。因此，探明失效機理，無論在理論還是生產(chǎn)實踐上，都具有十分重要的意義。
天荒坪抽水蓄能電站使用的RTD鉑熱電阻主要有兩種形式：鉑絲繞制而成的RTD鉑熱電阻、鉑質(zhì)薄膜RTD。為了弄清RTD（鉑熱電阻）失效機理，對已失效的RTD（鉑熱電阻）進行了分類，并在恒溫油槽中測量了失效RTD（鉑熱電阻）在R0℃、R20℃、R100℃3 個溫度點的電阻值，表2 列出了失效模式分類和測試結果數(shù)據(jù)。
第五類樣品的失效機理
（1）對鉑絲繞制而成的RTD（鉑熱電阻），如果封裝工藝不嚴格或填充物不致密，則其在軸向和徑向經(jīng)受重復性振動或沖擊時，會導致繞制在骨架上的鉑絲被壓縮或與不銹鋼外套相接觸，導致相鄰鉑絲間相互接觸或短路，zui終使阻值減小。
（2）RTD（鉑熱電阻）的絕緣電阻是一個不容忽視的技術指標，常溫下RTD（鉑熱電阻）的絕緣電阻通常在100MO 以上，如果絕緣電阻變小則會給溫度測量帶來較大的誤差。但是在高溫下，由于測溫元件骨架和引出線絕緣瓷管中的離子導電，造成絕緣下降，導致在鉑電阻絲之間以及引出線之間產(chǎn)生分流和漏電現(xiàn)象，使電阻值變小。實驗證實，在以玻璃、陶瓷材料為骨架的測溫元件中，若制作過程控制不嚴格，其高溫絕緣電阻可能只有幾百到幾萬歐姆。
如圖4 所示，由于測溫元件骨架和引出線瓷管絕緣電阻下降，在鉑絲1 之間以及引出線2 之間猶如并聯(lián)了R1、R2、R3??Rn 電阻，形成了分流電路。圖5為圖4 的等效電路，Rt 為測溫元件電阻；RJ 為R1、R2、R3?? Rn 的等效電阻。
由圖5 可得：

式中，dR/dt 為在溫度為t 時的微分電阻值（O/℃）。

根據(jù)式（4）計算得到的Pt100 高溫絕緣電阻下降引起的溫度誤差如表3 所示。

（3）RTD（鉑熱電阻）在高溫下使用時，由于金屬的擴散揮發(fā)，會在測溫元件的鉑絲之間或在引出線的絕緣瓷管內(nèi)覆蓋一層金屬膜而產(chǎn)生分流現(xiàn)象，使絕緣電阻下降；另外，使用時間較長的鉑電阻測溫元件骨架材料絕緣性能的變壞以及填充絕緣材料（如氧化鎂粉）的受潮，也會引起絕緣電阻下降，造成RTD（鉑熱電阻）的測量誤差。
（4）剖開不銹鋼外套，取出RTD（鉑熱電阻）測溫元件，將測溫元件置于電鏡下檢查發(fā)現(xiàn)，鉑引出電極與外引出導線間焊接處的塑料絕緣套管已磨損，兩電極已短接，使RTD 輸出阻值為0。