摘要：本文通過研究鉑熱電阻溫度傳感器（PT100）測(cè)溫原理，統(tǒng)計(jì)分析某水電廠主變冷卻器系統(tǒng)鉑熱電阻溫度傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行工況，總結(jié)提煉出鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確的原因，針對(duì)存在的問題，提出相應(yīng)對(duì)策。

關(guān)鍵詞：冷卻器系統(tǒng)；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(tǒng)的不斷發(fā)展壯大，變壓器作為輸配電系統(tǒng)中重要的基礎(chǔ)組成部分，其額定容量及在裝規(guī)模也在不斷發(fā)展擴(kuò)大，進(jìn)而保障變壓器安全可靠運(yùn)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(yùn)行的重要設(shè)備之一。［1］其測(cè)量的油溫、水溫等介質(zhì)溫度的可靠性直接影響著運(yùn)維人員對(duì)冷卻器運(yùn)行狀態(tài)及其冷卻效果的判斷。某水電廠主變冷卻器系統(tǒng)采用強(qiáng)迫油循環(huán)水冷方式，每臺(tái)單相變壓器有4臺(tái)冷卻器成組運(yùn)行，測(cè)溫傳感器采用PT100鉑熱電阻完成進(jìn)油、出油溫度及進(jìn)水、出水溫度測(cè)量，并送至現(xiàn)地測(cè)溫柜進(jìn)而上送中控室，供運(yùn)行人員監(jiān)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(duì)溫度較為敏感的物理特性，其隨著環(huán)境溫度上升，電阻值也隨之增大，整體呈正電阻系數(shù)，具備一定的近線性關(guān)系。利用這一特性制成的鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)溫區(qū)間大、測(cè)量較為精確、應(yīng)用范圍廣，其阻值計(jì)算公式為：

Rt=R01+At+Bt2+Ct-100t3-200℃＜t＜0℃

Rt=R01+At+Bt20℃t＜850℃

其中，Rt為環(huán)境溫度t℃時(shí)的電阻值，R0為環(huán)境溫度0℃時(shí)的電阻值，A、B、C為常數(shù)，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(huán)境溫度為0℃時(shí)，其測(cè)量電阻值約為100Ω，在100℃，測(cè)量電阻值約為138.5Ω。環(huán)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(jù)電阻值與溫度的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以實(shí)現(xiàn)通過測(cè)量電阻值達(dá)到測(cè)量溫度的目的。

2PT100鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)溫原理

鉑熱電阻溫度傳感器與測(cè)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(cè)溫變送器中。但是由于測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)與測(cè)溫變送器一般有一定距離，有的甚至很遠(yuǎn)，由于鉑熱電阻在0℃時(shí)電阻值為100Ω，電阻值相對(duì)較小，此時(shí)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(xì)微變化就會(huì)造成溫度的較大變化，此時(shí)引線電阻的存在就會(huì)造成測(cè)量溫度的極度不準(zhǔn)確，體現(xiàn)為測(cè)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(cè)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(nèi)部電阻，其利用不平衡電橋原理測(cè)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(diào)整電橋達(dá)到平衡。此時(shí)有下式：

R1R2=Rt+RR3+R

即：

Rt=R1×R3R2+R1×RR2-R

當(dāng)R1=R2時(shí)，Rt=R3，即測(cè)得鉑熱電阻值，此時(shí)引線電阻的大小完全不影響阻值測(cè)量結(jié)果，但是前提為三根電阻阻值完全相等?，F(xiàn)場(chǎng)受實(shí)際工況及環(huán)境影響，引線電阻值不可能存在完全意義上的相等，其測(cè)量結(jié)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(cè)溫變送器提供的穩(wěn)定電流，另一組接入裝置的電壓測(cè)量回路，此時(shí)測(cè)量的電壓即為鉑熱電阻兩端電壓。［3］

如圖2所示，測(cè)量時(shí)雖然測(cè)溫變送器與鉑熱電阻之間仍存在引線電阻，但測(cè)溫變送器此時(shí)測(cè)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(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線雖然也存在引線電阻，但由于測(cè)量?jī)x表可以視為電壓表，其內(nèi)阻相對(duì)于鉑熱電阻來說非常大，即連接測(cè)量?jī)x表的導(dǎo)線不存在電流，所以四根導(dǎo)線的引線電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果沒有影響，在恒流電流源輸出的電流穩(wěn)定的情況下，其測(cè)量的結(jié)果最為準(zhǔn)確。

3PT100鉑熱電阻測(cè)溫回路

某電廠主變冷卻器系統(tǒng)測(cè)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(nèi)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(zhì)傳導(dǎo)溫度。鉑熱電阻內(nèi)部由三根引出線接至底座后，再通過螺栓連接的方式經(jīng)電纜接至一旁的端子箱內(nèi)，在端子箱內(nèi)通過端子排以三線制方式轉(zhuǎn)接至相應(yīng)的測(cè)溫變送器中，最后再送至上位機(jī)供運(yùn)行人員監(jiān)盤使用，因此對(duì)鉑熱電阻測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性有一定的要求。

4PT100鉑熱電阻測(cè)溫誤差原因分析及對(duì)策研究

4.1歷年數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

主變冷卻器系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過程中經(jīng)常發(fā)生由于PT100鉑熱電阻溫度傳感器異常導(dǎo)致油溫、水溫顯示不準(zhǔn)確的情況，甚至引起監(jiān)控系統(tǒng)因數(shù)據(jù)品質(zhì)差導(dǎo)致該溫度顯示白屏的現(xiàn)象，筆者統(tǒng)計(jì)了投產(chǎn)至2021年的#1—#4主變冷卻器鉑熱電阻歷年缺陷數(shù)量，如圖3所示。

由上述數(shù)據(jù)，可以得出兩個(gè)特征點(diǎn)：（1）鉑熱電阻溫度傳感器發(fā)生缺陷次數(shù)隨著設(shè)備運(yùn)行年限明顯增加，但部分傳感器運(yùn)行僅2～3年就開始出現(xiàn)缺陷；（2）#1—#4主變冷卻器均出現(xiàn)測(cè)溫不準(zhǔn)確問題，尤其#1主變冷卻器出現(xiàn)問題次數(shù)最多。而#4主變冷卻器雖很少出現(xiàn)較大溫度偏差的缺陷，但是在實(shí)際運(yùn)行中，相同運(yùn)行工況下，通過對(duì)比同一相不同鉑熱電阻測(cè)量的油溫、水溫，仍然存在一定的測(cè)量偏差。

4.2現(xiàn)場(chǎng)檢查及處理

通過現(xiàn)場(chǎng)查看，發(fā)現(xiàn)#4主變冷卻器鉑熱電阻運(yùn)行工況良好，其制作工藝明顯優(yōu)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(yán)重；（3）部分引出線壓接接頭不規(guī)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(duì)鉑熱電阻運(yùn)行工況，現(xiàn)場(chǎng)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(duì)于不能處理的如金屬氧化銹蝕問題等，則用同型號(hào)備品或航空插拔式、一體式的鉑熱電阻替換。在經(jīng)過近兩年的運(yùn)行觀察后發(fā)現(xiàn)：（1）溫度大幅度跳變現(xiàn)象未再出現(xiàn)，但仍然偶爾發(fā)現(xiàn)個(gè)別溫度與實(shí)際存在一定誤差，且頻次隨運(yùn)行時(shí)間增加而逐漸上升；（2）更換后的接線盒式鉑熱電阻受環(huán)境影響其運(yùn)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(yùn)行穩(wěn)定，運(yùn)行工況保持良好。

4.3原因分析及對(duì)策研究

根據(jù)上述統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及實(shí)際處理分析，得出影響主變冷卻器鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確的原因主要為：

（1）測(cè)量原理上的原因：鉑熱電阻三線制接法測(cè)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(shí)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(zhuǎn)接處過多造成接觸電阻的存在，再加上溫度傳感器至測(cè)溫變送器距離過長(zhǎng)，其引線電阻值更加不可忽略，又因?yàn)樵诎l(fā)電廠封閉母線等區(qū)域的電纜又極容易受強(qiáng)電場(chǎng)等環(huán)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(cè)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(dòng)等情況，容易造成接線處接觸電阻隨振動(dòng)等影響產(chǎn)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(cè)量的溫度也發(fā)生較大改變，造成溫度測(cè)量不準(zhǔn)確，而且油泵在啟停瞬間造成的管路震動(dòng)極易造成運(yùn)行工況不好的溫度傳感器接觸電阻發(fā)生變化。

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

針對(duì)上述原因，可采取以下措施進(jìn)行避免：

（1）根據(jù)溫度測(cè)量需求及經(jīng)濟(jì)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(shí)要注意引線電阻不可忽略，尤其是針對(duì)電纜過長(zhǎng)的情況，此時(shí)可以考慮在溫度變送器側(cè)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(shí)，溫度傳感器與測(cè)溫變送器之間的電纜不宜過長(zhǎng)，要盡量避免電纜接線的中間轉(zhuǎn)接環(huán)節(jié)，若有接線也采取焊接的方式，盡量杜絕接觸電阻變化進(jìn)而帶來測(cè)量溫度的變化；針對(duì)四線制接法，保證恒流源的電流穩(wěn)定是關(guān)鍵點(diǎn)，要盡量避免變頻器產(chǎn)生的諧波、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境存在強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)電場(chǎng)等對(duì)恒流源電流穩(wěn)定輸出的影響。［5］

（2）根據(jù)鉑熱電阻溫度傳感器所處環(huán)境，做好設(shè)備選型。針對(duì)測(cè)量部件振動(dòng)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(dòng)等原因造成溫度測(cè)量不準(zhǔn)確，更能有效地避免因?yàn)楦邷?、潮濕環(huán)境造成的金屬銹蝕、氧化等因素帶來的運(yùn)行工況的持續(xù)惡化；針對(duì)于諧波、強(qiáng)磁場(chǎng)等環(huán)境因素，可以選擇針對(duì)性的抗干擾產(chǎn)品，同時(shí)做好電纜屏蔽層接線。

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

5結(jié)論

本文介紹了鉑熱電阻溫度傳感器物理特性及測(cè)溫原理，統(tǒng)計(jì)分析了某水電廠主變冷卻器系統(tǒng)鉑熱電阻溫度傳感器運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行工況，總結(jié)了鉑熱電阻溫度傳感器測(cè)量不準(zhǔn)確的原因。對(duì)存在的問題，本文針對(duì)性地提出了幾點(diǎn)相應(yīng)對(duì)策，提高了介質(zhì)溫度測(cè)量準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性，為類似故障處理提供了解決辦法。

參考文獻(xiàn)：

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

作者簡(jiǎn)介：周堯（1996—），男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，2018年畢業(yè)于成都理工大學(xué)電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，主要從事繼電保護(hù)維護(hù)工作。