金立洪(上海电气电站设备有限公司发电机厂,上海 200240)
摘 要:1 000MW级水氢冷汽轮发电机所使用的定子铁心、线圈层间、氢侧温度、引出水管和轴承在线检测用热电阻和热电偶测温元件与以往使用于300MW和600MW发电机上的元件在结构上完全不同,测量精度和性能方面提高了一个档次,其结构和性能水平在国内属首次试制。
关键词:发电机;测温元件;热电阻;热电偶
1 前言
1. 1 开发背景及意义
我公司生产的1 000MW级水氢冷汽轮发电机和400MW级水氢氢燃气轮发电机,所使用的定子铁心、线圈层间、氢侧温度、引出水管和轴承在线检测用热电阻和热电偶测温元件原先均从国外进口。要批量建造1 000 MW级超临界火电机组和400MW级水氢氢燃气轮发电机组,必须考虑测温元件的国产化。
1. 2 先进性和创新点
进口测温元件结构紧凑,铂电阻型温度元件测量精度达到IEC标准的A级水平,即在0℃时其电阻值R(0℃)为100Ω±0. 06Ω, 0℃时温度偏差为±0. 15℃, 100℃时温度偏差为±0. 35℃;而国内目前生产的测温元件为IEC标准的B级水平,即在0℃时其电阻值R(0℃)为100Ω±0. 12Ω, 0℃时温度偏差为±0. 3℃, 100℃时温度偏差为±0. 8℃。热电偶型温度元件测量精度达到IEC标准IV级水平,以T型热电偶为例,在-40~350℃范围内,温度偏差为±0. 5℃,而国内为
级水平,温度偏差为±1℃。
由于采用铠装结构(内部元件、内部填充物及外壳紧密连在一起),元件的防震性能和反应灵敏都比常规结构要好。经比较进口测温元件响应时间常数较国内产品小,反应灵敏。层间测温区域范围加大,国内为200 mm,进口为500 mm,更能反应绕组的整体温度情况。
1. 3 主要任务和目标
测温元件国产化,必须做到测温元件所包含的所有零件、材料,实现国内提供,所制成的测温元件其质量和测量精度均不得低于进口测温元件,且确保采购价格较进口价格有较大的下降。
2 基本理论
2. 1 铂热电阻
2. 1. 1 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。目前主要有金属热电阻和半导体热敏电阻两类。
金属热电阻的电阻值和温度一般可以用以下的近似关系式表示,即
式中,Rt为温度t时的阻值;Rt0为温度t0(通常t0=0℃)时对应电阻值;α为温度系数,表示电阻当温度改变1℃时,电阻值的相对变化,定义为:
2.1. 2 金属铂(Pt)的电阻值随温度变化而变化,并且具有很好的重现性和稳定性。通常使用的铂电阻温度传感器零度阻值为100Ω,电阻变化率为0. 3 851Ω/℃。铂电阻温度传感器精度高,是中低温区(-200~650℃)最常用的一种温度检测器。
主要技术指标:
铂热电阻在0℃时的电阻值称R(0℃)和100℃时的电阻值称R(100℃)以及R(100℃)/R(0℃)叫作比值W100。
Pt100其含义为(0℃)时的名义电阻值为100Ω,目前使用的一般都是这种铂热电阻。
国际标准规定的Pt100测量精度允许偏差如下:
A级———R(0℃)=100Ω±0. 06Ω或±(0. 15+0. 002|t|℃
B级———R(0℃)=100Ω±0. 12Ω或±(0. 30+0. 005|t|)℃
比值W100=1. 385 0
比值偏差:A级±0. 000 06
B级0. 000 12
上式中“|t|”为实际温度的绝对值。
2. 1. 3 铂电阻的自热和测试电流
常规产品的测试电流:Pt100为1 mA,最大允许电流5mA;Pt1 000为0. 5mA,实际应用时测试电流不得超过最大允许值,例如Pt100当测试电流为1mA时,温升为0. 05℃;当测试电流为5 mA时,温升为2. 2℃,并且自热温升的数据同产品的结构也有很大的关系,如保护管的直径,内部填充物的种类,测试条件等。
2. 1. 4 铂电阻引出导线型式
(1)两线制
传感器电阻变化值与连接导线电阻值共同构成传感器的输出值,由于导线电阻带来的附加误差使实际测量值偏高,用于测量精度要求不高的场合,并且导线的长度不宜过长。
回路中的电流I与铂电阻Rt和导线电阻2r之和成反比,即I=Es/(R+2r),或Rt=(Es/I)-2r。
导线电阻不但随导线的长度成正比,而且还随导线所在环境温度变化,因此,两线制在工业测量中很少使用。
(2)三线制
要求引出的三根导线截面积和长度均相同,测量铂电阻的电路一般是不平衡电桥,铂电阻作为电桥的一个桥臂电阻,将导线一根接到电桥的电源端,其余两根分别接到铂电阻所在的桥臂及与其相邻的桥臂上,当桥路平衡时,通过计算可知,Rt=[R1(R3+R2+2r)/R2]-R1-2r,当R1=R2时,Rt=R3。导线电阻的变化对测量结果没有任何影响,这样就消除了导线线路电阻带来的测量误差,但是必须为全等臂电桥,否则不可能完全消除导线电阻的影响,但分析可见,采用三线制会大大减小导线电阻带来的附加误差,工业上一般都采用三线制接法。
2. 2 热电偶
2. 2. 1 热电偶工作原理
两种不同成份的导体两端接合成回路,当接合点的温度不同时,在回路中就会产生电动势,这种现象称为热电效应,这种电动势称为热电势。热电偶就是利用这种原理进行温度测量的,其中,直接用作测量介质温度的一端叫做工作端,另一端叫做冷端。
冷端与显示仪表或配套仪表连接,显示仪表会指出热电偶所产生的热电势。热电偶的热电势,应注意如下几个问题:
(1)热电偶的热电势是热电偶两端温度函数的差,而不是热电偶两端温度差的函数;
(2)当热电偶的材料是均匀时,热电偶所产生的热电势的大小与热电偶的长度和直径无关,只与热电偶材料的成份和两端的温差有关;
(3)当热电偶的两个热电偶丝材料成份确定后,热电偶热电势的大小,只与热电偶的温度差有关;若热电偶冷端的温度保持一定,这进热电偶的热电势仅是工作端温度的单值函数。
2. 2. 2 发电机中常用的热电偶材料表1,热电特性曲线见图1。
2. 2. 3 热电偶回路、接线示意图见图2。
2. 2. 4 热电偶基本定律
2. 2. 4. 1 中间导体定律,由导体A、B组成的热电偶回路,当引入第三种导体C时,只要保持第三种导体C两端的温度相同,引入导体C后对回路总电势无影响,即回路中总的热电势与引入第三导体无关,这就是中间导体定律。根据这一定律,如果需要在回路中引入多种导体,只要保证引入的导体两端温度相同,均不会影响热电偶回路中的热电势,根据此定律可以在回路中方便地连接各种导线及显示仪表。
2. 2. 4. 2 中间温度定律,在热电偶测温回路中,常会遇到热电极的中间连接问题,如果连接点的温度为tn,连接导体A′或B′,的热电特性相同,则总的热电势等于热电偶与连接导体的热电势的代数和。
根据这个定律,在实际测温中按照现场的安装情况,可以连接热电特性相同的导体A′或B′,起到延长热电极的作用,以适合不同的安装要求。
2. 2. 4. 3 标准电极定律,如果导体A、B分别与第三导体C组成热电偶,他们的测量端温度均为,t参考端温度均为t0产生的热电势分别为EAC(t, t0)和EBC(t, t0),由导体A、B组成的热电偶产生的热电势可以按下式计算EAB(t, t0)=EAC(t, t0)-EBC(t, t0)=EAC(t, t0)+ECB(t, t0)这里采用的导体C称为标准电极,一般所用材料为纯铂,因为铂容易提纯,物理化学性质稳定,熔点较高,这种方法大大方便了热电偶的选配工作,只要知道某些材料与标准电极相配的热电势,就可以由上述定律求出任何两种材料组成热电偶的热电势。
2. 2. 5 热电偶参比端温度补偿方法
使热电偶冷端恒定在0℃时,采用0℃恒温器法。本方法是在保温瓶内盛有清洁的冰水混合物,冰的颗粒,盖好盖,盖上插上若干试管,试管底部盛少量变压器油或蒸馏水,热电偶正、负极分别插入不同的试管中,并必须插入试管的底部,见图3。这种方法用于较精密的温度测量,如校验热电偶等。
热电偶冷端恒定但不等于在0℃时,采用电势修正法(计算法)和调整测量仪表机械零点法。
(1)电势修正法(计算法)
式中:EM(T,0)———热电偶热端温度(T)相对于冷端0℃时的热电势值,由分度表查出的相应温度值即为热电偶热端(被测温场)的实际温度值;
EAB(T,T0)———热电偶回路的总热电势值,也就是热电偶冷、热端温差相应的电势值;
EAB(T0,0)———热电偶冷端温度为T0℃的相应电势值,由于它是对0℃而言的,故可根据冷端实际温度值(T0)由分度表直接查出该热电势值。
例:用镍铬-镍铝(K型)热电偶与二次仪表配套测量发电机轴瓦温度时,冷端温度T0=20℃,仪表指示为72℃,求轴瓦的实际温度。
查K分度表:EK(20,0)=0.798mVEK(72, 0)=2. 933 mV
则:EK(T,0)=0. 798+2. 933=3. 731 mV再查K分度表得:T=91. 3℃。
需要说明的是:如直接将仪表指示温度加上冷端温度作为被测温度,即T=72+20=92℃,虽然误差不大,只有0. 7℃,但在理论上是错误的。然而在热电偶电热特性曲线的线性较好且测温准确性要求不高的情况下,采用这种方法则是简便得多。如热电偶线性不好,误差就很大。从图1热电特性曲线中可以知道0~700℃范围之内,发电机上所使用的E型、K型和T型热电偶电热特性曲线线性较好。
(2)仪表机械零点调整法,对于具有零位调整的显示仪表而言,如果热电偶冷端温度t0较为恒定时,可采用测温系统未工作前,预先将显示仪表的机械零点调整到t0℃上,这相当于把热电势修正值E(t0,0)预先加到了显示仪表上,当此测量系统投入工作后,显示仪表的示值就是实际的被测温度值。
2. 2. 6 补偿导线
补偿导线一定要根据所使用的热电偶种类和所使用的场合进行正确选择。例如,K型偶应该选择K型偶的补偿导线,根据使用场合,选择工作温度范围。通常KX工作温度为-20~100℃,宽范围的为-25~200℃。普通级误差为±2. 5℃,精密级为±1. 5℃。
与热电偶接线端2个接点尽可能近一点,尽量保持2个接点温度一致。与仪表接线端连接处尽可能温度一致,仪表柜有风扇的地方,接点处要保护不要使得风扇直吹到接点。
因为热电偶的信号很低,为微伏级,如果使用的距离过长,信号的衰减和环境中强电的干扰偶合,足可以使热电偶的信号失真,造成测量和控制温度不准确,在控制中严重时会产生温度波动。通常使用热电偶补偿导线的长度控制在15m内比较好,如果超过15 m,建议使用温度变送器进行传送信号。温度变送器是将温度对应的电势值转换成直流电流传送抗干扰强。
补偿导线布线一定要远离动力线和干扰源。在避免不了穿越的地方,也尽可能采用交叉方式,不要平行。
为了提高热电偶连接线的抗干扰性,可以采用屏蔽补偿导线。对于现场干扰源较多的场合,效果较好。但是一定要将屏蔽层严格接地,否则屏蔽层不仅没有起到屏蔽的作用,反而增强干扰。
3 元件国产化制造与检测
3.1 轴承测温元件B200×6 000-3T(KUN672. 20)热电偶的研制
轴承测温元件B200×6 000-3T(KUN672. 20)外形尺寸见图4。
补偿导线标称截面为0. 5 mm2多股软芯线,带屏蔽层。绝缘层和护套层的颜色见表2。在试制产品中采用的是国家标准GB/T4989—1994所规定的补偿导线,在正式产品中将采用德国标准DIN43714所规定的补偿导线,符合发电机产品图样中所规定的测温元件导线绝缘层颜色。
该类型热电偶温度传感器带有弹簧顶紧结构,使测温面和被测对象始终紧密接触,其预紧力可在安装时进行调节,测温迅速准确。主要应用轴承等温度的测量。
该类型热电偶温度传感器试制时采用绝缘式铠装结构(内部元件、内部填充物及外壳紧密连在一起),见图5。由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经复合一体拉制或滚制而成,测量端封闭在内部,热电偶与套管之间相互绝缘,不受外界信号干扰。具有耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点,可以直接测量各种生产过程中-200~800℃范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度,发电机实际测温范围要求为0~180℃。
B200×6 000-3T(KUN672. 20)测温元件精度等级为I级,分度号:T,测量范围: 0~200℃。技术参数、试验方法、实测数据见表3。
经对试制B200×6 000-3T(KUN672. 20)测温元件进行性能测试,其测量精度等级达到热电偶级水平,通过计算得到100℃时偏差为+0. 5℃,处在热电偶I级水平的边缘。
3. 2 氢侧温度测量元件6×315 - 2PT -A(KUN672. 26)热电阻的研制
氢侧温度测量元件6×315 -2PT-A(KUN672. 26)热电阻外形尺寸见图6,所配出线盒见图7。
该类型热电阻温度传感器,在元件座与接线盒安装螺钉上套有圆柱形弹簧顶紧结构,在以后测温元件安装时,测温面始终与保护管的底面紧密接触,其预紧力可在安装时进行调节,测温迅速准确。
该类型热电阻温度传感器试制时采用绝缘式铠装结构,见图8。由微小薄膜铂热电阻(俗称“米粒子”)、高纯氧化镁、聚四氟乙绝缘内引线和不锈钢保护管经复合一体拉制或滚制而成,测量端封闭在内部,热电阻与套管之间相互绝缘,不受外界信号干扰。具有耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点。
对“米粒子”铂电阻的筛选,如此微小的“米粒子”铂电阻目前我国质量还不稳定,主要从国外进口。我们分别取德国产的“米粒子”铂电阻和日本产的“米粒子”A级品铂电阻各10件进行抗电磁干扰性能测试、0℃、100℃温度电阻值测试、3 m高度自由落体冲击水泥地面试验。根据综合评定,德国产的“米粒子”铂电阻优于日本产的“米粒子”铂电阻。
国产化试制产品的结构完全和进口元件一致,不同的是接线盒盖锁紧型式由搭扣拉紧改为螺纹旋紧,见图9。该型式接线盒具有防水、防溅等功能,完全符合进口产品要求。
6×315-2PT-A(KUN672. 26)热电阻精度等级为A级,分度号: Pt100,测量范围: 0~150℃。技术参数、试验方法、实测数据见表4。
3. 3 总水管测温元件(1)WZP2-HEW -60热电阻(Q5B421F1527)的研制
总水管测温元件(1)WZP2-HEW-60热电阻外形尺寸见图10,所配出线盒见图11。
该类型热电阻温度传感器,在元件座与接线盒安装螺钉上套有圆柱形弹簧顶紧结构,在以后测温元件安装时,测温面始终与保护管的底面紧密接触,其预紧力可在安装时进行调节,测温迅速准确。
该类型热电阻温度传感器试制时采用绝缘式铠装结构,由微小薄膜铂热电阻(俗称“米粒子”)、高纯氧化镁、聚四氟乙绝缘内引线和不锈钢保护管经复合一体拉制或滚制而成,测量端封闭在内部,热电阻与套管之间相互绝缘,不受外界信号干扰。具有耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点。
小薄膜铂热电阻的选择同6×315-2PT-A热电阻。
其结构与氢侧温度测量元件6×315-2PT-A相似,但是为了良好的电气性能,接线盒采用高强度塑料制成,该接线盒各种性能要求较高。
WZP2-HEW-60热电阻精度等级为A级,分度号: Pt100,测量范围: 0~150℃。技术参数、试验方法、实测数据见表5。
3. 4 线圈层间温度测量元件WZPD -500 -4(Q5B421F1530)热电阻的研制
线圈层间温度测量元件WZPD-500-4热电阻外形尺寸见图12。
该热电阻按GB/T 5977—1999《电阻温度计用铂丝》国家标准,铂热电阻的感温材料为3号铂丝,代号Pt3。采用高强度环氧玻璃布板作为本体材料,内部开槽,将铂金丝经退火消除应力处理后缠绕成弹簧形状,并具备抗电磁干扰性能的措施后放入槽内,粘盖上薄的环氧玻璃布板,外部用聚酰亚胺薄膜粘带包紧。
导电线芯应使用的铜材,在锻造时其传导性不小于100% IACS(相对导电率),相当于最大电阻率为0. 153 28Ωg/m2。导电线芯采用GJB 773/11A规定的规格为19/0. 16镀银铜线芯。每芯由19股直径为0. 16 mm的镀银铜软线绞合而成。每股线应分别镀银,当去除电线绝缘层后,每股铜线应能分开,且镀银表面不得有污点。导电线芯的标准截面积为0. 3 mm2,计算截面积为0. 38 mm2外径为0. 80 mm±0. 05 mm。导电线芯的直流电阻: 20℃时不大于46. 9Ω/km。电线的绝缘层材料为PTFE(聚四氟乙烯),绝缘层厚度为0. 30 mm±0. 03 mm。单芯电线外径1. 40 mm±0. 11 mm。四芯绝缘层颜色分别为兰、红、灰、黄。四根绝缘导线绞合在一起,节距约为50 mm,外套为PFA(聚四氟乙烯)护套。护套层厚为0. 25 mm±0. 03 mm,护套颜色为透明。电缆成品外径为3. 5 mm±0. 5 mm。
WZPD-500-4热电阻精度等级为B级,分度号:Pt100;测量范围: -40~180℃;绝缘等级: F级;最大激励电流: 5 mA。技术参数、试验方法、实测数据见表6。
3. 5 总水管测温元件WZP-SG-4×4×20热电阻(Q5B421F1528)的研制
总水管测温元件WZP-SG-4×4×20热电阻外形尺寸见图13。
WZP-SG-4×4×20热电阻外壳采用不锈钢,对不锈钢保护管测温元件,进口元件导磁率μ<1.05,根据实际使用情况,要求试制的产品的导磁率达到1<μ<1.5。如何降低导磁率而又不损坏铂金电阻是目前存在的主要问题。首先对不锈钢原材料进行选择,分别对OCr18NI9Ti10、1Cr18Ni9Ti10、OCr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr13和304等多种牌号的不锈钢进行性能分析对比,最终确定OCr18Ni9和304为测温元件外壳使用材料。这两种材料在加工前,导磁率μ均小于1.05,在金加工、焊接后导磁率μ≥1.5,定型后进行退磁和抛光处理消除由于加工产生的导磁性,最终保证导磁率μ<1.05。
进口的元件不锈钢翼片与不锈钢保护管采用激光焊,激光焊接主要就是用激光束加温焊接部位,使需焊接部位达到溶点后相互粘连而不改变其分子结构,外观可以达到无接缝的程度。但必须有专门设备,该设备较昂贵且保养与维护也较复杂,试制单位采用电阻焊工艺,即点焊技术进行六点焊接,其焊缝强度、热响应时间均与进口元件相同。
小薄膜铂热电阻的选择同6×315-2PT-A热电阻,见3. 2. 4条。
WZP-SG-4×4×20热电阻测量元件引线同WZPD-500-4热电阻上的引线,见3. 4. 3条。
WZP-SG-4×4×20热电阻精度等级为A级,分度号:Ptl00;测量范围: 0~150℃。技术参数、试验方法、实测数据见表7。
要求WZP-SG4×4×20热电阻根据工艺装配实际要求在细导管处弯曲成形。国产元件更切合实际要求,安装在总水管时,基本已成型到位,避免二次弯曲,不会因装配而造成元件的损伤。
国产元件在内部绝缘结构上作了较大改进,克服进口元件绝缘电阻不稳定的缺陷。
3. 6 铁心温度测量元件WZPT - 01热电阻(Q5C421. 1372)的研制
铁心温度测量元件WZPT-01热电阻外形尺寸见图14。
该元件与总水管测温元件WZP-SG-4×4×20热电阻结构相似,不再赘述。
WZPT-01热电阻精度等级为A级,分度号:
Pt100;测量范围: 0~200℃。技术参数、试验方法、实测数据见表7。
4 结语
1 000MW发电机测温元件国产化的工作表明1 000MW发电机用测温元件在功能的完备性、数据的准确性、可靠性、稳定性、先进性、适可维护性等方面已经达到了国外进口产品的水平,已经能够满足用户需求,而在元件的绝缘性能方面已经超越了国外产品。
