РАЗЪЕДИНИТЕЛЬ УСТРОЙСТВА ВНУТРЕННЕЙ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МАСЛЯНОГО ТРАНСФОРМАТОРА Российский патент 2003 года по МПК H02H5/08 H02H7/04 H01F27/12 

Изобретение относится к электрическим силовым или распределительным трансформаторам, в частности к масляным трансформаторам с автоматической защитой.

Масляным трансформатором называется трансформатор, обмотки и магнитопровод которого с целью их охлаждения погружены в жидкий диэлектрик, например в минеральное масло, залитое в герметически закрытый бак. Его называют трансформатором с автоматической защитой, если он оборудован устройствами, позволяющими автоматически, без использования внешних источников энергии, отключать его первичные обмотки от электрической сети в случае внутренних неполадок, которые могут привести к взрыву бака. В качестве примера подобных неполадок можно назвать слишком большое повышение давления жидкого диэлектрика или значительное понижение уровня жидкого диэлектрика вследствие его утечки из бака. Подробное описание устройств автоматической защиты для многофазных трансформаторов дано в Европейской заявке на патент ЕР-А-0653765 на имя Заявителя или в других опубликованных документах, таких как ЕР 0093076 или USP 4.223.364.

Обычно устройство автоматической защиты состоит из выключателя и привода, который сам приводится в действие разъединителем, снабженным датчиком, реагирующим на изменения таких параметров жидкого диэлектрика, которые могут привести к аварийной ситуации внутри бака, например температура, давление или уровень жидкого диэлектрика в баке.

Изобретение может быть использовано в устройстве автоматической защиты такого типа, в котором имеется разъединитель, реагирующий, по меньшей мере, на изменение уровня, с тем, чтобы избежать опасных ситуаций, связанных с потерей жидкого охлаждающего диэлектрика в результате, например, его утечки из бака, позволяющий защитное отключение в том случае, когда этот уровень достигает минимального допустимого значения.

Такой разъединитель может быть поплавкового типа с поплавком из материала, плотность которого меньше, чем плотность жидкого диэлектрика (например, из полистирола), который точно отслеживает уровень жидкости. Однако гарантировать длительную работу устройства поплавкового типа невозможно. Учитывая, что срок службы трансформатора рассматриваемого типа составляет обычно тридцать лет, а то и больше, нужно иметь в виду, что поплавок, особенно если он пористый, неизбежно пропитывается маслом, поскольку он находится в среде, где давление постоянно то возрастает, то падает.

В этих условиях он постепенно теряет плавучесть, что может привести к ложному срабатыванию защитного устройства, что всегда очень неприятно, поскольку после этого нужно вручную демонтировать верхнюю часть трансформатора, чтобы вновь привести его в рабочее состояние.

Можно было бы заменить традиционный поплавок полым герметично закрытым сосудом, содержащим воздух. Однако использование такого сосуда требует очень тонкой регулировки чувствительности защитного устройства, к тому же, его попросту очень сложно было бы изготовить, поскольку, несмотря на малую массу, он должен был бы в течение всего времени работы трансформатора одинаково хорошо выдерживать как разрежение (заливка трансформатора происходит в вакууме), так и повышение давления (при работе трансформатора избыточное давление может достигать 0,2 миллибар), а также температуры, зачастую превышающие 100 градусов Цельсия.

Задача изобретения - предложить изготовителям электрических силовых или распределительных трансформаторов с автоматической защитой простое и экономичное устройство, отслеживающее уровень охлаждающего жидкого диэлектрика в баке и способное обеспечивать, в случае аномальных ситуаций, связанных с этим уровнем, эффективное и надежное срабатывание устройства автоматической защиты на протяжении всего периода функционирования трансформатора.

Поставленная задача решается тем, что в разъединителе устройства внутренней автоматической защиты электрического силового или распределительного трансформатора, погруженного в бак, наполненный охлаждающим жидким диэлектриком, отключающего первичную обмотку от питающей электрической сети в случае аварийного снижения уровня охлаждающего жидкого диэлектрика, причем разъединитель входит в состав устройства, содержащего выключатель, на который воздействует привод, который приводится в действие разъединителем, состоящим из рычага первого рода, вращающегося вокруг оси, которая делит его на одно короткое плечо, представляющее сопротивление, и одно длинное плечо, представляющее приложенную силу рычага, согласно изобретению на конце длинного плеча установлен сосуд с входным отверстием, и он содержит средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда охлаждающим жидким диэлектриком через отверстие в процессе заполнения бака, при этом средство предусмотрено на конце короткого плеча для передачи усилия на привод, причем отключение происходит тогда, когда усилие превышает установленный порог отключения, относительные размеры плеч рычага и размеры сосуда таковы, что, когда бак заполнен охлаждающим жидким диэлектриком, сосуд полностью погружен в этот охлаждающий жидкий диэлектрик, и усилие, с которым он действует на привод, меньше установленного порога отключения, а, если поверхность охлаждающего жидкого диэлектрика опускается до уровня, который считается аварийно низким, сосуд, который остается заполненным охлаждающим жидким диэлектриком, достигает такой степени всплытия, при которой под действием его веса усилие, передаваемое на привод, превышает установленный порог отключения.

Изобретение относится также к электрическому силовому или распределительному трансформатору, оборудованному устройством автоматической защиты, включающим подобный разъединитель.

Из вышеизложенного ясно, что в основе идеи изобретения лежит концепция разъединителя рычажного типа, который реагирует на изменения уровня охлаждающего жидкого диэлектрика в баке не как поплавок, а как сосуд определенной массы, укрепленный на конце длинного плеча рычага (рычаг, называемый "рычагом силы") и испытывающий со стороны этой жидкости действие выталкивающей архимедовой силы. Этот сосуд, вначале пустой, автоматически заполняется затем тем же охлаждающим жидким диэлектриком, что и бак трансформатора, во время заполнения последнего. Будучи однажды заполненным, этот сосуд остается полным всегда, а его вес уравновешивается силой Архимеда вплоть до того момента, когда в результате аварийного понижения уровня жидкости в баке он выступает из жидкости настолько, что его кажущийся вес, равный разности действующих на него сил, увеличенный передаточным отношением рычага и приложенный к выключателю, вызывает срабатывание защитного устройства.

Главное преимущество разъединителя, в соответствии с изобретением, состоит в том, что с его помощью можно легко удовлетворить противоречивые требования, предъявляемые к рычажным поплавкам, предназначенным для установки в узких местах, где они должны занимать как можно меньше места (в данном случае под крышкой, в верхней, очень загроможденной части трансформатора). В самом деле, нужно либо использовать массивный поплавок, но тогда он будет слишком объемным, чтобы сохранять плавучесть, либо использовать маленький поплавок, но в таком случае нужно монтировать его на более длинном рычаге для того, чтобы сохранить нужную величину момента, а такой рычаг будет занимать больше места. Следует подчеркнуть, что эта проблема стоит особенно остро для устройств автоматической защиты трансформаторов с отключением первичной обмотки, поскольку нужно, чтобы отключающее усилие, с которым конец рычага действует на привод, было сравнительно большим (порядка килограмма), с тем, чтобы избежать слишком высокой чувствительности устройства, которая может быть причиной неоправданных и несвоевременных отключений.

Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием со ссылкой на чертежи, данные в приложении, на которых:
- фиг.1 схематически представляет разрез бака масляного трансформатора и устройство, в соответствии с изобретением, до заполнения бака жидким охлаждающим диэлектриком;
- фиг. 2 представляет тот же бак и то же устройство во время заполнения бака;
- фиг. 3 представляет тот же бак и то же устройство по окончании заполнения бака;
- фиг. 4 представляет тот же бак и то же устройство после появления утечки охлаждающего жидкого диэлектрика, вызвавшей опасное понижение уровня охлаждающего жидкого диэлектрика в баке. На всех чертежах изображены, причем для ясности с увеличением, только те элементы, которые нужны для лучшего понимания сущности изобретения. В частности, на них не представлены электрические узлы, которые могут быть любого известного специалисту типа. Точно так же здесь не представлены в деталях, кроме разъединителя, узлы устройства автоматической защиты, полное описание которых можно, в случае необходимости, найти, например, в уже упомянутом документе ЕР 0653765, содержание которого приведено в данной заявке в качестве ссылки.

На всех чертежах каждый элемент фигурирует под одним и тем же номером.

На фиг.1 схематически представлены только некоторые традиционные элементы оборудования электрического силового или распределительного трансформатора с автоматической защитой, а именно бак 1, активная зона 19 трансформатора, изображенная штриховыми линиями (в которой можно различить три части, соответствующие расположению фазовых обмоток трехфазного трансформатора), и устройство 5 для отключения от сети (выключатель), которое должно срабатывать в случае неполадок, которые могут вызвать взрыв трансформатора, таких, как аварийное понижение уровня охлаждающего жидкого диэлектрика. Бак 1 герметически закрывается крышкой 3, в которой имеется наливная горловина 4, позволяющая перед первым включением трансформатора в работу полностью залить в вакууме бак 1 охлаждающим жидким диэлектриком, таким, например, как минеральное масло. Эта наливная горловина обычно также герметически закрыта крышкой 18. На фиг. 1 бак 1 изображен до его первоначального заполнения маслом.

Внутри бака 1 установлено, в соответствии с изобретением, устройство автоматической защиты с рычажным разъединителем, содержащим следующие элементы:
- рычаг первого рода 6;
- горизонтальная ось вращения 7, расположенная так, что делит этот рычаг 6 на два неравных плеча, длиной d для более короткого 8, к которому прилагается "сопротивление", длиной D для длинного, к которому прилагается "действующая сила";
- сосуд 10 на конце длинного плеча 9 с открытым отверствием 20, вес которого через передаточное отношение D/d рычага вызывает появление на конце короткого плеча 8 силы F, направленной вверх. В данном случае отверстие 20 образовано просто в результате отсутствия верхней крышки сосуда;
- толкатель 11 на конце короткого плеча 8, передающий усилие F на привод 2, который ему противодействует с силой Fd, равной выбранной величине порога отключения, по достижении которой срабатывает выключатель 5 сети, питающей первичные обмотки трансформатора.

Совокупность разъединительного рычага 6, привода 2 и выключателя 5 и составляет устройство внутренней автоматической защиты, к которому относится изобретение.

Что касается рычага 6, являющегося собственно предметом изобретения, то его параметры и расположение составляющих его элементов определяются в соответствии с критериями, о которых речь уже шла, и которые будут снова пояснены ниже.

Все элементы устройства самозащиты изготавливаются из прочных материалов (металла или пластика), которые способны выдержать, не разрушаясь, воздействие на них охлаждающего жидкого диэлектрика в течение всего времени работы трансформатора. Кроме того, разъединительный рычаг 6 с сосудом 10 на конце изготавливается из материала, плотность которого меньше плотности охлаждающего жидкого диэлектрика, с тем, чтобы он в процессе нормальной работы трансформатора естественно занимал стабильное положение "вверх", как это видно из фиг.3.

Во время монтажа нового трансформатора, когда в баке 1 нет охлаждающего жидкого диэлектрика, рычаг 6 наклонен в сторону его длинного плеча 9, а толкатель 11 действует на привод 2 с силой холостого давления Fo, равной весу пустого сосуда 10, умноженному на передаточное отношение рычага, и меньшей установленного порога Fd отключения, при превышении которого должен сработать разъединительный привод 2.

Устройство содержит также упор 12, назначение которого будет пояснено ниже.

На фиг. 2 показан бак трансформатора в процессе его заполнения охлаждающим жидким диэлектриком 13. Охлаждающий жидкий диэлектрик поступает в бак 1 из резервуара 14 по шлангу 15, соединенному с наливной горловиной 4 крышки 3. Как видно из фиг. 2, как только поверхность охлаждающего жидкого диэлектрика 13 достигает сосуда 10 на конце длинного плеча 9 рычага 6, он, будучи пустым, под действием силы Архимеда будет постепенно подниматься, оставаясь на плаву, до тех пор, пока в верхнем положении не коснется упора 12.

На фиг.3 мы видим бак 1 трансформатора, когда в него налито номинальное количество охлаждающего жидкого диэлектрика, которое "полностью" или "почти полностью" заполняет его объем. Во всяком случае, его поверхность 16 находится на максимальной высоте, так что сосуд 10 полностью погружен в охлаждающий жидкий диэлектрик. Как уже было отмечено, верхний край сосуда 10 уперся в упор 12, что не позволило сосуду подниматься выше, и, когда уровень 16 охлаждающего жидкого диэлектрика достигает края отверстия 20, сосуд 10 автоматически заполняется охлаждающим жидким диэлектриком. Как только сосуд 10 заполнен, он оказывается полностью погруженным в тот же охлаждающий жидкий диэлектрик, который его наполняет, и в этом положении желательно, чтобы толкатель 11 был несколько удален от привода 2, или, во всяком случае, чтобы он действовал на него с силой, меньшей установленного порога Fd отключения.

На фиг. 4 показан бак трансформатора, получивший пробоину 17, в результате чего охлаждающий жидкий диэлектрик вытекает из него наружу. Это вызывает постепенное снижение уровня поверхности 16 охлаждающего жидкого диэлектрика 13 в баке и, следовательно, соответствующее уменьшение архимедовой силы, действующей на сосуд 10, как только он, слегка поддерживаемый силой сопротивления Fd, с которой привод действует на толкатель 11 на конце короткого плеча рычага, начинает выступать из охлаждающего жидкого диэлектрика.

Поскольку сосуд остается наполненным охлаждающим жидким диэлектриком 13, при определенной степени выступания его над поверхностью охлаждающего жидкого диэлектрика наступает состояние равновесия между выталкивающей архимедовой силой и объемным весом сосуда 10. За пределами этого равновесия сила F, с которой толкатель 11 действует на привод 2, начинает возрастать. Когда она достигает и превосходит выбранное значение установленного порога Fd отключения, происходит срабатывания защитного устройства. Это может произойти либо немедленно, либо после временной задержки, обусловленной предусмотренным на этот случай коротким перемещением спускового рычага (не показанного на чертеже) привода 2. Положение оси вращения 7, размеры плеч рычага 6 (определяющие его передаточное отношение) и емкость сосуда 10 расчитываются так, чтобы сила F могла достичь величины, значительно превосходящей установленный порог Fd отключения, и чтобы она превышала установленный порог Fd отключения тогда, когда уровень 16 поверхности охлаждающего жидкого диэлектрика снижается настолько, что возникает опасность взрыва трансформатора. Разумеется, этот уровень определяется типом данного трансформатора.

В качестве абстрактного примера можно выбрать рычаг 6 из полипропилена плотностью 0,9, общей длиной 330 мм, разделенный на два плеча, длинное 9 (место приложения действующей силы) длиной D=300 мм и короткое 8 (место приложения силы сопротивления) длиной d=30 мм (с передаточным отношением D/d= 10). Сосуд 10 имеет вес 20 г и полезный объем 100 кубических сантиметров, в котором помещается 90 г охлаждающего жидкого диэлектрика (минерального масла).

В этом случае толкатель 11 действует на привод 2 с силой Fo, равной 200 г, в том случае, когда сосуд пуст и он не соприкасается с охлаждающим жидким диэлектриком, находящимся в баке. Однако рычаг 6 настраивается так, чтобы отключение трансформатора происходило только тогда, когда сила, с которой толкатель 11 действует на привод, превышает установленный порог Fd отключения, равный 800 г.

Когда трансформатор наполнен охлаждающим жидким диэлектриком, сосуд 10 полностью погружен в него. Сила, действующая со стороны толкателя 11 на привод 2, равна нулю, если конструкция не предусматривает постоянного контакта между ними, и, в любом случае, меньше 200 г по причине разности архимедовых сил, выталкивающей длинное плечо 9 рычага 6, имеющего, к тому же, меньшую плотность, чем охлаждающий жидкий диэлектрик, в который он погружен.

Зато, когда уровень масла падает так, как это показано на фиг.4, где наполненный сосуд 10 частично выступает из него, к 200 г, действующим со стороны толкателя 11 на привод в том случае, когда сосуд пуст, прибавляется сила, равная 90*10=900 г, источником которой является вес охлаждающего жидкого диэлектрика 13, содержащегося в сосуде 10. Следовательно, сила F равна 200+900= 1100 г, что значительно больше установленного порога Fd отключения Fd= 800 г: отключение трансформатора гарантировано. Ослабление этой силы из-за того, что часть длинного плеча рычага все еще остается погруженной в охлаждающий жидкий диэлектрик, представляет собой величину второго порядка по сравнению с остальными силами, действующими в этот момент.

Как видим, это устройство для отслеживания уровня охлаждающего жидкого диэлектрика, чрезвычайно простое по идее, в изготовлении и в работе, имеет очень высокую надежность. Его достоинства не уменьшаются со временем. Другим преимуществом, по сравнению с устройством с классическим поплавком, является то, что до или во время заполнения трансформатора поплавковое устройство провоцирует срабатывание выключателя. Следовательно, после заполнения его нужно привести в рабочее состояние, при условии, что это предусмотрено конструкцией, исключая тот случай, когда предусмотрено блокирование поплавка в верхнем положении во времени заполнения бака, что еще более усложняет конструкцию разъединяющего устройства.

Само собой разумеется, что изобретение не ограничивается примером, описанным в приложении с помощью чертежей, а может относиться к множеству вариантов и эквивалентов в той мере, в какой это соответствует определению изобретения, данному в нижеследующей формуле изобретения.

Например, упор 12 может быть частью внутренней стороны крышки 3. В этом случае для того, чтобы охлаждающий жидкий диэлектрик 13 мог свободно проходить в сосуд 10 тогда, когда он упирается в крышку 3, в его верхнем крае, желательно со стороны рычага, должны быть проделаны один или несколько вырезов. Ту же функцию могли бы выполнять и отверстия, просверленные в боковых стенках сосуда вблизи его верхнего края.

Точно так же автоматическое заполнение сосуда 10 может быть осуществлено не обязательно через верх. В самом деле, можно проделать отверстие в его днище, через которое охлаждающий жидкий диэлектрик во время заполнения бака трансформатора проникает внутрь, обратному же его выходу в окружающий жидкий диэлектрик препятствует закрывающий отверстие обратный клапан.

В общем, средства, обеспечивающие автоматическое заполнение названного сосуда охлаждающим жидким диэлектриком через входное отверстие во время заполнения бака, должны быть такими, чтобы препятствовать затем выходу этого охлаждающего жидкого диэлектрика из сосуда через то же самое отверстие.

Использование: для защиты электрических трансформаторов. Разъединитель является составной частью устройства внутренней автоматической защиты электрического трансформатора, погруженного в бак, наполненный охлаждающим жидким диэлектриком. Он отключает первичную обмотку от питающей электрической сети в случае аварийного снижения уровня жидкости. Разъединитель состоит из рычага первого рода, вращающегося вокруг оси, которая делит его на два плеча - одно короткое, а второе длинное. На конце длинного плеча имеется сосуд с отверстием. С другой стороны, имеет средство в виде упора, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда охлаждающим жидким диэлектриком через отверстие в процессе заполнения бака и препятствующее затем выходу этого охлаждающего жидкого диэлектрика из сосуда. Технический результат заключается в отслеживании уровня охлаждающего жидкого диэлектрика в баке и обеспечении в случае каких-либо аномалий этого уровня, эффективного и надежного срабатывания устройства автоматической защиты на протяжении всего периода работы трансформатора. 2 с. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Разъединитель устройства внутренней автоматической защиты электрического силового или распределительного трансформатора (19), погруженного в бак (1), наполненный охлаждающим жидким диэлектриком, отключающего первичную обмотку от питающей электрической сети в случае аварийного снижения уровня охлаждающего жидкого диэлектрика и содержащего выключатель (5), на которой воздействует привод (2), который приводится в действие указанным разъединителем, состоящим из рычага (6) первого рода, вращающегося вокруг оси (7), которая делит его на одно короткое плечо (8), представляющее сопротивление, и одно длинное плечо (9), представляющее приложенную силу указанного рычага, отличающийся тем, что на конце длинного плеча указанного рычага установлен сосуд (10) с входным отверстием (20), имеются средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда охлаждающим жидким диэлектриком через отверстие (20) в процессе заполнения бака, и средство (11) на конце короткого плеча (8) указанного рычага для передачи усилия на привод (2), причем отключение происходит тогда, когда усилие превышает установленный порог отключения, а относительные размеры указанных плеч (8, 9) указанного рычага и размеры сосуда (10) таковы, что, когда бак заполнен охлаждающим жидким диэлектриком (13), сосуд полностью погружен в этот охлаждающий жидкий диэлектрик, и усилие, с которым он действует на привод, меньше установленного порога отключения, при этом если поверхность (16) охлаждающего жидкого диэлектрика опускается до уровня, который считается аварийно низким, сосуд, который остается заполненным охлаждающим жидким диэлектриком (13), достигает такой степени всплытия, при которой под действием его веса усилие, передаваемое на привод, превышает установленный порог отключения. 2. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что сосуд (10) на конце длинного плеча (9) указанного рычага открыт в своей верхней части (20). 3. Разъединитель по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда (10) охлаждающим жидким диэлектриком, проникающим в него через отверстие (20) во время заполнения бака, представляет собой упор (12), взаимодействующий с краем сосуда. 4. Разъединитель по любому из п. 1 или 2, отличающийся тем, что средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда (10) охлаждающим жидким диэлектриком, проникающим в него через отверстие (20) во время заполнения бака, представляет собой вырезы, проделанные в крае сосуда. 5. Разъединитель по п. 1, отличающийся тем, что сосуд (10) имеет входное отверстие в его днище, а средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда охлаждающим жидким диэлектриком, проникающим в него через отверстие, представляет собой обратный клапан, взаимодействующий с последним. 6. Электрический силовой или распределительный трансформатор, погруженный в бак и содержащий устройство внутренней автоматической защиты, отключающее его от электрической сети в случае понижения уровня (16) охлаждающего жидкого диэлектрика в баке (1), в котором он содержится, и содержащее разъединитель, реагирующий на изменения уровня и состоящий из рычага (6) первого рода, вращающегося вокруг оси (7), которая делит его на одно короткое плечо (8), представляющее сопротивление, и одно длинное плечо (9), представляющее приложенную силу указанного рычага, отличающийся тем, что в разъединителе на конце длинного плеча указанного рычага установлен сосуд (10) с входным отверстием (20) и имеются средство, обеспечивающее автоматическое наполнение сосуда охлаждающим жидким диэлектриком через упомянутое отверстие (20) в процессе заполнения бака, и средство (11) на конце короткого плеча (8) указанного рычага для передачи усилия на привод (2), причем отключение происходит тогда, когда усилие превышает установленный порог отключения, относительные размеры указанных плеч (8,9) указанного рычага и размеры сосуда (10) таковы, что, когда бак заполнен охлаждающим жидким диэлектриком (13), сосуд полностью погружен в этот охлаждающий жидкий диэлектрик, и усилие, с которым он действует на привод, меньше установленного порога отключения, при этом если поверхность (16) охлаждающего жидкого диэлектрика опускается до уровня, который считается аварийно низким, сосуд, который остается заполненным охлаждающим жидким диэлектриком (13), достигает такой степени всплытия, при которой под действием его веса усилие, передаваемое на привод, превышает установленный порог отключения.