CN111837463A - 在变压器冷却回路中使用传感器的系统 - Google Patents

在变压器冷却回路中使用传感器的系统 Download PDF

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Abstract

一种变压器，包括：具有绝缘流体的箱体、用于冷却所述绝缘流体的散热器、以及一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被布置为在所述绝缘流体具有较低温度的位置处测量所述绝缘流体的特性。

Description

在变压器冷却回路中使用传感器的系统
技术领域
本申请涉及一种传感器，该传感器允许监测运行中的变压器冷却回路的绝缘流体的各种特性。
背景技术
变压器的气体和水分传感器通常需要泵系统在内部循环绝缘流体(例如介电流体)并将流体提供给传感器进行读数。泵系统确保了新的绝缘流体不断循环流通，以便绝缘流体可以与传感器接触。这些和其他问题表明，在本领域中，除其他特征外，尤其需要一种无需泵来使流体循环即可测量绝缘流体的特性的系统。
发明内容
在一个实施例中，一种变压器包括设置在箱体内的铁芯、至少一个线圈绕组以及绝缘流体。提供一种散热器，该散热器具有冷却鳍片以及用于在变压器箱体和散热器之间传输绝缘流体的第一导管和第二导管。第一导管和第二导管的至少一个具有用于提供对其中的绝缘流体进行测量的途径的孔道，以及用于通过该孔道测量绝缘流体特性的传感器。
在另一个实施例中，一种变压器包括设置在箱体内的铁芯、至少一个线圈绕组以及绝缘流体。提供一种散热器，该散热器具有冷却鳍片以及用于在箱体和散热器之间传输绝缘流体的第一集流管和第二集流管。第一集流管和第二集流管的至少一个具有用于提供对其中的绝缘流体进行测量的途径的孔道，以及用于通过该孔道测量绝缘流体特性的传感器。
本申请的实施例包括用于测量变压器绝缘流体的特性的方法、系统和装置。本申请的实施例还包括用于感知变压器流体的特性的方法、系统和装置。其他实施例包括用于变压器流体传感器的装置、系统、设备、硬件、方法以及其组合。根据本申请的描述和附图，本申请的其他实施例、形式、特征、方面、益处和优点将变得显而易见。
附图说明
在附图中，示出了结构实施例，其与下面提供的细节描述一起，描述了与变压器冷却系统集成在一起的传感器的示例性实施例。本领域的普通技术人员将理解，一个组件可以被设计为多个组件，或者多个组件可以被设计为单个组件。
此外，在下面的附图和描述中，在整个附图和书面描述中分别用相同的附图标记表示相似的部分。这些图未按比例绘制，某些部分的比例已放大以便说明。
图1示出了与变压器箱体连通的现有技术的变压器冷却系统；
图2示出了变压器冷却系统，该变压器冷却系统包括用于传感器的替代的绝缘流体流动路径和安装在其孔道处的传感器；
图3A示出了变压器冷却系统，该变压器冷却系统包括定向通过阀的绝缘流体流动路径和水平定向的集流管，传感器以与流经集流管的绝缘流体直接接触的方式安装；
图3B示出了变压器冷却系统，该变压器冷却系统的绝缘流体流定向通过竖直地定向的集流管，传感器以监测接触的方式安装在散热器与变压器箱体之间；
图3C和3D示出了散热器和变压器箱体之间的具有传感器的竖直地定向的集流管的另一实施例；
图4示出了散热器，该散热器具有在阀和散热器之间安装在集流管中的传感器；
图5示出了散热器，该散热器具有顶部和/或底部集流管，该顶部和/或底部集流管终止于凸缘并且能够与带凸缘的传感器外壳或带凸缘的传感器孔道对接；以及
图6示出了散热器，该散热器具有带有孔道的顶部和/或底部集流管。
具体实施方式
参考图1，示出了变压器1，该变压器1具有示例性散热器20，其中第一导管21、第二导管22将散热器20连接到变压器1的箱体10。变压器1包括箱体10内的铁芯11、至少一个线圈绕组12以及绝缘流体13。示例性的散热器20具有鳍片26以及用于传输绝缘流体进出变压器箱体10的第一导管21和第二导管22。替代地，散热器20具有形成为管状的鳍片或者变压器配有冷却装置，例如在强制绝缘流体冷却系统中。应该理解，本公开以及术语“散热器”的使用考虑任何上述布置。
散热器20通常具有鳍片26，来自箱体10顶部的热的绝缘流体通过鳍片26以自然循环(ONAN)或强制循环(ONAF/OFAF/ODAF)的方式冷却。在某些实施例中，通过使用将空气吹到鳍片上的风扇或/和通过使用提高介电流体速度的泵来辅助冷却过程，从而促进冷却。
众所周知，如介电流体的绝缘流体在变压器箱体10和散热器20之间传输，热量通过鳍片26消散并且传递到周围环境中，这样，通过第二导管22流出散热器20并流入到变压器箱体10中的冷却流体的温度低于流入第一导管21的绝缘流体的温度。
如图2所示，例如，示出了根据本公开的传感器30的布置。传感器30被放置在散热器20的下部或底部的近侧，这允许传感器30可以和温度比散热器20顶部的绝缘流体的温度更低的循环绝缘流体直接接触。
第一集流管23和第二集流管24可以设置为与散热器20以及相应的第一导管21和第二导管22连接，用于在冷却系统和变压器箱体10之间传输绝缘流体。绝缘流体通过第一导管21流入第一集流管23，再通过阀25中的第一个阀、通过散热器20在热量消散且绝缘流体被冷却后流入第二集流管24或者传感器承载隔室。流过第二集流管24的绝缘流体可以通过第二集流管24中的孔道40由传感器30进行测量。绝缘流体可以返回到传感器30下游的第二导管22。绝缘流体的特性可以通过间接方式测量或可以通过利用传感器30直接接触绝缘流体来测量。如图2所示，其它阀25可以设置在第二集流管24的下游端部，也可以设置在传感器30和第二集流管24之间，以便于传感器30的安装与维护。
作为非限制性示例，传感器30可以设置有与绝缘流体直接接触的探针。在一个实施例中，传感器30是光学探测器(例如在光声传感器中，用于在不同波长的光下测量声音)、或傅里叶变换红外(FTIR)光谱传感器、或固态传感器(如金属板)。此外，本公开考虑了膜片式传感器或能够通过设置在导管21、导管22和/或集流管23、24、34上的孔道40测量绝缘流体特性的任何其他类型的技术。替代地，传感器30可以被安装在阀25处或阀25附近、或其他配件处或其附近、或作为集流管24或散热器20的其它回路的一部分。传感器30可以配备有用于测量绝缘流体一种或多种特性的电子器件、电源和其他组件。
在一个实施例中，传感器30是一个电阻温度探测器。取决于应用，这种电阻温度探测器具有2线、3线或4线布置。传感器30的电阻值随着温度的升高而线性升高。还可以考虑其他类型的传感器30以用于测量绝缘流体的特性。这种传感器的示例是压力传感器、油位传感器以及多气体探测传感器。在另一个实施例中，传感器30是ABBInc.提供的CoreSenseTM传感器，该传感器可以连续在线监测变压器绝缘流体中的气体，包括氢气和水分。
继续参考图2，传感器30安装在集流管24处，该集流管24在散热器20的底部或基部29附近或下面，因为在该位置的绝缘流体的温度较低。在该测量位置处的绝缘流体的温度将不会影响传感器30的电子器件的操作。
传感器30测量绝缘流体的温度、溶解的气体和/或水分的特性。测量值包括但不限于绝缘流体中各种溶解的气体和/或水分和水的存在及其浓度。作为非限制性示例，溶解的气体传感器用于探测溶解在变压器绝缘流体中的氢气，但也可以探测变压器绝缘流体中的一氧化碳、二氧化碳、乙炔、乙烯、甲烷以及其他溶解的气体。替代地，可提供与孔道40相连的水分传感器来探测变压器绝缘流体中的水。可提供电子与通信模块60以驱动传感器功能以用于溶解的气体、水分和其它测量。
传感器30不像许多已知的用于变压器绝缘流体的传感器和测量系统那样需要泵来监控与之接触的新的或连续的绝缘流体。绝缘流体连续地从变压器箱体10通过第一导管21流入散热器20，并通过第二导管22从散热器20中流出，再穿过集流管24回流到变压器箱体10中。因此，本公开能够连续地测量绝缘流体的特性。这些特性包括绝缘流体中成分的存在及其浓度、绝缘流体中的介电损耗、电阻率和颗粒物。绝缘流体的还可以被测量的其它化学和物理特性是绝缘流体的界面张力、功率因数、介电强度、水分含量、抗氧化剂含量、酸度、颜色以及各种其他特性。
此外，第一导管21和第二导管22可以具有一个或多个沿其周长设置的孔道40，这允许传感器30直接地(例如通过其探针)测量绝缘流体，或间接地测量绝缘流体，例如通过孔道40以光学方式、声学方式测量绝缘流体或通过与孔道40接触来测量绝缘流体。在一个实施例中，孔道40是窗口，通过该窗口可以探测光学或声学特性。
现在参考图3A，示出了散热器20，该散热器具有通过阀28连接到集流管24的上游端部48的第二导管22，该集流管以水平方向设置并且与绝缘流体流成一条直线。在集流管24中设置有第一弯曲部和第二弯曲部27，用于引导绝缘流体围绕散热器20的鳍片26流动并绕过散热器20以直接流回箱体10。可以在弯曲部27的区域减小散热器鳍片26的尺寸。然而，通过减小鳍片26的表面积而对冷却系统产生的影响通过仅减小几个鳍片26的表面积的方式保持到最小。集流管24的形状被设计成允许绝缘流体自由流动。在集流管24中设置有一个或多个孔道40，以提供利用一个或多个传感器30进行测量的途径，以对绝缘流体进行直接或间接测量。
现在参考图3B，示出了散热器20，该散热器具有与集流管34连接的第二导管22，该集流管以竖直方向安装在变压器箱体10的侧面。传感器30被设置成与绝缘流体流成一条直线，并可通过孔道40访问绝缘流体。绝缘流体流出散热器20，穿过形成竖直集流管34的管子或管道，进入变压器箱体10底部附近的开口42。传感器30的位置可访问到处于变压器1的绝缘流体流的最冷区域的绝缘流体，并且不会与传感器30的电子器件相干涉。在图3B的实施例中，不需要附加的垫圈连接件和机加工的法兰，从而最大程度地减少了绝缘流体的可能的泄露点。
参考图3C和3D，示出了散热器20，该散热器通过第一隔离阀44、第二导管22、集流管34和第二隔离阀46与变压器箱体相连接。第一隔离阀44与第二隔离阀46可以在散热器20与第二导管22的连接处以及与变压器箱体10的连接处关断绝缘流体流，以便能够移除集流管34。传感器30可以通过使用探针对绝缘流体进行测量，或通过集流管34的孔道40或直接通过集流管34光学地或声学地测量特性。第一隔离阀44和第二隔离阀46可以用于隔离绝缘流体并从散热器20与变压器箱体10之间的连接中移除集流管34。
在图3C和图3D的例子中，一个或多个孔道40可以设置在第一导管21、第二导管22以及集流管34中的至少一个中，用于给传感器30提供测量途径。传感器30可以是先前提到的任何类型的传感器。集流管34在散热器20的基部处或基部下面并且在隔离阀44附近的用于将绝缘流体从散热器20传输到变压器箱体10的下部入口点处或下部入口点下面的位置，有助于冷却绝缘流体。这样的布置允许增加与绝缘流体流成一直线的传感器30。
现在参考图4，示出了可以用作备用散热器的附加散热器20'。附加散热器20'可以通过第一导管21与现有的变压器散热器20或新的变压器散热器20相连接，用于产生所需的绝缘流体流以及获得用于采样或测量绝缘流体的期望温度范围。可以在附加散热器20'的底部处的第二导管22中设置孔道40以感测绝缘流体的特性。由于附加散热器20'尺寸的原因，传感器30可以设置在散热器20'的阀25与第二导管22之间，而不会影响散热器20'或散热器20'所连接的变压器箱体10的占用空间。
现在参考图5，示出了散热器20，该散热器具有带凸缘的第一传感器外壳52与带凸缘的第二传感器外壳54，以及用于接收传感器30的一个或多个孔道40。带凸缘的第一传感器外壳52可以用于测量绝缘流体的顶部油温。下部或底部的带凸缘的传感器外壳54可以在孔道40处与一个或多个传感器30相连接。传感器外壳53和54可以是盒子形状，以形成可以接收并储存绝缘流体的容器，并为传感器元件从多个孔道40伸入到流体中提供额外空间。
参考图6，散热器20包括带有多个孔道40的第一集流管23与第二集流管24，该多个孔道40用于使传感器30直接与绝缘流体相互作用或连接。由此，向一个或多个传感器30提供了对第一集流管23与第二集流管24内的绝缘流体直接测量的途径。应当理解，一个或多个孔道40设置在本文所述的第一导管21、第二导管22、水平的第一集流管23、水平的第二集流管24、竖直集流管34、和/或带凸缘的第一传感器外壳52、带凸缘的第二传感器外壳54中的任意一个或全部上。此外，阀可以连接在本公开的任何孔道40处，以使与孔道相连的传感器30的拆卸和附接更加方便。
取决于应用，传感器30可以被水平或竖直地安装。传感器30以模拟或数字方式提供对传感器30或任何系统的读出提供有线或无线通信。传感器30与处理单元之间的有线连接的一个示例提供了4-20毫安的模拟输出，该输出代表一种或多种溶解在油中的气体。代表溶解的气体的测量值的数字信号可以通过有线连接或以使用金属偶、光纤、或其他媒介的无线方式从传感器30提供。可以使用MODBUS、DNP 3.0和IEC61850协议与其它用于监测变压器的系统进行通信。相同类型的通信适用于此处提到的所有传感器类型。
考虑了本公开的各个方面。根据一个方面，一种变压器，包括用于容纳铁芯、至少一个线圈绕组、绝缘流体的箱体以及用于接收来自箱体的绝缘流体的散热器。散热器包括用于冷却绝缘流体的鳍片以及用于接收来自散热器的冷却了的绝缘流体的导管和集流管中的至少一个。导管和集流管中的至少一个包括用于提供对其中的绝缘流体进行测量的途径的孔道。提供了用于通过孔道测量的绝缘流体的特性的传感器。
在一个实施例中，传感器选自包括以下项的组：水分传感器、溶解气体传感器、电阻温度探测器、光声传感器、压力传感器、多气体探测传感器、油位传感器以及前述传感器的任意组合。在另外一个实施例中，传感器可操作以传递绝缘流体的至少一个测量值。
在另一个实施例中，绝缘流体的被测特性选自包括以下项的组：绝缘流体中至少一种成分的存在、绝缘流体中至少一种成分的成分浓度、绝缘流体的压力、绝缘流体的温度、绝缘流体的液位、界面张力、功率因数、介电强度、水分含量、抗氧化剂含量、酸度、颜色以及前述特性的任意组合。
在另一个实施例中，提供了用于接收冷却了的绝缘流体的集流管，该集流管还包括分别位于在集流管的上游端部和下游端部的第一阀和第二阀。在该实施例的一种改进中，传感器被安装至集流管的孔道。在另一种改进中，在集流管与传感器之间设有第三阀。在此实施例的另一种改进中，集流管的至少一部分沿着散热器水平定向，而且孔道位于该水平定向的部分上。在此实施例的又一种改进中，集流管的至少一部分被竖直地定向并且从散热器向下延伸，而且孔道位于该竖直地定向的部分上。
根据另一方面，一种变压器，该变压器包括箱体和散热器，该箱体用于容纳布置在箱体内的铁芯、至少一个线圈绕组、绝缘流体，该散热器用于接收来自箱体的绝缘流体。散热器包括用于冷却绝缘流体的鳍片、用于接收来自箱体的绝缘流体的第一集流管和用于接收来自鳍片的冷却了的绝缘流体的第二集流管。第二集流管包括用于提供对其中的绝缘流体进行测量的途径的孔道，并且提供传感器以用于通过该孔道测量绝缘流体的特性。
在一个实施例中，传感器外壳附接到第二集流管，用于收集绝缘流体以供传感器测量，传感器外壳上设有孔道，并且传感器附接到该孔道。在另一个实施例中，第二集流管的至少一部分被竖直地定向并且从散热器向下延伸，而且孔道位于该竖直地定向的部分上。
在另一个实施例中，第二集流管的至少一部分被沿着散热器水平定向，而且孔道位于该水平定向的部分上。在此实施例的一种改进中，第二集流管被设置在散热器的基部的下面。
在又一个实施例中，第一导管将第一集流管与箱体相连接，并且第二导管将第二集流管与箱体相连接。在另一个实施例中，第一导管将第一集流管与箱体相连接，并且第二导管和第三导管将第二集流管与散热器出口相连接。在另一个实施例中，第二集流管包括多个用于和传感器相连接的孔道。
根据另一方面，一种变压器，包括箱体和散热器，该箱体用于容纳布置在箱体内的铁芯、至少一个线圈绕组、绝缘流体，所述散热器用于接收来自箱体的绝缘流体。散热器包括用于冷却绝缘流体的鳍片、用于接收来自箱体的绝缘流体的第一集流管和用于接收冷却了的绝缘流体的第二集流管。附加散热器通过第一导管连接到第一散热器，该第一导管在绝缘流体冷却之前接收绝缘流体。该附加散热器包括用于冷却绝缘流体的鳍片以及用于接收来自附加散热器的冷却了的绝缘流体的第二导管。该第二导管包括至少一个用于提供对其中的绝缘流体进行测量的途径的孔道，并且提供了传感器以通过该孔道测量绝缘流体的特性。
在一个实施例中，在第二导管和传感器之间设有阀。在另一个实施例中，第一导管和第二导管各自包括多个用于与传感器相连接的孔道。
对于在说明书或权利要求书中使用的术语“包括”或“包括”而言，其旨在具有包容性，类似术语“包含”，就像该词语在权利要求中用作过渡词时被解释的那样。另外，对于术语“或”(例如“A或B”)而言，其旨在表示“A或B或两者”。当申请人想要表示“仅A或B而不是两者”时，将使用术语“仅A或B而不是两者”。因此，本文中术语“或”的使用是包容性的，而非排除性的。参见Bryan A.Garner著《A Dictionary of Modern Legal Usage》624页(第二版，1995年)。同样，对于在说明书或权利要求书中使用的术语“在…中”或“到…中”而言，旨在也表示“在…上”或“到…上”。另外，对于在说明书或权利要求书中使用的术语“连接”而言，其旨在不仅表示“直接连接至”，还表示“间接连接至”，例如通过另一个或多个部件来连接。
尽管本申请示出了各种实施例，并且尽管已经对这些实施例进行了详细描述，但这并不意味申请人意图将所附权利要求书的范围限制或以任何方式限定在这些细节之内。其他优点和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明在其更广泛的方面不限于所示出和描述的具体细节、代表性的实施例以及说明性示例。因此，在不脱离申请人的总体发明构思的精神或范围的情况下，可以偏离这些细节。

Claims (20)

1.一种变压器，所述变压器包括：
箱体，所述箱体用于容纳铁芯、至少一个线圈绕组和绝缘流体；
散热器，所述散热器用于接收来自所述箱体的绝缘流体，所述散热器包括鳍片并且包括导管与集流管中的至少一者，所述鳍片用于冷却绝缘流体，所述导管与集流管中的至少一者用于接收来自所述散热器的冷却了的绝缘流体，其中，所述导管与集流管中的至少一者包括用于提供对所述导管与集流管中的至少一者中的绝缘流体进行测量的途径的孔道；和
传感器，所述传感器用于通过所述孔道测量所述绝缘流体的特性。
2.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述传感器选自包括以下项的组：水分传感器、溶解气体传感器、电阻温度探测器、光声传感器、压力传感器、多气体探测传感器、油位传感器以及前述传感器的任意组合。
3.根据权利要求1所述的变压器，其中所述绝缘流体的被测量的特性选自包括以下项的组：绝缘流体中至少一种成分的存在、绝缘流体中至少一种成分的成分浓度、绝缘流体的压力、绝缘流体的温度、绝缘流体的液位、界面张力、功率因数、介电强度、水分含量、抗氧化剂含量、酸度、颜色以及前述特性的任意组合。
4.根据权利要求1所述的变压器，其中，所述传感器能够操作以传递所述绝缘流体的至少一个测量值。
5.根据权利要求1所述的变压器，其中，集流管被提供用于接收冷却了的绝缘流体，并且所述集流管还包括分别位于所述集流管的上游端部和下游端部处的第一阀和第二阀。
6.根据权利要求5所述的变压器，其中，所述传感器安装至所述集流管中的孔道。
7.根据权利要求6所述的变压器，所述变压器还包括位于所述集流管与所述传感器之间的第三阀。
8.根据权利要求5所述的变压器，其中，所述集流管的至少一部分沿所述散热器水平地定向，并且所述孔道位于该水平地定向的部分上。
9.根据权利要求5所述的变压器，其中，所述集流管的至少一部分竖直地定向并从所述散热器向下延伸，并且所述孔道位于该竖直地定向的部分上。
10.一种变压器，所述变压器包括：
箱体，所述箱体用于容纳布置在所述箱体内部的铁芯、至少一个线圈绕组和绝缘流体；
散热器，所述散热器用于接收来自所述箱体的绝缘流体，所述散热器包括鳍片、第一集流管和第二集流管，所述鳍片用于冷却所述绝缘流体，所述第一集流管用于接收来自所述箱体的绝缘流体，所述第二集流管用于接收来自所述鳍片的冷却了的绝缘流体，其中，所述第二集流管包括用于提供对第二集流管中的绝缘流体进行测量的途径的孔道；和
传感器，所述传感器用于通过所述孔道测量绝缘流体的特性。
11.根据权利要求10所述的变压器，其中，传感器外壳附接到所述第二集流管，用于收集绝缘流体以供所述传感器测量，所述传感器外壳上设有所述孔道，所述传感器附接到所述孔道。
12.根据权利要求10所述的变压器，其中，所述第二集流管的至少一部分沿所述散热器水平地定向，并且所述孔道位于该水平地定向的部分上。
13.根据权利要求12所述的变压器，其中，所述第二集流管设置在所述散热器的基部下面。
14.根据权利要求10所述的变压器，其中，所述第二集流管的至少一部分竖直地定向并从所述散热器向下延伸，并且所述孔道位于该竖直地定向的部分上。
15.根据权利要求10所述的变压器，其中，第一导管将所述第一集流管与所述箱体相连接，并且第二导管将所述第二集流管与所述箱体相连接。
16.根据权利要求10所述的变压器，其中，第一导管将所述第一集流管与所述箱体相连接，并且第二导管和第三导管将所述第二集流管与所述散热器的出口相连接。
17.根据权利要求10所述的变压器，其中，所述第二集流管包括用于与所述传感器连接的多个所述孔道。
18.一种变压器，所述变压器包括：
箱体，所述箱体用于容纳布置在所述箱体内部的铁芯、至少一个线圈绕组和绝缘流体；
散热器，所述散热器用于接收来自所述箱体的所述绝缘流体，所述散热器包括鳍片、第一集流管和第二集流管，所述鳍片用于冷却绝缘流体，所述第一集流管用于接收来自所述箱体的绝缘流体，所述第二集流管用于接收冷却了的绝缘流体；
附加散热器，所述附加散热器通过第一导管连接到所述第一散热器，所述第一导管在所述绝缘流体冷却之前接收所述绝缘流体，所述附加散热器包括用于冷却绝缘流体的鳍片和用于接收来自所述附加散热器的冷却了的绝缘流体的第二导管，其中，所述第二导管包括用于提供对第二导管中的绝缘流体进行测量的途径的孔道；和
传感器，所述传感器用于通过所述孔道测量所述绝缘流体的特性。
19.根据权利要求18所述的变压器，所述变压器还包括位于所述第二导管和所述传感器之间的阀。
20.根据权利要求18所述的变压器，其中，所述第一导管和所述第二导管各自包括用于连接所述传感器的多个所述孔道。
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