CN1260747C - 通过次级线圈短路时断路器跳闸而自保护的配电变压器 - Google Patents

Abstract

一种三相配电变压器(10)，包括：一密封的箱(12)，在该箱(12)内装有高电介性的油；一个初级线圈电路(16)；以及一个次级线圈电路(18)。断路器在初级线圈套管(20)和初级线圈绕组(24)之间串联连接，从而当发生电故障时切断初级线圈绕组(24)的供电。跳闸装置(40)实现断路器的跳闸。该装置包括机电过载电流继电器(42)，该机电过载电流继电器(42)对在变压器的次级线圈电路中流动的电流敏感，该装置还可以包括对电介质流体的压力敏感的换能器(44)和/或对电介质流体的温度敏感的换能器(46)。传动系统(50)执行将由不同机电继电器(42)和换能器(44、46)发出的跳闸指令传递给断路器(28)。

Description

通过次级线圈短路时断路器跳闸 而自保护的配电变压器

                        技术领域

本发明涉及MV/MV初级线圈或MV/LV次级线圈配电变压器，该配电变压器的绕组浸入装于箱内的电介质液体或气体中，该配电变压器装备有一体的保护装置，该保护装置设计成能限制变压器内部失效和变压器的次级线圈接线端故障的影响。尤其是，本发明涉及一种变压器，该变压器的保护装置位于箱内，与变压器一起形成了被称为自保护变压器的变压器。

                        技术背景

文献EP0981140中公开了一种前述类型的浸没式自保护变压器。保护装置与初级线圈电路连接，并包括一个由跳闸装置控制的断路器和与从该断路器上行的电线连接的熔断器。该熔断器、断路器和跳闸装置连接成这样，即当变压器的次级线圈电路的接线端短路时，断路器的触点装置分离，并在熔断器没有开始熔化时中断电流，且存在一个流过各熔断器的电流强度的阈值，该阈值小于相应断路器电极单元的断路容量，但是当超过该值时，在由跳闸装置发出的使触点装置分离的指令能够使触点分离之前，熔断器将完全熔断。根据一个实施例，该跳闸装置包括一个过载电流跳闸装置，该过载电流跳闸装置包括一个用于测量在变压器次级线圈的相中流动的电流强度的装置。

不过，该文献并没有特别说明由测量装置获得的信息怎样传递给跳闸装置。不过，测量装置靠近次级线圈相导体，而断路器位于变压器的初级线圈侧，离次级线圈相导体一定距离。

                        发明内容

因此，本发明的目的是提供一种自保护变压器，该变压器的跳闸装置简单，且在装置的整个使用寿命期间都可靠，即超过20年。

因此，本发明的目的是提供一种配电变压器，该变压器包括：

一箱，该箱装有液体或气体电介质；

一个三相初级线圈电路，该三相初级线圈电路包括浸没在电介质中的次级线圈绕组；

初级线圈电套管，用于使初级线圈电路与该箱外的初级线圈电力系统相连；

一个三相次级线圈电路，该三相次级线圈电路包括浸没在电介质中的次级线圈绕组；

次级线圈电套管，用于使次级线圈电路与该箱外的次级线圈电力系统相连；

一保护装置，包括：

一断路器，该断路器位于箱内，在初级线圈套管和初级线圈绕组之间的初级线圈电路中，该断路器包括一跳闸锁闩，该跳闸锁闩可在锁住位置和跳闸位置之间运动，

断路器的跳闸装置，该跳闸装置包括一过载电流跳闸装置，

其特征在于：过载电流跳闸装置包括：布置于箱中的

一个机电继电器，用于变压器次级线圈电路的各相，该机电继电器包括：

一刀形开关，该刀形开关可在静止位置和跳闸指令位置之间运动，

一固定磁路，用于向刀形开关施加电磁力，随着在变压器次级线圈电路的相中流动的电流的强度增加，该电磁力增大，

一柔性复位装置，该柔性复位装置用于使刀形开关返回静止位置，并向处于静止位置的刀形开关施加一个阈值返回力；

一传动系统，该传动系统布置于机电继电器和断路器的跳闸锁闩之间，并包括一个输出装置，当次级线圈任意一相的机电继电器的刀形开关从静止位置向跳闸指令位置运动时，该输出装置驱动断路器的跳闸锁闩从其锁住位置运动到其跳闸位置。

跳闸装置布置在箱内，这样，该变压器与它的保护装置一起形成由该箱界定边界的功能和材料单元，该功能和材料单元非常准确地符合自保护变压器的概念。

各相的机电继电器设计为布置成尽可能地靠近次级线圈相导体，而断路器连接于初级线圈电路中。传动系统能够将跳闸指令从一处向另一处机械传递。该传动系统还可以在由各相的继电器发出的跳闸指令之间执行逻辑“或”的功能。从而可以避免采用电子传输装置，电子传输装置的特性为在所涉及的装置的整个使用寿命期间有较小的可靠性。

应当知道，按照定义，机械传动系统仅将由继电器发出的动能传递给断路器跳闸锁闩。它并不是任何中间的能量储存机构，例如有由中间锁闩释放的弹簧的机构。换句话说，使断路器锁闩从其锁住位置运动到其跳闸位置所需的能量由机电继电器供给，并不由另外的能量储存系统供给。当在次级线圈短路的情况下可提供的电磁能足够高时可以实现该类型的直接驱动，这样，可以通过简单的机电转换器以较低成本回收该能量的一部分，以便驱动传动系统。

至于各继电器刀形开关的复位弹簧，它可以执行装置的电流选择，当低于刀形开关在静止位置时由弹簧确定的阈值时，过载仅由位于变压器下行电线上的保护装置进行处理。

优选是，过载电流跳闸装置还包括：对于各刀形开关都有一个延时装置，该延时装置引起在刀形开关开始运动和跳闸锁闩到达跳闸位置之间的时间延迟。该延时装置响应机电继电器引起时间延迟，这样能够在变压器断路器和位于该变压器下行电线上的保护装置之间获得时间选择性。换句话说，延时装置延迟断路器断开指令，断路器和/或熔断器位于变压器的下行电线，在次级电力系统上的箱的外面，延迟切断相应故障的电线。这能够使位于变压器箱内的断路器的跳闸仅限于故障发生在次级线圈套管和位于从变压器箱下行电线上的保护装置之间的紧急情况。通过使次级线圈各相配有延时装置，能够保证对于无论在相线和零线之间、在两相之间或者在次级线圈的三相之间的任意类型的故障，都有足够的时间延迟。

根据一个优选实施例，各刀形开关的延时装置包括一个通过摩擦耗散能量和向刀形开关施加阻力的元件，刀形开关的动能越大，该阻力越大。优选是，电介质是粘性液体，延时装置包括至少一个浸没在所述粘性电介质中的制动器。这样，可以以非常经济的方式获得所希望的功能。

根据一个实施例，各刀形开关的延时装置包括一个空载行程连杆，这样，该刀形开关不能驱动输出装置，直到刀形开关通过在静止位置和跳闸指令位置之间的空载形成。

根据一个实施例，传动系统包括：一个传输杆；以及对于次级线圈各相都有的一个单向连接装置，该单向连接装置在刀形开关和传输杆之间，能够将由固定磁路施加在刀形开关上的电磁驱动力传递给传输杆。传输杆装备有一个复位弹簧，以便使该杆返回静止位置。这种单向连接使得上述“或”功能能够以简单方式实现。

优选是，次级线圈各相的固定磁路都包括一个由铁磁材料制成并有气隙的部件，该刀形开关也由铁磁材料制成并布置在该气隙内，从而与该有电材料制成的部件一起形成可变磁阻的磁路，当刀形开关从静止位置向跳闸指令位置运动时，磁路的磁阻减小。一旦超过由该柔性复位装置确定的阈值，刀形开关开始向其跳闸指令位置运动。一旦开始该运动，磁路的磁阻减小，因此，当次级线圈的相关相中的电流强度恒定时，传递给刀形开关的瞬时功率和电磁力增加。当短路状态没有消除时，运动必然继续，直到刀形开关到达跳闸指令位置。另一方面，当短路状态在相关刀形开关到达跳闸指令位置之前消失时，刀形开关上的电磁驱动力立即消失，而刀形开关受到柔性复位装置的返回力的作用，延时装置阻碍刀形开关继续运动。当刀形开关和传动系统的惯性与其它相关物理量相比可以忽略时，刀形开关几乎立即停止，然后返回静止位置。

优选是，断路器跳闸装置另外还包括换能器，该换能器对箱内的电介质流体的温度和/或压力敏感，并且当流体的温度超过给定的温度阈值和/或流体的压力超过给定的压力阈值时从无效位置转变成激活位置，且传动系统布置成这样，即当换能器从无效位置转变成激活位置时，传动系统驱动锁闩到达它的跳闸位置。实际上，断路器也要防止变压器内部发生故障。流体的温度和压力是变压器正确工作的良好指示器，对于所有跳闸装置都采用相同传动系统时尤其有利。所获得的组件尤其便宜。

优选是，保护装置另外还包括：对于初级线圈各相都有熔断器，该熔断器有足够的断路容量，以便当初级线圈电路短路时使相应相断开，所述熔断器布置在箱内，并在初级线圈套管和断路器之间串联连接于初级线圈电路中。熔断器的基本功能是处理初级线圈电路短路的情况。

                          附图说明

通过下面对本发明特殊实施例的说明，可以更清楚地了解其它优点和特征，该特殊实施例仅作为非限定实例，并在附图中表示，附图中：

图1是表示本发明第一实施例的变压器的线路图；

图2是表示位于图1实施例的变压器箱内的保护装置的透视图；

图3是表示图2的装置的仰视图；

图4是表示图2的装置的侧视图；

图5是与图4相当的侧视图，表示根据本发明第二实施例的一种变化形式。

                        具体实施方式

参考图1，三相MV/MV或MV/LV配电变压器10包括：内部紧密密封的箱12，该箱12装有电介质流体14，在本例中是高电介性的油，该油具有比水更高的粘性；初级线圈电路16；以及次级线圈电路18。该初级线圈电路16使布置在箱12的盖体22上的初级线圈套管20与变压器的初级线圈绕组24连接。在箱内的电保护装置串联在该套管20和初级线圈绕组24之间，以便在发生电故障时中断向初级线圈绕组24的供电。该保护装置包括：熔断器26，该熔断器26位于非常靠近初级线圈套管20的位置处，甚至可以部分插入初级线圈套管20；断路器28，该断路器28与从熔断器26下行的电线(down-line)连接。对于熔断器26的安装，优选是可以参考文献EP0981140A1，该文献的内容在这里引作参考。通过次级线圈的相导体34和当采用了零线配电导体时的零线配电导体36，变压器10的次级线圈电路18使变压器10的次级线圈绕组30与次级线圈套管32相连。跳闸装置40执行断路器的跳闸。该装置包括：对在变压器的次级线圈电路的相导体34中流动的电流敏感的机电式继电器42；以及可能有的对电介质流体的压力敏感的换能器44和/或对电介质流体的温度敏感的换能器46。传动系统50向断路器28传递由不同机电继电器42和换能器44、46发出的跳闸指令。

参考图2至4，断路器28由固定在变压器箱的盖体22的内表面上的框架52支承。该断路器包括开关轴54的操作机构(未示出)，该轴支承三个曲柄56，每个曲柄56驱动一个真空筒60的动触头58。该机构由跳闸锁闩62控制，该跳闸锁闩62可绕相对于框架固定的几何轴而在锁住位置和跳闸位置之间枢轴转动，在该锁住位置，该跳闸锁闩将机构锁定在触头的闭合位置，在该跳闸位置，跳闸锁闩释放机构，从而使触头分离。该跳闸锁闩由未示出的复位弹簧向锁住位置偏置。

次级线圈电路的导体34、36由穿过在套管高度处的变压器盖体的金属条形成。利用该结构，次级线圈套管32位于离断路器28一定距离处。实际上，尽管为了清晰起见，在图2至4中并没有表示初级线圈套管20和初级线圈熔断器26，不过，在盖体22上能看见用于使初级线圈套管20通过的孔64，该孔必须靠近断路器28，并在该断路器28和次级线圈套管32之间。

三个次级线圈相34的机电继电器42固定在箱12内次级线圈套管32的高度处。这些继电器都相同，因此为了简明，只介绍它们中的一个。继电器42包括一个固定磁路70，该固定磁路70由铁磁性材料制成的U形部件形成，该U形部件环绕相应的次级线圈相导体34并使磁力线集中在气隙中。固定磁路70布置在与相导体34中的电流流动轴线垂直的平面内，即在图3的平面内。可绕垂直于图3的平面的轴线枢轴转动的刀形开关72布置在气隙中。刀形开关72自身由铁磁性材料制成。它通过复位弹簧78保持在抵靠于端运动止动器76的静止位置处，该复位弹簧78在该位置处保持部分拉伸。刀形开关72通过臂80延伸，该臂80形成一个曲柄，其自由端支承刚性杆84的枢轴转动轴82。杆84形成连杆，该连杆在其与该刀形开关72相对的端头处与传输轴88的接收器曲柄联动。更准确地说，杆84的端头弯曲以形成如图4所示的掣子90，该掣子插入接收器曲柄86的狭槽92中，从而形成与接收器曲柄86的单向连接。摩擦板94固定在杆84上。

尤其如图2所示，轴88包括的接收器曲柄86的数目与次级线圈和机电继电器42的相数目相同。轴88在布置于固定支承凸缘98上的三个轴承96中旋转，该固定支承凸缘98牢固安装在箱的盖体22上。该轴在靠近断路器的端头处形成有反转齿轮臂102，该反转齿轮臂冲击断路器的跳闸锁闩62。该轴88通过复位弹簧104逆时针偏置向图3中的静止位置。

构成电介质的油充满该箱内直到盖体，这样，断路器28、机电继电器42和传动系统50都浸没在油中，该传动系统50由装备有板94的杆84和装备有接收器曲柄86和反转齿轮臂102的轴88形成。

该变压器保护装置以下面方式工作。

在正常工作状态下或在有过载电流时，各刀形开关72上的电磁力不足以达到由部分拉伸的复位弹簧78所确定的阈值，因此，各刀形开关72保持在如图3所示抵靠于端运动止动器76的静止位置。因此，只有位于变压器箱下行电线上的保护装置要考虑过载电流。因此，弹簧78的拉伸使得装置电流可以选择。

当次级线圈的一相34发生故障时，流过所述次级线圈相导体34的电流强度在固定磁路74的气隙中引起较大感应通量。作用在刀形开关上的电磁力所产生的相对于刀形开关72的旋转轴的力矩超过由复位弹簧78确定的阈值，因此，刀形开关沿图3中的逆时针方向被驱动旋转，从而将牵引力施加在相应杆84上。

然后，杆的掣子90驱动传输轴88沿图2中的顺时针方向旋转。不过，由于相应板94的存在，该运动将慢下来，该板94必须克服在它运动时由油产生的阻力，因此该板94将阻碍杆84的运动。在轴88的另一端，反转齿轮臂102逆时针驱动锁闩62。

刀形开关72的形状为这样，即当刀形开关逆时针旋转时，刀形开关离固定磁路的壁的距离快速减小。因此，包括刀形开关72的总磁路的磁阻快速减小，且对于给定强度的短路电流，作用在刀形开关上的电磁力增加。电磁力相对于刀形开关的旋转轴74的力矩也增加，尽管这不是很快，因为相应杆臂由于旋转而减小。总的来说，电磁力的力矩的快速增加保证刀形开关在恒定短路电流强度时持续进行加速旋转。

当持续短路时，刀形开关72因此持续运动，并驱动由杆84、传输轴88和反转齿轮臂102以及该刀形开关形成的传动系统50随着它运动。当刀形开关72到达跳闸指令位置时，反转齿轮臂102使跳闸锁闩62运动到跳闸位置。到达跳闸位置时，锁闩62释放断路器28的机构，该机构将开关轴54和触头58驱动至分离位置，从而切断变压器初级线圈电路16的供电。

另一方面，当次级线圈保护装置，例如在发生故障的次级线圈电线上位于变压器箱下行电线上的熔断器或断路器，足够快地断开电路时，在杆的旋转使得断路器跳闸之前，导体34以及它在固定磁路70的气隙中引起的感应通量减小。处于运动中的动质量很小，与复位弹簧78、104的力和板94的阻力相比可以相对忽略，因此，传动系统50沿跳闸方向的总体运动几乎立即停止。然后，由于刀形开关72和轴88的相应复位弹簧78、104的组合偏置作用，刀形开关72和轴88返回其静止位置。

板94的尺寸为能保证断路有足够的时间延迟，以便使得断路每次都能够在变压器下行电线上有效发生。因此，该板能够以非常低的成本进行时间选择。实际上，目标是使得仅当次级线圈的故障发生在箱和位于该箱下行电线上的保护装置之间时，即仅当该故障不能由位于该箱下行电线上的保护装置检测或清除时，才使得在次级线圈上的断路器跳闸。

应当知道，当某些次级线圈相没有短路时，相应的刀形开关72和杆84保持不动，且不会阻碍由短路相的刀形开关所驱动的轴88的旋转。当接收器曲柄沿图4中顺时针方向枢轴转动时，处于静止位置的不动的杆84实际上在相应接收器曲柄的狭槽92中自由滑动。通过掣子90和狭槽92的配合而获得的、在杆84和轴88之间的单向连接能够使不同相的机电继电器42的运动彼此独立。

而且，应当知道，当相线和零线之间发生短路时、当两相之间发生短路时以及当三相之间发生短路时，跳闸时间延迟的时间必须基本相同。这就是优选对各相都提供有摩擦板94，而不是在轴上提供单个板的原因。

当然可以进行各种变化。

根据一种未示出的可选实施例，提供非板形的摩擦板94可能是有益的，这样能够在需要延时时沿跳闸方向所获得的阻力比不需要延时时沿返回静止位置方向的阻力更大。

一般地说，通过任意机械装置，尤其是通过由液体或固体摩擦来耗散能量的任意装置，都可以实现时间延迟功能。

通过传动系统的一个元件的空载行程，也可以获得时间延迟，优选是这种空载行程对于各刀形开关是彼此独立的。该变化形式的一个实例如图5中的实施例所示，在该实施例中，与第一实施例相同的元件以相同参考标号表示。图5的实施例与第一实施例的区别仅在于支承掣子的杆184的端头被加长了，这样，只有当掣子190在狭槽92中经过一定距离之后它才开始驱动轴。当发生次级线圈短路时，在掣子与接收器曲柄86接触并开始驱动轴88之前，刀形开关72首先驱动杆184克服弹簧78的返回力而经过一段空载行程。不过，该装置的缺点是使刀形开关72在静止位置和跳闸指令位置之间进行较大的运动。还可以将空载行程连杆与能量耗散装置例如板194相结合，该板194在图5中以虚线表示，以便说明它的可选特性。

刀形开关并不必须为枢轴转动部件。例如它可以由可平移运动的部件代替。

实施例中的多功能轴88也可以由几个部件代替，例如：一个部件执行在不同继电器的运动之间的逻辑“或”功能，另一部件执行使该运动传向跳闸锁闩的远距离机械传动。

Claims (10)

1.一种配电变压器，包括：

一个箱(12)，该箱装有液体或气体电介质(14)；

一个三相初级线圈电路(16)，该三相初级线圈电路(16)包括浸没在电介质(14)中的初级线圈绕组(24)；

初级线圈电套管(20)，用于使初级线圈电路与该箱外的初级线圈电力系统相连；

一个三相次级线圈电路(18)，该三相次级线圈电路(18)包括浸没在电介质(14)中的次级线圈绕组(30)；

次级线圈电套管(32)，用于使次级线圈电路(18)与该箱(12)外的次级线圈电力系统相连；

一保护装置，包括：

一断路器(28)，该断路器(28)位于箱内，在初级线圈套管(20)和初级线圈绕组(24)之间的初级线圈电路(16)中，该断路器(28)包括一跳闸锁闩(62)，该跳闸锁闩(62)能在锁住位置和跳闸位置之间运动，

断路器的跳闸装置(40)，该跳闸装置包括一过载电流跳闸装置，

其特征在于，该过载电流跳闸装置包括：布置于箱(12)中的，

对于变压器次级线圈电路(18)的每一相(34)都有的一个机电继电器(42)，该机电继电器(42)包括：

一刀形开关(72)，该刀形开关(72)能在静止位置和跳闸指令位置之间运动，

一固定磁路(70)，用于向刀形开关(72)施加电磁力，随着在变压器的次级线圈电路的相中流动的电流的强度增加，该电磁力增大；

一柔性复位装置(78)，用于使刀形开关(72)返回静止位置，并向处于静止位置的刀形开关(72)施加一个阈值返回力；

一传动系统(50)，该传动系统(50)布置于机电继电器(42)和断路器的跳闸锁闩(62)之间，并包括一个输出装置(102)，当次级线圈任意一相(34)的机电继电器(42)的刀形开关(72)从静止位置向跳闸指令位置运动时，该输出装置(102)驱动断路器的跳闸锁闩从其锁住位置运动到其跳闸位置。

2.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：过载电流跳闸装置还包括：对于各刀形开关都有一个延时装置(94)，该延时装置(94)引起在刀形开关开始运动和跳闸锁闩到达跳闸位置之间的时间延迟。

3.根据权利要求2所述的变压器，其特征在于：各刀形开关的延时装置包括一个通过摩擦耗散能量和向刀形开关施加阻力的元件，刀形开关的动能越大，该阻力越大。

4.根据权利要求3所述的变压器，其特征在于：电介质(14)是粘性液体，延时装置包括至少一个浸没在所述粘性电介质中的制动器(94)。

5.根据权利要求2至4中任意一个所述的变压器，其特征在于：各刀形开关的延时装置包括一个空载行程连杆，这样，该刀形开关不能驱动输出装置(102)，直到刀形开关通过在静止位置和跳闸指令位置之间的空载行程。

6.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：该传动系统(50)包括：一个传输轴(88)；以及对于次级线圈各相(34)都有的一个单向连接装置(90、92)，该单向连接装置(90、92)在刀形开关(72)和传输轴(88)之间，能够将由固定磁路(70)施加在刀形开关(72)上的电磁驱动力传递给传输轴(88)。

7.根据权利要求6所述的变压器，其特征在于：该传输轴(88)装备有一个复位弹簧(104)，以便使该轴返回一静止位置。

8.根据权利要求1和6中任意一个所述的变压器，其特征在于：对于次级线圈的每一相(34)，固定磁路(70)都包括一个由铁磁材料制成并有气隙的部件，该刀形开关(72)也由铁磁材料制成并布置在该气隙内，与该由铁磁材料制成的部件一起形成磁阻可变的磁路，当刀形开关从静止位置向跳闸指令位置运动时，磁路的磁阻减小。

9.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：断路器跳闸装置另外还包括换能器，该换能器(44、46)对箱内的电介质流体的温度和/或压力敏感，并且当流体的温度超过给定的温度阈值和/或流体的压力超过给定的压力阈值时从一无效位置转变成一激活位置，且传动系统(50)布置成这样，即当换能器(44、46)从无效位置转变成激活位置时，传动系统(50)驱动锁闩(62)到达它的跳闸位置。

10.根据权利要求1所述的变压器，其特征在于：该保护装置另外还包括：对于初级线圈各相都有熔断器，该熔断器布置在箱内，并在初级线圈套管和断路器之间串联连接于初级线圈电路中，所述熔断器有足够的断路容量，以便当初级线圈电路短路时使相应相断开。

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