CN1230841C - 流体环流通路中设有诊断传感器的充有流体的电气设备 - Google Patents

Abstract

一种充有流体的变压器，包括：一个箱(11)，供容纳至少初级和次级线圈；一个散热器(18)，经顶部和底部集流管(20a，20b)与箱(11)连通；一种流体(50)，配置在箱(11)中；一个流体环流通路(25)，包括通过线圈、散热器、集流管和箱的至少一部分的通道；以及至少一个诊断传感器(60)，配置在流体环流通路中，供测定流体的性能。通过将传感器(60)配置在环流通路(25)中，可以使测定出的值更可靠、准确和有效。

Description

流体环流通路中设有诊断传感器的充有流体的电气设备

技术领域

本发明涉及一种监控充有流体的设备性能的结构，更具体说，涉及在充有流体的设备的流体环流通路中设有一个诊断传感器从而更快、更清楚地看出可观测到的现象的结构。

背景技术

为降低例如高压或中压电力变压器的维修费用，周知的办法是监控变压器的某些工作性能，从而在检测出反常现象时可将变压器从线路上切除(必要时)，以在必要时进行修理。能表明变压器可能有问题且可加以监控的性能包括变压器箱的温度或变压器箱中的冷却/绝缘流体(一般为油)的温度。另一个受监控的性能是流体或油中气体的浓度。可提供变压器状态诊断线索的气体有氢气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳、二氧化碳、乙炔、丙烷和/或丙烯。变压器受监控的其它性能还有油的水含量、介质强度和功率因数值。任一或多个这些性能的测定或监控值超过预定水平时，变压器不是可能已在故障状态下工作就是不久会进入这种故障状态。因此，这类变压器(必要时)可从线路上切除和/或加以修理。通常，可加以监控的有助于表明变压器健康状况性能的变化叫做可观测的现象。

按惯例，在现行变压器箱的外端口(例如泄放阈或泄压器件)上装上一些传感器，供监控变压器箱中流体的上述特性或性能，这种方法的好处是可以事先将其放到变压器的易充流体的箱子中。另一种周知的检测流体性能的方法是通过内装方案在变压器箱顶部油面高度处设一个传感器。Lynch的美国专利3,680,359是这种方法的一个实例。还有另外一种已知方法是在变压器箱上开一个分立的放入孔或通口，从这个通孔引出足以使装在变压器箱外的传感器工作的足量的流体或油。这种方法的实例在例如Kurz等人的美国专利4,058,373，Pearce Jr的美国专利3,866,460和Gibeault等人的美国专利5,773,709中公开过。

然而，所有上述方法都把传感器放在不能以最佳方式检测出可观测现象的位置。就是说，一般的监控方法是对引到变压器箱壁附近或靠近变压器箱顶部油面部位的流体或油进行监控，因而不够准确。由于这些部位的流体往往比变压器箱中流体的流动情况差，因而受监控的试样可能不会准确表明或指示可观测现象的情况。

发明内容

本发明的最佳实施例旨在提高对变压器的诊断能力和可靠性，通过选择适当的传感器并将该传感器或多个传感器安置在电气设备的流体环流通路中。传感器如此配置就可以更有效地测量和检测可观测的现象，从而可以更可靠、精确和及时地测定可观测现象。

在本发明的范围内，流体环流通路的定义是环路中某处若产生某种现象时所有其它后面下游的地方多半会在稍后的时间观测到同样的现象的半密闭环路。

按照本发明的一些实施例，一个或多个传感器配置得使所检测的流体在环流通路内循环，从而可以更精确有效地检测出流体的性能和特性。在一个实施例中，传感器最好放在变压器的散热器中或顶部或底部散热器集流管中。在另一个实施例中，传感器最好配置在变压器箱内毗邻通到散热器集流管的入口处或毗邻从散热器集流管出来的出口处。

在第三个实施例中，一个或多个传感器配置在变压器线圈中。在此情况下，传感器最好在制造过程中与线圈一起绕制。

在第四个实施例中，传感器最好装在探头的一端上，探头的另一端与变压器的线圈一起配置。这种方法可以使传感器不容易受电磁干扰。

在第五个实施例中，传感器毗邻线圈的流动通路的入口或出口配置。

在第六个实施例中，多个传感器配置在环流通路中，可观测现象由这些传感器的一些或全部监控，对可观测现象进行时间分析。

在所有情况下，传感器最好配置在变压器中流体循环的环流通路中。因此，所有测量都可由这些传感器更可靠、更有效和更准确地进行。

附图说明

图1画出了电力变压器的流体环流通路，包括各传感器的位置在内。

图2画出了一个配置在散热器集流管中联通管一端的传感器。

图3画出了一个装设在变压器箱中一个支架上的传感器。

图4画出了一个装在探头一端上的传感器，探头另一端设在变压器的线圈中。

具体实施方式

现在参看附图说明本发明。下面的说明是就变压器而言的，但其它电气设备，例如电压调节器或电容器也可利用本发明。

图1画出的变压器10有一个变压器箱11，变压器箱11有一箱座12和箱壁16。箱11中充有流体50，最好是油，其作用是使这种电气设备具有所要求的冷却和绝缘性能。图中还示出箱11中有初级/次级线圈14。为简明起见，从初级/次级线圈14至箱11外部的电气接线没有示出。为进一步进行冷却，箱11外面还配备了散热器组18，分别通过顶部和底部集流管20a、20b与变压器箱连接。

按照图1，环流通路25设在变压器10内。变压器中的环流通路主要有两种。一种是强制对流通路，用泵推动油通过线圈14和散热器组18。这里散热器18是用来举例说明而已，其实任何热交换装置都可与本发明的教导配合工作。另一种环流通路是自然对流通路，这是靠流体密度的变化强制流体自然循环流通。按照一个最佳实施例，强制对流式环流通路25可从泵27开始通向流体通路25a，再通到初级/次级线图14。线圈14最好与主间隔(图中未示出)一起绕制，该主间隔以往返形式使流体通过线圈14，即线圈14与主间隔结合起来形成曲曲折折的流体通路25b。离开线圈14之后，流体50通过流体通路25c流向散热器组18。流体50一进入顶部集流管20a就使其通过散热器组18的各壁板流通，然后进入底部集流管20b。流体50从底部集流管20b出来之后返回泵27，循环过程重复进行。

至于自然对流情况，流体通路在某些地方不太明显。在此情况下，线圈14中的流体50发热，从而被迫上升。一旦流体50从线圈14和主间隔中界定的各流体通路25b出来，就彼此混合在一起。在流体顶部表面50a，流体50进入包括散热器组18和顶部集流管20a、底部集流管20b的界限分明的环流通路25。离开底部集流管20b之后，流体50以自然对流的形式再进入线圈14中的各流体通路25b，重复上述过程。

无论在强制流体或自然对流式流体的情况下，在界定的环流通路25中循环的流体50与环流通路25外流动性较差的流体50之间是有区别的。举例说，在箱11的部位11a中，流体50的动能与流体通路25b中流体50的动能不同。这种动能是强制对流式的泵激作用和/或自然对流流动产生的。

通常，环流通路也可以认为是一种保守的封闭环路，其中环路一旦第一次有流体通过，则流体在第二次或以后通过环路时测定出的流体特性或性能除非在其间流体性能已变化时是不会产生显著不同的结果的。

环流通路也可按流体的速度说明。环流通路中流动的流体通常有这样的性能：最大流速出现在环流通路的中央，在垂直于流动方向偏离中央的距离越大，流速越小。环流通路边界，即在流动通路中流体终止和滞流流体开始流动的地方，被定义为流体以流体通路中央最大流速约10％的流速流动的地方。

同样，环流通路可以按流体密度说明。以最低密度流动的流体一般也是流速最大的流体，因此横切环流通路测出的密度分布与速度分布类似。流体的温度也是相互有关的。一般说来，温度最高处密度最低，同时流速最大。

在许多充有流体的电气设备例如电力变压器中，在环流通路中的流体只占电气设备中总流体量的一部分。这一部分可通过确定环流通路中流体的质量与设备中所有流体质量的比值计算出来。环流通路中流体的质量可以通过将流体的平均密度ρ平均、环流通路的横截面积(以上述10％边界系数为基准)和流体通路的长度相乘计算出来。当然，这些变量的值与设备的具体类型及大小有关。

前面说过，常规变压器的监控方案依靠通常处在例如箱壁16附近的流体50的性能和特性的测定，因为测定是对毗邻箱壁上现有通孔或特别设置的孔口的流体进行的。这样，所测试的流体处在环流通路之外，因而得出的结果不那么可靠。

相反，如图1所示，传感器60设置在各种不同的位置，各位置都处在变压器10的有明显循环的环流通路25中，因而可以更精确、可靠和有效地监控和/或检测环流通路25中可观测的现象。

实际上，传感器60可按多种不同的方式安装，这取决上其所处的位置。将传感器60装在环流通路25的较佳方式，如图2所示，是在例如顶部集流管20a上开一个孔80，在孔80上焊上一个管接头81。传感器60装在联通管70的端部，联通管70最好拧入或用丝扣固定在焊上去的管接头81上。在此情况下，传感器60的导线62留在箱11外面。应该指出的是，孔连同所述管接头也可以一起设在散热器组18的面板上或底部集流管20b上。联通管70最好长得足以使其端部的传感器可以处在环流通路25中。导线62最好接处理器65，供处理传感器60的输出。处理器65最好能存储该传感器或多个传感器的输出，确定输出是否超过预定阈值，从而指示出危急或实际故障情况。

处理器65最好还能够就传感器相对输出量的大小以及各读数之间的相对和绝对时间来分析多个传感器的输出。这类数据最好用来以特定周期分析可观测的现象，从而得出有关变压器状态的更精确更有用的数据。

在环流通路25中装设传感器60的另一种较好方式是借助箱11中毗邻顶部或底部集流管20a、20b入口或出口的一个支架。图3画出了顶部装有传感器60的U形支架72。支架72相对于集流管出口(在图中所示的情况)的高度和位置取得使传感器60处在变压器10的环流通路25中。在此情况下，导线62处在箱11中，因而必须通过联通管85引出。当然，这类联通管85最好是流体密封式的，且能保持箱11中的压力。因此，联通管85最好以焊接或用螺栓固定到箱11的箱壁16或箱座12或箱盖(图中未示出)上。无论哪一种情况都应该可以通过卸除顶部或底部集流管20a、20b(看哪一种方便而定)而触及传感器60将其更换。在现场情况下，前面说的端部装有传感器的外装式联通管70(图2)较容易换装，但刚介绍的内装式传感器却有这样的好处：无需另行开设通过箱壁16的通孔。

在本发明另一个实施例中，传感器最好紧靠初级/次级线圈14安装。许多故障情况都是在变压器的这个位置发生的，所以选取这个安装位置是合乎要求的。图1示意出最好在绕制过程中与线圈14本身一起绕制的传感器60。传感器取这种安装位置由于极靠近可能出现可观测现象的地方，因而合乎要求，但这种方法可能存在一些问题。举例说，传感器及其相关导线最好在电气上与线圈导线绝缘，但传感器或导线在制造、装运或操作过程中可能会因剪切力或擦伤而毁坏。这可能会导致另一个大大影响传感器在线圈14中的安装位置和机械作用的物理现象。

变压器是通过初级和次级线圈之间磁场耦合工作的，而磁场的耦合强度通常大得足以在传感器的导线中产生电噪声。不幸的是，噪声电平会大于传感器产生的正常信号电平从而使传感器实际上不能用。为纾缓这个问题，传感器导线最好采用屏蔽电缆。

此外，线圈14产生的磁场在线圈14中感应出电压。感应电压的电平一般大得足以使线圈和传感器之间产生电容耦合，从而使传感器的电压电平上升，超过地电位。这个问题最好通过使电子电容去耦合来解决。此外，虽然传感器连同初级和/或次级线圈安置在环流通路中是合乎要求的，但这种方法比起这里叙述的其它实施例花费大。

还有一种传感器放置方式，如图4所示，是设在探头90的一端，探头的另一端位于线圈14内。在此实施例中，线圈14中的流体50最好是经探头抽出，通过线圈14外的传感器60。这种方式大大减小了磁场和电场对配置在线圈14中传感器的限制。

在本发明又一个实施例中，传感器60最好装在偏离线圈中流体通路25b入口或出口一小段距离处，如图1所示那样。这种方式可以使传感器60处于环流通路25中，减小了传感器受电磁干扰的程度。

按本发明教导工作的传感器60不受上述方式的限制。就是说，按照本发明，任何现有的传感器都可安置在装有冷却和/或绝缘流体的变压器或任何类型的电气设备的环流通路中。可按本发明工作的传感器有温度传感器、气体浓度传感器，其作用是检测溶解在油中的气体(例如氢气、甲烷、乙烷、乙烯、一氧化碳和二氧化碳、乙炔、丙烷、丙烯)、湿度传感器、介质强度传感器和功率因数传感器。以上所列出的仅仅是举例说明而已，没有限制本发明可采用的传感器类型的意思。

按照这里所举的一些实施例，可以更准确有效地监控变压器或任何充有流体的电气设备中可能出现的可观测现象。通过在变压器的流体环流通路中安置至少一个传感器，可以更快、更清楚地看出可观测到的现象。

上面已介绍了一些具体实施例，本技术领域的行家们都知道，在不脱离本发明范围的前提下可以进行种种修改和用等效品代替其中的元件。此外，在不脱离本发明主要范围的前提下，为适应具体情况或材料，可以对本发明的教导进行种种修改。因此，本发明并不局限于作为最佳实施例公开的上述具体实施例。

Claims (25)

1.一种充有流体的电气设备，包括：

一个箱(11)，供容纳电气设备的各部分；

一种流体(50)，基本上容纳在所述箱(11)中，该流体具有一最大速度；

一个热交换装置(18)，与所述箱流体连通，供冷却所述流体；

所述流体的具有速度等于或大于所述最大速度10％的部分定义为一个流体环流通路(25)，该流体环流通路的各部分位于所述热交换装置(18)和所述箱(11)的至少一部分中；和

至少一个诊断传感器(60)，配置在所述流体环流通路(25)中并处在所述热交换装置(18)内。

2.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，还包括顶部和底部集流管(20a，20b)，分别与所述热交换装置(18)连通，通过所述集流管(20a，20b)的通道包括所述流体环流通路(25)的一部分。

3.如权利要求2所述的电气设备，其特征在于，还包括一个联通管(70)，联通管(70)的一端与所述至少一个诊断传感器(60)连接，其另一端与所述热交换装置(18)或集流管(20a，20b)连接。

4.如权利要求2所述的电气设备，其特征在于，还包括一个管接头(81)，与所述热交换装置(18)或所述集流管(20a，20b)连接。

5.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述至少一个诊断传感器由一个支架(72)支撑住。

6.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，还包括导线(62)，接所述至少一个诊断传感器(60)，且被屏蔽着。

7.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述至少一个诊断传感器(60)为下列传感器之一：温度传感器、气体浓度传感器、湿度传感器、介质强度传感器和功率因数传感器。

8.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，具有多个诊断传感器(60)，都配置在所述电气设备的环流通路(25)中。

9.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述环流通路(25)由强制对流通路和自然对流通路至少其中之一构成。

10.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述流体包括油。

11.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述电气设备为电力变压器、电压调节器或电容器。

12.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述热交换装置(18)为散热器或热交换器。

13.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，还包括一个处理器(65)，与所述至少一个诊断传感器(60)连接。

14.如权利要求1所述的电气设备，其特征在于，所述环流通路(25)是一种保守的封闭环路。

15.如权利要求13所述的电气设备，其特征在于，所述处理器用于分析所述至少一个诊断传感器的输出值和与所述输出有关的时间值两者中至少之一。

16.一个充有流体的变压器，包括：

一个箱(11)，供容纳所述变压器的至少初级和次级线圈(14)；

一个散热器(18)，经顶部和底部集流管(20a，20b)与所述箱(11)连通；

一种流体(50)，配置在所述箱(11)、散热器(18)和集流管(20a，20b)中；

所述流体的具有速度等于或大于所述最大速度10％的部分定义为一个流体环流通路(25)，该流体环流通路的各部分位于所述线圈(14)、散热器(18)、集流管(20a，20b)和至少部分所述箱(11)的至少一部分中；以及

至少一个诊断传感器(60)，配置在所述流体环流通路(25)中。

17.如权利要求16所述的变压器，其特征在于，所述至少一个诊断传感器(60)为下列传感器之一：温度传感器、气体浓度传感器、湿度传感器和介质强度传感器。

18.如权利要求16所述的变压器，其特征在于，所述流体为油。

19.如权利要求16所述的变压器，其特征在于，所述环流通路由强制对流通路和自然对流通路至少其中之一构成。

20.如权利要求16所述的变压器，其特征在于，还包括一个处理器(65)，与所述至少一个诊断传感器(60)连接。

21.如权利要求20所述的变压器，其特征在于，所述处理器(65)用于分析所述至少一个诊断传感器(60)的输出值和与所述输出有关的时间值两者中至少之一。

22.一种监控充有流体的电气设备的方法，包括下列步骤：

在该电气设备的环流通路(25)中配置至少一个诊断传感器(60)；

用所述至少一个诊断传感器(60)检测在所述环流通路(25)中流通的流体的性能，并输出检测出的性能；和

处理所述检测出的性能，该处理步骤至少包括分析所述至少一个诊断传感器(60)的输出大小和与该输出有关的时间两者中至少之一。

23.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括确定所述检测出的性能是否超出预定阈值的步骤。

24.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括用泵产生环流通路的步骤。

25.如权利要求22所述的方法，其特征在于，还包括将所述至少一个诊断传感器(60)配置在所述电气设备的箱(11)、散热器(18)、散热器集流管(20a，20b)或线圈附近或其中的步骤。

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