用带断路器和熔断器的装置进行自保护的浸没式变压器

用带断路器和熔断器的装置进行 自保护的浸没式变压器

本发明涉及一种电变压器，其绕组和磁路浸没在装在箱中的介电液体或气体中，并设有保护装置，该保护装置设计用来限制变压器内部工作不良的影响。

文献FR-A-2,712,730描述了这种类型的浸在油箱中的三相变压器，它的保护装置包括：每相都有位于一个各电源相和变压器相应的初级绕组之间的保护熔断器，以及位于熔断器和相应变压器相间的三相断路开关。脱扣装置根据传感器的信号，打开断路开关。该传感器感应代表介电液体性质的至少一个参数的变化。测量的参数为介质体压力，其构成了变压器电路内部局部工作不良的指示，例如，绕组电绝缘的触针点失效，而这会恶化成为热点，这种情况表现为初级绕组供应电流的很低的过电流。设计熔断器来减小变压器内阻抗故障造成的破坏，包括电阻大幅下降。为提供最佳保护，在每相上至少装有两个串联的熔断器，具有错开的断路阈值：一个熔断器的时间常数非常小，对超过变压器额定电流6倍的特高电流敏感；另一个熔断器的时间常数较大，敏感于对应3～5倍额定电流的过载。这种组件设计成，如果其工作以中断变压器初级绕组的电源，那么，只有由专业人员专门地拆开箱才能重新建立起供电。这就是为什么断路开关不能重新置位，而且要和熔断器一起浸在箱中的原因。上述考虑的结构来源于这样的一种想法：保护装置的任何脱扣一定对应变压器内部工作不良，而不会是外部事故。由于发生的外部故障，尤其是在负载侧设备中，而去维修完好的变压器，这实际上是无法令人接受的。于是，对于变压器外部的电气故障，就要提供一些装置进行选择。经验表明，在实践中，保护装置的熔断器有意外熔化的危险，尤其是熔断器工作在低过流范围。另外，在小的过电流时，例如稍低于3倍的变电器额定强度，保护装置低熔化电流的浸没的熔断器在其浸没的环境中引起不允许的温升，但不会熔化而中断电流。于是产生了严重的失效，而与安装熔断器的初衷相违背。再者，熔断器变热使其过早地老化，而随着时间的推移增加了工作不良的危险。

文献EP-A-0,468,299还描述了一种浸在油中的三相变压器，每个初级相都联有保护装置，该保护装置包括：串联联接相关初级相绕组的单相断路器，该断路器由对流过其中的电流敏感的过载脱扣装置控制；以及额定电流强度至少是变压器额定相电流强度5倍以上，最好是10或20倍以上的熔断器。这种规格将熔断器的工作范围限制在变压器的初级短路，而包括由于变压器次级侧短路造成的初级过电流等其他电气事故由断路器考虑。熔断器的存在能选择性能低因而便宜的电路器，尤其断路容量较低的断路器。

然而，这种装置安装在变压器外，导致整体尺寸大而且现场安装复杂。尤其是，要在断路器的线路侧和负载侧的连接件间留有很大的空气旁路距离，因为当发生初级短路时，会在断路器中流过非常大的电流。变压器箱外面大量的连接件很难控制其绝缘，因而产生了另外的失效危险。

下面的事实进一步突出了这个问题，即该装置对于熔断器线路侧的短路，尤其是在断路器和熔断器间电连接产生的短路不起作用。熔断器实际上串联连接在断路器和变压器之间，控制断路器脱扣的电流传感器位于熔断器的负载侧。断路器和熔断器间发生短路时的故障电流流过断路器，其强度超过断开容量，使断路器不能中断电路。这种故障导致在电源系统线路侧节点的层次上断开，损害了整体利用率。

另外，该装置不能使连接到变压器初级各相的三个断路器同时脱扣。于是，在某些情况下由于故障发生部分脱扣，而在未断开相中有泄露电流，其低于断路器脱开电流或者产生了大的延迟才断开，有害于初级电路(爆炸的危险)和/或整个设备(不能选择电源分站)。

文献US-A-4,323,871描述了一种电路保护器，并不专用于变压器的保护，其包括电路断路器和熔断器，整个系统浸在装满油的箱中。断路器设计用来中断低故障电流，而熔断器中断高故障电流。该电路断路器的单相型式包括一传统的真空盒，具有静触头装置和在盒的柱体上平动的动触头装置。动触头装置包括一杆，动态连接到有打开弹簧的开关机构上。该机构包括一操作杆，用于通过箱体手动断开和闭合，还包括一凸轮形的打开锁，被柔性地推到静止位置。带有双金属片的U形脱扣装置与凸轮共同工作，将凸轮保持在工作位置，这时，将开关机构锁在闭合位置。流经盒的电流流过双金属片。一旦发生故障电流，双金属片弯曲而释放凸轮，然后放开作用在打开弹簧上的打开棘爪而使开关机构打开。将三个单相断路器并列起来可得出三相断路器。这些单相开关机构机械地彼此连接起来，一方面是在打开棘爪处，一方面是在操作杠杆处，从而形成了在电气故障和手动控制时都能同时或几乎同时开关断路器三个极的单一机构。在这些装置中，各相的双金属片串联连接在套管和相应真空盒之间，相电流流过双金属片。因为双金属片构成了直接浸入油中的未经保护的动导体，所以双金属片的设置引入额外的电气故障危险。另外，由于结构原因，双金属片直接放在其控制的断路器的上游或下游侧。因此，无法考虑套管处或套管和断路器之间的短路。

本发明的目的是克服现有技术的缺点，特别是以低成本并在传统浸没式变压器箱的体积内实现高度安全的整体保护，在低过电流时仍然有效而防止出现熔断装置中发生有害熔化的危险。

更一般地说，本发明的目的是提出一种低成本、小体积的变压器，其具有操作可靠的整体保护装置，能够处理内部故障和次级端子处的故障。我们再回想一下，系统的操作安全要求在于要同时考虑下面的情形：系统安全，即防止突发性事件发生的能力；其本身可靠性，即在给定时间内不失效的可能性；有效性，即在给定时刻工作的可能性；依赖于系统的可靠性和可维修性，可维修性是系统在给定时间间隔内进行维修的可能性。在这种具体情形下，安全要求是指所有能引起箱爆炸的内部变压器故障使变压器从电路断开。可靠性要求具体地是指保护装置本身的存在不会产生任何额外的失效危险。有效性和可维修性要求是指在处理要求对变压器进行大型维修的内部故障以及处理发生在变压器外面次级电路上而必须将维修减到最小的故障时，良好的选择性。

根据本发明的第一方面，这些目的是由一种三相电变压器实现的，其包括：装有液体或气体介电体的箱；三相初级电路和三相次级电路，二者均包括浸没在介电体中的绕组，初级电路的各相经绝缘套管进入箱中；保护装置，包括：至少两个浸没在介电体中的熔断器，在变压器初级电路相上串联连接在绝缘套管和初级电路绕组之间，具有足够的断路容量，以在初级电路出现三相短路时能断开相应的相，多极断路器，对于装有一个熔断器的各相，包括电极，浸没在介电体中，在所述相上串联连接在相应的熔断器和绕组之间，各电极包括触头装置，相对地取接触位置和分开位置，在接触位置能保证电流通过，该断路器还包括所有电极共用的打开机构，设计用来将触头装置从接触位置移到分开位置，脱扣装置，与断路器的打开机构相连，包括过载脱扣器，熔断器、断路器和脱扣装置这样连接，即在对应于次级电路端子处短路的条件下，断路器的触头装置分开并中断电流，而熔断器没有开始熔化；流进各熔断器的电流强度有一个阀值，该阀值低于断路器相应电极的断路容量，高于该阀值，在过载脱扣器发出触头装置分开的命令能使触头分开前，熔断器熔化。

根据本发明第二方面，上述目的是由单相电变压器实现的，其包括：装有液体或气体介电体的箱；初级电路和次级电路，均含有浸在介电体中的一个或多个绕组，初级电路的相经绝缘套管进到箱中；保护装置，包括：至少一个浸没在介电体中的熔断器，在变压器初级电路相上串联连接在绝缘套管和初级电路一个或多个绕组间，具有足够的断路容量，在初级电路短路时能断开相应的相，断路器，包括浸没在介电体中的电极，串联连接在熔断器和绕组间，其具有触头装置，能相对取保证电流流过的接触位置和分开位置，断路器还包括一打开机构，设计用来将触头装置从接触位置移动到分开位置，脱扣装置，与断路器打开机构相联，包括一过载脱扣器，熔断器、断路器和脱扣装置这样联接，即在对应次级电路端子短路的条件下，断路器的触头装置分开并中断电流，而熔断器没有开始熔化；流入熔断器的电流强度具有阀值，该阀值低于相应的断路器电极的断路容量，在该阀值之上，在过载脱扣器发出的触头装置分开命令能使触头分开前，熔断器熔化。

下面的发展更具体地集中在三相组件上，除非特别指出，也用于单相变压器。

保护装置中使用断路器能在次级电路发生故障时限制无效性。消除了故障原因后，只需重新闭合断路器，该操作只需在现场进行简单的操作，如果断路器配有电闭合遥控，还能通过遥控实现。同时打开断路器所有电极能够避免变压器部分断开的危险，即不足数量相的断开，而使一个初级电路的电流环路闭合。

因为断路器电极和熔断器浸没在断路器箱中，可以提供厂装单元，减少了现场安装，而且显著地减小了保护装置产生的失效危险。断路器熔断器线路侧的结构能使使用断路器而引入的电气故障得到处理。

打开机构部分浸入提供了抗腐蚀保护和润滑，从老化的观点来说，这样是有利的。因此提高了整体的可靠性。

能安装尺寸很小的电极，一方面由于断路器要求低断路性能，另一方面由于浸在介电体中，减小了断路器的旁路距离，即线路侧和负载侧连接件间的距离。

具体地考虑三相变压器，应注意，熔断器和断路器电极能理想地装在各相上，不过，如果相对变压器电源保护装置线路侧失去选择性在接地故障时能允许的话，可以只有三相的两相中设置熔断器和断路器电极，其足够中断整个初级电路中的电流，并减少了成本。

优选地，过载脱扣器包括至少一个测量流进变压器初级电路相的电流强度的装置。实际上，该传感器为电流变压器。这种结构能保证箱中相、地间位于熔断器和断路器相应电极间的位置处的短路，能被脱扣装置发现而实现变压器完全分开。其中的短路会导致熔断器熔化。尤其优选地，测量装置测量流过熔断器线路侧位置处的电流，最好在箱外，套管的线路侧。于是保证了箱内故障，包括套管处或与熔断器的连接处的故障，能由传感器发现，而导致断路器打开。为防止由于箱外故障而脱扣的情况，指出要尽量靠近套管选择测量点。一个特别有利的选择是把电流变压器螺线管置于套管在箱外的部分上，或其紧邻处。

根据优选实施例，熔断器或多个熔断器为细长状，两个导电端设计用于将线路侧连接在套管侧和将负载侧连接在断路器侧，位于外表面绝缘的中部的各侧，对于配有熔断器的各相，位于绝缘套管和熔断器中部绝缘外表面之间的导电件被完全绝缘地封装。套管和熔断器间的电接合处实际上只是没有受到熔断器和断路器联接保护的安装位置。因此，就设备的安全而言，这是一个薄弱点。由此，完全绝缘提供了不出现故障的良好保证。另一个方案是，熔断器或多个熔断器为细长状，两个导电端设计用于将线路侧连接在套管侧和将负载侧连接在断路器侧，位于外表面由绝缘体构成的中部各侧，对于配有熔断器的各相，熔断器构成了带套管的单件子组件，该子组件的外表面位于箱内的部分包括套管、线路侧导电端和熔断器中部，由一个或多个形成无中断的完全绝缘的完全绝缘体构成。于是，消除了箱内熔断器线路侧初级短路的任何危险，以及导致箱爆炸的故障的危险。

为增强内部故障的保护，最好脱扣装置还包括脱扣器，当至少一个代表所述介电体状态的参数超过设定的阀值时，命令打开断路器。实际上，可以得到介电体状态的不同的物理参数：液体压力、温度、箱中的液位，以及在箱中气体的存在，这使介电体或完全绝缘体的气体击穿被检测到，例如通过一个变压器绕组中匝间的低能电弧。优选地，根据次级电路(次级电流)或初级电路(一个或多个熔断器的熔化)的某些特征，提供断路器的脱扣。

作为变压器初级上电流传感器的替换方案或与其结合使用，过载脱扣器包括至少一个测量装置，用于测量流入变压器次级电路相的电流强度。由于变压器磁路可能的饱和，并不能总是令人满意地从初级电路中提取断路器脱扣信息。实际中，可以设置电流传感器次级电路的一个或多个支路，最好是各相和中线(如果有的话)。根据一个实施例，两个电流测量装置还与变压器的差动保护装置。例如，文献FR-A-214,771中介绍了这种类型的装置，该文献这一方面在此引作参考。

优选地，熔断器、断路器和脱扣装置这样联接，即如果熔断器或一个熔断器熔化，则脱扣装置发出触头装置分开指令。电流强度值有一个范围，在该范围内当至少一个熔断器熔化后断路器电极的触头分开，这些电流强度值即为超过强度阀值的值，而在强度阀值之上时，在脱扣装置发出的触头装置的分开指令能使触头分开前，熔断器已完全熔化。初级相电流强度值也有一个范围，对于该范围，熔断器熔化和触头分离的先后不重要，这些值包括在对应于次级短路的值和前面定义的阀值之间。在该范围内，故障电流实际上低于断路器断路容量，甚至低于熔断器断开容量。

熔断器最好是限流的。这样能保证在熔断器熔化期间流入初级电路的电流保持在允许的大小。

按照一种特别有利的方式，各断路器电极包括一个浸没在介电体中的真空盒。考虑到使用熔断器在发生高强度短路电流时进行保护，可以利用尺寸很小的低性能真空盒。真空盒的旁路距离小，即盒的线路侧和负载侧连接件之间的距离短，因而不会产生别的什么问题，因为连接件浸入到油中，能提供良好的电绝缘。于是真空盒提供了一个在尺寸、性能和成本方面非常有利的兼顾方案。

优选地，断路器包括：闭合机构，设计用来把触头装置从分开位置移到接触位置，其具有从箱外能接触到的操作装置；打开机构，设计用来打开断路器电极，而无论闭合机构是什么状态。于是，如果是由于变压器外面原因造成了脱扣，就能使变压器恢复工作，而不需要打开箱。打开优先在闭合时如果故障仍存在的情况下，能防止对变压器造成损坏。

下面对本发明不同实施例的描述能使本发明的其他优点和特征更清楚，这些实施例作为非限制性实施例，并表示在附图中：图1是根据本发明第一实施例的变压器的线路图；图2是根据本发明第一实施例的结构的剖视图；图3是垂直于图1平面上的剖视图；图4是示出变压器的断路器和熔断器时间-电流特性的曲线；图5是根据本发明第二实施例的变压器元件的示意图；图6是本发明第三实施例的线路图；图7是根据本发明第四实施例的变压器元件的示意图。

参见图1～3，三相的中低电压变压器1包括浸在箱4中的初级绕组2和次级绕组3，箱4中装有介电液体5，可以是油。变压器初级电路的各相经含有中压套管7的多功能件6伸进箱4中。

多功能件6在其箱4外面部分上包括专门的插入区8，而在其箱4内部分上包括熔断器11的头部10啮合区9。熔断器11是一种传统的限制熔断器，其中部构成了外壁为柱状并绝缘的本体12，还有两个金属端，头部10和根部13。啮合区9包括由电绝缘弹胶材料制成的管状外壁，其底端与熔断器11的本体12配合，实现熔断器头部10和油5间的密封。管状壁的顶端与插入区8实现密封。这样，装有熔断器11的多功能件6构成了单件组件，其外壁形成了整体绝缘，在套管7和熔断器11的中部12间没有中断。因此，保证了熔断器11线路侧发生的电气故障实际上在箱4的外面，于是，箱不会产生爆炸的危险。

熔断器11的另一端经过有铠装导电体的电连接件16连接到断路器模块15的电源侧接线片14上。

对于每一相，断路器模块15包括传统结构的真空盒17，其本体18构成了一圆柱形腔，里面装有静触头装置19和在盒中沿轴向受到导引的动触头装置20，动触头装置20延伸成为控制杆21。这种类型的盒在例如文献US-A-4,323,871中进行了描述，并将该文献的这方面在此引作参考。该断路器的开关机构22也是文献US-A-4,323,871中描述的那一种，其中这方面的内容在此引作参考。该机构22配有从箱4外可接触到的操作杠杆23，而能手动地开、关。

断路器模块15的负载侧连接端子24经抽头变换器25连接到变压器1的初级绕组2。该抽头变换器是例如文献US-A-4,504,811中描述的类型，其中这部分内容在此引作参考。抽头变换器具有固定的接线片和可动片，前者使初级绕组的不同点分开，而后者支持到断路器负载侧连接端子的连接点。对于初级各相，可动片的移动能同时把断路器负载侧连接端子选择性地连接到对应着初级绕组的分开的点中的一个。

箱4是气密的或几乎是气密的(后者包括了箱例如有小尺寸气体干燥管的情况)液位的高度是使能浸没啮合区9、熔断器11、真空盒17，以及断路器15的机构22除操作杠杆23以外的可动部分。

在箱4外面中压套管7附近设有测量变压器27的螺线管26。测量变压器27测量流入套管的电流强度。过载脱扣器28接收信号并控制断路器模块15的开关机构22。

该装置的行为可以从图4的时间-电流曲线上看到。下面的内容已在图中画出，其中Y轴为时间，X轴为相电流强度，示出了断路器脱扣曲线40和相应相熔断器的熔化曲线41。

对于额定电流IN，断路器允许有过载IS，而不会脱扣。断路器脱扣曲线40从IS起偏斜，在对应着变压器次级三相短路时流入初级相的电流强度的阀值ICCBT，断路器具有短脱扣时间，在本例中为0.1秒。在这段区域中，熔断器熔化曲线41位于断路器断开曲线上方，因为在该电流下3秒钟后才会熔化。在实际中，这表示为，当发生变压器次级短路时，接受过载继电器指令的断路器在熔断器显著变热之前断开变压器初级的电流。

超过阀值ICCBT后，有一个低于断路器断路容量的阀值IF，这时，断路器脱扣曲线40和熔断器熔化曲线41交叉。这意味着，如果变压器初级电路发生短路而引起的电流其强度至少在一相中大于IF，那么，在脱扣器28的脱扣指令传递到断路器15前，在该电流下的熔断器11已经熔化了。但是，一个电流传感器27会发觉到短路电流流过，脱扣器28随后将断路器15打开。这种结构能保证整个初级电路绝缘，即使是短路电路只熔化了一个熔断器11。

断路器其他的脱扣模式进行了排定。具体地说，提供了连接到脱扣器30的一个或多个传感器29，其中的数据代表介电体的状态。在液体介电体的这种情况下，这些数据包括，例如，箱中液位、温度、压力或箱中存在气体的测量。

根据第二实施例，见图5，单件多功能子组件50包括，中电压连接件51、柔性电连接件52、套管53和熔断器头部安装件54。柔性连接件52包括有金属编带或细电缆的芯部55。子组件包括由绝缘弹胶材料制成的模制外涂层56。法兰57用来安装到箱4。这样就得到了电绝缘，并且在熔断器11的中部和箱外的中压连接件51之间没有中断。本装置相对前一个例子还有一个优点是用电源侧的中压开关设备去除了连接件。

如表示本发明第三实施的线路图的图6所示，相同的原理也用于单相。这时一个电流传感器就足以完成对断路器的控制。

图7所示的第四实施例主要在套管结构和各相熔断器线路侧连接件的结构方面不同于第一实施例。套管经过由铠装导体构成的电连接件58连接到限流熔断器8的头部连接件。这种结构由于减少了专用零件的数量，性能低，但成本少。

上面各实施例用于中压、低压变压器领域。本发明也可以用于其他类型的变压器，尤其适用于中压电源变压器。变压器初级可以是三角形连接或星形连接。后者情况下，在中线套管上安装电流传感器来控制过载装置是有用的。

另外，可以想到除了真空断路器之外的其他类型的断路器。本发明也可以用气体介电体，特别是SF6。