專利名稱：氣體排除設備及方法
技術領域：
本發明主要涉及用于電站和其它高電壓、高功率系統的充油式交換設備。本發明更特別地涉及用于保持在向有載分接頭轉換器填充的油之上的頂部空間內沒有超量壓力和爆炸性蒸氣的環境的設備及方法。
背景技術：
在帶有電力變壓器的配電設備的制造業中，包括可以調整電壓的自動控制的有載分接頭轉換器，通過有載分接頭轉換器將電力輸送到工廠、配電站、公寓和其它大負載，典型的每天多次、但是經常是每天幾百次地響應于外加負載的變化。在外加負載中的這些變化改變通過固定電阻例如配電線路的電壓降；電壓降中的這些變化依次要求修正變壓器繞組線路中的變動，以將有效電壓中的誤差降到最小程度，以可行地保持在每個分布荷載中的電壓接近于一個恒定電壓。
變壓器繞組轉換通過現有技術中如有載分接頭轉換器等公知的裝置執行，這么說是因為其被設計成在變壓器上從一個分接頭到另一個分接頭轉換的結構，同時傳送千安培級別的電流負載。在一些實施例中，為了絕緣、冷卻和減少電弧放電，有載分接頭轉換器(LTC)的接觸部分完全浸在幾種礦物油的混合物中的一種中，其中術語油是指幾種室溫下處于液態的石油餾出物中的一種。各種石油餾出物適合于由運行溫度范圍、粘性要求、吸水性、如介電系數、傳導性等電氣特性以及隨著水分濃度和溫度而在電氣特性上的變化等決定的各種特殊應用。
在分接頭轉換器、變壓器或其它裝置中的敞開室頂部的未填充油的氣體空間被稱為油面上方空間。由于油體能典型地提供效果顯著的儲熱池，所以在LTC中的油面上方空間的壓力會隨著外面的溫度緩慢地變化。
盡管存在絕緣油，浸沒的分接頭的轉換動作也會產生電弧放電，電弧放電會使油分解，留下污染的顆粒和液體以及不同分子量的氣態烴分子。污染顆粒的一部分沉淀在LTC的滑動觸點上，形成電阻層并增加了接觸發熱，最終廢熱結合于所述油。在每個分接頭轉換的過程中，通過滑動觸點之間的磨損促進這些沉淀物的去除。另外一部分污染顆粒可以懸浮地保留在油里，直到通過使油經過過濾器的方式機械地去除。仍然有另外一部分污染顆粒會沉到油體的底部，同時其它的污染顆粒會浮在表面上或形成泡沫。
LTC可以是通風的而不是被密閉地封住，所以在許多系統中，水蒸氣和其它空氣傳播的污染物就有機會進入系統；污染物可能會被油吸收，可能作為腐蝕的促進物被輸送，還可能表現出直接降低油的介電常數。許多已知的技術可以用于抵制水蒸氣的輸送，如在LTC的油面上方空間使用干燥劑。
在一些LTC中的另一個明顯的現象是在經受電弧放電現象的礦物油中存在可溶的氧氣和水的情況下，形成有機酸和其它電抗性化學混合物，其中的一些會對系統的一些構件是破壞性的。
相應地，在該技術領域中需要一定程度上能在LTC及附加的子系統中提供連續更新的、非反應性的氣體氛圍的設備和方法，連續地在運行期間和在運行后以迅速的恢復速度平衡在LTC的所有可到達區域中使易燃物、氧化劑和其它腐蝕物確實地最小化的氣體更新供給的需求，同時至少在一定程度上避免定期維修的需要和其相關的花費。
發明內容
此處所描述的新的非反應性氣體調節設備及方法至少在一定程度滿足了上述需要。
根據本發明的一個實施例，提供從有載分接頭轉換器(LTC)排除氣體的功能的氣體排除裝置，包括氮氣發生器，用于從大氣中提取氮氣；輸入管，將由所述氮氣發生器提取的氮氣引入LTC內的油面上方空間；孔，如果有氣相污染物，就對攜帶氣相污染物的氮氣提供從LTC內的油面上方空間流向大氣的流出率。
根據本發明的另一個實施例，用于從LTC排除氣體的氣體排除裝置，包括從大氣中提取氮氣的裝置；用于迫使提取的氮氣進入LTC內的油面上方空間的裝置；如果有氣相污染物，對攜帶氣相污染物的氮氣提供從油面上方空間流向大氣的連續流出率的裝置。
根據本發明的另外一個實施例，從LTC排除氣體的步驟包括從大氣提取氮氣的步驟；迫使提取的氮氣進入LTC內的油面上方空間的步驟；如果有氣相污染物，對攜帶氣相污染物的氮氣提供從油面上方空間流向大氣的連續流出率的步驟。
因此為了更好地理解此處詳細的描述已相當寬泛地勾畫出本發明的某些實施例。當然，還有本發明另外的實施例，將在下面描述，其將形成權利要求的主旨。
在詳細解釋本發明的至少一個實施例之前，在這方面，可以理解，本發明不局限于由下面的描述或附圖中所建立的具體結構和構件的布置的應用。本發明包括除了所描述的和已經以各種方法實施或實現的實施方式。而且，可以理解，此處使用的措詞和術語以及摘要都是為了描述而不應當認為是限制。
同樣的，本領域技術人員可以理解在基于本發明的概念可以輕易地被當作用于實現本發明的幾個目的其他結構、方法和系統的設計的基礎。因此，認為權利要求包括那些沒有違反本發明的精神和范圍的結構(如在此范圍內的等同的結構)是很重要的。
圖1為配置本發明設備的有載分接頭轉換器的立體圖；圖2為沒有設置門的氮氣發生器的主視圖，用于在變壓器及其附加的有載分接頭轉換器和其他裝置內保持氮氣排放；圖3為典型的變壓器的立體圖，其采用有載分接頭轉換器并能安裝本發明的裝置；圖4為表示附接有載分接頭轉換器和氮氣發生器的變壓器的系統方框圖。
具體實施例方式
在本發明的優選實施例中，提供了以污染氣體為基礎的氮氣排除裝置及方法，其通過基本連續地排放從氮源引入的并利用排氣孔釋放的氮氣，進行氣體的置換。被排出的氣體包括如污染的、腐蝕性的、爆炸性的和/或加壓的氣體。由于非反應性氣體適當的超壓，從LTC系統外面引入氧化劑的機會被降到最小，并隨著連續的排放，幾乎所有水、氧氣、汽相腐蝕物、可燃蒸汽和其它引入的污染物如來自油的低質量分解產物被排進大氣，使LTC很大程度地擺脫氧化劑和其它污染物。
現在將根據附圖描述本發明，在全部的附圖中相同的附圖標號表示相同的部件。
圖1表示了具有附加的電動機機箱12的典型的有載分接頭轉換器(LTC)10。觀察鏡14，用于在由變壓器12控制的交流電源的各階段，使技術員能觀察LTC 10的內部以檢查內部礦物油的清潔和分接頭的頭部，LTC 10在分接頭之間轉換以補償有載電流的變化。
圖2表示用于電力變壓器的典型氮發生器18的內部，包括足夠的剩余容量以支持本發明的優選實施例。在氮發生器18內部，一起表示出空氣壓縮機20與風扇驅動的熱交換器22；對于優選實施例，這種空氣壓縮機20可以設計成間歇運行以便能在最小限度的維護下使用達到幾年。
壓力調節板24可以為氮氣發生器18的一些或全部功能提供優選的壓力。可控壓力包括空氣壓縮機20的空氣輸出壓力，其包括故障模式關閉閥值和設有反饋控制功能的調節電平；控制輸進濾膜26的氣壓水平；通過利用反饋控制輸入量和/或通過利用輸出排放對濾膜26氮氣輸出壓力的調整；輸入一個或多個補充氮氣儲存瓶28的氮的壓力；輸進LTC 10的油面上方空間22的最小/最大可控的氮氣壓力；以及補充氮氣輸出壓力控制。
調節閥特別適合用于對多個裝置進行增壓的作業。例如，高功率的變壓器需要多個調節閥。在高功率的變壓器中，變壓器本身需要清潔和獨立的供應，并且不會產生大量的污染物。同時，合用同一氮氣發生器18的附加LTC 10會每天產生污染物并需要連續的清潔氣流。將分離的氣流調節器用于各項功能可以在沒有增加不適當的復雜情況下確保滿足使用要求。在一些實施例中，多個氣流調節器可以使用管道布置，在某種程度上，對于兩個或多個調節器采用管道布置是普遍的。
輸送給集合管的、具有幾個調節閥的氮氣源可以提供變壓器系統組件所需的不同的壓力供給。這樣的集合管可以包括輔助調節閥以高速率如應用10倍于常壓的超壓來控制LTC10，以便在LTC 10被打開或相反被允許接收大量污染物流入之后以及在空氣被引入的突然壓力降低過程中凈化LTC10。
圖1和圖2所示的典型的實施例是表示幾個可能的實施例，允許用于特殊應用的各種系統結構的改進。例如，相對少量的氮氣發生器系統的尺寸覆蓋大范圍的輸出流速，可以被用于提供各種尺寸的變壓器和其附加LTC所需的氮氣。
回到圖1，從氮氣發生器18的出口30連出氮氣供給管線32向LTC10運送低壓氮氣，并在向LTC 10中油體36之上的油面上方空間34施加氮氣超壓。在圖1中的部分剖視圖中所示的流出孔38在LTC 10的內部位于油體36之上的油面上方空間34的空間內。
圖3所示是設有附加了有壓分接頭轉換器10的現有技術中典型的變壓器40。在現有技術中公知使電力變壓器40加壓的氮氣發生器18供給確保在變壓器40繞組上方的變壓器的油面上方空間42內的氮氣超壓的保持。如果任何泄漏的氣體與氮氣一起被回收，那么變壓器40的已填充油的部分44就會表現出穩定的并基本惰性的環境。變壓器40的尺寸(有時比卡車車箱尺寸大)和其保持固定的氮氣數值穩定的臨界性可以規定利用具有足夠的過剩容量以支持控制惰性氣體的LTC10的氮氣發生器18，而沒有增加額外的除了集合管和止回閥之外的設備，而且也不需要增加氮氣發生器18的尺寸和容量。
圖4以方框圖的形式表示本發明系統的模式。此處，壓縮機20向氮氣提取器26提供高壓空氣，其可向多種形式的調節閥供應幾乎沒有污染物的氮氣。主要的調節閥如低壓調節閥46所示，通過LTC回路抑止器48向LTC 10內部的油面上方空間34輸入氮氣。通過利用孔的止回閥50，孔38建立了可控并基本恒定的流向大氣的氮氣流速。當壓力傳感器54探測到壓力已降低到臨界水平之下時，高壓旁路調節器52可以提供可選擇的流動通道以對LTC 10重新加載，驅動控制閥56使氮氣通過旁路調節器52流入油面上方空間34。由于補充氣體的主要需求是來自維修，所以在高壓旁路調節器52上采用手動控制閥的可選擇的方法是可行的，可開啟或關閉這種手動閥的操作者可以利用該方法。來自氮氣提取器26的氮氣也可輸入包括箱體調節器58和一個或多個儲存箱28的儲存系統；儲存的氮氣可以提供基本固定的供應，這種固定的供應對于實現上述的快速補充活動是特別有利的。如在沒有設置本發明設備的變壓器40中一樣，另一個調節器，此處稱作變壓器調節器60，通過利用變壓器回路抑止器62防止污染的氣體反流回氮氣發生器系統和在變壓器40內壓力突然升高的情況下通過利用壓力釋放器64通向大氣可以在變壓器40內建立并調節氮氣充入。
圖1所示的LTC 10包括本發明的優選實施例的設備。在正常運行中內部的抽頭變換機構完全浸沒在油24中，同時油24通常接受低的氮氣超壓，在一些實施例中其大約為一半PSI，外部大氣的大約3％以上。為特別的實施例所建立的不同的壓力水平可以通過調節器板24上負責此項功能的構件低壓調節閥46保持。孔38建立適于實施例的氮氣發生器18的流速。適于典型的LTC10的氮氣流速大約為每天2個標準立方英尺氮氣。
太陽輻射度、氣溫、降雨和其它氣候現象的變化，以及電力負載、在轉換過程中的電力放電和其它電力現象都會影響LTC 10的溫度，而在LTC 10的封閉空間內產生變化。同時，基本上注滿LTC 10的油24的熱質量減緩對于包含油面上方空間22的氣體的溫度變化，并因此在任何給定的運行中，盡管通過調節器板增加壓力和通過孔26減小壓力，氣體的容量不會總是均衡狀態以保持所需的超壓水平。
在LTC 10中壓力不足的情況下，用于注入氮氣的輔助流動管路是必要的，以縮短時間，在此過程中，外面較高的壓力可以迫使大氣通過孔26進入油面上方空間22。這個需要也可能在維修后產生，維修時LTC 10被敞向大氣，在這種情況下水蒸氣和氧氣會被引入，同時相對于大氣壓降低了LTC 10內部壓力。當LTC 10里面的超壓接近零時，在通向外面大氣的孔26中的止回閥通過雙向止流可以有助于將這種現象的影響降低到最小限度。可以使用如旁路低壓調節器的快速注入系統或其他類似的裝置以加速壓力的恢復。
在某些氣象條件下，污染物從大氣被迫進入LTC 10的趨勢會由于如冷卻的LTC 10的排出管路內的冷凝的水蒸氣而變得更嚴重。這種水冷凝物會形成可估計數量的和具有潛在破壞性的液體。在某種環境下，例如大雨、強風驅動的雨水、洪水或其他氣候現象這樣的大量水質源對系統也有類似的威脅。可以部分地通過以在排出管線中安裝浮閥的形式安裝孔止回閥來阻止液態水進入LTC 10。當具有良好球度的球通過任何比球本身比重高的液體而被浮起并靠住閥座時，其可以靠住閥座而導致密封。如擋板閥等其它形式的漂浮裝置同樣可以利用能夠托起它們的液體而提供密封。
在LTC 10內部超壓的情況下，孔26可以繼續通向大氣，同時來自氮氣發生器18的氣流直到LTC 10內部的壓力恢復到最佳的超壓水平時基本上停止。在從氮氣發生器18到LTC 10的氣體輸送管線內的止回閥或同等的回路抑止器48，可以起到如下作用在通過連續的由孔26排氣而使最佳的超壓水平恢復之前，基本上防止LTC 10內較高的壓力迫使污染的氮氣進入調節器本身的低壓部分。
由于不可預見的極端天氣可以導致發生系統故障，如在現場其它設備的損壞、過早地磨損和其他事故。由于氮氣發生器18可以設有邏輯控制或具有邏輯源的探測器，所以將通訊設備與氮氣發生器18連接是可行的，其可在大量的故障發生前傳送性能下降的報告，例如，在大風暴的過程中做出反應通過有限數量的修理隊進行維護。周期地傳送系統狀況可以提供多個地點的設備的老化記錄，進一步增強維護操作。
通篇提及的氮氣，作為一種的非反應性的氣體，特別適合作為注入劑。對于大多數應用，氮氣的適用性是可靠，同時，氮氣不是具有非反應性的特性唯一的氣體，雖然可替代的注入氣體經常不會容易得到，但注入氣體可以很好地適合于作業。例如，在一些狀況中，氦氣具有更優于氮氣的特性，其它的惰性氣體也具有同樣特性，其中任何一種惰性氣體和混合物通常可以沒有危害地排放到大氣中。而且，氦氣可以作為油提煉的石油副產品以低廉的成本獲得。在系統中具有相當或更好特性的不同于氮氣的注入氣體可容易的獲得，通過適應在所需壓力、溫度、擴散和流動特性等的差異，可以使用其他的氣體代替氮氣。
此處，利用氮氣發生器18作為氮氣源已作為一個優選的實施例提及。其他的實施例可以使用其他的氮氣源，如液態氮真空瓶儲存容器、足夠高壓氣體儲存箱或其它適合的氮氣源。
根據詳細的說明，本發明的許多優點和特征都是明顯的。因此，附屬權利要求意圖覆蓋的所有本發明的這些特征和好處都落入本發明的實質精神和范圍。而且，由于本領域的技術人員很容易做出修改和變化，所以不希望將本發明限制在所示和所描述的具體的結構和運行，相應地，所有適當的修改和替換都落入本發明的范圍。
權利要求
1.一種氣體排除設備，用于從有載分接頭轉換器內的油面上方空間排除氣體，其特征在于，該氣體排除設備包括高于環境大氣壓的壓力的基本非反應性氣源；輸入管，用于將非反應性氣體引入有載分接頭轉換器內油面上方空間；和孔，用于產生非反應性氣體從有載分接頭轉換器內的油面上方空間向大氣的流出速率并帶走可能存在的氣相污染物。
2.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括氮氣發生器，用于從空氣提取氮氣作為基本非反應性氣體使用。
3.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括進氣過濾系統，用于過濾進入所述氮氣發生器的空氣。
4.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括用于向所述氮氣發生器供應壓縮空氣的空氣壓縮機。
5.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括所述氮氣發生器內的氣體分離膜，其中，所述氣體分離膜能從所述氮氣發生器的流出氣流中排除包括臭氧、碳化合物、二氧化硫和硫化氫中的至少一種的氣體，以限制各種污染物最大為流出氣體質量的一百萬分之一。
6.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括所述氮氣發生器內的氣體分離膜，其中，所述氣體分離膜能從所述氮氣發生器的流出氣流中排除包括氧氣和水蒸氣中的至少一種的氣體，以限制各種污染物到由美國實驗材料協會(ASTM)規定的I型絕緣氣體的水平。
7.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備在所述氮氣發生器內進一步包括儲存器，用于在所述氮氣發生器運行期間儲存氮氣。
8.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括壓力調節器，設置于從所述氮氣發生器至有載分接頭轉換器內油面上方空間的所述輸入管中，用于將氮氣壓力從氮氣產生和存儲的第一壓力水平降低到將氮氣引入有載分接頭轉換器內油面上方空間的第二壓力水平。
9.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括氣體流動通道，其產生從有載分接頭轉換器內油面上方空間至標準大氣的有效輸出排出速率。
10.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述排出速率取決于油面上方空間內的整體氣壓。
11.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括產生從有載分接頭轉換器內油面上方空間到有載分接頭轉換器周圍的大氣的、大約每天2立方英尺的排除速率的氣體流動通道。
12.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括可選擇的壓力調節裝置，設置在從所述氮氣發生器到所述有載分接頭轉換器內油面上方空間的輸入管中，該壓力調節裝置增加在排氣循環中從氮氣部分流向有載分接頭轉換器內油面上方空間的流速。
13.如權利要求2所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括可選擇的壓力調節裝置，設置在從所述氮氣發生器到所述有載分接頭轉換器內油面上方空間的輸入管中，該壓力調節裝置增加在排氣循環中從有載分接頭轉換器內油面上方空間流向大氣的流速。
14.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括允許所述可選擇的壓力調節裝置手動選擇的控制裝置。
15.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括允許所述可選擇的壓力調節裝置進行壓控調節的自動控制裝置。
16.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括設于所述孔和大氣之間的孔止回閥。
17.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括底點排出管，終止于所述孔和大氣之間的路徑；罩于所述排出管中的有浮力的浮子；和設在所述排出管內的座體，當所述浮子被比重較大的液體托起時，所述浮子可移靠在所述座體上以提供密封。
18.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括不同于氮氣的注入氣體。
19.如權利要求1所述的氣體排除設備，其特征在于，所述氣體排除設備進一步包括可向遠端信息處理位置發送有載分接頭轉換器狀況信息的報告系統。
20.一種氣體排除設備，用于從有載分接頭轉換器排除氣體，包括從空氣中提取氮氣的裝置；用于迫使提取的氮氣進入有載分接頭轉換器內油面上方空間的裝置；和產生從有載分接頭轉換器內油面上方空間流向大氣的基本連續流出氮氣流并帶走可能存在的氣相污染物的裝置。
21.如權利要求20所述的氣體排除設備，進一步包括用于過濾引入所述氮氣發生器的空氣的裝置；和用于將引入所述氮氣發生器的空氣壓縮到足以從中提取氮氣的壓力水平的裝置。
22.如權利要求20所述的氣體排除設備，進一步包括用于從引入到所述氮氣發生器的壓縮空氣中分離氣態氮的裝置。
23.如權利要求20所述的氣體排除設備，進一步包括用于向所述壓縮裝置提供動力的裝置；用于控制向所述壓縮裝置施加的動力的裝置；和用于產生壓力閥值的裝置，在該壓力閥值下，可以向所述壓縮裝置施加和撤除動力。
24.從有載分接頭轉換器排除氣體的方法，包括下列步驟從空氣提取氮氣；迫使提取的氮氣進入有載分接頭轉換器內的油面上方空間；產生從有載分接頭轉換器內油面上方空間到大氣的基本連續氮氣流出流并帶走可能存在的氣相污染物。
25.如權利要求24所述的氣體排除方法，進一步包括下列步驟在提取氮氣之前過濾空氣；和將空氣壓縮到足以提取氮氣的壓力水平。
26.如權利要求24所述的氣體排除方法，進一步包括從壓縮的空氣中分離氣態氮的步驟。
全文摘要
一種氣體排除設備，適用于變電站高壓變壓器有載分接頭轉換器和類似的充油的設備，從絕緣油槽上方的充氣空間排除可能有害和破壞性氣體，有載分接頭轉換器的電接點浸沒于絕緣油槽里。該設備向有載分接頭轉換器連續地提供氮氣，并具有通氣孔，以保持略高于極端氣候條件范圍的超壓。基本連續地排放氮氣帶走和排除污染物，如氧氣、水，和油的潛在爆炸性產物，它們都可能降低有載分接頭轉換器的性能。
文檔編號H01F27/10GK1875444SQ200480032430
公開日2006年12月6日 申請日期2004年10月21日 優先權日2003年10月31日
發明者托馬斯·M·戈爾納, 彼得·C·米歇爾 申請人:沃克沙電力設備有限公司