专利名称：气体排除设备及方法
技术领域：
本发明主要涉及用于电站和其它高电压、高功率系统的充油式交换设备。本发明更特别地涉及用于保持在向有载分接头转换器填充的油之上的顶部空间内没有超量压力和爆炸性蒸气的环境的设备及方法。
背景技术：
在带有电力变压器的配电设备的制造业中，包括可以调整电压的自动控制的有载分接头转换器，通过有载分接头转换器将电力输送到工厂、配电站、公寓和其它大负载，典型的每天多次、但是经常是每天几百次地响应于外加负载的变化。在外加负载中的这些变化改变通过固定电阻例如配电线路的电压降；电压降中的这些变化依次要求修正变压器绕组线路中的变动，以将有效电压中的误差降到最小程度，以可行地保持在每个分布荷载中的电压接近于一个恒定电压。
变压器绕组转换通过现有技术中如有载分接头转换器等公知的装置执行，这么说是因为其被设计成在变压器上从一个分接头到另一个分接头转换的结构，同时传送千安培级别的电流负载。在一些实施例中，为了绝缘、冷却和减少电弧放电，有载分接头转换器(LTC)的接触部分完全浸在几种矿物油的混合物中的一种中，其中术语油是指几种室温下处于液态的石油馏出物中的一种。各种石油馏出物适合于由运行温度范围、粘性要求、吸水性、如介电系数、传导性等电气特性以及随着水分浓度和温度而在电气特性上的变化等决定的各种特殊应用。
在分接头转换器、变压器或其它装置中的敞开室顶部的未填充油的气体空间被称为油面上方空间。由于油体能典型地提供效果显著的储热池，所以在LTC中的油面上方空间的压力会随着外面的温度缓慢地变化。
尽管存在绝缘油，浸没的分接头的转换动作也会产生电弧放电，电弧放电会使油分解，留下污染的颗粒和液体以及不同分子量的气态烃分子。污染颗粒的一部分沉淀在LTC的滑动触点上，形成电阻层并增加了接触发热，最终废热结合于所述油。在每个分接头转换的过程中，通过滑动触点之间的磨损促进这些沉淀物的去除。另外一部分污染颗粒可以悬浮地保留在油里，直到通过使油经过过滤器的方式机械地去除。仍然有另外一部分污染颗粒会沉到油体的底部，同时其它的污染颗粒会浮在表面上或形成泡沫。
LTC可以是通风的而不是被密闭地封住，所以在许多系统中，水蒸气和其它空气传播的污染物就有机会进入系统；污染物可能会被油吸收，可能作为腐蚀的促进物被输送，还可能表现出直接降低油的介电常数。许多已知的技术可以用于抵制水蒸气的输送，如在LTC的油面上方空间使用干燥剂。
在一些LTC中的另一个明显的现象是在经受电弧放电现象的矿物油中存在可溶的氧气和水的情况下，形成有机酸和其它电抗性化学混合物，其中的一些会对系统的一些构件是破坏性的。
相应地，在该技术领域中需要一定程度上能在LTC及附加的子系统中提供连续更新的、非反应性的气体氛围的设备和方法，连续地在运行期间和在运行后以迅速的恢复速度平衡在LTC的所有可到达区域中使易燃物、氧化剂和其它腐蚀物确实地最小化的气体更新供给的需求，同时至少在一定程度上避免定期维修的需要和其相关的花费。
发明内容
此处所描述的新的非反应性气体调节设备及方法至少在一定程度满足了上述需要。
根据本发明的一个实施例，提供从有载分接头转换器(LTC)排除气体的功能的气体排除装置，包括氮气发生器，用于从大气中提取氮气；输入管，将由所述氮气发生器提取的氮气引入LTC内的油面上方空间；孔，如果有气相污染物，就对携带气相污染物的氮气提供从LTC内的油面上方空间流向大气的流出率。
根据本发明的另一个实施例，用于从LTC排除气体的气体排除装置，包括从大气中提取氮气的装置；用于迫使提取的氮气进入LTC内的油面上方空间的装置；如果有气相污染物，对携带气相污染物的氮气提供从油面上方空间流向大气的连续流出率的装置。
根据本发明的另外一个实施例，从LTC排除气体的步骤包括从大气提取氮气的步骤；迫使提取的氮气进入LTC内的油面上方空间的步骤；如果有气相污染物，对携带气相污染物的氮气提供从油面上方空间流向大气的连续流出率的步骤。
因此为了更好地理解此处详细的描述已相当宽泛地勾画出本发明的某些实施例。当然，还有本发明另外的实施例，将在下面描述，其将形成权利要求的主旨。
在详细解释本发明的至少一个实施例之前，在这方面，可以理解，本发明不局限于由下面的描述或附图中所建立的具体结构和构件的布置的应用。本发明包括除了所描述的和已经以各种方法实施或实现的实施方式。而且，可以理解，此处使用的措词和术语以及摘要都是为了描述而不应当认为是限制。
同样的，本领域技术人员可以理解在基于本发明的概念可以轻易地被当作用于实现本发明的几个目的其他结构、方法和系统的设计的基础。因此，认为权利要求包括那些没有违反本发明的精神和范围的结构(如在此范围内的等同的结构)是很重要的。
图1为配置本发明设备的有载分接头转换器的立体图；图2为没有设置门的氮气发生器的主视图，用于在变压器及其附加的有载分接头转换器和其他装置内保持氮气排放；图3为典型的变压器的立体图，其采用有载分接头转换器并能安装本发明的装置；图4为表示附接有载分接头转换器和氮气发生器的变压器的系统方框图。
具体实施例方式
在本发明的优选实施例中，提供了以污染气体为基础的氮气排除装置及方法，其通过基本连续地排放从氮源引入的并利用排气孔释放的氮气，进行气体的置换。被排出的气体包括如污染的、腐蚀性的、爆炸性的和/或加压的气体。由于非反应性气体适当的超压，从LTC系统外面引入氧化剂的机会被降到最小，并随着连续的排放，几乎所有水、氧气、汽相腐蚀物、可燃蒸汽和其它引入的污染物如来自油的低质量分解产物被排进大气，使LTC很大程度地摆脱氧化剂和其它污染物。
现在将根据附图描述本发明，在全部的附图中相同的附图标号表示相同的部件。
图1表示了具有附加的电动机机箱12的典型的有载分接头转换器(LTC)10。观察镜14，用于在由变压器12控制的交流电源的各阶段，使技术员能观察LTC 10的内部以检查内部矿物油的清洁和分接头的头部，LTC 10在分接头之间转换以补偿有载电流的变化。
图2表示用于电力变压器的典型氮发生器18的内部，包括足够的剩余容量以支持本发明的优选实施例。在氮发生器18内部，一起表示出空气压缩机20与风扇驱动的热交换器22；对于优选实施例，这种空气压缩机20可以设计成间歇运行以便能在最小限度的维护下使用达到几年。
压力调节板24可以为氮气发生器18的一些或全部功能提供优选的压力。可控压力包括空气压缩机20的空气输出压力，其包括故障模式关闭阀值和设有反馈控制功能的调节电平；控制输进滤膜26的气压水平；通过利用反馈控制输入量和/或通过利用输出排放对滤膜26氮气输出压力的调整；输入一个或多个补充氮气储存瓶28的氮的压力；输进LTC 10的油面上方空间22的最小/最大可控的氮气压力；以及补充氮气输出压力控制。
调节阀特别适合用于对多个装置进行增压的作业。例如，高功率的变压器需要多个调节阀。在高功率的变压器中，变压器本身需要清洁和独立的供应，并且不会产生大量的污染物。同时，合用同一氮气发生器18的附加LTC 10会每天产生污染物并需要连续的清洁气流。将分离的气流调节器用于各项功能可以在没有增加不适当的复杂情况下确保满足使用要求。在一些实施例中，多个气流调节器可以使用管道布置，在某种程度上，对于两个或多个调节器采用管道布置是普遍的。
输送给集合管的、具有几个调节阀的氮气源可以提供变压器系统组件所需的不同的压力供给。这样的集合管可以包括辅助调节阀以高速率如应用10倍于常压的超压来控制LTC10，以便在LTC 10被打开或相反被允许接收大量污染物流入之后以及在空气被引入的突然压力降低过程中净化LTC10。
图1和图2所示的典型的实施例是表示几个可能的实施例，允许用于特殊应用的各种系统结构的改进。例如，相对少量的氮气发生器系统的尺寸覆盖大范围的输出流速，可以被用于提供各种尺寸的变压器和其附加LTC所需的氮气。
回到图1，从氮气发生器18的出口30连出氮气供给管线32向LTC10运送低压氮气，并在向LTC 10中油体36之上的油面上方空间34施加氮气超压。在图1中的部分剖视图中所示的流出孔38在LTC 10的内部位于油体36之上的油面上方空间34的空间内。
图3所示是设有附加了有压分接头转换器10的现有技术中典型的变压器40。在现有技术中公知使电力变压器40加压的氮气发生器18供给确保在变压器40绕组上方的变压器的油面上方空间42内的氮气超压的保持。如果任何泄漏的气体与氮气一起被回收，那么变压器40的已填充油的部分44就会表现出稳定的并基本惰性的环境。变压器40的尺寸(有时比卡车车箱尺寸大)和其保持固定的氮气数值稳定的临界性可以规定利用具有足够的过剩容量以支持控制惰性气体的LTC10的氮气发生器18，而没有增加额外的除了集合管和止回阀之外的设备，而且也不需要增加氮气发生器18的尺寸和容量。
图4以方框图的形式表示本发明系统的模式。此处，压缩机20向氮气提取器26提供高压空气，其可向多种形式的调节阀供应几乎没有污染物的氮气。主要的调节阀如低压调节阀46所示，通过LTC回路抑止器48向LTC 10内部的油面上方空间34输入氮气。通过利用孔的止回阀50，孔38建立了可控并基本恒定的流向大气的氮气流速。当压力传感器54探测到压力已降低到临界水平之下时，高压旁路调节器52可以提供可选择的流动通道以对LTC 10重新加载，驱动控制阀56使氮气通过旁路调节器52流入油面上方空间34。由于补充气体的主要需求是来自维修，所以在高压旁路调节器52上采用手动控制阀的可选择的方法是可行的，可开启或关闭这种手动阀的操作者可以利用该方法。来自氮气提取器26的氮气也可输入包括箱体调节器58和一个或多个储存箱28的储存系统；储存的氮气可以提供基本固定的供应，这种固定的供应对于实现上述的快速补充活动是特别有利的。如在没有设置本发明设备的变压器40中一样，另一个调节器，此处称作变压器调节器60，通过利用变压器回路抑止器62防止污染的气体反流回氮气发生器系统和在变压器40内压力突然升高的情况下通过利用压力释放器64通向大气可以在变压器40内建立并调节氮气充入。
图1所示的LTC 10包括本发明的优选实施例的设备。在正常运行中内部的抽头变换机构完全浸没在油24中，同时油24通常接受低的氮气超压，在一些实施例中其大约为一半PSI，外部大气的大约3％以上。为特别的实施例所建立的不同的压力水平可以通过调节器板24上负责此项功能的构件低压调节阀46保持。孔38建立适于实施例的氮气发生器18的流速。适于典型的LTC10的氮气流速大约为每天2个标准立方英尺氮气。
太阳辐射度、气温、降雨和其它气候现象的变化，以及电力负载、在转换过程中的电力放电和其它电力现象都会影响LTC 10的温度，而在LTC 10的封闭空间内产生变化。同时，基本上注满LTC 10的油24的热质量减缓对于包含油面上方空间22的气体的温度变化，并因此在任何给定的运行中，尽管通过调节器板增加压力和通过孔26减小压力，气体的容量不会总是均衡状态以保持所需的超压水平。
在LTC 10中压力不足的情况下，用于注入氮气的辅助流动管路是必要的，以缩短时间，在此过程中，外面较高的压力可以迫使大气通过孔26进入油面上方空间22。这个需要也可能在维修后产生，维修时LTC 10被敞向大气，在这种情况下水蒸气和氧气会被引入，同时相对于大气压降低了LTC 10内部压力。当LTC 10里面的超压接近零时，在通向外面大气的孔26中的止回阀通过双向止流可以有助于将这种现象的影响降低到最小限度。可以使用如旁路低压调节器的快速注入系统或其他类似的装置以加速压力的恢复。
在某些气象条件下，污染物从大气被迫进入LTC 10的趋势会由于如冷却的LTC 10的排出管路内的冷凝的水蒸气而变得更严重。这种水冷凝物会形成可估计数量的和具有潜在破坏性的液体。在某种环境下，例如大雨、强风驱动的雨水、洪水或其他气候现象这样的大量水质源对系统也有类似的威胁。可以部分地通过以在排出管线中安装浮阀的形式安装孔止回阀来阻止液态水进入LTC 10。当具有良好球度的球通过任何比球本身比重高的液体而被浮起并靠住阀座时，其可以靠住阀座而导致密封。如挡板阀等其它形式的漂浮装置同样可以利用能够托起它们的液体而提供密封。
在LTC 10内部超压的情况下，孔26可以继续通向大气，同时来自氮气发生器18的气流直到LTC 10内部的压力恢复到最佳的超压水平时基本上停止。在从氮气发生器18到LTC 10的气体输送管线内的止回阀或同等的回路抑止器48，可以起到如下作用在通过连续的由孔26排气而使最佳的超压水平恢复之前，基本上防止LTC 10内较高的压力迫使污染的氮气进入调节器本身的低压部分。
由于不可预见的极端天气可以导致发生系统故障，如在现场其它设备的损坏、过早地磨损和其他事故。由于氮气发生器18可以设有逻辑控制或具有逻辑源的探测器，所以将通讯设备与氮气发生器18连接是可行的，其可在大量的故障发生前传送性能下降的报告，例如，在大风暴的过程中做出反应通过有限数量的修理队进行维护。周期地传送系统状况可以提供多个地点的设备的老化记录，进一步增强维护操作。
通篇提及的氮气，作为一种的非反应性的气体，特别适合作为注入剂。对于大多数应用，氮气的适用性是可靠，同时，氮气不是具有非反应性的特性唯一的气体，虽然可替代的注入气体经常不会容易得到，但注入气体可以很好地适合于作业。例如，在一些状况中，氦气具有更优于氮气的特性，其它的惰性气体也具有同样特性，其中任何一种惰性气体和混合物通常可以没有危害地排放到大气中。而且，氦气可以作为油提炼的石油副产品以低廉的成本获得。在系统中具有相当或更好特性的不同于氮气的注入气体可容易的获得，通过适应在所需压力、温度、扩散和流动特性等的差异，可以使用其他的气体代替氮气。
此处，利用氮气发生器18作为氮气源已作为一个优选的实施例提及。其他的实施例可以使用其他的氮气源，如液态氮真空瓶储存容器、足够高压气体储存箱或其它适合的氮气源。
根据详细的说明，本发明的许多优点和特征都是明显的。因此，附属权利要求意图覆盖的所有本发明的这些特征和好处都落入本发明的实质精神和范围。而且，由于本领域的技术人员很容易做出修改和变化，所以不希望将本发明限制在所示和所描述的具体的结构和运行，相应地，所有适当的修改和替换都落入本发明的范围。
权利要求
1.一种气体排除设备，用于从有载分接头转换器内的油面上方空间排除气体，其特征在于，该气体排除设备包括高于环境大气压的压力的基本非反应性气源；输入管，用于将非反应性气体引入有载分接头转换器内油面上方空间；和孔，用于产生非反应性气体从有载分接头转换器内的油面上方空间向大气的流出速率并带走可能存在的气相污染物。
2.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括氮气发生器，用于从空气提取氮气作为基本非反应性气体使用。
3.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括进气过滤系统，用于过滤进入所述氮气发生器的空气。
4.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括用于向所述氮气发生器供应压缩空气的空气压缩机。
5.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括所述氮气发生器内的气体分离膜，其中，所述气体分离膜能从所述氮气发生器的流出气流中排除包括臭氧、碳化合物、二氧化硫和硫化氢中的至少一种的气体，以限制各种污染物最大为流出气体质量的一百万分之一。
6.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括所述氮气发生器内的气体分离膜，其中，所述气体分离膜能从所述氮气发生器的流出气流中排除包括氧气和水蒸气中的至少一种的气体，以限制各种污染物到由美国实验材料协会(ASTM)规定的I型绝缘气体的水平。
7.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备在所述氮气发生器内进一步包括储存器，用于在所述氮气发生器运行期间储存氮气。
8.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括压力调节器，设置于从所述氮气发生器至有载分接头转换器内油面上方空间的所述输入管中，用于将氮气压力从氮气产生和存储的第一压力水平降低到将氮气引入有载分接头转换器内油面上方空间的第二压力水平。
9.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括气体流动通道，其产生从有载分接头转换器内油面上方空间至标准大气的有效输出排出速率。
10.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述排出速率取决于油面上方空间内的整体气压。
11.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括产生从有载分接头转换器内油面上方空间到有载分接头转换器周围的大气的、大约每天2立方英尺的排除速率的气体流动通道。
12.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括可选择的压力调节装置，设置在从所述氮气发生器到所述有载分接头转换器内油面上方空间的输入管中，该压力调节装置增加在排气循环中从氮气部分流向有载分接头转换器内油面上方空间的流速。
13.如权利要求2所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括可选择的压力调节装置，设置在从所述氮气发生器到所述有载分接头转换器内油面上方空间的输入管中，该压力调节装置增加在排气循环中从有载分接头转换器内油面上方空间流向大气的流速。
14.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括允许所述可选择的压力调节装置手动选择的控制装置。
15.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括允许所述可选择的压力调节装置进行压控调节的自动控制装置。
16.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括设于所述孔和大气之间的孔止回阀。
17.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括底点排出管，终止于所述孔和大气之间的路径；罩于所述排出管中的有浮力的浮子；和设在所述排出管内的座体，当所述浮子被比重较大的液体托起时，所述浮子可移靠在所述座体上以提供密封。
18.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括不同于氮气的注入气体。
19.如权利要求1所述的气体排除设备，其特征在于，所述气体排除设备进一步包括可向远端信息处理位置发送有载分接头转换器状况信息的报告系统。
20.一种气体排除设备，用于从有载分接头转换器排除气体，包括从空气中提取氮气的装置；用于迫使提取的氮气进入有载分接头转换器内油面上方空间的装置；和产生从有载分接头转换器内油面上方空间流向大气的基本连续流出氮气流并带走可能存在的气相污染物的装置。
21.如权利要求20所述的气体排除设备，进一步包括用于过滤引入所述氮气发生器的空气的装置；和用于将引入所述氮气发生器的空气压缩到足以从中提取氮气的压力水平的装置。
22.如权利要求20所述的气体排除设备，进一步包括用于从引入到所述氮气发生器的压缩空气中分离气态氮的装置。
23.如权利要求20所述的气体排除设备，进一步包括用于向所述压缩装置提供动力的装置；用于控制向所述压缩装置施加的动力的装置；和用于产生压力阀值的装置，在该压力阀值下，可以向所述压缩装置施加和撤除动力。
24.从有载分接头转换器排除气体的方法，包括下列步骤从空气提取氮气；迫使提取的氮气进入有载分接头转换器内的油面上方空间；产生从有载分接头转换器内油面上方空间到大气的基本连续氮气流出流并带走可能存在的气相污染物。
25.如权利要求24所述的气体排除方法，进一步包括下列步骤在提取氮气之前过滤空气；和将空气压缩到足以提取氮气的压力水平。
26.如权利要求24所述的气体排除方法，进一步包括从压缩的空气中分离气态氮的步骤。
全文摘要
一种气体排除设备，适用于变电站高压变压器有载分接头转换器和类似的充油的设备，从绝缘油槽上方的充气空间排除可能有害和破坏性气体，有载分接头转换器的电接点浸没于绝缘油槽里。该设备向有载分接头转换器连续地提供氮气，并具有通气孔，以保持略高于极端气候条件范围的超压。基本连续地排放氮气带走和排除污染物，如氧气、水，和油的潜在爆炸性产物，它们都可能降低有载分接头转换器的性能。
文档编号H01F27/10GK1875444SQ200480032430
公开日2006年12月6日 申请日期2004年10月21日 优先权日2003年10月31日
发明者托马斯·M·戈尔纳, 彼得·C·米歇尔 申请人:沃克沙电力设备有限公司