Реле защиты маслонаполненного электрического аппарата

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к устройствам защиты маслонаполненных электрических аппаратов, например высоковольтных трансформаторов.
Реле защиты маслонаполненного электрического аппарата устанавливается в трубопроводе между защищаемым аппаратом и расширительным баком и выполняет следующие основные функции: сигнализация о выделении газа из масла, сигнализация об утечке масла и сигнализация о внутренних повреждениях, вызывающих бурный переток масла в расширительный бак.
Известно реле защиты BF-80/Q (BF-50/Q) [1], содержащее корпус с входными и выходными патрубками и размещенные в корпусе верхний и нижний поплавки, верхний и нижний управляющие магниты, кинематически связанные с соответствующими поплавками, верхнюю и нижнюю группы магнитоуправляемых контактов (герконов) и напорную пластину, кинематически связанную с нижним поплавком.
Наличие кинематических связей существенно усложняет конструкцию реле. Кроме того, размещение электрической части реле непосредственно в масле, заполняющем корпус, снижает надежность при эксплуатации.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству, взятым за прототип, является реле защиты РГТ80 (РГТ50) [2], содержащее корпус с входными и выходными патрубками, вертикальную трубу с закрытым нижним торцом, внутри которой установлены верхняя сигнальная и нижняя отключающая группа герконов, два стержня расположенных параллельно трубе, верхний и нижний поплавки с запрессованными управляющими магнитами, которые выполнены с боковыми выемками, и с возможностью вертикального перемещения между трубой и стержнями соответственно со стороны входного и выходного патрубков, напорную пластину, на которой установлен третий управляющий магнит напротив нижней группы герконов со стороны входного патрубка.
В известном решении прототипа реле РГТ в сравнении с реле BF-80/Q исключен недостаток аналога, т.е. отсутствует кинематическая связь между поплавками и управляющими магнитами и с другими элементами конструкции; электрическая часть размещена вне масла, заполняющего корпус, также имеется возможность замены герконов без разборки реле (через верхний торец трубы), но сохраняется недостаток - снижение надежности при эксплуатации, обусловленное возможностью заклинивания поплавков.
Поплавки реле РГТ выполнены сплошными, например, из материала: представляющего композицию эпоксидной смолы и микросферы, заполняющего равномерно весь объем поплавка. Материал поплавка имеет меньшую удельную плотность, чем плотность масла, и обеспечивает утопание поплавка в масле приблизительно на % его высоты. В верхней части выемки поплавка, обращенной к трубе, установлен постоянный магнит, предназначенный для срабатывания и возврата герконов при движении поплавка вниз и вверх соответственно. В существующих реле серии РГТ стержни (или часть стержня в зоне размещения поплавка) выполнены из магнитомягкого материала и имеют значительно большую массу, чем герконы. Поэтому верхний торец поплавка за счет сил магнита притягивается к стержню, создавая силы трения, препятствующие перемещению поплавка. В некоторых случаях, например, при плавном изменении уровня масла возможны прерывистые движения и соответственно изменение координаты срабатывания герконов и ложная сигнализация, что снижает надежность работы реле при эксплуатации.
2
2
1
1
3
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
Цель создания полезной модели (технический результат) - создание реле улучшенной конструкции с повышенной надежностью при эксплуатации за счет уменьшения сил трения его подвижных частей. Для достижения поставленной цели в заявляемом реле защиты маслонаполненного электрического аппарата, содержащем корпус с входными и выходными патрубками, вертикальную трубу с закрытым нижним торцом, внутри которой установлены верхняя сигнальная и нижняя отключающая группа герконов, два стержня, расположенных параллельно трубе, верхний и нижний поплавки, каждый из которых содержит управляющий магнит и выполнен с боковыми выемками и с возможностью вертикального перемещения между трубой и соответствующим стержнем со стороны входного и выходного патрубков, напорную пластину, на которой установлен третий управляющий магнит напротив нижней группы герконов со стороны входного патрубка, каждый из поплавков выполнен с пустотелыми элементами, обеспечивающими смещение его центра тяжести, при котором момент силы выталкивания поплавка равен моменту сил постоянного магнита P⋅h-P⋅h=P⋅h относительно центра тяжести поплавка, где Р - сила притяжения магнита к герконам; Р - сила магнита притяжения к стержню; Р - сила выталкивания поплавка; h, h и h - плечо действия соответственно силы Р, Р и Р относительно центра тяжести.
Технический результат, достигаемый при осуществлении полезной модели, заключается в повышении надежности при эксплуатации конструктивно простого реле за счет уменьшения сил трения его подвижных частей, а именно поплавков, путем выполнения каждого поплавка с пустотелыми элементами, обеспечивающие смещение его центра тяжести, при котором момент силы выталкивания поплавка равен моменту сил постоянного магнита относительно центра тяжести.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых изображено: на фиг.1 - общий вид реле защиты; на фиг.2 - вертикальный разрез поплавка с указанием внешних действующих на него сил; на фиг.3 - вид А.
Предлагаемое реле защиты (фиг.1) содержит корпус 1 с входным А и выходным Б патрубками, вертикальную трубу 2 из немагнитного материала с герметично закрытым нижним торцом, внутри которой установлены верхняя сигнальная и нижняя отключающая группа герконов 3 и 4, первый и второй стержни 5 и 6, параллельные трубе 2 и расположенные соответственно со стороны входного и выходного патрубков, верхний и нижний поплавки 7 и 8, в каждый из которых запрессован управляющий магнит 9 и 10 соответственно, напорную пластину 11, на которой установлен третий управляющий магнит 12, расположенную между входным патрубком А и трубой 2 напротив нижней группы герконов 4.
Реле содержит также основание, на котором с нижней стороны установлены труба и стержни, а на верхней стороне размещены регулировочные и присоединительные элементы и крышка (на фиг.1 не обозначены).
Каждый поплавок 7 и 8 выполнен с боковыми выемками со стороны трубы 2 и соответствующего стержня 5,6, и с возможностью вертикального перемещения, используя в качестве направляющих цилиндры трубы 2 и соответствующего стержня 5, 6 со стороны входного и выходного патрубков. Поплавок 7 фиксирован со стороны входного патрубка А между трубой 2 и первым стержнем 5, верхняя часть которого выполнена из магнитомягкого материала, а нижняя часть (ниже магнита 12) - из немагнитного материала. Поплавок 8 фиксирован со стороны выходного патрубка Б между трубой 2 и вторым стержнем 6 из магнитомягкого материала. Поплавки 7 и 8 идентичны и каждый из них выполнен с пустотелыми элементами, объем и координаты размещения которых определяются расчетным путем с учетом общей массы и его центра, а также соотношений внешних действующих сил и их моментов относительно центра масс.
1
2
3
2
2
3
На фиг.2 изображено в плоскости симметрии нижнее положение верхнего поплавка 7, при котором его магнит 9 размещается напротив середины сработавших верхних герконов 3. На поплавок действуют внешние силы притяжения к герконам Р и стержню Р, которые создаются магнитным полем постоянного магнита и силы выталкивания Р. Сила Р приведенная к верхней грани поплавка, значительно больше силы Р приведенной к центру (или к верхней грани) магнита. Сила Р, определяемая массой вытесненной жидкости (масла), приложена к центру тяжести фигуры торца поплавка.
Внутри поплавка содержится пустотелый элемент 13, который может быть любой формы. Наиболее технологичным является цилиндр (один или несколько).
Объем и координаты размещения пустотелых элементов в поплавке определяются исходя из следующих условий:
1) масса поплавка т должна обеспечить требуемую плавучесть;
2) координаты центра масс т поплавка должны быть такими, при которых полный момент внешних сил стремится к нулю.
Координаты срабатывания сигнальной верхней контактной группы реле защиты маслозаполненного электрического аппарата определяются требуемым объемом вытесненного масла из верхней полости корпуса, являющегося общим для любых видов (типов) реле, например фиксируется по шкале смотрового стекла для реле РГТ80 - не ниже отметки 2,5 шкалы. Поэтому плавучесть поплавков, а следовательно, и массы однотипных реле, какими являются прототип и заявляемое реле, будут отличаться незначительно.
1
2
1
2
3
3
При выполнении в поплавке пустотелых элементов центр его массы смещается с точки 0' до точки 0''. При этом уменьшается значение плеч h и h сил Р и Р соответственно, существенно увеличивается плечо действия h выталкивающей силы Р.
Уравнение равновесия моментов внешних действующих сил на поплавок может быть представлено в виде:
или как
Таким образом, пустотелые элементы, выполненные внутри поплавков, обеспечивают равенство моментов сил постоянного магнита и сил выталкивания, действующих на поплавок, при этом силы трения (момент силы трения) практически отсутствуют.
Реле работает следующим образом. При нормальной работе защищаемого аппарата, например трансформатора, корпус 1 реле заполнен маслом, поплавки 7 и 8 и напорная пластина 11 находятся в исходном положении, показанном на фиг.1.
Если в трансформаторе появляется газ, то он скапливается в верхней части корпуса 1 реле, уровень масла снижается и поплавок 7 опускается вниз. Когда объем газа (объем вытесненного масла) превысит заданное значение, под воздействием магнита 9 срабатывают верхние сигнальные герконы 3, выдавая предупреждающий сигнал.
Если уровень масла продолжает снижаться, то опускается нижний поплавок 8 и под воздействием магнита 10 срабатывают нижние отключающие герконы 4, выдавая сигнал на отключение трансформатора.
При последующем заполнении корпуса 1 реле маслом поплавки 7 и 8 и соответственно герконы 3 и 4 возвращаются в исходное состояние.
Вследствие уравновешивания моментов внешних сил, действующих на поплавки, выполненные с пустотелыми элементами, практически отсутствуют силы трения в фиксирующих элементах (трубе и стержнях) и при изменении уровня масла поплавки перемещаются плавно без заеданий, что обеспечивает высокую надежность работы реле.
Если в трансформаторе возникает короткое замыкание, то из-за повышения давления внутри его бака происходит выброс масла через корпус 1 реле в расширитель. При этом напорная пластина 11 отрывается от штока 5 и под воздействием его магнита 12 срабатывают нижние отключающие герконы 4, выдавая сигнал на отключение трансформатора.
Повышению надежности работы при длительной эксплуатации способствует также возможность изготовления поплавков из материала с более высокой плотностью и менее подверженному насыщению маслом, так как объем цельной части корпуса из этого материала с пустотелыми элементами меньше объема поплавка без пустотелых элементов.
В соответствии с заявляемым техническим решением разработаны конструкции и технологии изготовления реле. Реле соответствует требованиям технической документации.
Источники информации:
1. Проспект реле Бухгольца 01/01/08/05 на русском языке. Техническое описание и инструкция по эксплуатации, http://xn--claafblxfeehctc6a7l.xn--p1ai/gallery/%D1%80%D1%8D%20%D0%B3%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D1%85%20%D1%80%D0%B5%D0%BB%D0%B5%20%D0%B1%D1%83%D1%85%D0%B3%D0%BE%D0%BB%Dl%8C%Dl%86%D0%B0%20bf-q.pdf
2. Реле газовые и струйные защиты трансформатора РГТ50, РГТ80, РСТ25. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. https://www.envolga.ru/upload/iblock/58a/e582q00j972we08jma3wtd14x5x9bkba.pdf