专利名称:Uf4型汞能恒稳式转速继电器的制作方法
本实用新型涉及水电站的立式水轮发电机组上的一种转速继电器自动控制装置。
现有机组上使用的转速继电器种类型号较多，如机械式的、电气式的、永磁钢式的、也出现晶体管集成电路式的等，这些电气式的多为电压型，即借助于机组的励磁电压做为转速参数的信号源，这种型式的不但元件多、电路和整机结构也较复杂，而且存在着精度较低，误差较大，特别是性能不够稳定的问题，表现在定值容易自行改变，以及调试整定时比较困难，有的出现误动和失灵，不够安全和可靠。
为了解决上述问题，曾于1970年研制成功了一种单管式两功能的UF1型汞能恒稳式转速继电器，经过各种性能试验整机工作精度动作误差小于±1.2％转／分，精度可达到1.5级，动作灵敏度，可准确反应以每秒加速40～50转的变化速度上升时，动作误差仍小于±1％转／分，稳定性已超出3万个工作小时，详见(表1至表5)，该机于同年正式装在两台18.000千瓦的机组上，运行至今已达16年之久，工作始终正常，效果良好，1979年4台15.000千瓦的机组，电气式转速继电器由于性能不好用也更换了此型，效果见(表5)也是良好的，但从全面看该型也存在下列问题其一是该机使用功能较少，仅有两个功能，特别是停机终止零速反馈信号功能尚未能解决，不能满足现代化机组的需要；其二是使用转速范围不广泛，局限性较小，特别是对低转速尤其超低速的某些技术问题尚未解决，不能广泛使用。
本实用新型的目的是要提供一种改进的新的UF4型汞能恒稳式转速继电器，它不但完善了多功能(由两功能增到6功能)的需要，而且在应用上也满足了高、中、低、和超低转速机组的使用。同时在整机精度上又有新的提高(最高可达0.5级)，该转速继电器能有效地改善和提高现有机组自动化的技术水平，并能实现运行经济、安全、和可靠的目的。
本实用新型UF4型汞能恒稳式转速继电器的详细内容。
本实用新型主要用于水电站的大、中、小型立式机组，高、中、低和超低转速的水轮发电机组上，用以控制转速和机组实现自动化开、停机的需要。
本实用新型共有6个型号，每个型号的装置都具有下列6种功能。
1.过速保护自动停机功能，转速定值为机组额定转速的140％转／分，用于机组发生过速时，紧急自动停机，保护和防止轴承及机件的损坏。
2.过速保护紧急信号功能，转速定值为机组额定转速的115％转／分，用于机组发生过速时的一段紧急信号，或根据机组的需要用于自动停机。
3.中速发同期信号功能，转速定值为机组额定转速的95％转／分，用于开机过程中自动发出同期并列信号。
4.中速发励磁信号功能，转速定值为机组额定转速的85％转／分，用于开机过程中自动发出投励磁的信号。
5.低速保护自动刹车功能，转速定值为机组额定转速的35％转／分，用于停机过程中低速下自动刹车强制机组快速停机，防止轴承的损坏。
6.零速停机终止反馈信号功能，定值为0，用于停机过程中转速降至0时自动发出停机终止的反馈信号。
本实用新型的主要技术性能有以下6个方面。
1.该机共有6个系列型号，它们的使用范围和工作精度是，UF4－A型转速继电器是超低转速系列的，适用额定转速50～62.5转／分，整机工作精度为2.5级，最大误差率为±2.2％，最大误差量为±1.4转／分，UF4－B型低转速系列的、适用额定转速为65～88转／分，整机工作精度为1.5级，最大误差率为±1.23％，最大误差量为±1转／分，UF4－C型中低转速系列的，适用额定转速为91～125转／分，整机工作精度为1.5级，最大误差率为±1.2％，最大误差量为±1.5转／分，UF4－D型中转速系列的，适用额定转速为150～214转／分，整机工作精度为1级，最大误差率为±0.66％，最大误差量为±1.3转／分，UF4－E型中高转速系列的，适用额定转速为250～333转／分，整机工作精度为0.5级，最大误差率为±0.48％，最大误差量为±1.65转／分，UF4－F型高转速系列的，适用额定转速为350～430转／分，整机工作精度为0.5级，最大误差率为±0.48％，最大误差量为±1.8转／分。
2.整机灵敏性能较强，动作灵敏准确可靠，灵敏度可达到每秒加速50转以上，最大为100转时动作误差不超出±1转。
3.整机性能特别稳定持久，定值整定一次后可连续工作3万个小时以上，保持定值基本不变。
4.本实用新型的系列品种型号、使用规范、基本结构、应用功能、及其技术标准，由(表6)分别给出(共5页)，表中在6个系列品种型号内，共列出28种转速的(机组额定转速)各项数据，从50转／分到430转／分内其余未列出转速的也均适用。
5.本实用新型的过速保护定值140％转／分的动作特性曲线由(表7)给出。
6.本实用新型的工作电源电压为直流48伏或110伏。
本实用新型的具体内容是这样实现的UF4型汞能恒稳式转速继电器，它是由6个系列型号的整机分别构成的，每套整机在体形、结构装配、工作原理和使用功能上都是基本相同的，所以只需写明其中一个整机的具体结构。
附图(图1)是根据本实用新型提出的UF4－A型汞能恒稳式转速继电器的整机结构装配剖面图，该整机主要由4部份核心工作部件组成，它们是过速离心水银装置，中速离心水银装置，低速离心水银装置，和零速离心水银装置，这些水银装置采用了单管式离心水银装置和单列多管式(3个U形管)双列多管式(6个U形管)环列多管式(36个U形管)，下面结合(图1)分别具体说明各部结构及其功能。
1.过速离心水银装置(1)它是一部单列多管式的离心水银装置(UF4－C、D、E、F型的为单管式装置未给图)详见(图2)，该装置采用有机玻璃材料制成，A管(转动轴心内侧)为单列3根立管，下端分别的连在3根水平管上(离心功能管)然后集中连接在一根B管(转动轴心外侧)上，构成了功能放大条件，在A、B管的上端，设有一根水平连通管(平衡A、B管液面压力)，在B管顶端平面上设有双功能的水银接点(2)，该接点是通用型的可调节的针杆触头式水银接点，详见附图(图5)它是由输出端子螺钉(1)，调节螺杆(2)，输出端子螺母(3)，过速定值140％接点针杆(4)，和过速定值115％接点针杆(5)等组成，该双功能水银接点的两个触头在静态下与水银液面保持有一定的高度距离，在A管顶端平面上设有输入电源接点(4)，该接点是通用型固定式的，详见附图(图7)，它是由输入端子螺钉(1)、接点座(2)、和固定接点针杆(3)所组成。在静态下该接点触头直接浸入水银液面内一定深度，在水银装置内保持有一定标高的水银液面(纯质水银溶液)并全封闭在水银装置内。整个离心水银装置由两个调定螺栓(3)固定在定值调定板(20)上，根据转速定值的需要，可以对离心水银装置按照定值刻度标尺(21)的指示刻度进行调定，水银接点(2)可配合进行精调达到精确为止。
2.中速离心水银装置(7)，该水银装置除转速定值的数据不同外，其余全部结构装配和过速离心水银装置(1)完全相同。
3.低速离心水银装置(23)，它是一部双列多管式的离心水银装置，详见附图(图3)，该装置采用无色透明的有机玻璃材料制成，A管(转动轴心内侧)是1根立管，B管(转动轴心外侧)是双列的6根立管，在立管下端分别连在6根水平管(离心功能管)上，然后集中连接在1根A管立管上，给离心功能效果，直接构成了放大条件。在A管顶端和B管顶端两管之间，设有水平连通管，以保持两侧立管的水银液面在静态下处于平衡，在A管顶端平面上，设有单功能水银接点(24)，该接点是通用型的可调节的针杆触头式水银接点，详见附图(图6)，它是由针杆调整罗帽(1)，锁定罗母(2)，和输出端子罗母(3)组成，该水银接点的触头在静态下处于浸入水银液面内一定深度，在B管顶端平面上，设有输入电源接点(25)，该接点是通用型的见(图7)接点触头直接浸入水银液面一定深度，水银装置内保持有一定高度的水银液面(纯质水银溶液)并全封闭在装置中，整个离心水银装置，(23)由两个调定罗栓固定在定值调定板上，并可根据需要进行定值的调整。
4.零速离心水银装置(5)，它是一部环列多管式的离心水银装置，除担负转速功能外，还担负整机底盘的功能，详见附图(图4)该水银装置采用尼龙6材料制成，外表呈元柱体形，A管是由1根小立管设在轴心位置处，B管是由36根的立式粗管，按环形排列在装置的元柱体内，立管下段为小管并分别单独地连接在两层各为18根的水平横向小管上，构成了离心功能放大条件，该水平管的内侧，集中连接在1根中心管的A管上，在B管上端由环形孔将36根立管连通后经6根水平横管将A、B管构成连通条件，在A管顶端平面上设有单功能水银接点(6)，该接点是通用型的可调节的水银接点，详见附图(图5)静态下该接点处于接触水银面状态，在外侧B管上，设有输入电源接点(25)该接点是通用型的详见附图(图7)，该接点触头直接浸入水银内一定深度水银装置内保持有一定高度的水银液面并全封闭在装置中。
本实用新型的其它附属部件还有转动滑环装置和电刷装置两个部分，它们的功能是将转动的传导电路转变成为固定的传导电路，转动滑环装置的结构是由滑环紧定压环(9)，过速定值140％输出转动滑环(10)，过速定值115％输出转动滑环(11)，中速定值95％输出转动滑环(12)，中速定值85％输出转动滑环(13)，低速定值35％输出转动滑环(14)，零速输出转动滑环(15)，隔离环(16)，工作电源输入转动滑环(17)，和滑环装置套筒(18)等组成，通过罗扣和底盘(5)连接在一起。电刷装置是电刷(26)，刷握(29)，压力弹簧(30)，压帽(31)，电路端子板(28)，和防护罩(32)等构成的电刷装置(27)。
本实用新型的工作原理由以下3部分及附图分别给出。
依据本实用新型提出的UF4型转速继电器，它是根据力平衡原理在特制的离心水银装置内，由单一的水银液体，将转速源(被测机组转速)直接地转变成为功能信号，这一转变反应过程，不但是特别的简单直接，而且具有灵敏准确和稳定可靠的性能，下面详细说明本转速继电器的基本工作原理。
1.(图8)是依据本实用新型提出的单管式离心水银装置(过速和中速两个离心水银装置)，它是由1个U形管构成的离心水银装置、静态下A管(2)和B管(5)两管内水银液面处于一条水平线上HgO(9)，当离心水银装置以l为A、B管中心距，以R为旋转半径沿轴心(1)旋转在一定转速下，水平横管(3)内的水银液体随即产生离心力F，并同时作用到B管(5)内推动液面上升到Hg1(8)的高度，此时水银液面立即触及了水银接点的触头(7)，使工作电源V1(4)的电压经水银体的导通，立即由水银接点的端子V2(6)输出信号。
上述动作过程，对于转速定值的改变，是可以通过调整R值或改变l值来实现的，对于l值只能在设计制作时一次性给定，根据(图8)结构原理明显看出，在一定转速下构成水银液面Hg1的高度，是由R、l、n23个条件决定的，因此3个条件是密切相关的，对于旋转中的3个条件，唯一能改变的是n2转速值，其余两个条件R和l值是固定不变的，所以构成了该装置不但原理结构特别简单，而且性能也特别稳定，动作灵敏准确可靠。
2.附图(图9)是依据本实用新型提出的环列多管式(零速离心水银装置)的简化工作原理图，(除简化管数外，其余完全相同)。本装置的旋转轴心(3)设在中心是固定不动的，两个旋转半径R1和R2是对称相等的，两个B管与A管的中心距l1、l2也是对称相等的，A管(4)设于装置的中心，B管(1)和(6)对称设在两侧，下端分别由两个对称水平管(2)和(5)连接在两个B管(1)和(6)上，水平管内侧对称连在A管(4)上，在两B管上端分别由两个水平横管(连通平衡管)连接在中心A管(4)上，静态下A、B3根立管内的水银液面处于一条水平面HgO(8)线上，旋转后在一定转速下，水平横管(离心功能管)的(2)和(5)两管内的水银体同时产生离心力F1和F2并作用在两个B管(1)和(6)内，随即推动液面上升转变到Hg1(7)线的高度，此时A管内的水银液面同时下降到Hg2(9)的高度，该下降高度等于两B管上升高度的总合，由此构成了功能放大条件，在转速源n2值相同不变条件下，B管的数量越多，反应在A管的水银液面行程高度Hg2值也就越大，其结果导致功能信号的精度也就越高，这一性质在低转速以下条件表现地更为突出，所以这种多管式结构的性能，是以单位转速内反应液面行程高度即Hg／转来衡量其性能效果的。当转速回降到零停止转动时，两侧B管(1)和(6)及A管(4)的水银液面，都同时相应的回到原静态下的一条水平线(8)HgO高度上，此时A管内液面立即触及到水银接点的触头(12)。工作电源电压由输入接点(10)进入经水银体的导通立即由输出端子导线(11)而发出功能信号。
3.附图(图10)是依据本实用新型提出的单列多管式(过速离心水银装置和中速离心水银装置，对双列多管式的低速离心水银装置由于在工作原理和性能上基本相同，只是管数不同，所以不需分别说明)，本单列多管式结构原理是基于单管式和对称双管式的结构原理改进而来的，它不但具有多管式的性能。而且也实现了单管式具有任意调整旋转半径R值，达到能选择定值的目的。
该装置是一部单行排列的多管式离心水银装置，A管共有3根设在旋转轴(1)的内侧(2)，B管为1根设在旋轴的外侧(5)，在A管下端分别连接在3根水平管(6、7、8)上(离心功能管)水平管的外侧集中连接在1根B管(5)上，构成了功能放大条件，在A管上端之间，设有水平连通管，静态下A、B管内的水银液面，处于一条水平线HgO(4)的高度，旋转后在一定转速下，3根离心功能水平管(6、7、8)内的水银体同时产生离心力F1、F2F3并集中作用在1根B管内，立及推动水银液面转变放大到Hg1(3)的高度，该液面同时接通了水银接点的触头(10)，3根内侧A管(2)管内的液面，同时下降到－Hg2(9)的高度，工作电源电压由输入接点(11)进入，经水银体的导通立即从水银接点端子(12)发出了功能信号。
本实用新型与现有技术相比所具有的优点和效果是1.整机工作精度较高，在6种系列型号的整机中，最低精度为2、5级，最高精度为0.5级，动作误差量最大为±1.8转／分，最小为±1转／分。
2.整机动作灵敏性能较强，不但在低速和超低速下反应灵敏准确，而且在转速发生突变急速上升时，以每秒加速40～50转，最高达100转时，动作反应的精度误差值仍小于给定的工作精度。
3.整机的性能具有特别的稳定持久性、定值整定一次后，可连续工作运行3万个小时以上，保持性能和定值基本不变、整机工作性能非常安全可靠。
4.整机功能较全，从零速到过速140％共6个使用功能定值，基本可以满足现代化机组的自动开、停机和运行技术上的需要。
5.本实用新型适用性较为广范，可以满足额定转速从50转／分到430转／分之间的大、中、小型立式水轮发电机组的使用。
6.整机结构装配工作原理较为简单，容易掌握生产和运行，调试工作简便易行，维护非常经济易于管理。
实用新型的整机具体结构由以下实施例及附图给出。
(图1)是根据本实用新型提出的UF4－A型汞能恒稳式转速继电器的整机装配结构剖面图。
结合(图1)下面详细说明依据本实用新型提出的具体装置的细节及其工作方式。
该装置整机是由过速离心水银装置(1)，中速离心水银装置(7)，低速离心水银装置(23)，零速离心水银装置(5)，转动滑环装置(18)，和电刷装置(27)共6个部分组成，其中前4个部分是该机主体6个功能信号装置的核心部件，后两个部分是传导指令的附件，现将这6个部分具体说明如下。
1.过速离心水银装置(1)，它是一部双功能地(设有过速140％和过速115％两个定值的功能信号)单列多管式的离心水银装置，详细结构见(图2)，在装置旋转轴的外侧B管顶平面上，设有双功能的水银接点(2)，该接点是用于微调定值精度的，详细结构见(图5)，在装置旋转轴心内侧A管顶部平面上，设有输入电源接点(4)该按点触头直接浸入A管内一定深度保持经常接通水银，装置内装有一定标高的(附合表6技术标高)纯质水银液面全封闭在装置中，整个离心水银装置通过两个调定罗栓(3)紧固在定值调定板(20)上，该水银装置可以根据需要按照定值调定板上的定值刻度标尺(21)进行有选择的整定和调试，在静态下水银液面(B管侧)距两个水银接点(2)的触头是有一定标高距离的(按表6本型号机组转速系列的水银接点标高数据)，起动旋转后(在机组上或试验台上均可)在额定转速下，B管水银液面的高度为(表7)的(1)曲线的n1值，该水银液面非常灵敏地保持着与装置转速的变化而变化(反应最大误差在±1转／分以内)在转速正常运行稳定条件下，该液面也是正常稳定不变的，与水银接点(2)始终保持着一定的高度，(这一高度可称为安全高度)所以它是安全可靠的，不会误动的，当转速上升并且达到115％转／分时，B管水银液面也随即相应地升高而立即接通了过速紧急信号(115％转／分)的第一个水银接点(2)，工作电源电压从输入接点(4)早已进入，水银液体已处带电状态，所以电压信号立即经电路和转动滑环(11)及电刷装置(27)的导通而输出功能信号，当转速继续上升达到过速140％转／分时，B管水银液面随即相应地继续升高并立即接通过速140％转／分的紧急停机的第二个水银接点的高度，该高度为(表7)的(1)曲线的n2值，和电路转动滑环(10)，电刷装置(27)的导通，立即输出紧急停机的功能信号。
2.中速离心水银装置(7)，它也是一部双功能地(设有中速95％和中速85％两个定值功能信号)单列多管式的离心水银装置，详细结构见(图2)，该装置在结构和装配方式上，完全与过速离心水银装置(1)相同，所以对该装置的结构和装配方式本节不再重复，它的工作方式是，在机组实现自动开机过程中(在试验台上也可进行)转速由低向高慢慢地升起，当转速达到85％转／分时，水银装置B管内的水银液面，随即同时升到定值为85％转／分的第一个水银接点(8)的触头高度，接触导通了电源，(该水银体已由输入电源接点(22)输入电压，常处带电状态)使电压信号经电路和转动滑环(13)及电刷装置(27)的传导而立即输出投入励磁的功能信号，紧接着转速升到95％转／分时，B管内水银液面同时相应地升高而接触到定值为95％转／分的第二个水银接点(8)的触头，使带电水银立即导通，经电路和转动滑环(12)及电刷装置(27)而立即输出同期并列的功能信号。
3.低速离心水银装置(23)，它是一部单功能地(设有一个低速35％定值的功能信号)双列多管式离心水银装置，详细结构见(图3)该装置结构和装配与上述两部过速和中速的装置不同，它的多管侧的6根立管是设在旋转轴方向的外侧即B管侧，A管是1根立管设在旋转轴的内侧，A管顶端平面上设有单功能可调节的水银接点(24)可对定值转速进行精调，在B管顶端平面上设有电源输入接点(25)，整个装置由两个调定螺栓紧固在定值调定板上，并可根据需要按标尺进行调定，该功能信号是用于转速回降时使用的，当转速超过35％转／分以上和正常转速时，A管内水银液面始终低于水银接点(24)的触头保持有一定的高度，转速越高距离高度也越大，当转速缓慢回降达到35％转／分时，A管内水银液面同时相应地回升到水银接点(24)定值35％的高度，并立即接通了触头(工作电源电压已经输入接点(25)进入水银体内)通过水银体的导通，电压信号立即经电路和转动滑环(14)及电刷装置(27)而输出刹车功能的信号。
4.零速离心水银装置(5)，它是一部零速定值的单功能地环列多管式离心水银装置，该装置的工作方式也是在转速回降情况停机条件下达到零速时而工作的，详细结构见(图4)，该装置的A管是一根立管设于旋转轴的中心，B管是由36根立管按环周排列组成，下端分别单独地由两层各为18根的水平横管连通，横管内侧集中连接在1根中心管的A管上，在A、B管之间的上端，设有水平连通管，A管顶端平面上，设有单功能水银接点(6)，该接点是可调节的，在B管顶端平面上，设有1个电源输入接点(25)，该接点直接浸入到水银面内一定深度，工作时使水银体经常处于带电状态，装置起动旋转后(在机组上或试验台上均可)在有微量的各种转速下，水银液面和接点(6)的触头之间，经常保持着一定的断开高度，当转速下降直至最后停止转动时，A管内的水银液面立即回升到静态下的水平面HgO位置，并同时接通了水银接点(6)的触头，电压信号通过水银体的导通，经电路和转动滑环(15)及电刷装置(27)立即输出停机终止的功能信号，整机的工作电源，是由电刷装置(27)的端子板接入，分别经电刷，转动滑环(17)通过电路并联到过速(4)，中速(22)，低速(25)，和零速(25)的各个电源接点上，在继电器的底盘平面上，设有螺孔(19)用于连结机组转动主轴的法兰。
表中说明1.从慢加速试验(表2)和快加速试验(表3)两个试验的数据明显看出。无论是慢加速条件下或者是快加速条件下做出的结果。在灵敏性能和工作精度上基本是相同的，都是可取的。
2.试验时的工作电压(表2)和(表3)及(表4)都是用直流3伏进行的。而实际运行工作电压为直流110伏。
3.(表1)是UF1型转速继电器的设计技术性能，和(表2、表3、表4)实测数据相比。在技术性能上是有相当程度余量的对于实用是可靠的。
4.(表5)中的第6项失灵率中的数字(0.045％)是指新厂4号机组的转速继电器运行中发生一次连接主机主轴法兰焊口开裂故障。是焊接质量不良造成的。与转速继电器的性能无关。
5.(表5)中的第3项概括动作次数。老厂1、2号机虽然运行工作时间长。由于担系统基荷运行不常停机。新厂4台机担系统调峰经常操作开停机。
权利要求
1.立式水轮发电机组上使用的UF4型汞能恒稳式转速继电器，该继电器共有4部U形管式的离心水银装置，它们是过速离心水银装置(1)，中速离心水银装置(7)，低速离心水银装置(23)，零速离心水银装置(5)，其特征是A、所述过速(1)和中速(7)两部离心水银装置是单列多管式的装置(3个U形管的装置，装在UF4-A、B型两种继电器上)；B、所述过速(1)和中速(7)两部离心水银装置是单管式的装置(1个U形管的装置，装在UF4-C、D、E、F型4种继电器上)；C、所述低速离心水银装置(23)是双列多管式的装置(6个U形管的装置)；D、所述零速离心水银装置(5)是环列多管式的装置(36个U形管的装置)；E、所述过速(1)和中速(7)及低速(23)这3部离心水银装置，以及整定机构和一套传导装置，都是以零速离心水银装置(5)为继电器的底盘，而装配在一起构成一部继电器的。
2.根据权利要求
1所述的继电器，其特征是过速(1)中速(7)低速(23)零速(5)这4部离心水银装置，在接收、反应、转化、输出信号动作过程上，都是由一种单纯地水银溶液直接实现的。
专利摘要
UF4型汞能恒稳式转速继电器，是立式水轮发电机组的一种保护和自动化控制元件。该机采用单管式多管式离心水银的功能原理，通过离心水银装置将转速源直接地转变放大成功能信号。除本机和传导部件外，无任何其它附件，所以原理上结构上特别简单。并且工作精度高，全系列型号内为0.5级到2.5级，误差率为±0.4％到±2.2％，稳定可靠性可连续的运行3万个小时以上保持性能数据基本不变。它是6功能的适用于50转/分到430转/分的机组。
文档编号H01H29/26GK86206808SQ86206808
公开日1987年12月5日 申请日期1986年9月5日
发明者褚志富 申请人:褚志富导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan