CN101996763B - 调频电动机保护用电流互感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种调频电动机电流互感器和电流变量器,其在调频电动机工作频率调节范围内能够正常运行。对大型异步电动机进行调频改造,是一项重大的节能措施。调频改造后,由于没有适合于在调频系统中使用的电流互感器和电流变量器,使得调频电动机的纵差保护不能投入使用。本发明将电磁性能优异的超微晶铁心,用于保护用电流互感器和电流变量器中,推导出保护用电流互感器和电流变量器铁心有效截面积的计算公式,解决了上述技术难题。
Description
技术领域
本发明属于电力系统技术领域,更具体地涉及继电保护、调频电动机电流互感器、电流变量器的设计。
背景技术
拖动大型给水泵、引风机等设备的普通电动机,由于不能调速,需要安装水门、风门等机械设备,实质上是用消耗能量大小的方法控制流量。
普通大型电动机在电源开关柜和电动机的尾端各装设一组电流互感器,构成“环流式纵差保护”。
拖动大型给水泵、引风机的调频电动机,自动用改变工作频率的方法,调节负载的输出,不需要用消耗能量大小的方法控制流量。
大型异步电动机进行调频后可以节能30%左右,启动过程中频率由0逐渐上升到需要的工作频率,不存在普通异步电动机自启动电流达到额定电流8倍左右的问题。
调频电动机的调频设备出现异常时,可以将调频设备跨接,直接接入50hz工频系统中运行。因此调频电动机具有“调频”和“工频”两种运行方式。
调频电动机在“调频”方式下运行时,原纵差保护首、尾两端电流互感器中电流频率不同,因此原纵差保护必须停用。
目前所有调频改造后的大型异步电动机,调频设备的输出端至电动机尾端的回路中工作频率相同,只要在调频设备的输出端与电动机尾端各装设一组电流互感器,就可以构成调频电动机纵差保护。到目前为止除了四方公司试运行产品外,其它大型调频电动机均没有装设纵差保护。其原因是对于常规电流互感器,是否可以在调频电动机系统中使用的问题没有答案。
常规大型异步电动机系统中纵差保护使用最多的是,额定二次电流5A、40VA10P20电流互感器参数如下:
1、在工频下运行的参数:额定二次回路负载1.2Ω,二次绕组电阻0.4Ω,额定二次回路总负载1.6Ω;出现10%误差时二次绕组的电感量为0.051H;二次绕组的极限感应电动势为80V。
2、额定二次电流5A、40VA10P20电流互感器在调频电动机系统中工作状态分析:
调频电动机纵差保护安装在调频设备附近,与电动机的距离不超过100m,电流二次回路每芯电缆的电阻可以按照0.5Ω计算,二次回路总电阻按照0.9Ω计算;
当二次绕组电感量L为0.051H时:二次绕组励磁阻抗ZLC按照(3)式计算,调频电 动机电流互感器的百分比误差Δ按照(4)式估算,各频率下的误差如表1所示:
ZLC=2πfL=2π×0.051f=0.32f (3)
Δ=100R/ZLC=100×0.9/0.32f=218.25/f (4)
表15A、40VA10P20电流互感器各频率下的误差表
频率f | 50 | 40 | 30 | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 |
Δ% | 4.4 | 5.5 | 7.3 | 8.7 | 10.9 | 14.6 | 21.8 | 43.7 |
由表1可见,当频率低于20hz时比差将大于10%,5hz时误差接近于50%,由此可见额定二次电流5A、40VA10P20电流互感器不能在调频电动机系统中使用。
常规大型异步电动机系统中纵差保护如果使用常见的额定二次电流1A、10VA10P20电流互感器参数如下:
1、在工频下运行的参数:额定二次回路负载10Ω,二次绕组电阻10Ω,额定二次回路总负载20Ω;出现10%误差时二次绕组的电感量为0.64H;二次绕组的极限感应电动势为200V。
2、额定二次电流1A、10VA10P20电流互感器在调频电动机系统中工作状态分析:
调频电动机纵差保护电流二次回路总电阻按照10.9Ω计算;
当二次绕组电感量L为0.64H H时:二次绕组励磁阻抗ZLC按照(5)式计算,调频电动机电流互感器的百分比误差Δ按照(6)式估算,各频率下的误差如表2所示:
ZLC=2πfL=2π×0.64f=4.02f (5)
Δ=100R/ZLC=100×10.9/4.02f=272.5/f (6)
表21A、10VA10P20电流互感器各频率下的误差表
频率f | 50 | 40 | 30 | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 |
Δ% | 5.5 | 6.8 | 9.1 | 10.9 | 13.6 | 18.2 | 27.3 | 54.5 |
由表2可见,额定二次电流1A的综合特性,次于额定二次电流5A电流互感器;当频率低于25hz时比差将大于10%,5hz时误差大于50%,由此可见额定二次电流1A、10VA10P20电流互感器同样不能在调频电动机系统中使用。
综上所述,常见的额定二次电流5A、40VA10P20电流互感器和额定二次电流1A、10VA10P20电流互感器均不能在调频电动机系统中正常使用。
要想在调频电动机系统中装设纵差保护,必须专门研制调频电动机电流互感器。
常规微机保护装置中的电流变量器,与常规电流互感器一样,是按照在工频环境中运行设计的,同样不能在调频电动机系统中正常工作。必须专门研制调频电动机电流变量器。
对于微机纵差保护而言电流互感器和电流变量器两者缺一不可。
发明内容
为解决现有技术中存在的以上问题,本发明公开了一种调频电动机电流互感器和 电流变量器。
本发明具体采用以下技术方案:
一种调频电动机保护用电流互感器,其在调频电动机频率变动范围内正常运行,包括铁芯、缠绕在同一个铁芯上的一次绕组、第一二次绕组和第二二次绕组;其特征在于:
所述铁芯为使用超微晶材料制成超微晶铁芯;
所述调频电动机保护用电流互感器的二次侧额定电流为1A,缠绕在同一个铁芯上的所述第一二次绕组和第二二次绕组,其中每个二次绕组的电阻值控制在0.5Ω之内,第一二次绕组和第二二次可以串联也可以并联。
进一步优选所述铁芯有效截面积SYX,其单位为cm2,通过(1)式计算,(1)式中:
其中,I1max:一次绕组最大工作电流,单位A,在工频状态运行时,取额定一次电流的10倍,在调频状态下运行时取额定电流的2倍;
R:二次回路总电阻,单位Ω;
f:工作频率,单位HZ;
N:二次绕组匝数;
Bmax:铁芯最大磁感应强度,单位T,超微晶铁心的Bmax=1.25T,为了确保电流互感器工作在B-H曲线的线性部分,计算时取为1T。
在所铁芯上绕制两个二次绕组,第一、第二个二次绕组均为300匝,所述两个二次绕组可以串联使用也可以并联使用。
一次绕组为1匝或2匝,所述一次绕组匝数与所述两个二次绕组串、并联组合下电流互感器的变比为600A/1A、300A/1A和150A/1A三种变比。
本发明还公开了一种调频电动机电流变送器,一种调频电动机电流变量器,其在调频电动机频率变动范围内能够正常运行,包括铁芯、一次绕组、二次绕组;其特征在于:
所述电流变量器每伏匝数N0利用(2)式计算,调频电动机电流变量器的频率按照2赫兹计算,
电流变量器每伏匝数N0,单位匝/V,(2)式中:
其中,N0为所述电流变量器每伏匝数,单位匝/V;
f:频率,单位赫兹(Hz),f=2赫兹;
SYX:电流变量器铁心有效截面积,单位cm2;
BTm:铁心饱和磁感应强度,单位特斯拉,超微晶铁心饱和磁感应强度按照1.25T计算。
所述的电流变量器,优选一次绕组使用1.2漆包线绕制4匝,优选二次绕组使用0.08漆包线绕制4532匝(二次绕组匝数远远大于常规电流变量器)。
所述的电流变量器具有与二次绕组并联连接的电流电压转换电阻,该电流电压转换电阻为400Ω。
所述的电流变量器,变比为10A/3.53V。
超微晶铁心过去只用于计量(测量)用电流互感器中,保护用电流互感器中全部使用冷轧硅钢片铁心。历来认为超微晶铁心的饱和磁感应强度低于优质冷轧硅钢片,因此不适合于在保护电流互感器中使用。
本发明在进行了大量的试验分析工作后发现,超微晶铁心的饱和磁感应强度,并不低于甚至大于优质冷轧硅钢片,加之导磁率高于优质冷轧硅钢片,因此超微晶铁心非常适合于在保护电流互感器中使用。
饱和磁感应强度低于优质冷轧硅钢片的结论,是由于两种材料对“饱和磁感应强度”定义不同,而引起的误解。
调频电动机的特点是,工作频率范围大,超微晶铁心有利解决低频率状态下电流互感器比差大的问题。
超微晶铁心在保护用电流互感器中使用,是一种创新。在调频电动机保护用电流互感器中使用更是一种创新。
初始导磁率:优质冷轧硅钢片为0.7特斯拉(T)左右,超微晶铁心的初始导磁率高达40特斯拉。
饱和磁感应强度:优质冷轧硅钢片为2特斯拉,资料中介绍,超微晶铁心1.25特斯拉(T);
计量用电流互感器在1.2倍额定电流及以下要求有比较高的精度。为了保护仪表的安全,大于5~10倍额定电流时,希望仪表用电流互感器饱和。超微晶铁心正好满足上述要求,因此在仪表用电流互感器中已经广泛使用。
保护用电流互感器,最严重的问题是饱和问题,饱和磁感应强度越高,饱和特性越好,因为“2特斯拉”明显大于“1.25特斯拉”,因此到目前为止,保护用电流互感器的铁心全部使用优质冷轧硅钢片铁心。
优质冷轧硅钢片铁心磁化曲线中,0~1.3T之间为线段(直线),导磁率在0.7T左右,1.3T以上为曲线,导磁率随H的增大,迅速下降,1.9T以上,H增大,B增长非常缓慢,导磁率很小;到2T时,H增大,B值不再增大导磁率接近于零。冷轧硅钢片中将H增大,B值为不再增大的衡定值磁感应强度称为“饱和磁感应强度”。
超微晶铁心磁化曲线中,0~1.05T之间为线段(直线),曲线几乎与B轴重合,导磁率达到40左右,此线段的导磁率,在超微晶铁心文献中称为“起始导磁率”;1.05T以上,是以1.05T为起点的一条“射线”。H增大,B值为不再增大的衡定值磁感应强度,必然大于2T。由此可见,超微晶铁心的“饱和磁感应强度”绝对不小于,而是大于优质冷轧硅钢片的“饱和磁感应强度”。认为超微晶铁心“饱和磁感应强度”小于优质冷轧硅钢片的“饱和磁感应强度”是由于两者对“饱和磁感应强度”的定义不同引起的。本发明通过大量分析和试验研究,克服了现有技术中存在的上述技术偏见。
本发明具有以下技术效果:
经过调频改造的大型异步电动机,没有装设纵差保护,在发生故障时,由于保护不健全,曾经发生过损坏电动机的事故。
没有健全的调频电动机保护方案,是阻碍大型异步电动机调频改造的重要因素。
本发明扫清了调频电动机因为没有合适的电流互感器电流变量器,而不能装设的纵差保护的难题。
本发明为大型异步电动机调频改造这一重大的节能措施间接地创造条件有益效果非常明显。
附图说明
图1为调频电动机电流互感器原理接线图;
图2为调频电动机保护装置中电流变量器原理接线图;
图3为调频电动机尾端电流互感器安装示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明公开了一种调频电动机电流互感器,采用OD170/120-40超微晶材料制成铁心。在所铁芯上绕制第一二次绕组和第二二次绕组均为300匝,所述两个二次绕组可以串联使用也可以并联使用,一次绕组为1匝或2匝,所述一次绕组匝数与所述两个二次绕组串、并联组合下电流互感器的变比为600A/1A、300A/1A和150A/1A三种 变比。三种变比下一、二次绕组的匝数及两个二次绕组之间的串并联关系如表3所示:
表3三种变比下一、二次绕组的匝数及两个二次绕组之间的串并联关系表
变比 | 600A/1A | 300A/1 | 150A/1A |
一次绕组匝数 | 1匝 | 1匝 | 2匝 |
一次绕组匝数 | 600匝 | 300匝 | 300匝 |
两个二次绕组之间的串并联关系 | 串联 | 并联 | 并联 |
电流互感器和电流变量器铁心有效截面积SYX计算公式(1)中参数选择:
所述铁芯有效截面积SYX,其单位为cm2,通过(1)式计算,(1)式中:
其中,I1max:一次绕组最大工作电流,单位A。在工频系统中工作的电动机,自启动电流可能达到额定电流的8倍左右,电流互感器和电流变量器一次绕组最大工作电流取额定一次电流的10倍。(f=50hz时按照10倍计算);调频设备可以将电动机中的电流(包括故障电流)控制在2倍额定电流之内,在工频状态下工作时,电流互感器和电流变量器一次绕组最大工作电流取额定一次电流的2倍。(f<50hz时按照2倍计算)
R:二次回路总电阻,单位Ω:由二次绕组电阻和二次回路电缆电阻两部分组成:
二次回路电缆电阻按照0.5Ω计算;
600A/1A二次绕组电阻控制在0.5Ω、二次回路总电阻控制在1Ω之内。
300A/1A二次绕组电阻控制在0.25Ω、二次回路总电阻控制在0.75Ω之内。
N2:二次绕组匝数;
Bmax:铁心最大磁感应强度,单位T:
超微晶Bmax最大可以取为1.25T,为了保证调频电动机电流互感器电流变量器的铁心工作在BH曲线的线性部分,计算时Bmax一律取为1T。
附图1-1中:两个二次绕组W21、W22分别使用2.5漆包线绕制300匝。
附图1-2中:两个二次绕组W21、W22串联,一次绕组使用1匝时,电流互感器的变比为600A∶1A。
附图1-3中:两个二次绕组W21、W22并联,一次绕组使用1匝时,电流互感器的变比为300A∶1A。
附图1-3中:两个二次绕组W21、W22并联,一次绕组使用2匝时,电流互感器 的变比为150A∶1A。
本发明还公开了一种调频电动机电流变量器,其铁芯采用OD30/14-30超微晶材料制成。将二次绕组额定电流由5A改变为1A,计算铁心有效截面积时,将频率由50赫兹改变为2赫兹,加将二次绕组漆包线由1.0改变为2.5;使二次绕组的直流电阻由10Ω左右,下降到0.6Ω左右,以确保将二次回路总电阻控制在1Ω左右的目标的实现。
附图2为调频电动机保护装置中电流变量器原理接线图。本发明电流变量器的一次绕组W1使用1.2漆包线绕制4匝,二次绕组W2使用0.08漆包线绕制4532匝,电流电压转换电阻R为400Ω。
电流变量器的变比10A/3.53V。
二次绕组输出3.53V电压时,二次绕组中的电流为0.008825A,二次侧为39.995安匝,一次侧为40安匝,说明一、二次侧安匝数平衡。
调频电动机电流互感器安装在电动机的首尾两端。调频电动机首尾电流互感器安装在调频设备输出柜内,调频设备与电动机之间采用电缆联接,首电流互感器采用穿心式结构,安装比较方便。
本发明优选一种调频电动机电流互感器尾端电流互感器安装方案。
如附图3所示为调频电动机尾端电流互感器安装示意图,调频电动机尾端电流互感器安装在“尾端电流互感器柜”,当用户要求保留原电流互感器的情况下,如果采用穿心式结构并且安装在原电流互感器的下方,由于空间小与柜底部的距离又近,安装非常困难。在原电流互感器的上方,有足以安装新电流互感器的空间,但是如果采用穿心式结构,一次侧与原电流互感器和电缆的联接导体很难布置和固定。由于空间小与柜底部的距离又近,安装非常困难。
在本发明的具体实施例中,将调频电动机尾端A、C相电流互感器采用母排式结构,配上B相支持件,以及软、硬联接件,可以使尾端电流互感器的安装工作比较方便。
调频电动机电流互感器电流变量器铁心的材质:
众所周知,电流互感器的比差与二次绕组励磁阻抗成反比,而励磁阻抗与二次绕组的电感量成正比,二次绕组电感量的计算公式如(7)式所示,式中:
N2:二次绕组实际使用匝数;
SYX:铁心有效截面积,单位cm2;
μT:铁心有效交流导磁率,单位T,初始导磁率可以达到40T,按照14T计算毫无问题。
l:铁心平均磁路长度,单位cm。OD170/120-40铁心平均磁路长度为45.55cm。
常规电流互感器电流变量器中使用的冷轧硅钢片铁心,初始导磁率μ只有0.7T左右。超微晶铁心初始导磁率可以达到40T。由此可见,超微晶铁心的导磁率是冷轧硅钢片铁心的20倍以上,调频电动机电流互感器使用超微晶铁心,有利于降低电流互感器的比差。
计算并确定适合于调频电动机系统使用的电流互感器的参数。
2000~8000kW异步电动机以及电流互感器一次绕组额定电流如表4所示,其中6kV电动机的额定容量不大于6000kW:
表42000~8000kW电动机以及电流互感器一次绕组额定电流表
目前绝大部分大型异步电动机的额定电流不超过600A。
调频电动机系统使用的电流互感器在同一个铁心上绕制两个二次绕组W21和W22,两个二次绕组均为300匝,两个二次绕组可以串联使用也可以并联使用。一次绕组W1可以为1匝也可以为2匝。一次绕组匝数与二次绕组串、并联组合下电流互感器的变比如表5所示:
表5一次绕组匝数二次绕组串、并联组合下的变比表
由表5可见,调频电动机电流互感器虽然只有一个品种,但是可以提供600A/1A、 300A/1A、150A/1A等3种不同的变比。
将300匝二次绕组的电阻控制在0.25Ω之内,电缆电阻按照0.5Ω计算,则二次回路总电阻R,一次绕组为1匝时,电流互感器一次绕组额定电流I1ED,、50hz、2hz两种状态下最大计算电流I1maxi,等数据代入(5)式,铁心有效截面积SYX,视在截面积SSZ计算结果如表4所示;
表6超微晶铁心有效截面积SYX,视在截面积SSZ计算结果表
调频电动机电流互感器使用OD170/120-40超微晶铁心绕制:
铁心外直径:17cm、内直径:12cm,厚度:2.5cm,高度:4cm,视在截面积10cm2,有效截面积7cm2,大于表4的计算值,平均磁路长度45.55cm。
二次绕组使用2.0漆包线绕制,加层间绝缘15.4匝/cm2,5.63Ω/km,绕制600匝占用绕线面积39cm2,内环绕线厚度1.15cm,平均匝长17.6cm,600匝2.0漆包线总长度0.1056km,两个300匝二次绕组串联的电阻为0.6Ω,两个300匝二次绕组并联的电阻为0.15Ω。
两个300匝二次绕组串联二次回路总电阻为1.1Ω,两个300匝二次绕组并联二次回路总电阻为0.65Ω。
调频电动机电流互感器的二次绕组串并联状态下比差计算结果如表7所示:
表7三种超微晶铁心调频电动机电流互感器的二次绕组参数及比差表
由表7可见,超微晶铁心调频电动机电流互感器的比差,最大者为0.3%,远小于最大允许误差10%。
600A/1A、300A/1A、150A/1A三种变比一次绕组匝数,两个二次绕组的串并联如 表7所示:
表8三种变比一次绕组匝数,两个二次绕组的串并联表
变比 | 600A/1A | 300A/1A | 150A/1A |
一次绕组匝数 | 1匝 | 1匝 | 2匝 |
两个二次绕组 | 串联 | 并联 | 并联 |
将300A/1A变比改为150A/1A变比时二次绕组相同,只是将一次绕组由1匝改为2匝,电流互感器的比差相同。
超微晶铁心调频电动机电流互感器的结构,根据安装场所的具体情况,可以采用穿心式和母排式两种结构。当采用穿心式结构形式时,二次绕组绕制完成并且加环氧气树脂等绝缘材料浇铸后,可以保证穿线孔中方便地穿过额定电流600A的电缆。
使用150A/1A变比时最好使用穿心式结构,将二次电缆在穿线孔中绕2匝。
计算并确定适合于调频电动机系统使用的电流变量器的参数。
调频电动机系统使用电流变量器使用OD30/14-30超微晶铁心绕制:
OD30/14-30超微晶铁心,厚度0.8cm,高度3cm,视在截面积2.4cm2,有效截面积1.68cm2,平均磁路长度6.9cm,环内绕线面积0.55cm2,使用0.08漆包线可以绕制4532匝。
2hz下调频电动机电流变量器每伏匝数N0用(7)式计算:
使用0.08漆包线绕制4532匝,二次绕组的直流电阻为520Ω。考虑二次绕组内阻的影响后,每伏匝数N0需要扩大2.3倍,需要1233匝/V。
2.3×536.25=1233匝/V
额定电压3.53V的二次绕组绕制4532匝,4532/3.53=1284匝/V,大于1233匝/V,说明该电流变量器在2hz频率下能够正常运行。
N1I1=4×10=40安匝
一、二次N1I1=N2I2说明安匝数平衡,变比正确。
Claims (6)
1.一种调频电动机保护用电流互感器,其在调频电动机频率变动范围内正常运行,包括铁芯、缠绕在同一个铁芯上的一次绕组、第一二次绕组和第二二次绕组;其特征在于:
所述铁芯为使用超微晶材料制成超微晶铁芯;
所述调频电动机保护用电流互感器的二次侧额定电流为1A,缠绕在同一个铁芯上的所述第一二次绕组和第二二次绕组,其中每个二次绕组的电阻值控制在0.5Ω 之内,第一二次绕组和第二二次可以串联也可以并联。
3.根据权利要求1所述的电流互感器,其特征在于:在同一个铁芯上绕制的所述一次绕组为1匝或者2匝,所述第一二次绕组和第二二次绕组优选分别使用2.0漆包线绕制300匝;所述两个二次绕组可以串联使用也可以并联使用,通过所述一次绕组、与所述两个二次绕组串联或并联组合之间的配合,电流互感器的变比在600A/1A、300A/1A和150A/1A三种变比之间变换;
当使用600A/1A、300A/1A两种变比时,一次绕组取1匝;
当使用150A/1A变比时,一次绕组取2匝。
4.根据权利要求3所述的电流互感器,其特征在于:所述电流互感器的变比为600A/1A时,第一二次绕组和第二二次绕组电阻值的和控制在0.5Ω 、二次回路总电阻控制在1Ω 之内;所述电流互感器的变比为300A/1A时,第一二次绕组与第二二次绕组电阻值的和控制在0.25Ω 、二次回路总电阻控制在0.75Ω 之内。
5.根据权利要求1所述的电流互感器,其特征在于:所述超微晶铁心优选采用 OD170/120-40超微晶材料制成,其初始导磁率达到40特斯拉。
6.根据权利要求1所述的电流互感器,其特征在于:安装于调频电动机首端的电流互感器采用穿心式结构;安装于调频电动机尾端电流互感器采用母排式结构,并设置了B相支持结构件。
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