CN209267482U - 一种一拖二的电动机组及其差动保护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一拖二的电动机组及其差动保护系统，所述差动保护系统包括差动保护装置和电流互感器，所述一台差动保护装置配置三组电流互感器，所述电流互感器包括一次绕组和二次绕组，三组电流互感器的一次绕组分别串联在工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧，三组电流互感器的二次绕组分别与所述差动保护装置的输入端连接，用于向所述差动保护装置提供工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号。本实用新型提供的差动保护系统为变频器拖动电动机运行方式下的电动机提供差动保护，使电动机同时具有工频差动和变频差动两种保护系统，实现了电动机的无缝保护运行，提高电动机安全运行的可靠性。

Description

一种一拖二的电动机组及其差动保护系统

技术领域

本实用新型总体涉及变频电动机以及电动机继电保护技术领域，更具体地，涉及一种一拖二的电动机组及其差动保护系统。

背景技术

近些年来我国各厂矿，大功率电机在数量上有明显的增长，为降低厂矿的用电量，也投入了大量的大功率变频器。

目前现有的大部分设备都是一台变频器拖动一台电动机，两台电动机需要配备两台变频器和两套自动旁路柜，因此需要较多的设备，花费较高的成本，且现场需要足够的安放空间，所以各方面的投入较大。

另外，按照现有规程要求，容量在2000kW及以上的高压电动机需要装设差动保护系统，差动保护系统的电流互感器安装在电源侧和电动机中性点侧，以保证电动机保护的可靠性和灵敏度，该差动保护系统的目的在于防止电动机在内部线路故障时扩大事故，从而降低其对安全生产运行的影响。

常规的电动机差动保护系统是按照50Hz工频电流设计的，属于工频差动保护系统，而未考虑高压变频器拖动电动机运行的方式。在变频器拖动下，电源侧的电流为50Hz工频电流，而电动机中性点侧电流为变频器输出电流，两个电流处于不同频率下，无法进行工频差动保护。故在高压变频器拖动电动机运行的方式下，原有的工频差动保护系统退出运行，电动机处于无差动保护运行状态，由此造成电动机在内部故障时的烧损现象。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种一拖二的电动机组及其差动保护系统，用于解决现有的变频电动机各方面投入较大且常规的电动机差动保护系统在高压变频器拖动电动机运行的方式下无法正常工作的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

根据本实用新型的第一方面，提供一种一拖二的电动机组，包括：一台变频器和两台电动机，所述变频器和两台电动机分别通过第一至第三工频开关与高压母线连接，所述第一至第三工频开关通过导通与切断为变频器和两台电动机提供工频电源，所述两台电动机分别通过第一和第二变频开关与所述变频器输出端连接，所述第一和第二变频开关通过导通与切断为两台电动机提供变频电源。

根据本实用新型第一方面的一个实施方式，还包括分别与第一至第三工频开关、第一和第二变频开关连接的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器用于控制所述第一至第三工频开关、第一和第二变频开关的导通与切断。

根据本实用新型的第二方面，提供一种差动保护系统，所述差动保护系统用于上述的一种一拖二的电动机组，所述差动保护系统包括差动保护装置和电流互感器，所述一台差动保护装置配置三组电流互感器，所述电流互感器包括一次绕组和二次绕组，三组电流互感器的一次绕组分别串联在工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧，三组电流互感器的二次绕组分别与所述差动保护装置的输入端连接，用于向所述差动保护装置提供工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，所述差动保护装置的信号输入端与高压母线和电动机之间的工频开关通断的位置信号连接，所述差动保护装置根据采集到的工频开关位置信号进行工频差动保护与变频差动保护切换。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，所述变频器输出侧的电流互感器设置在变频开关的输出端。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，一台电动机配置一台差动保护装置。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，所述差动保护装置为变频专用的差动保护装置。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，所述电流互感器为宽频电流互感器。

根据本实用新型第二方面的一个实施方式，所述电流互感器的工作频率为0Hz～70Hz。

本实用新型提供的一种一拖二的电动机组及其差动保护系统，采用一台变频器拖动两台电动机，并引入了可编程逻辑控制器，当一台电动机工频运行，出力不够时，可启动另一台电动机变频运行，通过变频器调节第二台电动机的出力大小，来满足现场总的需求量的要求，提高变频器的利用率，节约成本；为变频器拖动电动机运行方式下的电动机提供差动保护，防止变频电动机在内部线路故障时扩大事故，降低其对安全生产运行的影响；差动保护装置能够根据采集到的工频开关位置信号进行工频差动保护与变频差动保护切换，使电动机同时具有工频差动和变频差动两种保护系统，实现了电动机的无缝保护运行，提高电动机安全运行的可靠性。

附图说明

图1为一台变频器拖动一台电动机的连接线路示意图和常规的电动机差动保护系统的结构示意图。

图2为本实用新型提供的一拖二的电动机组的结构示意图。

图3为本实用新型提供的差动保护系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的较佳实施例进行详细阐述，参考标号是指本实用新型中的组件、技术，以便本实用新型的优点和特征在适合的环境下实现能更易于被理解。下面的描述是对本实用新型权利要求的具体化，并且与权利要求相关的其它没有明确说明的具体实现也属于权利要求的范围。

图1示出了一台变频器拖动一台电动机的结构示意图和常规的电动机差动保护系统的结构示意图。

如图1所示，目前现有的大部分设备为一台变频器拖动一台电动机，两台电动机需要配备二台变频器，具体包括两台电源柜(QF1、QF2)、两台变频器、两套自动旁路柜(QF11、QF12、QF13、QF21、QF22、QF32)组成。两台电源柜分别为M1电动机和M2电动机提供电源及实现对电动机的保护和测控；每台变频器的容量与每台电动机的容量相匹配，两台变频器实现对两台电动机的速度调节，满足现场总的需求量的要求；两套自动旁路柜实现对M1电动机和M2电动机的工频和变频状态的切换功能。此方案提供的设备数量较多，花费的成本较高，且现场需有足够的空间，所以用户各方面的投入较大。

图2示出了本实用新型提供的一拖二的电动机组的结构示意图。

如图2所示，本实用新型提供一种一拖二的电动机组，其中，包括：一台变频器1和两台电动机2、3，所述变频器1和两台电动机2、3分别通过第一至第三工频开关4、5、6与高压母线7连接，所述第一至第三工频开关4、5、6通过导通与切断为变频器1和两台电动机2、3提供工频电源，所述两台电动机2、3分别通过第一和第二变频开关8、9与所述变频器1输出端连接，所述第一和第二变频开关8、9通过导通与切断为两台电动机2、3提供变频电源。

上文中所述一拖二的电动机组是指一台变频器拖动两台电动机运行，即两台电动机配备一台变频器。高压母线7与变频器1和两台电动机2、3之间设有第一、第二、第三工频开关4、5、6，第一、第二、第三工频开关4、5、6通过导通与切断为变频器1和两台电动机2、3提供工频电源。第一、第二、第三工频开关4、5、6可以是单个开关，也可以是对电动机有保护和测控功能的电源柜。此变频器的容量也是与一台电动机的容量相匹配，两台电动机只有一台处于变频运行状态。

首先是将M1电动机2由变频器1拖动，操作步骤：第一工频开关4合闸→第一变频开关8合闸→变频器1启动→变频器1拖动M1电动机2运行，变频器1从0Hz开始，缓慢提升到给定频率实现软启动功能，对电网的冲击非常小。当M1电动机2被拖动到50Hz，M1电动机2的出力仍然不够时，将M1电动机2由变频切换到工频运行，动作顺序：第一工频开关4分闸→第一变频开关8分闸→第二工频开关5合闸，实现变频/工频切换，切换时对电动机的冲击也非常小。此时变频器1再拖动M2电动机3运行，操作步骤：第一工频开关4合闸→第二变频开关9合闸→变频器1启动→变频器1拖动M2电动机3运行，变频器1同样从0Hz开始，缓慢提升到给定频率。

本实用新型提供的方案能够使一台电动机工频运行，出力不够时，启动另一台电动机变频运行，通过变频器调节第二台电动机的出力大小，来满足现场总的需求量的要求，大大提高变频器的利用率，节约成本。此方案提供的设备数量较小，现场占用面积小，成本低，大大降低了用户各方面的投入。

在本实施例的一个优选实施方式中，所述一种一拖二的电动机组还包括分别与第一至第三工频开关4、5、6、第一和第二变频开关8、9连接的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器用于控制所述第一至第三工频开关、第一和第二变频开关的导通与切断及变频器的启动和停机。

可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller)为一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

如图1所示，常规的电动机差动保护系统仅仅适用于50Hz的工频运行状况，也就是电动机只有在工频运行状态下才能实现差动保护。以M1电动机为例：M1电动机工频运行时，In1差动保护装置采集串联在工频电源侧的LH1电流互感器及电动机中性点侧的LH3电流互感器的电流信号，当M1电动机正常运行或启动过程中由于磁通平衡，每相电流互感器内的电流矢量和为零，In1差动保护装置不会发出动作信号，而当M1电动机内部线路出现故障时，每相电流互感器内的电流矢量和到达一定数值，In1差动保护装置立即发出动作信号，动作电源柜QF1分闸进而切断电源，及时对M1电动机进行保护。但当M1电动机变频运行时，变频器输出的电压频率是0-70Hz变化的，而电源侧输入频率是50Hz不变的，所以只能将差动保护系统退出运行，以保证设备的正常变频拖动运行。另外，M1电动机在工/变频状态频繁切换时，差动保护系统也需要频繁的投入和退出操作，实现起来非常繁琐。同理M2电动机也是如此，就不再赘述。

图3示出了本实用新型提供的差动保护系统的结构示意图。

如图3所示，本实用新型提供一种差动保护系统，所述差动保护系统用于上述中一拖二的电动机组，所述差动保护系统包括差动保护装置10、11和电流互感器12-17，所述一台差动保护装置配置三组电流互感器，所述电流互感器12-17包括一次绕组和二次绕组，三组电流互感器的一次绕组分别串联在工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧，三组电流互感器的二次绕组分别与所述差动保护装置的输入端连接，用于向所述差动保护装置提供工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号。

具体为，In1差动保护装置10的输入端与工频电源侧的第一电流互感器12、变频器输出侧的第三电流互感器14和电动机中性点侧的第五电流互感器16连接，用于采集工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号，以对M1电动机进行差动保护。In2差动保护装置11的输入端与工频电源侧的第二电流互感器13、变频变频器输出侧的第四电流互感器15和电动机中性点侧的第六电流互感器17连接，用于采集工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号，以对M2电动机进行差动保护。

电流互感器(Current transformer)是由闭合的铁心和绕组组成。它的一次侧绕组匝数很少，串在需要测量的电流的线路中，因此它经常有线路的全部电流流过，二次侧绕组匝数比较多，串接在测量仪表和保护回路中，电流互感器在工作时，它的二次侧回路始终是闭合的，因此测量仪表和保护回路串联绕组的阻抗很小，电流互感器的工作状态接近短路。电流互感器是把一次侧大电流通过电磁感应原理转换成二次侧小电流来使用，二次侧不可开路。

本实用新型提供的差动保护系统，所述差动保护装置10、11的信号输入端与高压母线7和电动机机2、3之间的工频开关5、6通断的位置信号连接，所述差动保护装置10、11根据采集到的工频开关5、6位置信号进行工频差动保护与变频差动保护切换。

在本实施例例中，In1差动保护装置10的信号输入端与第二工频开关5通断的位置信号连接，根据采集到的第二工频开关5的位置信号进行工频差动保护与变频差动保护的切换。In2差动保护装置11的信号输入端与第三工频开关6通断的位置信号连接，根据采集到的第三工频开关6的位置信号进行工频差动保护与变频差动保护的切换。

本实用新型提供的差动保护系统，所述变频器输出侧的电流互感器设置在变频开关的输出端。

具体为，第三电流互感器14设置在第一变频开关8的输出端，第五电流互感器16设置在第二变频开关9的电流输出端。这种设置可以使电流互感器准确的采集每个电机变频运行时的电流信号，确保电机变频运行时此电流信号能与电机中性点侧的电流信号进行比较，从而准确的判断电机是否有短路现象，差动保护装置做出相应的反应，进而而保护电机。

本实用新型提供的差动保护系统，一台电动机配置一台差动保护装置。

具体为，M1电动机2配置In1差动保护装置10，In1差动保护装置10用以对M1电动机2实行差动保护。M2电动机3配置In2差动保护装置11，In2差动保护装置11用以对M2电动机3实行差动保护。

本实用新型提供的差动保护系统，所述差动保护装置10、11为变频专用的差动保护装置。变频专用的差动保护装置可以在工频状态下实行常规的纵联差动保护，在变频状态下实行采用频率测量算法进行频率跟踪的变频差动保护。

本实用新型提供的差动保护系统，第一、第二电流互感器12、13为普通电流互感器，工作频率为45Hz～65Hz，第三至第六电流互感器14-17为宽频电流互感器，其工作频率为0Hz～70Hz，与变频器的输出的电压频率相一致。

具体为，本实用新型提供的差动保护系统可用于变频电动机的差动保护，具有工频和变频两种差动保护的系统，可对电动机实现无缝差动保护，避免了电动机内部故障时的烧损现象。每台电动机配一台差动保护装置，此差动保护装置，能够适应变频电动机频率变化范围为0Hz～70Hz的运行工况。对于M1电动机的第三电流互感器14和第五电流互感器16及M2电动机的第四电流互感器15和第六电流互感器17需要满足在0Hz～70Hz范围下均能线性传变的要求，为此，选用专用宽频电流互感器，此互感器精确工作频率范围：0Hz～70Hz，能精准的反应一次电流。

以M1电动机为例，In1差动保护装置10采集工频电源侧、变频器输出侧、电动机中性点侧三个位置的电流信号，且将第二工频开关5的位置信号引入差动保护，当M1电动机变频运行时，第二工频开关5断开，In1差动保护装置10启用变频差动保护功能，采用频率测量算法进行频率跟踪，并根据变频器输出侧的第三电流互感器14和电动机中性点侧的第五电流互感器16采集的电流信号进行差动保护的计算和逻辑，一旦满足差动保护的动作条件，In1差动保护装置10发出指令，跳开第一工频开关4和第一变频开关8，切除故障，解决变频状态下频率变化过程中的常规纵联差动保护中电流互感器励磁特性不同的问题。同时由于磁平衡原理，电流互感器二次侧短线也不会出现过电压导致的误动作，这些都是常规纵联差动保护无法做到的。当M1电动机工频运行时，第二工频开关5闭合，In1差动保护装置10启用工频差动保护功能，实现常规纵联差动保护，并根据工频电源侧的第一电流互感器12和电动机中性点侧的第五电流互感器16采集的电流信号进行差动保护的计算和逻辑，一旦满足差动保护的动作条件，In1差动保护装置10发出指令，跳开第二工频开关5，切除故障，同理M2电动机也是如此。

此差动保护装置通过工频电源侧开关的位置信号实现两种保护模式的自动切换。此差动保护系统具有接线简单、灵敏度高等优点，即满足了工频状态下的常规纵联差动保护，又满足了频率变化下对电动机的差动保护，实现了电动机的无缝保护运行，提高了设备安全运行的可靠性。

应该注意的是，上述实施例对本实用新型进行说明而不是对本实用新型进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

Claims (9)

1.一种一拖二的电动机组，其特征在于，包括：一台变频器和两台电动机，所述变频器(1)和两台电动机(2，3)分别通过第一至第三工频开关(4-6)与高压母线(7)连接，所述第一至第三工频开关(4-6)通过导通与切断为变频器(1)和两台电动机(2，3)提供工频电源，所述两台电动机(2，3)分别通过第一和第二变频开关(8，9)与所述变频器(1)输出端连接，所述第一和第二变频开关(8，9)通过导通与切断为两台电动机(2，3)提供变频电源。

2.根据权利要求1所述的一种一拖二的电动机组，其特征在于，还包括分别与第一至第三工频开关(4-6)、第一和第二变频开关(8，9)连接的可编程逻辑控制器，所述可编程逻辑控制器用于控制所述第一至第三工频开关(4-6)、第一和第二变频开关(8，9)的导通与切断。

3.一种差动保护系统，其特征在于，所述差动保护系统用于权利要求1所述的一种一拖二的电动机组，所述差动保护系统包括差动保护装置(10，11)和电流互感器(12-17)，所述一台差动保护装置配置三组电流互感器，所述电流互感器(12-17)包括一次绕组和二次绕组，三组电流互感器的一次绕组分别串联在工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧，三组电流互感器的二次绕组分别与所述差动保护装置(10，11)的输入端连接，用于向所述差动保护装置(10，11)提供工频电源侧、变频器输出侧和电动机中性点侧三个位置的电流信号。

4.根据权利要求3所述的一种差动保护系统，其特征在于，所述差动保护装置(10，11)的信号输入端与高压母线(7)和电动机(2，3)之间的工频开关(5，6)通断的位置信号连接，所述差动保护装置(10，11)根据采集到的工频开关(5，6)位置信号进行工频差动保护与变频差动保护切换。

5.根据权利要求3所述的一种差动保护系统，其特征在于，所述变频器(1)输出侧的电流互感器设置在变频开关(8，9)的输出端。

6.根据权利要求4所述的一种差动保护系统，其特征在于，一台电动机配置一台差动保护装置。

7.根据权利要求4所述的一种差动保护系统，其特征在于，所述差动保护装置(10，11)为变频专用的差动保护装置。

8.根据权利要求7所述的一种差动保护系统，其特征在于，所述第三至第六电流互感器(14-17)为宽频电流互感器。

9.根据权利要求8所述的一种差动保护系统，其特征在于，所述第三至第六电流互感器(14-17)的工作频率为0Hz～70Hz。