试论电气线路中保护装置

　　摘要：本文根据作者实际工作经验对电气控制线路中电流型保护与电流取样型保护装置
　　和电压型保护与电压取样型保护装置进行了论述。
　　关键词：电流型；电压型；保护装置
　　1前言
　　生产机械的安全运行，要求电气控制线路具有完善的保护，才能消除在其工作不正常或误操作时所带来的不利影响，避免事故的发生。电气控制线路的保护常按电流型保护和电压型保护来选择配套的保护装置。
　　2电流型保护与电流取样型保护装置
　　2．1电流型保护
　　(1)电气控制线路的各种电器设备或电器元件的损坏主要是绕组过热或绝缘性能降低引起的，而绕组的过热往往是流经绕组的电流过大引起的。对电气控制线路的各种电器设备或电器元件保护主要有电流型保护。电流型保护主要包括短路保护、过电流保护、过载保护、欠电流保护、断相保护等。电流型保护的基本原理是：通过保护电器取样电流信号，电流信号经过变换或放大后去控制被保护对象，当电流达到整定值时保护电器动作。
　　(2)电气控制线路的保护往往还与其控制方式有一定关系，即保护中有控制，控制中有保护。如三相电动机直接起动时，往往产生4～7倍额定电流的起动电流。若由接触器或断路器来控制，则电器的触头应能承受起动电流的接通和分断考核，即使是可频繁操作的接触器也会引起触头磨损加剧，以致损坏电器；对塑料外壳式断路器，即使是不频繁操作，也很难达到要求。因此，使用中往往与起动器串联在主回路中一起使用，此时由起动器中的接触器来承载接通起动电流的考核，而其他电器只承载通常运转中出现的电动机过载电流分断的考核，至于保护功能，由配套的保护装置来完成。
　　此外，对电动机的控制还可以采用无触点方式，即采用软起动控制系统。电动机主回路由晶闸管来接通和分断。有的为了避免在这些元件上的持续损耗，正常运行中采用真空接触器承载主回路(并联在晶闸管上)负载。这种控制有程控或非程控：近控或远控；慢速起动或快速起动等多种方式。另外，依赖电子线路，很容易做到如电子式继电器那样的各种保护功能。
　　2.2电流取样型保护装置
　　(1)热继电器利用负载电流流过经校准的电阻元件，使双金属热元件加热后产生弯曲，从而使继电器的触点在电动机绕组烧坏以前动作。其动作特性与电动机绕组的允许过载特性接近。热继电器虽然动作时间准确性一般，但对电动机可以实现有效的过载保护。随着结构设计的不断完善和改进，除有温度补偿外，它还具有断相保护及负载不平衡保护功能等。
　　⑵带有热——磁脱扣的电动机保护用热式断路器作过载保护用，结构及动作原理同热继电器，其双金属热元件弯曲后有的直接顶脱扣装置，有的使触点接通，最后导致断路器断开。电磁铁的整定值较高，仅在短路时动作。其结构简单、体积小、价格低、动作特性符合现行标准、保护可靠，故日前仍被大量采用，特别是小容量断路器尤为显著。
　　(3)电子式过电流继电器通过内部各相电流互感器检测故障电流信号，经电子电路处理后执行相应的动作。电子电路变化灵活，动作功能多样，能广泛满足各种类型的电动机的保护。其特点是：
　　①多种保护功能。主要有三种：过载保护，过载保护+断相保护，过载保护+断相保护+反相保护。
　　②动作时间可选择(符合GB14048.4—93标准)。标准型(10级)：7.2In(In为电动机额定电流)，4～1Os动作，用于标准电动机过载保护，速动型(10A级)：7.2In时，2～10s动作，用于潜水电动机或压缩电动机过载保护。慢动型(30级)：7．2In时，9～30s动作，用于如鼓风机电机等起动时间长的电动机过载保护。
　　③电流整定范围广。其最大值与最小值之比一般可达3～4倍，甚至更大倍数(热继电器为1.56倍)，特别适用于电动机容量经常变动的场合(例如矿井等)。
　　④有故障显示。由发光二极管显示故障类别，便于检修。
　　(4)固态继电器是一种从完成继电器功能的简单电子式装置发展到具有各种功能的微处理器装置。其成本和价格随功能而异，最复杂的继电器实际上只能用于较大型、较昂贵的电动机或重要场合。它监视、测量和保护的主要功能有：
　　①最大的起动；中击电流和时间；
　　②热记忆；大惯性负载的长时间加速：
　　③断相或不平衡相电流：
　　④相序；
　　⑤欠电压或过电压；
　　⑥过电流(过载)运行；
　　⑦堵转；
　　⑧失载(机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌)：
　　⑨电动机绕组温度和负载的轴承温度
　　⑩超速或失速。
　　上述每一种信息均可编程输入微处理器，主要是加上需要的时限，以确保在电动机起动或运转过程中产生损坏之前，将电源切断。还可用发光二极管或数字显示故障类别和原因，也可以对外向计算机输出数据。
　　(5)带有电子式脱扣的电动机保护用断路器其动作原理类同上述电子式过电流继电器或固态继电器。功能主要有：电路参量显示《电流、电压、功率、功率因数等)，负载监控(按规定切除或投入负载)，多种保护特性，故障报警，试验功能，自诊断功能，通信功能等。产品如施耐德电气公司生产的M系列低压断路器。
　　(6)软起动器的主电路采用晶闸管，控制其分断或接通的保护装置一般做成故障检测模块，用来完成对电动机起动前后的异常故障检测，如断相、过热、短路、漏电和不平衡负载等故障，并发出相应的动作指令。其特点是系统结构简单，采用单片机即可完成，适用于工业控制。
　　2．3保护装置与异步电动机的协调配合
　　为了确保异步电动机的正常运行及对其进行有效的保护，必须考虑异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电网中使用小容量异步电动机时，保护的协调配合更为突出。
　　2．3.1过载保护装置与电动机的协调配合
　　⑴过载保护装置的动作时间应比电动机起动时间略长一点。电动机过载保护装置的特性只有躲开电动机起动电流的特性，才能确保其正常运转；但其动作时间又不能太长，其特性只能在电动机热特性之下才能起到过载保护作用。
　　(2)过载保护装置瞬时动作电流应比电动机起动；中击电流略大一点。如有的保护装置带过载瞬时动作功能，则其动作电流应比起动电流的峰值大一些，才能使电动机正常起动。
　　(3)过载保护装置的动作时间应比导线热特性小一点，才能起到供电线路后备保护的功能。
　　2.3．2过载保护装置与短路保护装置的协调配合
　　一般过载保护装置不具有分断短路电流的能力。一旦在运行中发生短路，需要由串联在主电路中的短路保护装置(如断路器或熔断器等)来切断电路。若故障电流较小，属于过载范围，则仍应由过载保护装置切断电路。故两者的动作之间应有选择性。
　　短路保护装置特性是以熔断器作代表说明的，与过载保护特性曲线的交点电流为Lj若考虑熔断器特性的分散性，则交点电流有Is及lB两个，此时就要求ls及以下的过电流应由过载保护装置来切断电路，IB及以上直到允许的极限短路电流则由短路保护装置来切断电路，以满足选择性要求。显然，在Is～IB范围内就很难确保有选择性．因此要求该范围应尽量小。从现行IEC标准规定来看，极限值为Is=O．75Ljlb=1.25IJ。目前过载保护装置的额定接通和分断能力均按0.75IJ考核，显然偏低一些，从IEC标准修改的动向，今后有可能按IJ考核，以提高其可靠性。因此上述的协调配合应既考虑其选择性，又考虑其额定接通和分断能力。
　　3电压型保护与电压取样型保护装置
　　3．1电压型保护
　　电动机或电器元件都是在一定的额定电压下正常工作，电压过高、过低或者工作过程中非人为因素的突然断电，都可能造成生产机械的损坏或人身事故，因此在电气控制线路中，应根据要求设置失压保护、过电压保护及欠电压保护。
　　3．2电压取样型保护装置
　　(1)在三相交流电动机的使用中，越来越多的用于三相不可逆转的传动设备(如水泵、风机、空压机、电梯电机等)。为使电机能在断相、相序、过压、欠压情况下及时得以保护，相应保护器应有上述保护功能，以保证电机和设备正常安全工作。选用电压取样型电机保护器保护，该保护器能对电机工作电压进行监测，判断其电压状态(如过压、欠压、相序、错相，并在保护器面板上呈现上述故障指示)，如有故障，保护器则对三相供电电路中的控制电器(如交流接触器)进行控制，分断主回路电源，从而对电机和传动设备进行有效的保护。
　　电压取样型保护器与电流取样型保护器比较其最大特点是：它与被保护电器设备的功率大小无关，而只根据电网电源质量的情况来进行保护，使被保护电器避免因电源质量不良造成损坏。特别是在三相不可逆转设备或馈电线路中，待确定相序后，因维修或更改供电线路与原认定相序错相相接时，保护器可鉴别其原定相序，从而对电机和相应设备进行保护。
　　(2)通常电压取样型保护器，主要对电机缺相和相序进行保护，而对电机在实际运行中，工作电压常处于欠压或过压却很难起到有效保护，而电压取样电机保护器工作范围宽是其保护器新颖之处；在此工作范围内(交流三相300～460V)，保护器实现其欠压及过压保护动作特性。另外在上述保护功能基础上，保护器还可根据需求，不仅对过压保护(380～460V可调)和欠压保护(300～380V可调)电压值设置，而且其保护延时也可调(过压保护：延时0．5～5s可调；欠压保护：延时1～1Os可调)，这为电压取样型保护器保护功能和使用拓展了使用空间。
　　4结论
　　电压取样电机保护器在过压、欠压两种情况下，因保护电压范围宽，且电压保护参数值以及保护时间可设置，这为用户在使用上提供了极大的方便。另外对电动机最常见的断相故障和相序进行保护，又不受电机设备功率大小限制，是电压取样型保护器最大特点，现已被广泛使用。