試論電氣線路中保護(hù)裝置
摘要：本文根據(jù)作者實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)對(duì)電氣控制線路中電流型保護(hù)與電流取樣型保護(hù)裝置和電壓型保護(hù)與電壓取樣型保護(hù)裝置進(jìn)行了論述。
關(guān)鍵詞：電流型；電壓型；保護(hù)裝置
1前言
生產(chǎn)機(jī)械的安全運(yùn)行，要求電氣控制線路具有完善的保護(hù)，才能消除在其工作不正常或誤操作時(shí)所帶來的不利影響，避免事故的發(fā)生。電氣控制線路的保護(hù)常按電流型保護(hù)和電壓型保護(hù)來選擇配套的保護(hù)裝置。
2電流型保護(hù)與電流取樣型保護(hù)裝置
2．1電流型保護(hù)
(1)電氣控制線路的各種電器設(shè)備或電器元件的損壞主要是繞組過熱或絕緣性能降低引起的，而繞組的過熱往往是流經(jīng)繞組的電流過大引起的。對(duì)電氣控制線路的各種電器設(shè)備或電器元件保護(hù)主要有電流型保護(hù)。電流型保護(hù)主要包括短路保護(hù)、過電流保護(hù)、過載保護(hù)、欠電流保護(hù)、斷相保護(hù)等。電流型保護(hù)的基本原理是：通過保護(hù)電器取樣電流信號(hào)，電流信號(hào)經(jīng)過變換或放大后去控制被保護(hù)對(duì)象，當(dāng)電流達(dá)到整定值時(shí)保護(hù)電器動(dòng)作。
(2)電氣控制線路的保護(hù)往往還與其控制方式有一定關(guān)系，即保護(hù)中有控制，控制中有保護(hù)。如三相電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)，往往產(chǎn)生4～7倍額定電流的起動(dòng)電流。若由接觸器或斷路器來控制，則電器的觸頭應(yīng)能承受起動(dòng)電流的接通和分?jǐn)嗫己�，即使是可頻繁操作的接觸器也會(huì)引起觸頭磨損加劇，以致?lián)p壞電器；對(duì)塑料外殼式斷路器，即使是不頻繁操作，也很難達(dá)到要求。因此，使用中往往與起動(dòng)器串聯(lián)在主回路中一起使用，此時(shí)由起動(dòng)器中的接觸器來承載接通起動(dòng)電流的考核，而其他電器只承載通常運(yùn)轉(zhuǎn)中出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)過載電流分?jǐn)嗟目己�，至于保護(hù)功能，由配套的保護(hù)裝置來完成。
此外，對(duì)電動(dòng)機(jī)的控制還可以采用無觸點(diǎn)方式，即采用軟起動(dòng)控制系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)主回路由晶閘管來接通和分?jǐn)�。有的為了避免在這些元件上的持續(xù)損耗，正常運(yùn)行中采用真空接觸器承載主回路(并聯(lián)在晶閘管上)負(fù)載。這種控制有程控或非程控：近控或遠(yuǎn)控；慢速起動(dòng)或快速起動(dòng)等多種方式。另外，依賴電子線路，很容易做到如電子式繼電器那樣的各種保護(hù)功能。
2.2電流取樣型保護(hù)裝置
(1)熱繼電器利用負(fù)載電流流過經(jīng)校準(zhǔn)的電阻元件，使雙金屬熱元件加熱后產(chǎn)生彎曲，從而使繼電器的觸點(diǎn)在電動(dòng)機(jī)繞組燒壞以前動(dòng)作。其動(dòng)作特性與電動(dòng)機(jī)繞組的允許過載特性接近。熱繼電器雖然動(dòng)作時(shí)間準(zhǔn)確性一般，但對(duì)電動(dòng)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)有效的過載保護(hù)。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的不斷完善和改進(jìn)，除有溫度補(bǔ)償外，它還具有斷相保護(hù)及負(fù)載不平衡保護(hù)功能等。
�、茙в袩�——磁脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用熱式斷路器作過載保護(hù)用，結(jié)構(gòu)及動(dòng)作原理同熱繼電器，其雙金屬熱元件彎曲后有的直接頂脫扣裝置，有的使觸點(diǎn)接通，最后導(dǎo)致斷路器斷開。電磁鐵的整定值較高，僅在短路時(shí)動(dòng)作。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、動(dòng)作特性符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)、保護(hù)可靠，故日前仍被大量采用，特別是小容量斷路器尤為顯著。
(3)電子式過電流繼電器通過內(nèi)部各相電流互感器檢測(cè)故障電流信號(hào)，經(jīng)電子電路處理后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。電子電路變化靈活，動(dòng)作功能多樣，能廣泛滿足各種類型的電動(dòng)機(jī)的保護(hù)。其特點(diǎn)是：
①多種保護(hù)功能。主要有三種：過載保護(hù)，過載保護(hù)+斷相保護(hù)，過載保護(hù)+斷相保護(hù)+反相保護(hù)。
�、趧�(dòng)作時(shí)間可選擇(符合GB14048.4—93標(biāo)準(zhǔn))。標(biāo)準(zhǔn)型(10級(jí))：7.2In(In為電動(dòng)機(jī)額定電流)，4～1Os動(dòng)作，用于標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)，速動(dòng)型(10A級(jí))：7.2In時(shí)，2～10s動(dòng)作，用于潛水電動(dòng)機(jī)或壓縮電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。慢動(dòng)型(30級(jí))：7．2In時(shí)，9～30s動(dòng)作，用于如鼓風(fēng)機(jī)電機(jī)等起動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)的電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)。
�、垭娏髡ǚ秶鷱V。其最大值與最小值之比一般可達(dá)3～4倍，甚至更大倍數(shù)(熱繼電器為1.56倍)，特別適用于電動(dòng)機(jī)容量經(jīng)常變動(dòng)的場(chǎng)合(例如礦井等)。
�、苡泄收巷@示。由發(fā)光二極管顯示故障類別，便于檢修。
(4)固態(tài)繼電器是一種從完成繼電器功能的簡(jiǎn)單電子式裝置發(fā)展到具有各種功能的微處理器裝置。其成本和價(jià)格隨功能而異，最復(fù)雜的繼電器實(shí)際上只能用于較大型、較昂貴的電動(dòng)機(jī)或重要場(chǎng)合。它監(jiān)視、測(cè)量和保護(hù)的主要功能有：
�、僮畲蟮钠饎�(dòng)；中擊電流和時(shí)間；
②熱記憶；大慣性負(fù)載的長(zhǎng)時(shí)間加速：
�、蹟嘞嗷虿黄胶庀嚯娏鳎�
�、芟嘈�；
�、萸冯妷夯蜻^電壓；
⑥過電流(過載)運(yùn)行；
�、叨罗D(zhuǎn)；
�、嗍лd(機(jī)軸斷裂，傳送帶斷開或泵空吸造成工作電流下跌)：
�、犭妱�(dòng)機(jī)繞組溫度和負(fù)載的軸承溫度
�、獬倩蚴�。
上述每一種信息均可編程輸入微處理器，主要是加上需要的時(shí)限，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)或運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生損壞之前，將電源切斷。還可用發(fā)光二極管或數(shù)字顯示故障類別和原因，也可以對(duì)外向計(jì)算機(jī)輸出數(shù)據(jù)。
(5)帶有電子式脫扣的電動(dòng)機(jī)保護(hù)用斷路器其動(dòng)作原理類同上述電子式過電流繼電器或固態(tài)繼電器。功能主要有：電路參量顯示《電流、電壓、功率、功率因數(shù)等)，負(fù)載監(jiān)控(按規(guī)定切除或投入負(fù)載)，多種保護(hù)特性，故障報(bào)警，試驗(yàn)功能，自診斷功能，通信功能等。產(chǎn)品如施耐德電氣公司生產(chǎn)的M系列低壓斷路器。
(6)軟起動(dòng)器的主電路采用晶閘管，控制其分?jǐn)嗷蚪油ǖ谋Ｗo(hù)裝置一般做成故障檢測(cè)模塊，用來完成對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)前后的異常故障檢測(cè)，如斷相、過熱、短路、漏電和不平衡負(fù)載等故障，并發(fā)出相應(yīng)的動(dòng)作指令。其特點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，采用單片機(jī)即可完成，適用于工業(yè)控制。
2．3保護(hù)裝置與異步電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)配合
為了確保異步電動(dòng)機(jī)的正常運(yùn)行及對(duì)其進(jìn)行有效的保護(hù)，必須考慮異步電動(dòng)機(jī)與保護(hù)裝置之間的協(xié)調(diào)配合。特別是大容量電網(wǎng)中使用小容量異步電動(dòng)機(jī)時(shí)，保護(hù)的協(xié)調(diào)配合更為突出。
2．3.1過載保護(hù)裝置與電動(dòng)機(jī)的協(xié)調(diào)配合
�、胚^載保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)比電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)間略長(zhǎng)一點(diǎn)。電動(dòng)機(jī)過載保護(hù)裝置的特性只有躲開電動(dòng)機(jī)起動(dòng)電流的特性，才能確保其正常運(yùn)轉(zhuǎn)；但其動(dòng)作時(shí)間又不能太長(zhǎng)，其特性只能在電動(dòng)機(jī)熱特性之下才能起到過載保護(hù)作用。
(2)過載保護(hù)裝置瞬時(shí)動(dòng)作電流應(yīng)比電動(dòng)機(jī)起動(dòng)；中擊電流略大一點(diǎn)。如有的保護(hù)裝置帶過載瞬時(shí)動(dòng)作功能，則其動(dòng)作電流應(yīng)比起動(dòng)電流的峰值大一些，才能使電動(dòng)機(jī)正常起動(dòng)。
(3)過載保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間應(yīng)比導(dǎo)線熱特性小一點(diǎn)，才能起到供電線路后備保護(hù)的功能。
2.3．2過載保護(hù)裝置與短路保護(hù)裝置的協(xié)調(diào)配合
一般過載保護(hù)裝置不具有分?jǐn)喽搪冯娏鞯哪芰�。一旦在運(yùn)行中發(fā)生短路，需要由串聯(lián)在主電路中的短路保護(hù)裝置(如斷路器或熔斷器等)來切斷電路。若故障電流較小，屬于過載范圍，則仍應(yīng)由過載保護(hù)裝置切斷電路。故兩者的動(dòng)作之間應(yīng)有選擇性。
短路保護(hù)裝置特性是以熔斷器作代表說明的，與過載保護(hù)特性曲線的交點(diǎn)電流為L(zhǎng)j若考慮熔斷器特性的分散性，則交點(diǎn)電流有Is及l(fā)B兩個(gè)，此時(shí)就要求ls及以下的過電流應(yīng)由過載保護(hù)裝置來切斷電路，IB及以上直到允許的極限短路電流則由短路保護(hù)裝置來切斷電路，以滿足選擇性要求。顯然，在Is～I(xiàn)B范圍內(nèi)就很難確保有選擇性．因此要求該范圍應(yīng)盡量小。從現(xiàn)行IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定來看，極限值為Is=O．75Ljlb=1.25IJ。目前過載保護(hù)裝置的額定接通和分?jǐn)嗄芰?.75IJ考核，顯然偏低一些，從IEC標(biāo)準(zhǔn)修改的動(dòng)向，今后有可能按IJ考核，以提高其可靠性。因此上述的協(xié)調(diào)配合應(yīng)既考慮其選擇性，又考慮其額定接通和分?jǐn)嗄芰Α?/p>
3電壓型保護(hù)與電壓取樣型保護(hù)裝置
3．1電壓型保護(hù)
電動(dòng)機(jī)或電器元件都是在一定的額定電壓下正常工作，電壓過高、過低或者工作過程中非人為因素的突然斷電，都可能造成生產(chǎn)機(jī)械的損壞或人身事故，因此在電氣控制線路中，應(yīng)根據(jù)要求設(shè)置失壓保護(hù)、過電壓保護(hù)及欠電壓保護(hù)。
3．2電壓取樣型保護(hù)裝置
(1)在三相交流電動(dòng)機(jī)的使用中，越來越多的用于三相不可逆轉(zhuǎn)的傳動(dòng)設(shè)備(如水泵、風(fēng)機(jī)、空壓機(jī)、電梯電機(jī)等)。為使電機(jī)能在斷相、相序、過壓、欠壓情況下及時(shí)得以保護(hù)，相應(yīng)保護(hù)器應(yīng)有上述保護(hù)功能，以保證電機(jī)和設(shè)備正常安全工作。選用電壓取樣型電機(jī)保護(hù)器保護(hù)，該保護(hù)器能對(duì)電機(jī)工作電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)，判斷其電壓狀態(tài)(如過壓、欠壓、相序、錯(cuò)相，并在保護(hù)器面板上呈現(xiàn)上述故障指示)，如有故障，保護(hù)器則對(duì)三相供電電路中的控制電器(如交流接觸器)進(jìn)行控制，分?jǐn)嘀骰芈冯娫�，從而�?duì)電機(jī)和傳動(dòng)設(shè)備進(jìn)行有效的保護(hù)。
電壓取樣型保護(hù)器與電流取樣型保護(hù)器比較其最大特點(diǎn)是：它與被保護(hù)電器設(shè)備的功率大小無關(guān)，而只根據(jù)電網(wǎng)電源質(zhì)量的情況來進(jìn)行保護(hù)，使被保護(hù)電器避免因電源質(zhì)量不良造成損壞。特別是在三相不可逆轉(zhuǎn)設(shè)備或饋電線路中，待確定相序后，因維修或更改供電線路與原認(rèn)定相序錯(cuò)相相接時(shí)，保護(hù)器可鑒別其原定相序，從而對(duì)電機(jī)和相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。
(2)通常電壓取樣型保護(hù)器，主要對(duì)電機(jī)缺相和相序進(jìn)行保護(hù)，而對(duì)電機(jī)在實(shí)際運(yùn)行中，工作電壓常處于欠壓或過壓卻很難起到有效保護(hù)，而電壓取樣電機(jī)保護(hù)器工作范圍寬是其保護(hù)器新穎之處；在此工作范圍內(nèi)(交流三相300～460V)，保護(hù)器實(shí)現(xiàn)其欠壓及過壓保護(hù)動(dòng)作特性。另外在上述保護(hù)功能基礎(chǔ)上，保護(hù)器還可根據(jù)需求，不僅對(duì)過壓保護(hù)(380～460V可調(diào))和欠壓保護(hù)(300～380V可調(diào))電壓值設(shè)置，而且其保護(hù)延時(shí)也可調(diào)(過壓保護(hù)：延時(shí)0．5～5s可調(diào)；欠壓保護(hù)：延時(shí)1～1Os可調(diào))，這為電壓取樣型保護(hù)器保護(hù)功能和使用拓展了使用空間。
4結(jié)論
電壓取樣電機(jī)保護(hù)器在過壓、欠壓兩種情況下，因保護(hù)電壓范圍寬，且電壓保護(hù)參數(shù)值以及保護(hù)時(shí)間可設(shè)置，這為用戶在使用上提供了極大的方便。另外對(duì)電動(dòng)機(jī)最常見的斷相故障和相序進(jìn)行保護(hù)，又不受電機(jī)設(shè)備功率大小限制，是電壓取樣型保護(hù)器最大特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛使用。
