热继电器在电动机断相保护中的应用

1.热继电器概述

电动机在实际运行中若出现过载，则电动机的转速将下降，绕组中的电流将增大，从而使电动机的温度升高。若过载电流不大且过载时间较短，电动机绕组中的温升不会超过允许值，则此类过载是容许的；若过载时间长，或过载电流大，则电动机的绕组温升就会超过允许值，这将造成电动机绕组绝缘老化，缩短电动机的使用寿命，严重时甚至会烧毁电动机，因此必须对电动机进行过载保护。

图3-57 ABB的A系列交流接触器技术参数简表

热继电器利用电流的热效应原理实施过载保护。当出现电动机不能承受的过载时，过载电流流过热继电器的热元件引起热继电器产生保护动作，配合交流接触器切断电动机电路。

热继电器的形式多样，常用的有双金属片式和热敏电阻式，目前使用最多的是双金属片式，同时有的规格还带有断相保护功能。

双金属片热继电器主要由主双金属片、热元件、复位按钮、动作机构、触点系统、电路调节旋钮、复位机构和温度补偿元件等构成。

当电动机正常运行时，热元件产生的热虽然能使主双金属片弯曲，但是弯曲产生的推动力不足以使热继电器的触点动作。当电动机过载时，双金属片的弯曲位移加大，推动导板使常闭触点断开，通过控制电路使得交流接触器断电分闸从而切断电动机的工作电源，由此保护了电动机。

我们来看图3-58。

图3-58 热继电器过载反时限动作特性

图3-58中

曲线1——三相笼型异步电动机容许的过载反时限动作特性；

曲线2——热继电器的冷态过载反时限动作特性；

曲线3——热继电器的热态过载反时限动作特性；

曲线4——热继电器的断相保护特性曲线。

可以看出，使用热继电器对三相笼型异步电动机进行过载保护时，必须与交流接触器配合使用，热继电器的过载保护曲线2和3不能与电动机容许的过载反时限曲线1有交点。

热继电器遵循的标准是IEC 60947-4和GB 14048.4《低压开关设备和控制设备 低压机电式接触器和电动机起动器》。

标准摘录：GB 14048.4—2010《低压开关设备和控制设备 第4-1部分：接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》，等同于IEC 60947-4-1：2009 Ed 3.0，MOD。

5.7.3.2 过载继电器

d.根据表2分类的脱扣级别或在7.2.1.5.1表3中D列规定的条件下脱扣时间超过30s时的最大脱扣时间，单位为s；

表2 热、电磁或固态过载继电器的脱扣级别和脱扣时间

注：1.按继电器的类型，在7.2.1.5条中给出了脱扣条件；

2.对于转子变阻式起动器，过载继电器通常接在定子电路中。因此，过载继电器不能有效地保护转子电路，特别是电阻器（通常，起动器在故障条件下起动时，电阻器比转子本身和开关电器更易损坏），因此，转子电路的保护应符合制造厂和用户的协议（7.2.1.1.3）。

3.对于两级自耦减压起动器，起动用自耦变压器一般仅在起动时间内使用，如在故障条件下起动时，自耦变压器不能受到过载继电器的有效保护。因此，自耦变压器的保护应符合制造厂和用户的协议。

4.考虑到不同的热元件特性和制造误差，可选择T_p的下限值。

标准中给出的脱扣级别为10A的热继电器用于轻载电动机，脱扣级别为10的热继电器用于一般的电动机，脱扣级别为20和30的热继电器可用于重载起动的电动机。

2.热继电器的选择原则

热继电器主要用于电动机的过载保护，使用中应当考虑电动机的工作环境、起动情况、负载性质等因素，主要有以下几个方面：

（1）热继电器用于保护长时工作制的电动机

1）按电动机的起动时间来选择热继电器：热继电器在电动机起动电流为6I_n时的返回时间t_f与动作时间t_d之间有如下关系：

t_f=（0.5-0.7）t_d （3-21）

式中 t_f——热继电器动作后的返回时间，单位为s；

t_d——热继电器的动作时间，单位为s。(www.xing528.com)

按电动机的起动电流为6I_n时具有三热元件的热继电器动作特性见表3-31。

表3-31 电动机的起动电流为6I_n时具有三热元件的热继电器动作特性

注：如果三热元件的热继电器用于两极通电时，则按1.2I_n选取，但整定电流要调高10%。

表3-30的环境条件是海拔不大于1000m，环境温度为40℃。

2）按电动机额定电流来选择热继电器及整定热继电器保护参数：一般地，热继电器的整定电流可按式（3-22）来选择：

I_FR=（1.05～1.1）I_n （3-22）

式中 I_FR——热继电器整定值；

I_n——电动机额定电流。

对于过载能力比较差的电动机，通常按电动机额定电流的60%～80%来选择热继电器的额定电流。

3）按断相保护要求来选择热继电器：对于星形接法的电动机，建议采用三极的热继电器；对于三角形接法的电动机，应当采用带断相保护装置的热继电器，即脱扣级别为20或者30。

具有断相保护的热继电器其动作特性见表3-32。

表3-32 具有断相保护的热继电器其动作特性

注：热继电器的复位时间：不大于5min，手动复位时间不大于2min；电流调节范围是66%～100%。

当电动机出现断相时，电动机各绕组的电流、流过热继电器的电流及热继电器保护状况。见表3-33。

表3-33 电动机断相时各绕组的电流、流过热继电器的电流及热继电器保护状况

（2）热继电器用于保护重复短时工作制的电动机

对于重复短时工作制的电动机，例如起重电机，由于电动机不断重复起动使得温升加剧，热继电器双金属片的温升跟不上电动机绕组的温升，则电动机将得不到可靠的过载保护，电动机的过载保护不宜选用双金属片热继电器，而应当选用过电流继电器或能反映出绕组实际温度的温度继电器来实施保护。

（3）选择用于重载起动电动机保护的热继电器

当电动机起动惯性矩较大时，例如用于风机、卷扬机、空压机和球磨机等设备的电动机，其起动时间较长，一般在5s以上，甚至可达1min。为了使热继电器在电动机起动期间不动作，可采用多种方法，见表3-34。

表3-34 用于电动机重载起动的热继电器配套方法

注：方法编号2和3可用普通热继电器和普通电流互感器。

3.热继电器及交流接触器与执行短路保护的元件之间的配合关系

对于电动机主回路，一般主元件的配置中用断路器或熔断器进行短路保护，用交流接触器控制电动机的合分和运行，用热继电器对电动机实施过载保护。

当电动机或者电动机回路引至电动机的电缆发生短路时，短路电流将流过短路保护元件（断路器或者熔断器），也流过交流接触器和热继电器，但只有短路保护元件才能切断短路电流，而交流接触器和热继电器只能承受短路电流的冲击。

为此，执行短路保护的元件和交流接触器、热继电器之间需要有短路保护协调配合。关于短路保护协调配合见本章的3.9.4节和第4章的4.4.2节。

4.ABB的若干种热继电器参数

ABB的TA系列热继电器简表如图3-59所示。

表中SU-30系列配套了过饱和电流互感器，而DU系列则采用电子式热元件，它可选择脱扣级别。

图3-59 ABB的TA系列热继电器选型表