第八节　电气控制线路中的保护主令电器

电气控制系统对国民经济的发展和人民生活的影响都很大。为了提高电气控制系统运行的可靠和安全性，在电气控制系统的设计与运行中，都必须考虑到系统有发生故障和不正常工作情况的可能性。电气系统故障可能引起下列严重后果。

①短路电流通过短路点燃起电弧，使电气设备烧坏甚至烧毁，严重时会引发火灾。

②短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或缩短使用寿命。

③造成电网电压下降，波及其他用户和设备，使正常工作和生产遭到破坏甚至使事故扩大，造成整个配电系统瘫痪。

④最常见的不正常工作情况是过负荷。长时间过负荷会使载流设备和绝缘的温度升高，而使绝缘加速老化或设备遭受损坏，甚至引起故障。

电气控制线路在事故情况下，应能保证操作人员、电气设备、生产机械的安全，并能有效地制止事故的扩大。为此，在电气控制电路中应采取一定的保护措施，以避免因误操作而发生事故。保护环节也是所有自动控制系统不可缺少的组成部分，常用的保护环节包括短路、过载、过流、过压、失压等保护环节，如图2-33为具有欠压、过流、过载、短路保护的控制电路。下面从电气设备角度讨论电气故障的类型以及相应的保护。

一、电流型保护

电气元件在正常工作中，通过的电流一般在额定电流以内。短时间内，只要温升允许，超过额定电流也是可以的，这就是各种电气设备或电气元件根据其绝缘情况条件的不同，具有不同过载能力的原因。电气元件由于电流过大引起损坏的根本原因是温升超过绝缘材料的承受能力。电流型保护的基本原理是：将保护电器检测的信号，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。电流型保护主要有过流、过载、短路和断相几种。

1.短路保护

绝缘损坏、负载短接、接线错误等故障，都可能产生短路现象而使电气设备损坏，短路的瞬时故障电流可达到额定电流的几倍到几十倍。短路保护要求具有瞬动特性，即要求在很短时间内切断电源。

（1）熔断器　短路保护的常用方法是采用熔断器，通常熔断器比较适合用于动作准确度要求不高和自动化程度较差的系统中。如图2-33电路中的FU1，在对主电路采用三相四线制或对变压器采用中点接地的三相三线制的供电电路中，必须采用三相短路保护。FU2是当主电机容量较大在控制电路单独设置短路保护熔断器，如果主电机容量较小，其控制电路不需要另外设置熔断器。

（2）低压断路器　低压断路器也称为自动空气开关，既作为短路保护，又作为过载保护的电路。其中过流线圈具有反时限特性，用作短路保护；热元件用作过载保护。线路出故障时自动开关动作，事故处理完毕，只要重新合上开关，线路就能重新运行。

2.过电流保护

过电流保护是区别于短路保护的另一种电流型保护，用于不正确的启动和过大的负载转矩引起的电流保护，一般采用过电流继电器KI，过电流继电器的特点是动作电流值比短路保护的小，一般不超过2.5I_e。因为电动机或电气元件超过其额定电流的运行状态，时间长了同样会过热损坏绝缘。过电流保护也要求有瞬动保护特性，即只要过电流值达到整定值，保护电器立即切断电源。

如图2-33所示，按下SB2后，时间继电器KT的瞬动触点立即闭合，将过流继电器KI接入电路。但当电动机启动时，延时继电器KT的常闭触点闭合，过电流继电器的过电流线圈被短接，这时虽然启动电流很大，但过电流保护不执行。启动结束后，KT的常闭触点经过延时已断开，过电流继电器KI开始起保护作用。当电流值达到整定值时，过电流继电器KI动作，其常闭触点断开，接触器KM失电，电机停止运行。

这种方法，既可用于保护目的，也可用于一定的控制目的，一般用于绕线式异步电动机。

3.过载保护

过载是指电动机长期超负载运行，运行电流大于其额定电流，但超过额定电流的倍数更小些，通常在1.5I_e以内。过载保护是采用热继电器FR与接触器KM配合动作的方法完成保护的。引起过载的原因很多，如负载的突然增加、缺相运行以及电网电压降低等。长期处于过载也将引起电动机过热，使其温升超过允许值而损坏绝缘。过载保护要求保护电器具有反时限特性，即根据电流过载倍数的不同，其动作时间是不同的，它随着电流的增加而减小。

如图2-33中的热继电器FR在过载时其常闭触点动作，使接触器KM失电，电动机停转而得到保护。

4.欠电流保护

所谓欠电流保护是指被控制电路电流低于整定值时动作的一种保护。欠电流保护通常是用欠电流继电器KI来实现的。欠电流继电器线圈串联在被保护电路中，正常工作时吸合，一旦发生欠电流时释放以切断电源。其线圈在线路中的接法同过电流继电器一样，但串联在控制电路中的KI触点应采用常开触点，并与时间继电器的常闭延时断开触点相并联。

例如用欠电流保护可以实现弱磁保护，对于直流电动机来说，必须有一定强度的磁场才能确保正常启动运行。在启动时，如果直流电动机的励磁电流太小，产生的磁场也就减弱，将会使直流电动机的启动电流很大；当正常运转时，如直流电动机的磁场突然减弱或消失，会引起电动机转速迅速升高，损坏机械，甚至发生“飞车”事故。因此，必须采用欠电流继电器KI及时切断电源，实现弱磁保护。

二、电压型保护

电动机或电气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设计中，应根据要求设置零压保护、过电压保护及欠压保护。

1.零压保护

电动机正常工作时，如果因为电源电压的消失而停转，那么在电源电压恢复时就可能自行启动而造成人身事故或机械设备损坏。为防止电压恢复时电动机的自行启动或电气元件的自行投入工作而设置的保护，称为零压保护。如图2-33所示采用接触器KM及按钮SB2控制电动机的启保停电路具有失压保护作用。当突然断电时，接触器KM失电触点释放，当电网恢复正常时，由于接触器自锁电路已断开不会自行启动。

2.欠电压保护

电动机或电气元件在正常运行中，电网电压降低到U_e的60%～80%时，就要求能自动切除电源而停止工作，这种保护称为欠电压保护。因为当电网电压降低时，在负载一定的情况下，电动机电流将增加；另外，如电网电压降低到U_e的60%，控制线路中的各类交流接触器、继电器既不释放又不能可靠吸合，处于抖动状态（有很大噪声），线圈电流增大，既不能可靠工作，又可能造成电气元件和电动机的烧毁。图2-33中接触器KM及按钮SB2控制方式具有欠电压保护作用外，还可以采用空气开关或专门的电磁式欠电压继电器KA与接触器KM配合来进行欠电压保护，欠电压继电器用其常开触点来完成保护任务，当电网低于整定值时，欠电压继电器KA释放，其常开触点断开使接触器释放，电动机断电。

3.过电压保护

电磁铁、电磁吸盘等大电感负载及直流电磁机构、直流继电器等，在通断时会产生较高的感应电动势，较高的感应电动势易使工作线圈绝缘击穿而损坏。因此，必须采用适当的过电压保护措施。

通常过电压保护的方法可以采用专门的电磁式过电压继电器与接触器配合来进行过电压保护，其线圈和触点的接法与欠电压继电器KA相同。

4.多功能保护器

多功能保护器是将过载保护、断相保护、欠压保护和短路保护等在一个保护装置中同时实现。多功能保护器品种很多，性能各异。

图2-34所示的电动机多功能保护器，采用压敏电阻器作为检测器件，能在三相交流电源出现断相或过电压时，及时切断电动机的输入电源，保护电动机不因断相过电流和过电压而损坏。同时还能吸收开关尖脉冲和浪涌电流，控制电火花造成的干扰，延长电动机的使用寿命。

图2-34中，输入电压检测电路是由电阻器R1～R3和压敏电阻器RV1～RV3组成的三相平衡电路。在三相交流电源正常时，三相平衡电路的公共端（A点）电位为0V；控制保护电路由压敏电阻器RV4、RV5、电阻器R4、R5、固态继电器KN，刀开关Q，熔断器FU，交流接触器KM，启动按钮S和电动机M组成。RV4为公共端保护压敏电阻器，它与RV1～RV3构成过电压保护电路。当三相交流电源的任一相电压异常（电压过高或断相）时，均会导致公共端电位上升，使固态继电器KN内电路导通，将交流接触器KM的线圈短路，使KM释放，切断输入电压，保护电动机。

三、其他保护

在现代工业生产中，控制对象千差万别，所需要设置的保护措施很多。例如电梯控制系统中的越位极限保护（防止电梯冲顶或撞底），高炉卷扬机和矿井提升机设备中，则必须设置超速保护装置来控制速度等。

1.位置保护

一些生产机械的运动部件的行程和相对位置，往往要求限制在一定范围内，必须有适当的位置保护。例如工作台的自动往复运动需要有行程限位，起重设备的上、下、左、右和前、后运动行程都需要位置保护，否则就可能损坏生产机械并造成人身事故。

位置保护可以采用行程开关、干簧继电器，也可以采用非接触式接近开关等电气元件构成控制电路。

2.超速保护

有些控制系统为了防止生产机械运行超过允许的速度，要求限制速度在一定的范围内，以保证整个系统的安全运行，如高炉卷扬机和矿井提升机等，必须在线路中设置超速保护。

超速保护通常使用离心开关或测速发电机来实现。

3.温度、压力、流量等物理量的保护

在电气控制线路设计中，常要对生产过程中的温度、压力（液体或气体压力）、流量、运动速度等设置必要的控制与保护，将以上各物理量限制在一定范围以内。例如对于冷冻机、空调压缩机等，为保证电机绕组温升不超过允许温升，而直接将热敏元件预埋在电机绕组中来控制其温度；大功率中频逆变电源、各类自动焊机电源的晶闸管、变压器等水冷循环系统，当水压、流量不足时将损坏器件，可以采用压力开关和流量继电器进行保护。

大多数的物理量均可转化为温度、压力、流量等，需要采用各种专用的温度、压力、流量、速度传感器或继电器，它们的基本原理都是在控制回路中串联一些受这些参数控制的常开或常闭触点，然后通过逻辑组合、联锁等实现控制的。有些继电器的动作值能在一定范围内调节，以满足不同场合的保护需要。