船用三相异步电动机的保护

张立心(德州恒力电机有限责任公司，山东德州 253002)

0 引言

船舶电机在实际应用中，应按照电动机的容量、型式、控制方式和配电设备等因素来选择相匹配的保护装置及起动设备。

1 电动机的保护与控制关系

电动机的保护通常与其控制方式相互关联，即保护中有控制，控制中有保护。如电动机直接起动时，往往产生5～8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 电动机保护装置

电动机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。对电动机的保护主要有电流、温度检测两大类型。下面结合产品进行介绍。

2.1 电流检测型保护装置

(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。例如从ABB公司引进的T系列双金属片式热过载继电器，从西门子引进的3UA5、3UA6系列双金属片式热过载继电器，JR20型、JR36型热过载继电器。

(2)带有热-磁脱扣的电动机保护用断路器热式作过载保护用，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。例如从ABB公司引进的M611型电动机保护用断路器，国产DWl56低压万能断路器(200～630 A)、S系列塑壳断路器(100、200、400 入)。

(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。其特点如下:

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GBl4048.4标准)。标准型(10级):8.2In(In为电动机额定电流)，4～10 s动作，用于标准电动机过载保护;速动型(10A级):8.2In时，2～10 s动作，用于潜水电动机或压缩电动机过载保护;慢动型(30级):8.2In时，9～30 s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。

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 最大的起动冲击电流和时间;② 热记忆;③ 大惯性负载的长时间加速;④ 断相或不平衡相电流;⑤相序;⑥ 欠电压或过电压;⑦ 过电流(过载)运行;⑧堵转;⑨失载(机轴断裂，传送带断开或泵空吸造成工作电流下跌);⑩电动机绕组温度和负载的轴承温度;○11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(指数曲线反时限、I2t曲线反时限、定时限或其组合)，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。

2.2 温度检测型保护装置

(1)双金属片温度继电器直接埋入电动机绕组中。当电动机过载使绕组温度升高至接近极限值时，带有一触头的双金属片受热产生弯曲，使触点断开而切断电路。产品如JW2温度继电器。

(2)热保护器是装在电动机本体上使用的热动式过载保护继电器。与温度继电器不同的是带2个触头的碗形双金属片作为触桥串在电动机回路，既有流过的过载电流使其发热，又有电动机温度使其升温，达到一定值时，双金属片瞬间反跳动作，触点断开，分断电动机电流。它可作小型三相电动机的温度、过载和断相保护。产品如Spb、DRB型热保护器。

(3)检测线圈测温电动机定子每相绕组中埋入PTC热敏电阻，当电机线圈的温度接近绝缘等级要求的温度时，其PTC热敏电阻阻值迅速升高，此信号传送至控制箱内的过热保护器，保护器根据此信号将电机电路断开来保护电机。

(4)铂热电阻传感器(PT100、PT1000)直接埋入电动机绕组中，与智能温度控制仪配合使用，可直接显示定子线圈的温度，并可设定保护温度，超过保护温度后温度控制仪自动切断电动机电源。

(5)轴承铂热电阻传感器(PT100)装于轴电机端盖上，与轴承外圈直接接触，与智能温度控制仪配合使用，可直接显示定子线圈的温度，并可设定保护温度，超过保护温度后温度控制仪自动切断电动机电源，不至于因轴承过热抱死而引起电机绕组烧坏。

2.3 保护装置与船用三相异步电动机的协调配合

为了确保船用三相异步电动机的正常运行及对其进行有效保护，必须考虑船用三相异步电动机与保护装置之间的协调配合。特别是大容量电源中使用小容量船用三相异步电动机时，保护的协调配合更为突出。

2.4 过载保护装置与电动机的协调配合

(1)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冲击电流略大一点。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。

2.5 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。

3 结语

船用三相异步电动机的保护是涉及电气装置和机械设备可靠、正常运转的关键之一。直接检测电动机绕组的温度来保护过载引起的过热是很有效的保护方式，但由于需直接埋入电动机绕组里，价格较贵、维修困难等原因，仅在部分频繁操作场合使用;从经济性考虑，采用电流检测型更为有利，加热继电器仍是一种价廉、简单、可靠的电动机保护形式(从实际使用情况看，目前使用量占大多数);对动作性能要求较高及功能要求全或价格昂贵的大容量电动机保护，则可采用电子式或固态继电器;对一般要求，则采用带热-磁脱扣的电动机保护用断路器更为实用。但不管采用何种保护装置，必须考虑过载保护装置与电动机、过载保护装置与短路保护装置的协调配合。