电工基础：深入了解热继电器

本帖介绍热继电器工作原理、遵循的国家标准、热继电器选用原则和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方面的专业内容，让电工和仪表工能深入了解和正确使用这种常见电气元件。

                               
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1、热继电器 yunrun.com.cn/tech/2859.html
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。

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(https://bbs.hcbbs.com/thread-2878230-1-1.html)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1。

                               
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图1 继电器过载反时限动作特征
线1为三相笼型异步电动机容许的过载反时限动作特性；曲线2为热继电器的冷态过载反时限动作特性；曲线3为热继电器的热态过载反时限动作特性；曲线4为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IEC60947-4和GB14048.4，昌晖仪表将标准内容摘录如下：
①标准号：GB 14048.4-2010
②标准名称：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)
③等同使用的IEC标准号：IEC 60947-4-1:2009 Ed.3.0，MOD
④标准摘录：
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

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级别         在7.2.1.5.1表3中D列规定条件下的脱扣时间Tp，s

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10A          2＜Tp≤10
10            4＜Tp≤10
20            6＜Tp≤20
30            9＜Tp≤10

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注1：按继电器的类型，在7.2.1.5条中给出了脱扣条件。
注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)。
注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。
注4：考虑到不同的热元件特性和制造误差，可选择Tp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
a、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6In时的返回时间tf与动作时间td之间有如下关系：tp=(0.5~0.7)×td，这个公式中，tf为热继电器动作后的返回时间，单位为s；td为热继电器的动作时间，单位为s。

按电动机的起动电流为6In时具有三路热元件的热继电器动作特性见表3
表3  电动机的起动电流为6In时具有三路热元件的热继电器动作特性  

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整定电流        动作时间                工作条件

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1.0In              不动作                    冷态
1.2In             ＜20min                  热态
1.5In             ＜30min                  热态
1.5In              返回时间tf≥3s         冷态
1.5In              返回时间tf≥5s         冷态
1.5In              返回时间tf≥8s         冷态

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表1的环境条件是：海拔不大于1000m，环境温度为40℃。

b、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公式IFR=(1.05~1.1)In来选择，公式中，IFR为热继电器整定值；In为电动机额定电流。

例如30kW的电动机，已知它的额定电流是56A，则热继电器的整定电流按公式计算，则IFR=(1.05~1.1)×In=(1.05~1.1)×56≈58.8A~61.6A，故取热继电器的规格为63A。

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。

c、按断相保护要求来选择热继电器
对于星形联结的电动机，建议采用三极的热继电器；对于三角形联结的电动机，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4
表4 断相保护的热继电器其动作特性

                               
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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：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
表3 电动机出现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

                               
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             图A                                             图B                                           图C
  
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，可采用以下电动机重载起动的热继电器配套方法。
a、配套方法一：热继电器经过饱和电流互感器接入(说明：电动机重载起动时间一般在20~30s，最长可达40s)。
b、配套方法二：起动时利用接触器将热继电器热元件接线端子短接，正常运行时再断开接触器(说明：用于长时间的起动，需要配套时间继电器，可用于反复起动过程。电动机起动时热继电器无法进行过载保护)。
c、配套方法三：热继电器经过电流互感器接入，起动时间用中间继电器将继电器热元件接线端子短接，正常运行时再断开中间继电器(说明：用于长时间的起动，需要配套时间继电器，可用于反复起动过程。电动机起动时热继电器无法进行过载保护)。
d、采用脱扣级别为30的热继电器(说明：用于长时间的起动，需要配套时间继电器，可用于反复起动过程。电动机起动时热继电器无法进行过载保护)。
注：配套方法二和配套方法三可用普通热继电器和普通电流互感器。

4、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
对于电动机主电路，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昌晖仪表网将在《接触器与短路保护低压电器间的协调配合形式试验》中详细介绍。

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