熱敏電阻在電動機保護中的應(yīng)用

楊振

（東華工程科技股份有限公司，合肥230024）

某大型煤化工項目空分裝置采用離心式內(nèi)壓縮液氧泵增壓，采用高壓電機驅(qū)動。液氧泵從瑞士進口。由于不明原因，該液氧泵電動機的聯(lián)鎖保護在空分成套商的設(shè)計文件中未給予設(shè)計。筆者通過詳細研究，成功設(shè)計了該泵電動機的聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。

電動機是工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的一種驅(qū)動設(shè)備，在運行過程中，溫度過高會導致絕緣老化，大大縮短電動機的使用壽命，甚至會使絕緣損壞而發(fā)生燒毀電動機的事故［1］。因此，重要的電動機必須設(shè)置溫度監(jiān)視及聯(lián)鎖保護系統(tǒng)。常見的保護方式是在電動機內(nèi)部埋入鉑熱電阻，將信號引入控制系統(tǒng)，但在西方發(fā)達國家，電動機內(nèi)部不僅埋入常規(guī)的鉑熱電阻，同時還埋入熱敏電阻。鉑熱電阻一般用于電動機的溫度監(jiān)視，熱敏電阻用于溫度的聯(lián)鎖保護。

該項目中，液氧泵高壓電動機定子繞組設(shè)置2組3套管式PTC熱敏電阻，1組用于溫度高報警（報警值130℃），另1組用于溫度高高聯(lián)鎖停機保護（聯(lián)鎖值150℃）。電機軸承非軸伸端設(shè)置1組單支式PTC熱敏電阻，用于溫度高高聯(lián)鎖停機保護（聯(lián)鎖值120℃）。其余軸系溫度監(jiān)測均采用Pt100熱電阻。

與常規(guī)泵保護系統(tǒng)不同的是，該泵保護采用普通Pt100和PTC熱敏電阻相結(jié)合的方法。對于Pt100溫度信號，配備接收Pt100信號的卡件或者溫度變送器即可實現(xiàn)，但是對于PTC熱敏電阻信號的處理，國內(nèi)尚沒有成熟的案例。因此，PTC熱敏電阻信號的處理是該工程的一個難點。

1 PTC熱敏電阻簡介

熱敏電阻是由金屬氧化物或半導體材料制成的熱敏元件，一般測溫為－100～300℃。熱敏電阻的響應(yīng)時間遠小于普通熱電阻，一般用于測量反應(yīng)速度快的場合［2］。按其溫度特性可分為正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻、負溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻、臨界溫度（CTR）熱敏電阻［3］。

PTC熱敏電阻是一種以鈦酸鋇為主要成分的高技術(shù)半導體功能陶瓷材料，當溫度在某個溫度值（居里溫度）附近時，其阻值發(fā)生階躍性變化。正是利用PTC熱敏電阻對居里溫度的敏感性能，國外先進電動機廠已經(jīng)將其用于電動機的安全保護系統(tǒng)中。PTC熱敏電阻的主要物理特性有電阻－溫度特性、電壓－電流特性、電流－時間特性［4］。

2.1 電阻－溫度特性

電阻－溫度特性通常簡稱為阻溫特性，根據(jù)德國標準DIN 44081—1985的規(guī)定，通用型單支式PTC熱敏電阻的電阻－溫度特性如圖1所示。

圖1 PTC熱敏電阻阻溫特性曲線

其中NAT表示PTC熱敏電阻的響應(yīng)溫度，即居里溫度，由PTC熱敏電阻本身的物理特性決定。一般PTC熱敏電阻的NAT為40～300℃［5］。

2.2 電壓－電流特性

電壓－電流特性，即伏安特性，是PTC熱敏電阻實際工作狀態(tài)下的電壓、電流之間的關(guān)系，典型曲線如圖2所示。

圖2 PTC熱敏電阻伏安特性曲線

從上圖可以看出，PTC熱敏電阻的伏安特性曲線可以分為三個區(qū)間：左邊區(qū)間，由于PTC熱敏電阻兩端所加電壓較低，由功耗引起的溫升電阻變化很小，稱為等電阻段；中間區(qū)間，由于元件的功耗可以通過自身電阻的變化調(diào)整而基本保持不變，稱為等功率段；右邊區(qū)間，因受電壓效應(yīng)的影響，電阻阻值增大速度減慢，電流變化逐漸趨于平穩(wěn)。

2.3 電流－時間特性

電流－時間特性表示在PTC熱敏電阻兩端加上額定工作電壓時，流過電阻的電流隨時間而變化的特性，典型曲線如圖3所示。

圖3 PTC熱敏電阻電流－時間特性曲線

在PTC熱敏電阻兩端施加某一電壓的瞬間，由于其初始阻值小，電流迅速增大。隨著時間的推移，PTC熱敏電阻發(fā)熱，進入正溫度系數(shù)特性區(qū)域，電阻阻值急劇增加，電流大幅度下降，最后達到穩(wěn)定狀態(tài)［6－7］。

3 PTC熱敏電阻在液氧泵電動機保護中的實現(xiàn)

目前，DCS尚沒有接收PTC熱敏電阻信號的卡件。因此，筆者采用配套“繼電器”接收PTC熱敏電阻信號。在正常情況下，電動機內(nèi)部的PTC熱敏電阻處于低阻態(tài)，不影響電動機的正常運轉(zhuǎn)。當電動機內(nèi)部因故障過熱時，PTC熱敏電阻因受熱阻值躍變，將信號送給配套的“繼電器”，通過“繼電器”的跳變，將干接點信號送到控制系統(tǒng)，參與泵的聯(lián)鎖保護。

該繼電器是PTC熱敏電阻專用的“PTC熱敏電阻電機保護繼電器”，借助于內(nèi)置在定子繞組或軸承中的PTC熱敏電阻對溫度進行檢測。該繼電器適用于標準PTC熱敏電阻的任何溫度，并提供可靠的保護以防止電動機繞組或者軸承過熱。幾經(jīng)周折，最后采用了ABB的CM－MSS系列產(chǎn)品。PTC熱敏電阻電機保護繼電器的主要參數(shù)見表1所列。

表1 PTC熱敏電阻技術(shù)數(shù)據(jù)

溫度閾值是指保護繼電器在接收到PTC熱敏電阻的信號后跳變的阻值。不同的是，該阻值不是一個定值，而是一個區(qū)間信號。溫度遲滯是指溫度在降低的過程中，該繼電器復位時的值。

根據(jù)圖1可知：在溫度小于NAT－20℃時，R≤250Ω；在溫度小于NAT－5℃時，R≤550Ω；在溫度大于NAT時，R≥1 330Ω；在溫度大于NAT＋5℃時，R≥4 000Ω。

該項目中液氧泵定子繞組溫度檢測采用三支串聯(lián)式PTC熱敏電阻［8］，其居里溫度為150℃。當定子繞組溫度低于130℃（NAT－20℃）時，回路總電阻R總≤3×250Ω＝750Ω，沒有達到繼電器溫度閾值，液氧泵正常運轉(zhuǎn)。當溫度升至145℃（NAT－5℃）時，回路總電阻R總＝3×550Ω＝1 650Ω，沒有達到繼電器溫度閾值，液氧泵正常運轉(zhuǎn)。當溫度稍再升高時，PTC熱敏電阻阻值呈階躍性增長。當溫度達到150℃（NAT）時，R總＝3×1 330Ω＝3 990Ω＞3 700Ω。PTC熱敏電阻電機保護繼電器已經(jīng)發(fā)生跳變，將干接點信號送到DCS，參與液氧泵聯(lián)鎖保護，然后輸出干接點信號去電氣配電柜控制停泵，達到保護泵的目的。

液氧泵非軸伸端溫度檢測采用單支式PTC熱敏電阻，其NAT＝120℃。為了保險起見，筆者在回路中串聯(lián)阻值為1.5kΩ的外加電阻。當非軸伸端溫度低于115℃（NAT－5℃）時，R總＝550Ω＋1 500Ω＝2 050Ω，沒有達到繼電器溫度閾值，液氧泵正常運轉(zhuǎn)。當溫度達到120℃（NAT）時，R總＝1 330Ω＋1 500Ω＝2 830Ω，進入繼電器溫度閾值區(qū)間。隨著溫度的再度增加，PTC熱敏電阻呈階躍性變化，進而驅(qū)動繼電器發(fā)生跳變，將相應(yīng)的干接點信號送至DCS，參與液氧泵聯(lián)鎖保護。

如上所述，在回路中串聯(lián)外加電阻的方法屬于保守的實現(xiàn)方法，是為了提前實現(xiàn)聯(lián)鎖保護。即使不在回路中串聯(lián)外加電阻，當溫度超過居里溫度5℃時，PTC熱敏電阻阻值已經(jīng)達到4kΩ，已經(jīng)驅(qū)使繼電器跳變，達到了保護的目的。對此有人可能擔心繼電器跳變是在達到居里溫度之后，可能會燒壞電極。對于該問題，在PTC熱敏電阻選型時已經(jīng)留有一定裕度。PTC熱敏電阻的選型取決于電動機的絕緣等級，即需要檢測溫度的部位和PTC熱敏電阻的熱耦合很重要，否則達不到保護的目的。通常按比電動機絕緣等級相對應(yīng)的極限溫度低40℃左右來選擇PTC熱敏電阻的居里溫度，以留有一定裕度，可很好地達到保護電動機的目的［9］。

4 結(jié)束語

PTC熱敏電阻對特定溫度的敏感性遠超過鉑熱電阻，響應(yīng)速度也遠優(yōu)于鉑熱電阻。此外，對線路中附加電阻的干擾性，PTC熱敏電阻可以忽略不計。所以，將PTC熱敏電阻用于電動機溫度聯(lián)鎖保護是一種非常好的實現(xiàn)方式。

［1］ 李常娟，李杰，申光輝，等.保護電機溫度控制系統(tǒng)［J］.自動化儀表，2002，23（11）：65－67.

［2］ 國家石油和化學工業(yè)局.HG 20505—2000過程檢測和控制系統(tǒng)用文字代號和圖形符號［S］.北京：化工工程建設(shè)標準編輯中心，2001.

［3］ 張宏建，蒙建波.自動檢測技術(shù)與裝置［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2004：50－54.

［4］ 王彥勇.PTC熱敏電阻介紹［J］.家電維修技術(shù)，2004，25（08）：33－34.

［5］ Deutsches Institut fur Normung.DIN 44081—1985Thermischer Maschinenschutz，Klimatische Anwendungsklasse HFF［S］.Berlin：DE－DIN，1985.

［6］ 孫叔平，劉廣峰，吳幼華.工業(yè)自動化儀表與系統(tǒng)手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：559－560.

［7］ 李加升，卜艷萍，曾靜，等.PTC熱敏電阻及其應(yīng)用研究［J］.湖南農(nóng)機，2007，13（05）：13－14.

［8］ Deutsches Institut fur Normung.DIN 44082—1985 Thermistors；PTC for Thermal Machine Protection；Climate Category HFF［S］.Berlin：DE－DIN，1985.

［9］ 劉墓園，楊賓峰.PTC熱敏電阻的特點及應(yīng)用［J］.河南職業(yè)技術(shù)學院學報，2002，30（01）：49－52.