熱敏電阻在電動機保護中的應用

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壓縮液氧泵增壓，采用高壓電機驅動。液氧泵從瑞士進口。由于不明原因，該液氧泵電動機的聯鎖保護在空分成套商的設計文件中未給予設計。筆者通過詳細研究，成功設計了該泵電動機的聯鎖保護系統。

電動機是工業生產中廣泛應用的一種驅動設備，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生燒毀電動機的事故［1］。因此，重要的電動機必須設置溫度監視及聯鎖保護系統。常見的保護方式是在電動機內部埋入鉑熱電阻，將信號引入控制系統，但在西方發達國家，電動機內部不僅埋入常規的鉑熱電阻，同時還埋入熱敏電阻。鉑熱電阻一般用于電動機的溫度監視，熱敏電阻用于溫度的聯鎖保護。

該項目中，液氧泵高壓電動機定子繞組設置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組用于溫度高高聯鎖停機保護（聯鎖值150℃）。電機軸承非軸伸端設置1組單支式PTC熱敏電阻，用于溫度高高聯鎖停機保護（聯鎖值120℃）。其余軸系溫度監測均采用Pt100熱電阻。

與常規泵保護系統不同的是，該泵保護采用普通Pt100和PTC熱敏電阻相結合的方法。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，但是對于PTC熱敏電阻信號的處理，國內尚沒有成熟的案例。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℃。熱敏電阻的響應時間遠小于普通熱電阻，一般用于測量反應速度快的場合［2］。按其溫度特性可分為正溫度系數（PTC）熱敏電阻、負溫度系數（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將其用于電動機的安全保護系統中。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，根據德國標準DIN 44081—1985的規定，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下的電壓、電流之間的關系，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間：左邊區間，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；中間區間，由于元件的功耗可以通過自身電阻的變化調整而基本保持不變，稱為等功率段；右邊區間，因受電壓效應的影響，電阻阻值增大速度減慢，電流變化逐漸趨于平穩。

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熱敏電阻發熱，進入正溫度系數特性區域，電阻阻值急劇增加，電流大幅度下降，最后達到穩定狀態［6－7］。

3 PTC熱敏電阻在液氧泵電動機保護中的實現

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，電動機內部的PTC熱敏電阻處于低阻態，不影響電動機的正常運轉。當電動機內部因故障過熱時，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，參與泵的聯鎖保護。

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。幾經周折，最后采用了ABB的CM－MSS系列產品。PTC熱敏電阻電機保護繼電器的主要參數見表1所列。

表1 PTC熱敏電阻技術數據

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。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。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發生跳變，將干接點信號送到DCS，參與液氧泵聯鎖保護，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。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間。隨著溫度的再度增加，PTC熱敏電阻呈階躍性變化，進而驅動繼電器發生跳變，將相應的干接點信號送至DCS，參與液氧泵聯鎖保護。

如上所述，在回路中串聯外加電阻的方法屬于保守的實現方法，是為了提前實現聯鎖保護。即使不在回路中串聯外加電阻，當溫度超過居里溫度5℃時，PTC熱敏電阻阻值已經達到4kΩ，已經驅使繼電器跳變，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，響應速度也遠優于鉑熱電阻。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鎖保護是一種非常好的實現方式。

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

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

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

［4］ 王彥勇.PTC熱敏電阻介紹［J］.家電維修技術，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.工業自動化儀表與系統手冊［M］.北京：中國電力出版社，2005：559－560.

［7］ 李加升，卜艷萍，曾靜，等.PTC熱敏電阻及其應用研究［J］.湖南農機，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用［J］.河南職業技術學院學報，2002，30（01）：49－52.