热敏电阻在电动机保护中的应用

杨振

（东华工程科技股份有限公司，合肥230024）

某大型煤化工项目空分装置采用离心式内压缩液氧泵增压，采用高压电机驱动。液氧泵从瑞士进口。由于不明原因，该液氧泵电动机的联锁保护在空分成套商的设计文件中未给予设计。笔者通过详细研究，成功设计了该泵电动机的联锁保护系统。

电动机是工业生产中广泛应用的一种驱动设备，在运行过程中，温度过高会导致绝缘老化，大大缩短电动机的使用寿命，甚至会使绝缘损坏而发生烧毁电动机的事故［1］。因此，重要的电动机必须设置温度监视及联锁保护系统。常见的保护方式是在电动机内部埋入铂热电阻，将信号引入控制系统，但在西方发达国家，电动机内部不仅埋入常规的铂热电阻，同时还埋入热敏电阻。铂热电阻一般用于电动机的温度监视，热敏电阻用于温度的联锁保护。

该项目中，液氧泵高压电动机定子绕组设置2组3套管式PTC热敏电阻，1组用于温度高报警（报警值130℃），另1组用于温度高高联锁停机保护（联锁值150℃）。电机轴承非轴伸端设置1组单支式PTC热敏电阻，用于温度高高联锁停机保护（联锁值120℃）。其余轴系温度监测均采用Pt100热电阻。

与常规泵保护系统不同的是，该泵保护采用普通Pt100和PTC热敏电阻相结合的方法。对于Pt100温度信号，配备接收Pt100信号的卡件或者温度变送器即可实现，但是对于PTC热敏电阻信号的处理，国内尚没有成熟的案例。因此，PTC热敏电阻信号的处理是该工程的一个难点。

1 PTC热敏电阻简介

热敏电阻是由金属氧化物或半导体材料制成的热敏元件，一般测温为－100～300℃。热敏电阻的响应时间远小于普通热电阻，一般用于测量反应速度快的场合［2］。按其温度特性可分为正温度系数（PTC）热敏电阻、负温度系数（NTC）热敏电阻、临界温度（CTR）热敏电阻［3］。

PTC热敏电阻是一种以钛酸钡为主要成分的高技术半导体功能陶瓷材料，当温度在某个温度值（居里温度）附近时，其阻值发生阶跃性变化。正是利用PTC热敏电阻对居里温度的敏感性能，国外先进电动机厂已经将其用于电动机的安全保护系统中。PTC热敏电阻的主要物理特性有电阻－温度特性、电压－电流特性、电流－时间特性［4］。

2.1 电阻－温度特性

电阻－温度特性通常简称为阻温特性，根据德国标准DIN 44081—1985的规定，通用型单支式PTC热敏电阻的电阻－温度特性如图1所示。

图1 PTC热敏电阻阻温特性曲线

其中NAT表示PTC热敏电阻的响应温度，即居里温度，由PTC热敏电阻本身的物理特性决定。一般PTC热敏电阻的NAT为40～300℃［5］。

2.2 电压－电流特性

电压－电流特性，即伏安特性，是PTC热敏电阻实际工作状态下的电压、电流之间的关系，典型曲线如图2所示。

图2 PTC热敏电阻伏安特性曲线

从上图可以看出，PTC热敏电阻的伏安特性曲线可以分为三个区间：左边区间，由于PTC热敏电阻两端所加电压较低，由功耗引起的温升电阻变化很小，称为等电阻段；中间区间，由于元件的功耗可以通过自身电阻的变化调整而基本保持不变，称为等功率段；右边区间，因受电压效应的影响，电阻阻值增大速度减慢，电流变化逐渐趋于平稳。

2.3 电流－时间特性

电流－时间特性表示在PTC热敏电阻两端加上额定工作电压时，流过电阻的电流随时间而变化的特性，典型曲线如图3所示。

图3 PTC热敏电阻电流－时间特性曲线

在PTC热敏电阻两端施加某一电压的瞬间，由于其初始阻值小，电流迅速增大。随着时间的推移，PTC热敏电阻发热，进入正温度系数特性区域，电阻阻值急剧增加，电流大幅度下降，最后达到稳定状态［6－7］。

3 PTC热敏电阻在液氧泵电动机保护中的实现

目前，DCS尚没有接收PTC热敏电阻信号的卡件。因此，笔者采用配套“继电器”接收PTC热敏电阻信号。在正常情况下，电动机内部的PTC热敏电阻处于低阻态，不影响电动机的正常运转。当电动机内部因故障过热时，PTC热敏电阻因受热阻值跃变，将信号送给配套的“继电器”，通过“继电器”的跳变，将干接点信号送到控制系统，参与泵的联锁保护。

该继电器是PTC热敏电阻专用的“PTC热敏电阻电机保护继电器”，借助于内置在定子绕组或轴承中的PTC热敏电阻对温度进行检测。该继电器适用于标准PTC热敏电阻的任何温度，并提供可靠的保护以防止电动机绕组或者轴承过热。几经周折，最后采用了ABB的CM－MSS系列产品。PTC热敏电阻电机保护继电器的主要参数见表1所列。

表1 PTC热敏电阻技术数据

温度阈值是指保护继电器在接收到PTC热敏电阻的信号后跳变的阻值。不同的是，该阻值不是一个定值，而是一个区间信号。温度迟滞是指温度在降低的过程中，该继电器复位时的值。

根据图1可知：在温度小于NAT－20℃时，R≤250Ω；在温度小于NAT－5℃时，R≤550Ω；在温度大于NAT时，R≥1 330Ω；在温度大于NAT＋5℃时，R≥4 000Ω。

该项目中液氧泵定子绕组温度检测采用三支串联式PTC热敏电阻［8］，其居里温度为150℃。当定子绕组温度低于130℃（NAT－20℃）时，回路总电阻R总≤3×250Ω＝750Ω，没有达到继电器温度阈值，液氧泵正常运转。当温度升至145℃（NAT－5℃）时，回路总电阻R总＝3×550Ω＝1 650Ω，没有达到继电器温度阈值，液氧泵正常运转。当温度稍再升高时，PTC热敏电阻阻值呈阶跃性增长。当温度达到150℃（NAT）时，R总＝3×1 330Ω＝3 990Ω＞3 700Ω。PTC热敏电阻电机保护继电器已经发生跳变，将干接点信号送到DCS，参与液氧泵联锁保护，然后输出干接点信号去电气配电柜控制停泵，达到保护泵的目的。

液氧泵非轴伸端温度检测采用单支式PTC热敏电阻，其NAT＝120℃。为了保险起见，笔者在回路中串联阻值为1.5kΩ的外加电阻。当非轴伸端温度低于115℃（NAT－5℃）时，R总＝550Ω＋1 500Ω＝2 050Ω，没有达到继电器温度阈值，液氧泵正常运转。当温度达到120℃（NAT）时，R总＝1 330Ω＋1 500Ω＝2 830Ω，进入继电器温度阈值区间。随着温度的再度增加，PTC热敏电阻呈阶跃性变化，进而驱动继电器发生跳变，将相应的干接点信号送至DCS，参与液氧泵联锁保护。

如上所述，在回路中串联外加电阻的方法属于保守的实现方法，是为了提前实现联锁保护。即使不在回路中串联外加电阻，当温度超过居里温度5℃时，PTC热敏电阻阻值已经达到4kΩ，已经驱使继电器跳变，达到了保护的目的。对此有人可能担心继电器跳变是在达到居里温度之后，可能会烧坏电极。对于该问题，在PTC热敏电阻选型时已经留有一定裕度。PTC热敏电阻的选型取决于电动机的绝缘等级，即需要检测温度的部位和PTC热敏电阻的热耦合很重要，否则达不到保护的目的。通常按比电动机绝缘等级相对应的极限温度低40℃左右来选择PTC热敏电阻的居里温度，以留有一定裕度，可很好地达到保护电动机的目的［9］。

4 结束语

PTC热敏电阻对特定温度的敏感性远超过铂热电阻，响应速度也远优于铂热电阻。此外，对线路中附加电阻的干扰性，PTC热敏电阻可以忽略不计。所以，将PTC热敏电阻用于电动机温度联锁保护是一种非常好的实现方式。

［1］ 李常娟，李杰，申光辉，等.保护电机温度控制系统［J］.自动化仪表，2002，23（11）：65－67.

［2］ 国家石油和化学工业局.HG 20505—2000过程检测和控制系统用文字代号和图形符号［S］.北京：化工工程建设标准编辑中心，2001.

［3］ 张宏建，蒙建波.自动检测技术与装置［M］.北京：化学工业出版社，2004：50－54.

［4］ 王彦勇.PTC热敏电阻介绍［J］.家电维修技术，2004，25（08）：33－34.

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

［6］ 孙叔平，刘广峰，吴幼华.工业自动化仪表与系统手册［M］.北京：中国电力出版社，2005：559－560.

［7］ 李加升，卜艳萍，曾静，等.PTC热敏电阻及其应用研究［J］.湖南农机，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］ 刘墓园，杨宾峰.PTC热敏电阻的特点及应用［J］.河南职业技术学院学报，2002，30（01）：49－52.