1.4 电气控制线路的保护

在设计电气控制系统时，必须考虑相应的保护措施，才能保证设备在某些非正常状态或故障发生时，不致引起设备损坏或其他损失。常用的保护措施有短路保护、过载保护、过流保护、欠压保护等。

1.4.1 短路保护

电动机绕组的绝缘、导线的绝缘损坏或线路发生故障时，造成短路现象，都会产生强大的短路电流使电气设备损坏。因此，在产生短路现象时，必须迅速地将电源切断。常用的短路保护元件有熔断器和自动开关。

1.熔断器保护

熔断器的熔体串联在被保护的电路中，当电路发生短路或严重过载时，它自动熔断，从而切断电路，达到保护的目的。

2.自动开关保护

自动开关又称自动空气断路器，它有短路、过载和欠压保护几种，这种开关能在线路产生上述故障时快速地自动切断电源。它是低压配电重要保护元件之一，通常作为低压配电盘的总电源开关及电动机变压器的合闸开关。

通常，熔断器比较适用于动作准确度和自动化程序较差的系统中，如小容量的笼型电动机、一般的普通交流电源等；在发生短路时，很可能造成一相熔断器熔断，造成单相运行。对于自动开关，只要发生短路就会自动跳闸，将三相同时切断。自动开关结构复杂，操作频率低，广泛用于要求较高的场合。

1.4.2 过载保护

电动机长期超载运行，电动机绕组温升超过其允许值，电动机的绝缘材料就要变脆，寿命减少，严重时使电动机损坏。过载电流越大，达到允许温升的时间就越短。常用的过载保护元件是热继电器。热继电器可以满足这样的要求：当电动机为额定电流时，电动机为额定温升，热继电器不动作；在过载电流较小时，热继电器要经过较长时间才动作；过载电流较大时，热继电器则经过较短时间就会动作。

由于热惯性的原因，热继电器不会受电动机适时过载冲击电流或短路电流的影响而瞬时动作，所以在使用热继电器做过载保护的同时，必须设有短路保护。并且选做短路保护的熔断器熔体的额定电流不应超过4倍热继电器发热元件的额定电流。

当电动机的工作环境温度和热继电器工作环境温度不同时，保护的可靠性就受到影响。现有一种用热敏电阻作为测量元件的热继电器，它可将热敏元件嵌在电动机绕组中，可更准确地测量电动机绕组的温升。

1.4.3 过流保护

过电流保护广泛用于直流电动机或绕线转子异步电动机。对于三相笼型电动机，由于其短时过电流不会产生严重后果，故不采用过流保护而采用短路保护。

过电流往往是由于不正确的启动和过大的负载转矩引起的，一般比短路电流要小。在电动机运行中产生过电流要比发生短路的可能性更大，尤其是在频繁正反转、制动的重复短时工作制动的电动机中更是如此。直流电动机和绕线转子异步电动机线路中过电流继电器也起着短路保护的作用，一般过电流动作时的强度值为启动电流的1.2倍左右。

1.4.4 零压、欠压保护

当电动机正在运行时，如果电源电压因某种原因消失，那么在电源电压恢复时，电动机就将自行启动，这就可能造成生产设备的损坏，甚至造成人身事故。对电网来说，许多电动机及其他用电设备自行启动也会引起不允许的过电流及瞬间电压下降。为了防止电压恢复时电动机自行启动的保护叫零电压保护。

当电动机正常运转时，电源电压过分地降低将引起一些电气元件触点释放，造成控制线路不正常工作，可能产生事故。电源电压过分地降低还会引起电动机转速下降甚至停转。因此，需要在电源电压降到一定允许值以下时将电源切断，这就是欠电压保护。

一般常用电压继电器实现欠压保护。如图1-21所示，电压继电器KZ起零压保护作用。在该线路中，当电源电压过低或消失时，电压继电器KZ就要释放，因为此时主令控制器SA不在零位（即SA0未闭合），所以在电压恢复时，KZ不会通电动作，接触器KM1或KM2就不能通电动作。若使电动机重新启动，必须先将主令开关SA打回零位，使触点SA0闭合，KZ通电动作并自锁，然后再将SA打向正向或反向位置，电动机才能启动。这样就通过KZ继电器实现了零压保护。

同时，在图1-21中使用的电动机常用保护线路还有以下几种。

短路保护：熔断器FU。

过载保护（热保护）：热继电器FR。

过流保护：过流继电器KA1、KA2。

零压保护：电压继电器KZ。

低压保护：欠电压继电器KV。

联锁保护：通过正向接触器KM1与反向接触器KM2的常闭触点实现。

然而，在许多设备中不用控制开关操作，而是用按钮操作的。利用按钮的自动恢复作用和接触器的自锁作用，可不必另设零压保护继电器。如图1-22所示，当电源电压过低或断电时，接触器KM释放，此时接触器KM的主触点和辅助触点同时打开，使电动机电源切断并失去自锁。当电源恢复正常时，操作人员必须重新按下启动按钮SB2，才能使电动机启动，所以像这样带有自锁环节的电路本身已兼备了零压保护环节。

1.4.5 其他保护

除了上面涉及的连锁自锁保护之外，对于电动机来说，缺相运行也是导致电动机烧毁的原因之一。在控制电路中增加缺相保护对电动机的正常运行是很有好处的。通过一些简单的电路就可以实现缺相保护，如图1-23所示。电路构成有QF为断路器，FU为热继电器，SB1为启动按钮开关，SB2为停止按钮开关，FR热继电器及其触点，KA1为中间继电器，KM为交流接触器。

当合上QF开关，按下SB1启动开关后，KA1线圈得电吸合，其常开触点闭合后自锁，交流接触器KM线圈得电也吸合，电动机得电。

如果L1相或L2相因故障缺相，则KM线圈失电，其主触点使电动机电源断开电动机停止运转；若L3相缺相，则中间继电器KA1线圈失电，其闭合的常开触点使接触器KM线圈失电，同样使电动机停止运转，也起到缺相保护作用。

电源的相序对电动机的正常运行也有很大的影响，相序错误可导致电动机反转，继而带来设备的损坏。

如图1-24所示是采用缺相与相序保护继电器（如XJ3—G）来保护电动机的控制电路图。缺相与相序保护继电器采用集成电路工艺，电压取样方式，与被保护电动机功率大小无关，无须进行任何电流等级的整定和调整，能在电动机启动前或运行中发生的任意相缺相、错相等故障时起保护作用。此外，当三相电压不对称度大于13%时也能动作，起到保护作用。