热继电器工作原理及核电应用分析

一、热继电器的工作原理与结构解析

1. 核心原理：电流热效应的应用

电流热效应即焦耳定律，是热继电器工作的物理基础，电流通过导体时，会产生热量，其热量大小与电流的平方、导体的电阻以及通电时间成正比（Q Rt）。热继电器利用电流的热效应，在出现过大的电流时热继电器动作，使得接触器分闸，切断一次回路，起到载保护的作用。

2. 内部结构与动作机制

热继电器由发热元件、双金属片、触点及一套传动和调整机构组成。

（1）主要组成部分：

发热元件是一段电阻值精确控制的电阻丝或合金片，直接串联在电动机等负载的主回路中，其作用是“感知”主回路电流，把电流按比例转化为热量，阻值设计得较小，以尽可能减少对主回路的影响和自身功耗。

双金属片是热继电器的“心脏”，由两种具有不同热膨胀系数的金属片，经轧制或焊接紧密贴合而成。常温下，双金属片保持平直或预设的初始形态，受热时，两种金属的伸长程度不同，整个金属片会向热膨胀系数较小的一侧弯曲，弯曲程度与温度直接相关。

传动机构是一套精密的机械连杆系统，包括导板、推杆、温度补偿双金属片等，可以把双金属片的微小弯曲位移进行放大和传递，确保能够驱动触点系统动作，当双金属片向右弯曲时，会推动导板，导板再推动推杆，力传递至触点系统。

触点系统通常为至少一对转换型辅助触点，即一个常闭触点和一个常开触点。在热继电器未动作时，常闭触点保持闭合，常开触点保持断开。

调整与整定机构是热继电器实现灵活应用的关键，其可以改变双金属片的初始位置，使热继电器动作所需的最小电流值，同一型号的热继电器即可以适用于不同额定功率的电动机保护。

（2）动作流程详解：

正常状态：主回路电流正常（ I⩽Ie ），发热元件产生的热量较小，双金属片形变在弹性范围内，常闭辅助触点保持闭合，接触器控制回路通电，接触器主触点吸合，负载正常运行。

过载发生：主回路出现持续过载（ ⟨I⟩Ie ），发热元件产生大量热量，双金属片温度持续升高。

弯曲与推动：  双金属片受热后，因两侧金属膨胀系数不同，向一侧（低膨胀侧）显著弯曲，弯曲的力通过导板传递给推杆。

触点翻转：推杆持续运动最终达到一个临界点，驱动触点系统发生机械翻转，常闭触点断开，常开触点闭合。

回路分闸：常闭触点串联在接触器的线圈回路中，断开切断了接触器线圈的供电，接触器失电后，主触点在弹簧作用下迅速断开，切断了负载的主电源，实现了过载保护。

冷却与复位：主回路断开后电流消失，发热元件停止发热，双金属片自然冷却，逐渐向初始形态恢复。随后，在操作人员确认并排除过载故障后，手动按下复位按钮。

二、热继电器在核电厂的实际应用

1. 典型应用场景与功能部件（1）典型应用场景：低压配电盘接触器回路

核电厂的电气系统通常分为核岛、常规岛和配套设施三大部分。核岛内的设备与核安全相关的系统，保护要求极为苛刻，需采用更复杂、功能更全面的电动机保护继电器。

在常规岛中存在大量的中小功率异步电动机，其驱动着各类泵、风机、阀门等设备，是电厂正常运行的基础。上述电动机故障模式中，过载是最常见的一种，例如，泵的机械卡涩、轴承损坏、负载异常增加等，都会导致电动机电流持续超过额定值，虽不足以瞬间损坏设备，但长时间的过载会加速电动机绝缘老化，缩短其使用寿命，甚至引发烧毁事故。

（2）功能部件：以西门子3RU 系列为例

在核电厂的工程实践中，西门子 3RU 系列热继电器是核电厂低压配电盘中常见的型号，每个部件都服务于特定的工程需求：

电流定值设置上有清晰刻度盘的旋钮，维护人员可以根据被保护电动机的额定电流，精确地设定热继电器的动作电流值；状态指示窗口，3RU 热继电器上设有一个明显的指示灯状态窗口。正常时，窗口通常显示绿色或“OFF”；当热继电器因过载动作后，窗口会变为红色或显示“TRIP”（跳闸），设计缩短了故障排查时间，运行人员能迅速把问题定位到过载，从而采取针对性的检查和复位操作。

复位选择开关：通常提供“手动复位”和“自动复位”两种模式，基于安全考虑：在核电厂应用中，几乎无一例外地选择“手动复位”模式，手动复位模式要求运行或维修人员必须到现场，检查设备状况，确认并排除故障后，再手动按下复位按钮，才能恢复供电。

复位按钮：在手动复位模式下，故障排除后，按下此按钮，机械机构会把已弯曲的双金属片或锁扣机构强制恢复到初始位置，使辅助触点复位。

常开 / 常闭辅助触点：标准配置为一对转换触点（一个常开 NO，一个常闭NC）。在核电应用中，常闭触点是实现保护功能的核心，把其接入分布式控制系统或报警系统，当热继电器动作时，常开触点闭合，向主控室发送一个“电动机过载跳闸”的报警信号，实现故障信息的远传和记录。

2. 回路集成与保护实现过程

在一次回路中，热继电器的发热元件作为无源的电流传感器，串联于接触器主触点与电动机负载之间；三相电动机，其三个发热元件分别接入 A、B、C三相，可以实现过载保护，在单相断线时其他两相电流会异常增大而具备断相保护功能，有效防止电动机烧毁。其核心作用是以极小的电阻和对系统效率可忽略的影响，为保护动作提供物理基础。

二次回路中，热继电器形成了一个连锁反应的保护链条，正常运行时，常闭触点闭合，维持电动机稳定运行，一旦发生过载，热继电器在设定的反时限延时后动作，常闭触点断开，立即切断接触器线圈电源，接触器主触点分闸，切断主回路电源，实现电动机的保护。

3. 动作特性与参数设定（1）核心动作特性：反时限特性

热继电器最核心的动作特性是其反时限特性，完美契合了电动机的过载耐受能力，小倍数的过载可以持续较长时间，大倍数的过载只能在极短时间内承受。

（2）关键参数设定：整定电流

整定电流的设定是热继电器应用中最关键的操作，其设定原则是热继电器的整定电流应等于或略小于被保护电动机的额定工作电流，电动机的额定电流代表了其在设计工况下长期安全运行的最大电流。

三、结语

热继电器在核电厂的应用是集科学原理、工程实践于一体的综合性课题。我们看到了传统元器件在现代核工业中的生命力，更理解了在核安全框架下如何把一个简单的保护功能做到极致，继而为核电厂的稳定运行提供坚实可靠的保障。

参考文献

[1] 陈冠军 . 电动机保护继电器的选型 [J]. 电子技术与软件工程 ,2019, (18): 231-232.

[2] 魏勃涛 . 热继电器定值设置不当引起的生产事故 [J]. 电工技术 ,2018, (07): 52-53.