CPS控制与保护开关全面解析

1、CPS限制与保护开关全面解析Document serial numbeijNL89WT-NY98YT-NC8CB-NNUUT-NUT108限制与保护开关(CPS)的特点及应用东北大学电器科学研究院硕士研究生冯雪摘要：本文主要介绍了限制与保护开关的开展情况、产品特点及产品优 势,并对国内主要CPS产品KBO和SDMK1的根本结构、工作机制进行分析.并 对CPS的应用情况进行介绍.关键词：限制与保护开关；CPS：低压电器；智能化低压电器1引言限制与保护开关电器 CPS (Control and Protective Switching Device) 11 现于90年代末,作为我国低压电器的笫13

2、个大类.国际电工委员会IEC给出 的标准代号为CPS, IEC出版的标准为IEC947-6-2:1992(我国相应国家标准 为.CPS将断路器、接触器、热继电器的功能融为一体.这种多功能低压电器 产品在电控系统中的应用减少了线路中所需的元件数量,并且很好地解决了不 同考核标准的电器产品组合在一起使用时其保护特性、限制特性配合不协调得 问题,为限制系统的简化提供了一种理想的根底元件.国内外开展情况限制与保护开关在国外于20世纪80为0年代开始投放市场.20世纪90年 代施耐德公司推出了 integral系列CPS,根据市场需要及技术的不断革新,进 入21世纪施耐德公司乂推出了 TeSys U系列

3、CPS.西门子公司推出了 3RA6系 列,其最主要的特点表达在：现代通信技术,如现场总线,微电子技术,限制 器专用ASIC和微处理器；新型材料,如绝缘与触头材料等的应用上.以上产品 的最大额定电流均为32A.我国于1996年下达了开发国产CPS的任务,由上海电器科学研究所负责设 计,浙江中兴电器厂、遵义永佳电器厂进行生产试制,其主要技术思路是仿造 施耐德产品的技术路线,并取得了成功.2000年上海电器科学研究所联合浙江 中凯电器在原产品的根底上进行了进一步完善,成为国内第一代CPS系列产 品,即KBO系列限制与保护开关,该系列产品的最大额定电流为125A.限制与保护开关电器真正广泛普及推广应用

4、是从2021年开始,在此之前全 国生产智能限制与保护开关电器的企业不到10家,从2021年上半年开始,全 国从事智能限制与保护开关电器制造与销售的企业如雨后春笋般迅速开展,从 2021年前不到10家企业的规模,到2021年短短1年多的时间猛增至200多家 据不完全数据统计,仅乐清市一个地方到口前2021年为止已经超过100多 家生产企业；生产企业的急剧增加极大的推动了限制与保护开关电器这个新型 智能电气产品的开展,加快了智能电气产品的开展步伐,也带动了更多的电气 企业投入到智能电气行业的生产与销售领域,为我国提倡实现电气行业产业升 级起到了积极的作用！CPS产品特点智能限制与保护开关电器是一个

5、多种功能高度整合的多功能一体化综合保 护开关,限制与保护开关产品采用模块化的单一产品结构型式,集成了传统的 断路器熔断器、接触器、过载或过流、断相保护继电器、起动器、隔离器 等的主要功能.功能全面断路器功能具有短路瞬时动作和短路短延时保护等功能.接触器功能额定工作电压380W额定工作电流为,并在AC43和AC44使用类别下无需 降容.热继电器与过流继电器功能具有完善、合理、连续的三段保护功能和电动机定时限起动保护功能,过 载保护模型采用当前最为先进的双时间常数指数方程,能与被保护对象的允许 过载特性相匹配,动作准确、可靠.剩余电流断路器功能具有反时限剩余电流保护特性.起动器功能可代替接触器和热

6、继电器组合的起动器,限制电动机的直接起动.产品生命周期预警功能运行中记录并显示开关的累汁操作次数.故障记录与显示功能当系统发生故障时,开关能自动识别、存储和记录故障类型,并予以显 示,便于用户排除故障.预警功能可以根据用户需要翻开或关闭预警功能,当设备过载运行温升到达预警门 限时,开关发出预警信号,便于及时排除故障.通信功能具有通信接口,通过现场总线、计算机网络或无线网络与监控中央进行信 息交换.检测和显示功能在运行中实时检测三相绕组的电流值、电压值(V类产品)和剩余电流值 (L类产品),并循环显示检测结果.缺相、三相不平衡保护功能过压、欠压、失压保护功能节省材料传统的限制保护回路为了实现对负

7、荷(M)的限制与保护功能,传统的做法是 釆用分立器件包括隔离开关(QS) +断路器(QF) +接触器(KM) +热继电器(FR)等进行 组合限制.图1限制与保护方案比照电力系统从电源至电动机之间,需要用12根电缆线或母排,24个螺钉或 螺母接点才能与电动机相连接.电缆线或母排的电阻,消耗相当多的电能并产 生热量,且故障点的增加直接使得系统的故障机率成倍增长.而I1ICPS限制与 保护开关电器组成的电力系统,从电源至电动机只需要6根电缆线或母排,6 个接点,大大降低了系统的故障机率及电能消耗并节约了铜材等材料.选型简单从其结构和功能上来说,限制与保护开关电器产品已不再是接触器、或断 路器、或热继

8、电器等单个产品,而是一套限制保护系统.它的出现从根本上解 决了传统的采用分立元器件通常是断路器或熔断器+接触器+过载继电器山于 选择不合理而引起的限制和保护配合不合理的种种问题,特别是克服了山于采 用不同考核标准的电器产品之间组合在一起时,保护特性与限制特性配合不协 调的现象,极大地提升了限制与保护系统的运行可靠性和连续运行性能.前,国内CPS产品在结构及技术上主要有两种,一是以浙江中凯为代表 的KBO系列产品,另一种是沈阳明鑫智能电器为代表的SDMK1系列限制与保护 开关.2 KBO为代表的CPS产品特点KBO系列限制与保护开关于1996年5月通过国家级鉴定验收,型号含义 “K “b为“限制

9、和“保护汉语拼音的第一个字母；“0为填补国内空 白的“第一代限制与保护开关电器.由浙江中凯生产,主要用于交流50Hz、 额定电压至690V、额定电流至125A的电力系统中.KB0的根本结构1主体2热磁脱扣器3辅助触头模块4分励脱扣器5远距离再扣器图2 KB0根本型产品以KB0根本型为例,如图2所示开关主要曲主体,热磁脱扣器、辅助触头 模块、分励脱扣器、远距离再扣器5局部组成,而主体局部乂由电磁传动机 构、操作机构、主电路接触器组成如图2所示.1电磁传动机构2操作机构3主电路接触器图3 KBO开关主体由图3我们可以看出,KBO的集成性相对较高,但是在组成上相对来说比 较复杂,机械零件较多.除根本

10、型之外,KBO以附件模块的形式对CPS进行了 功能拓展,如消防型、隔离型等.在附件的设计上引入了模块化的设计理念, 较传统方式减小了体积,但是附件模块的参加增加了开关的复杂度和故障率.KBO工作机制及优缺点CPS兼具短路保护、一般故障保护过载断相等非瞬时动作保护等功能, 但其检测方式、保护方式和动作执行机构与手柄的指示位置相关联在不同产 品中也均有不同.在一般故障方面,KBO是热磁式保护的主要代表,热磁式CPS的过载保护 功能主要是基于双金属片受热弯曲的原理,定时限和瞬时短路保护功能分别釆 用各相安装电磁脱扣器和快速螺旋线管电磁铁的方式实现,具有多套传动机构 将信号传递至操作机构.热磁式CPS

11、主要有两大缺点：一是双金属片受热弯曲 的原理受环境影响过大,动作值误差较大,不可以调节,不易于限制；二是多 套传动机构增加了开关的复杂性,导致开关机械故障儿率加大.基于热磁式,KBO后续开发的电子式产品采用快速螺线管电磁铁,发生短 路故障后,螺线管电磁铁动作,直接推动动触头动作,后续山机构或其它卡主 装置使得动静触头保持在断开位置,以保证快速响应.KBO的各种保护功能主要依赖各类脱扣装置实现,脱扣器价格相对廉价, 但脱口装置在使用寿命、操作频次、可黑性和机械复杂度方面存在一些劣势. 如热磁脱扣器大大限制了 KBO的操作频次,带热磁脱扣器时,操作频率极限值 不超过12次/h.KBO主体在机械寿命

12、上相当高,但是热磁脱扣器,分励脱扣 器、远距离再扣器的机械寿命仅为1000次,这就限制了 KBO的机械使用寿命.3 SDMK1为代表的CPS产品特点SDMK1系列限制与保护开关山沈阳明鑫智能电器生产,主要用于交流30Hz 或60Hz、额定工作电压380V 额定绝缘电压660V,额定工作电流的电力系 统中接通、承载和分断正常件下包括规定的过载条件下的电流,在规定时间 内承载并分断规定的非正常条件下的电流如短路电流.SDMK1的根本结构SDMK1采用一体化技术,在与接触器相类似的单一电器上,用一套电磁系 统、一套触头及灭弧系统、一套智能限制单元来实现CPS的全部功能.SDMK1 的结构如图4所示,

13、结构简单,集成度更高,零件数量较KBO大幅减少,运行 稳定性更高.1灭弧系统2智能限制单元3触头及电磁系统4辅助触头模块图4 SDMK1组成SDMK1的结构与原理1电磁铁2触头3电流互感器4电流采集芯片5数字处理芯片6显示装置7励磁去磁芯片8衔铁9触桥图5 SDMK1结构如图5所示为SDMK1的结构.电源供电后,电磁铁1产生吸力,将衔铁8吸引向下,带动触桥9向下运动,使2的动触头向下运动,与静触 头吸合.动静触头吸合后,互感器3将电流感应到电流采集芯片4,电 流采集芯片将感应到的电流值交给数字处理系统,也就是主芯片3,与系统 内的数学模型进行比照运算,不管电流或其它参数正常或异常,都通过显示系

14、 统显示出来,同时将电磁铁的由交流吸合转化为直流保持.如果参数异常,比 如检测到短路电流,那么数字处理系统5给励磁去磁系统7信号,励磁去 磁系统接到信号后马上给电磁铁1反向励磁去磁系统信号,电磁铁1迅 速消磁,靠反向弹簧的力使衔铁8复位,从而切断主回路,实现短路分断.也就是说SDMK1主要采用电磁系统作为操作机构,驱动主触头运动接通和 分断,通过智能限制单元检测主回路电流,并进行逻辑运算和数据处理,限制 电磁系统的运动特性,完成故障诊断和运算.从根本上说,SDMK1是通过智能 限制单元实现开关的各种保护功能,开关整体上不存在复杂的脱扣机构.结构 简单保证了 SDMK1开关的低故障率,而智能限制

15、保证了全面的可控性.在分断保护过程中,复位弹簧和限位机构相配合,增加触头的运行行程, 使电弧在大于临界短路灭弧电流的开距下过零熄灭,随后在复位弹簧的作用 下,触头返回至与原开距大致相当的平衡位置,主要改善了电磁系统的合闸特 性.这个过程即为动态开距技术.此技术不但保证了分断时间,而且保证 了分断水平.就目前来说,国内产品的分断水平最大不会超过12Ie,而SDMK1 的分断时16Ie,在分断水平上具有相当大的优势.而在操作频率上,SDMK1开关大约为1200次/h,也就是说,它非常适宜用 于重载频繁动作的场合.在使用寿命上,由于没有复杂的脱口机构限制其机械 寿命,SDMK1的整体机械寿命大约在6

16、00万次左右,电寿命约为100万次.SDMK1的智能化与可通信技术通信方式SDMK1开关具有多种通信方式,带有多种工业现场总线,包括RS-232、RS- 485 > Modbus> Prifbus、工业以太网等,无需其他转换器件即可组成工业数字 网络,可以满足各类不同用户的要求.通信限制SDMK1开关内部置有传感器,外部具有通信接口.通过与无线或有线通信 装置连接,将开关的丄作状态和参数传输到治理平台,也能接收来自治理平台的 指令,实现远程限制.通断限制SDMK1开关对电气回路的通断限制,既可现场限制,也可远程限制.如当 电力供给紧张,或有区域改造及维修工程时,农村电网停电与送电,

17、可以通过 远程限制实现.智能限制当电气回路故障发生故障时,SDMK1开关能及时予以故障保护,如短路保 护、过载保护、过压保护、欠压保护、缺相保护、三相不平衡保护、漏电保护 等,同时还发出故障报警信号.如果有其他智能化要求可编程设定.参数设置动作整定值可以任意设定,既可以在现场设定,也可以远程设定,并且能 自动判别用户设定的参数是否合理.可通信功能是智能型低压电器的典型特征,而智能型低压电器是中国低压 电器行业及产品开展的必然趋势,也是市场的刚性需求.未来儿年中国智能电 网,智能小区,智能城市将快速开展,这也是智能型低压电器的开展机遇.4中国低压电器的智能化开展趋势什么是智能低压电器到訂前为止,

18、国内外低压电器标准上还没有对低压电器智能化进行定义.但是,智能化低压电器这一说法已经被低压电器研发人员、设计人员、制造商 及丄程设计人员以及使用部门所接受.低压智能化电器应具有四个功能上的基 本特征：保护功能非常齐全、测量现实电流参数、故障记录与显示、内部故障 自诊断等.随着建筑电气的开展和智能电网的建设,拥有智能化功能的低压电器越来 越受住宅配电系统供给商重视.智能化低压电器与普通电器相比具有以下优点：1普通配电电器会使配电系统产生高次谐波,而智能配电电器能够消除输 入信号中的高次谐波,从而防止高次谐波造成的误操作.2智能过载电器可以保护具有多种起动条件的电动机,具有很高的动作可 靠性,例如

19、,电动机过载与断相保护、接地保护、三相不平衡保护以及反相或 低电流保护等.3智能保护继电器具有监控、保护和通讯功能.4智能电器可以实现中央讣算机集中限制,提升了配电系统的自动化程 度,使配电、限制系统的调度和维护到达新的水平.5智能电器采用数字化的新型监控元件,使配电系统和限制中央提供的信 息最大幅度增加,且接线简单、便于安装,提升了工作的可靠性.6智能电器可以实现数据共享,可以减少信息重复和信息通道.低压电器智能化开展涉及的相关新技术智能化低压电器须满足性能优良、工作可靠、产品体积小、组合化设计、 可通信、节能环保等要求,要具有保护、监测、通信、自诊断、显示等功能, 这是实现电网智能化所必需

20、的.低压电器根本智能化技术U前,智能化低压电器根本含义主要包括以下功能：保护与限制功能齐 全,兼有电参数测量,外部故障检测、报警和开关内部故障自诊断与报警,系 统运行状态监控,电能使用治理等功能或其中一局部功能.为此,需要对下 列技术进行深入研究.1各类低压电器根据其低压配电、限制系统中地位与作用应具有哪些智能 化功能如何实现这些功能2智能化低压电器标准研究与制定；智能化功能测试设备、测试方法研 究.3智能化低压电器集成技术研究；多种智能化电器集成时,对不同低压电 器智能化功能舍取；多种功能重叠时相互协调与配合研究.4智能化低压电器可靠性包括EMC技术研究.智能电器可通信技术研究智能化低压电器

21、强大功能充分发挥,必须依赖于低压配电与限制系统网络 化.为此,对低压电器提出了可通信要求.为了满足网络化要求,乂将涉及一 系列技术的研究.1网络化电器与系统标准化研究.2高、中、低压配电系统无缝连接技术研究.(3) 智能网络系统配套附件研究与开发.(4) 智能网络系统典型方案与整体解决方案研究.(5) 可通信电器试验方法研究及相关检测设备研制并建立相应试验基地.5 SDMK1开关在智能化领域的应用近年来,城市住宅小区规模越来越大,供配电、消防和平安等是小区物业 治理的重点.山于小区内中低压配电房的数量较多,小区内消防监控系统覆盖 范围较宽,小区内平安监控区域较广,小区物业针对供电、消防和平安监

22、控设 立了多个值班室,但LI前仍存在治理效率低和治理不到位等问题,表现为：(1) 当系统发生故障时,一般都是山用户被动地上报,然后物业再安排人 员到现场进行分析、排查,故障反响周期长.如果故障较为复杂,有时还不能 快速进行故障诊断以及故障排除；(2) 值班人员多,但是效率低,巡视次数有限；(3) 根据配电和平安监控值班的相应规定,一般需要24h值守,根据2人 4班3运转的原那么,每个正规的值班室需要配置8人,因此值班室越多,需要 的值班人员也越多,日常的运行本钱越大.如果采用SDMK1限制与保护开关组成小区智能配电系统、智能消防监控系 统和智能平安监控系统,那么可解决上述问题.这三个系统可以合

23、为一体,为小 区物业治理提供优质效劳.图6所示为采用SDMK1系列限制与保护开关的解决 方案.图6 SDMK1实现方案小区各级低压配电箱、消防报警系统和视频监控设备均中采用SDMK1限制 与保护开关进行限制和保护,利用SDMK1限制与保护开关自带的RS485通讯接 口及拓展的电力载波模块和GPRS通讯模块组成通讯网络,配电箱或消防限制箱 内部的开关和设备采用RS485通讯方式,配电箱(限制箱)与配电箱(限制 箱)之间釆用电力载波通讯方式,所有信息发送至中央限制,中央限制室釆用 GPRS与治理和维护人员通讯,从而使设备治理和维护人员能实时对小区内的供 电、消防和安防进行巡检,一旦发生故障,立即报

24、警并指导物业排查检修.主要特点和功能：1在配电箱内用SDMK1限制与保护开关对被保护线路和设备进行保护, 每条线路只需要用一台SDMK1限制与保护开关就可以实现短路、过载、三相不 平衡、过压、欠压、漏电等保护,并实时检测被保护线路的电气参数电压、 电流、剩余电流,同时间接估算被保护线路的温升,判断其是否过载,如果 到达临界上限,那么给出预警.配电箱内的SDMK1限制与保护开关采用RS485通 讯方式交换信息,再通过电力载波转换模块将每台开关的信息传送至监控中 心,监控中央通过GPRS实现远程监控.供电治理和维护人员可以远程监测被保 护线路的电气参数和丄作状态,还可以远程限制开关接通或断开.如果配电箱 内配有可通讯智能电度表,还可以实现用电信息釆集、用户数据分析以及数据 同享等功能,实时获取用电信息并掌握用电规律.为电网企业营销业务治理、 用户用能治理和小区物业治理提供及时、完整、准确的根底数据.2消防报警系统采用SDMK1限制与保护开关,该开关具有剩余电流保护 功能,能对各条线路的剩余进行实时检测,如果超出整定值那么报警或者断开故 障电路.同时,利用该开关的RS485通讯技术及拓展的电力载波通信技术和 GPRS通讯技术,可