搜索
1控制与保护开关电器（CPS）保护功能分析马超白建社谢太林德力西电气有限公司上海分公司，上海201812摘要：控制与保护开关电器（以下简称为CPS）将断路器、接触器、过载继电器以及隔离开关的主要功能集成于一体，具有短路分断能力高、协调配合特性好、多种保护功能等优点，是低压配电与控制系统中的理想元件。关键词：开关电器、CPS、低压配电、控制系统。ProtectionfunctionofControlandProtectiveSwitchingdevicesMAChao,BAIJiansheDELIXIELECTRICCO.,LTD.SHANGHAIBRANCH,SHANGHAI,201812Abstract：ControlandProtectiveSwitchingdevices(referredtoastheCPS)containthemainfunctionsofcircuit-breaker,contactor,overloadrelayandswitch-disconnectorandhavehighshortcircuitbreakingcapacity,goodcoordinationcharacteristics,completeprotectionfunction.TheCPSistheidealcomponentinlowvoltagepowerdistributionandcontrolsystems.Keywords:Switchingdevice,CPS,Lowvoltagepowerdistribution,Protectionfunction.引言：在低压电动机的控制与保护系统中，由于电动机运行情况及故障情况的多样性，为确保电动机的正常运行，需要进行多方面的保护。CPS将断路器，接触器、过载继电器等主要功能集成与一体，除具有可频繁操作的特性外，还具有短路瞬时、短路短延时、堵转、阻塞、过载、电流不平衡（包含缺相）、剩余电流、起动超时等保护功能。鉴于上述特点，在电动机控制与保护系统中，CPS具有非常明显的优势，是一种理想元件。本文针对CPS的主要保护功能进行说明，以方便用户熟悉各种保护参数的设定。1.短路瞬时保护特性瞬时保护主要用于防止配电网的金属性短路，此类故障一般为相间短路，短路电流很大，需要快速断开。在CPS中，短路瞬时保护特性的主要特点为瞬动，即不需要任何延时的脱扣动作。当主回路的电流达到瞬时保护的门限值时，CPS的瞬时脱扣器动作。用于将主回路电流限制在预期电流以下，以达到保护线路和设备的目的。2注：CPS中的短路瞬时电流门限值一般为固定值，不可设置。2.短路短延时保护特性短路短延时保护主要用来保护配电系统的阻抗性短路，由于此类短路一般发生在局部，电流大于过载保护定值，但又不是很大，未达到瞬时保护电流的门限值，故一般采用具有延时功能的选择性保护（即短路短延时保护）。短路短延时保护主要是为了现实选择性（配合性）保护。如图1所示，当设备1发生短路故障，故障电流未达到CPS的瞬动电流门限值，此时仅需要Q1瞬时动作脱扣。Q1脱扣后，故障切除，保证设备2和设备3的持续运行。若Q1未能及时切断故障，则在CPS延时时间到达之后，由CPS切除负载端所有设备，保证用电安全。图1选择性保护示意图应用短路短延时保护特性时，需根据负载情况估算阻抗性短路电流值，并以此电流值设置短路短延时的电流门限值。3.过载保护特性过载保护一般针对电动机的过负荷进行保护，基于反时限保护特性，即电流过载程度越严重，脱扣动作时间越短。图2I-t反时限特性曲线CPS的过载保护特性主要拟合电动机的过热保护曲线，目的是避免电动机因长期过负荷运行引起电机绕组温升过高而导致的电动机烧毁现象。过载保护的电流设定值应根据电动机的额定电流值及实际接法综合考虑，而不是简单的根据电动机的额定电流值而直接设定。对于既可进行星形接法，又可进行三角形接法的电动机来说，线电流和绕组电流不一定相等。对于星形接法，线电流和流经定子绕组的相电流相等。而对于三角形接法，线电流是定子绕组电流的31/2倍，此时需加以注意。若电动机铭牌上标明了两种接法的额定电流，则直接按标定值设置额定电流即可。4.堵转保护特性当电动机起动时，电流超过堵转保护设定的电流门限值并达到一定的时3间后执行的脱扣动作称为堵转保护。根据相关要求，电动机在起动过程中如果在规定的时间内没有降到预定值以下，或者有输入信号标明电动机在规定的时间过后没有旋转，则标明电动机发生了堵转故障。堵转故障发生后，由于转子没有转动，即转差率S=1。此时的运行电流近似等于电动机起动电流的峰值，即5～7倍的额定电流。堵转故障发生后，电动机的定子绕组和转子绕组将会产生很大的过电流，如不及时切除电源，电动机将很快烧毁。堵转保护为定时限保护，其电流门限值及脱扣延时时间一般均可设置。堵转保护电流门限值一般设置为电动机正常起动电流峰值的80%左右，保护时间为电动机正常起动时间的50%～80%即可。注：堵转是指转子在起动过程中被锁定。5.阻塞保护特性阻塞保护是指电动机在运行过程中电流超过规定值并达到一定时间后执行的脱扣动作。阻塞故障是过载故障的一种特殊形式，是指电动机在运行过程中发生了很大的过载，使电动机的转子电流达到了堵转的转子电流，或者电动机在运行过程中转子被锁定而导致的严重过载。阻塞故障发生后，电动机发生严重过流，但电流值未达到短路短延时保护的电流门限值，短路短延时保护执行部分不足以被驱动。但过载电流足以使电动机在很短时间内因发热而烧毁，此时就需要阻塞保护特性对电动机进行保护。阻塞保护电流门限值一般设置为80%的电动机起动电流峰值，保护时间依负载及电动机具体使用情况而定。注：阻塞是指转子在运行过程中被锁定。6.电流不平衡保护特性电流不平衡保护是指电动机在启动或运行过程中出现了三相电流大小不等的现象。当三相电流的不平衡率超过设定的门限值并达到一定时间之后执行的脱扣动作称为电流不平衡保护。造成三相电流不平衡的原因主要有以下几点：a.三相电压不平衡；b.负载过重；c.定子、转子绕组故障；d.接线方法不当，或局部绝缘退化等。发生三相电流不平衡故障时，电动机会出现转矩不平衡现象，电动机将不能平稳运行，影响负载的正常工作。另外，若电流不平衡故障由三相电压不平衡导致的，则会出现某一相或某两相电压过高，容易造成电动机绕组的绝缘老化。若不平衡率计算公式如下：（6-1）则针对电动机三相不平衡保护的4门限值设置为20%左右为宜。保护时间依负载及电动机具体使用情况而定。7.启动超时保护特性启动超时保护，通过启动完成的一瞬间采集的电流值的大小，来判定电动机是否运行正常，从而决定电机继续运行还是停机。启动超时保护在电动机启动过程中对电机提供保护，在电机运行过程中，启动超时保护自动退出。启动时间指从启动到达到额定转速的时间，考虑到留有余量，一般整定为实际启动时间的1.2倍。电动机的实际启动时间与电源电网容量大小电机是否有载荷有关。8.剩余电流保护特性剩余电流保护当CPS检测到的剩余电流值达到保护设定值的门限值并达到一定时间后执行的脱扣动作。利用剩余电流动作保护特性既能起保护人身安全的作用，还能监督低压系统以及设备的对地绝缘状况。在低压侧电源进线处装接带剩余电流保护功能的断路器是一项重要的防火灾措施，其剩余电流保护功能对全建筑物的电弧性接地故障引起火灾进行防护。若CPS用于末级剩余电流保护，则电流门限值设置为30mA或50mA为宜，动作时间设置为0.1s，主要起到保护人身安全的作用。若CPS用于剩余电流总保护或中级保护，门限值一般设置100mA以上，脱扣时间依据使用环境的不同而采取不同的设置，以实现选择性保护。主要目的是对电弧性接地故障进行保护，防止火灾的发生。结语：控制与保护开关电器（CPS）集多种低压电器元件功能于一身，具有多种保护功能且具备频繁分断能力，是一种理想的控制与保护元件。CPS在对电动机进行保护方面，保护功能相当完善。通过对各项保护参数的合理设置，可以实现对电动机的全面保护，避免各种故障的发生。参考文献【1】王汝文.电器智能化原理及应用【M】.第二版.北京：电子工业出版社，2009【2】GB14048.2-2008低压开关设备和控制设备断路器【S】【3】GB14048.9-2008低压开关设备和控制设备第6-2部分：多功能电器（设备）控制与保护开关电器（设备）（CPS）【S】.【4】杨振坤.电工电子技术【M】.西安：西安交通大学出版社，2007.【5】陈世坤.电机设计【M】.第二版.北京：机械工业出版社，20001马超（1980-），男，研发工程师，主要研究方向为电子电路可靠性设计、嵌入式系统。2白建社（1974—），男，高级工程师，博士，主要研究方向为智能电器、智能电网、电器设备状态监测、嵌入式系统等。3谢太林（1978-），男，研发工程师，主要研究方向为低压智能电器、嵌入式系统。