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控制与保护开关电器（CPS/KB0）结构特性分析和在电气工程中的应用黄晴明刘定国摘要：从对控制与保护开关电器KB0的结构剖析与传统分离元件电气性能的对比，指出这一采用模块化单一结构型式，集成了隔离器+断路器+接触器+热继电器等主要功能，使控制与保护更加协调配合的特点。CPS（KB0）对电动机保护而言是革命性的工程应用收到好的效果。关键词：CPS（控制与保护开关电器）；控制与保护自配合特性；接触组；传统分离电器元件1前言在工厂机加作业线和井群泵站中，作为原动力数量庞大的电动机能否顺利起动和可靠运行至关重要。工程中常因元件选择不当、上下保护参数不相匹配、动静触头压力不足、抖动不稳、材质不良而烧伤氧化及灭弧措施欠佳使元件损坏，无端跳闸或无故拒跳而烧毁电机者屡见不鲜。多电机集控时，因元件量多体大而使柜体臃肿，每柜控制量少而不利于布局。基于电动机的控制与保护而研制的CPS（控制与保护开关电器）是把隔离开关、断路器、接触器和热继电器等多种传统元器件采用模块化单一结构形式全新功能集成一体的新型组合电器。CPS是英文“ControlandProtectiveSwitchingDevices”的缩写。其图形符号如图1所示。使用该符号时，可以省略未使用的功能元素。图1CPS图形符号图2两种低压电控系统对比图2表示为分立元件和KB0（CPS）分别组成的低压电控系统；a为传统分离元件搭配的电机控制系统；过载和断相时，由热继KH来控制接触器KM动作而短路时则由断路器QF完成保护，接线复杂、保护分散度大。B方案无论是过载还是短路均由控制与保护自配合性能已整合成一个KB0来完成。简单明了稳定可靠。上世纪九十年代前，CPS在我国尚且空缺，“八五”期间国家下达任务：由上海电器科学研究所负责开发、中凯科技股份有限公司负责试创生产并于1996年通过国家级鉴定验收的我国第一代CPS产品，注册型号为KB0。中凯科技股份有限公司经过十余年的改进和提高使KB0成为能与法国施耐德公司TESYSU系列产品性能相媲美且某些性能优于该产品的多种保护型式的系列大类产品。KB0（CPS）依据国家标准：GB14048.9-2008《低压开关设备和控制设备多功能电器（设备）第6-2部分：控制与保护开关电器（设备）（CPS）》，也即等同IEC60947-6-2:2007标准。成功地进入JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》，并在实施指南中推为首选产品。2010年KB0正式编入10D303-2常用风机控制电路图和10D303-3常用水泵控制电路图等国家标准设计图集，为KB0在工程上大量设计和应用提供依据和荐介推广。2KB0（CPS）的分类2.1按保护单元基本结构型式和功能特性可分为热磁式和数字化（电子）式两大类2.1.1热磁式（M）这种开关的过载、断相保护是以双金属元件通过电流后，电热和机械能的转变，实现反时限超载保护。以电流线圈（磁脱扣）实现动作电流6-12Ie可调的断路器的定时限保护。专门设计短路瞬动线圈。当短路电流（≥16Ie），KB0可在0.2S的时间内瞬时切断短路电流，在额定运行短路分断能力50KA预期短路电流下分断时间仅为2~3ms。KB0热磁式可方便地实现时间-电流保护特性曲线（即三段保护）。动作稳定、寿命长，适应环境较为宽松，比如潮湿、干燥、粉尘及弱酸碱雾等较差环境。2.1.2数字化(电子)式类除具有KB0（M）的性能外，增加了精细的电流互感器采集信号并通过微处理器（MCU）对电流进行数字式整定和对电机电流进行软件分析运算，实现对电机的过载、欠载、过流、断相、堵转、阻塞和剩余电流的综合保护。置有485接口与上位机构成通讯，方便地实现与四遥系统的配合。按功能不同的区别，目前有KB0-B、KB0-R、KB0-E和KB0-T等系列产品。2.2按在低压系统所处位置和作用可分为直控终端型和双电源自动转换型2.2.1用于电路终端直接对电机控制的开关，诸如上述两大类及派生的可逆型；消防型；双速、三速控制器；Y-Δ降压起动器；自耦降压起动器等系列产品。2.2.2基于CPS技术实现的双电源自动转换电器（ATSE）近年来，由于工业和建筑的飞速发展，日益增多了对供电连续性要求较高的重要负荷。促进了主要用于末端ATSE产品的研制和大量地推向市场。历经了以分立元件为主体构成的ATSE、以模拟电路应用为主的机电一体化产品和以高性能新型电器元件为基础并采用CPU为核心智能专用控制器的新型ATSE的问世于发展历程。PC级的ATSE或基于接触器（CTT）的ATSE，均需另加保护电器，从而增大了设备安装面积。基于断路器（MCCB）的CB级ATSE，由于操作机构固有动作时间较长，导致转换时间拖长，一般约为数秒级或十余秒，不能满足电源快速转换的要求。ATSE和CPS均属多功能电器。国内成功开发生产的CPS产品KB0，它的技术发展水平和十余年来大量工程应用的良好状况证实，已具有了ATSE的控制与功能要求。配以适当的电源端检测功能时，则方便的构成新型集成化的KB0S型系列的ATSE。它以两台KB0主体合而为一的形式，安置斗鸡米结构的机械联锁装置和电气互锁机构，依靠两组同时分断的高性能触头灭弧系统的接触组，同时具有了断路器高的分断能力和控制电器长寿命指标。不存在一组触头进行短路电流分断的同时另一组触头处于闭合状态的要求，从根本上解决了不同产品间的特性配合问题。KB0S这种单一的集成化的ATSE运行稳定，转换可靠，得到了工程界的认可。3CPS为低压配电与控制系统提供了较为理想的基础元件3.1CPS的独特结构决定了有完善的保护功能图3双电源自动转换开关符号如图-4所示中凯科技股份有限公司生产的CPS产品KB0系列控制与保护开关电器结构示意予以说明。图4(KB0)CPS隔离型结构示意图KB0（CPS）开关本体由隔离刀、接触组、几个保护脱扣器和与之相连的操作系统，传动系统及指示部件组成。与外设控制指令相连构成负载和电机的控制和保护系统。当电源进入开关本体前受与控制电源联动的隔离刀闸关控，可使主电路和控制电路与电源的同时隔离，可安全地对主、控电路、配电负载和电动机进行检修。KB0的隔离刀与接触器组的合分机构间有可靠的电气联锁和机械闭锁设施，从而保证隔离刀与接触器组的分合次序，从根本上遏止带负荷拉合隔离开关这一恶性事故，保证安全运行。KB0（CPS）有和操作机构直接相连的短路瞬时过电流脱扣器，可在16Ie时于0.2S时间内瞬时切断短路电流，在额定运行短路分断能力50KA预期短路电流下分断时间仅为2~3ms，限流系数达到0.2以下，并且在分断短路电流后无需维护即可投入使用，即具有分断短路故障后的连续运行性能：KB0在进行了分断短路电流试验后，仍具有不小于1500次AC-44电寿命，这是由断路器等分离元件构成的系统所难以达到的，KB0的这一特性极大地提高了系统的运行可靠性和系统的连续运行型。CPS置有动作电流6~12Ie之值可以整定设置、动作时间为0.2s的定时限过电流脱扣器。从使用中测试出KB0（CPS）具有协调配合的时间——电流保护特性曲线，为系统和负载提供了完善的三段保护特性功能。此外KB0数字化产品还可外置零序电流互感器，实现接地/漏电等剩余电流保护。工程设计及应用只需要根据电动机功率、运行状态和启动方式，正确选择KB0产品型号及规格，就能达到对电动机的过载及短路保护和控制自动协调配合、顺利起停和全面保护。KB0数字化(电子)式模块采用电流互感器采集信号传递给微处理器，由微处理器发出指令，使脱扣器动作。热磁式模块还具有环境温度补偿性能。对负载进行三段，断相、堵转和阻塞等系列保护，特别是小功率电机在低过载时做到准确保护，确实是可贵之处。3.2KB0（CPS）的使用极大地提高了系统运行可靠性和连续运行性。3.2.1具有分离元件与之无法比拟的高短路分断能力和较强的限流能力图-5为KB0（CPS）的关键部件接触组和实体图。图5主电路接触组（1.静触头2.动触头3.触头支持架4.速断脱扣器5.拨杆6.触头弹簧7.外壳8.栅片灭弧室）承担接触器和断路器双重任务，起着保护与控制作用。部件1~2及右对称件与8表明在电源和负载两侧采用了双断点双灭弧室且静触头为U型结构。分断时电弧电动力为斥力，在磁吹和热气体压力下使电弧拉长快速进入灭弧栅。两组有陡峭前沿的电弧被分割成许多串联的短弧。拉长弧线增加弧阻而迅速灭弧。为普通MCCB灭弧能力的二倍，限流系数为0.2以下，预期短路电流分断时间在2~3ms。从而起到减轻电弧对触头灼烧、快速灭弧和大大限制短路电流的三重效果。因而具有额定运行短路分断能力Ics和额定极限短路分断能力Icu两者相等特性。KB0额定运行短路分断电流Ics（0-co-co）可达80KA。在50KA预期短路到来时，限流系数为0.2，分断时间仅为2~3ms达到熔断器快熔限流水平。从而极大减轻短路电流对系统的动、热冲击而且有效的解决靠近变压器的低压母排旁安装小规格电流产品短路时可分断大电流这一问题，也特别适应用于重载启动和频繁操作切合。KB0在分断短路电流后无需维护仍具有不小于1500次的AC-44电寿命，这是由断路器等分离器件构成的系统所难以达到的。这一特性极大地提高了系统的运行可靠性和连续运行性。3.2.2根除动、静触头间的抖动而稳定运行在工厂一排封闭式插接母线下接着20台左右机床，其负载性质、运行方式、起动方法和电机容量各有不同，但电机在起动瞬间总有5-7Ie的冲击电流。运行时有可能出现堵转和绕组短路过流故障，车间大型负载的投入和干支线的三相短路都会造成母线电压突然下降。易使同一母排控制电机的接触器线圈欠压或瞬时失压，这对靠电磁力保持吸合的接触器来讲是一个灾难，难以维持吸合而群跳，使多机停车。当系统电压忽高忽低短时波动，造成接触器若合若离的抖动，强烈电弧引起触头严重烧伤与熔焊，这是直动式接触器烧毁的主要原因，运行中屡见不鲜。图-4示出KB0接触组的电磁系统与主触头采用了独特的分离设计；触头的超程和压力靠内部的弹簧储能实现。尽管诸如上述的电机起动、短路和系统电压波动，都不会使主触头产生抖动，彻底根除二次弹跳，触头始终保持稳定的吸合状态，大大地增加了系统运行的稳定性和开关使用寿命。3.2.3,飞弧距短运行安全当线路通过超过接触器主触头分断能力（一般为8~10Ie）时，在拉弧过程中强大的电动斥力作用下三相极易形成电弧短路而烧毁开关自身，产生空间飞弧殃及相邻电器甚至造成人身危害。为此在工程设计和使用中常选用短时耐受电流大的接触器和限流式断路器，用户为求安稳运行常把接触器Ie电流放大一个级别选用，这既不经济又不合理。KB0（CPS）采用密闭式双灭弧室结构，飞弧距离仅为20~30mm左右且整体封闭，对外无弧飞出，故体小容大可密集于柜中，相互安全运行。消除了一般接触器触头裸露、飞弧短路烧毁元件的固有缺陷。3.2.4KB0（CPS）具有良好的控制与保护自配合特性集控制与保护于一体的KB0，生产和组装时已很好地解决了分离元件不能或很难解决元件之间的保护与控制特性匹配问题，使其特性配合更完善合理可靠。选用时只要依据负载的类型、电机电流大小即可正确方便地选出单一产品的KB0，用以取代以往的包括自电源进线至负载端各种分离元件的陈旧之法，方便可靠的实现对电机等负载的控制与保护。大大地减轻了设计时选型上图、安装时配线和故障诊断维修换件的工作量，提高了效率降低了成本。可见CPS的问世使电动机的控制与保护进入了一个新时代。3.3KB0（CPS）在工程应用中有显著的节材、节能和降耗效果从图-2可见，传统的电机控制配线中，从电源L连接隔离开关、断路器（熔断器）、接触器、热继电器到电动机M，主回路须15根导线（或母排），中间用24个螺丝连接。这些线缆铜排和连接件不但费用铜材而电流通时发热耗能。但在CPS配线中，只需6根导线和6个螺钉，从而很大程度上降低电阻耗能也节约了铜材。更重要的是减少了连接接点从而就降低了故障机率。表1所列KB0开关节能效果，明显可观。表1KB0（CPS）与分离元件自身耗电比较表CPS（KB0）控制与保护开关电器传统分离元器