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智能化控制与保护开关电器的现状与发展

2012年9月12日 0:00:00

0 控制与保护开关电器的概念

CPS即“控制与保护开关电器”是低压电器中的新型产品。CPS可以是单一的开关电器元件形式,也可以是由电器元件组合而成的但可被认为是一个整体单元形式。CPS符合的标准如下:GB14048.9-2008《低压开关设备和控制设备,多功能电器(设备)第2部分:控制与保护开关电器(设备)》、IEC60947-6-2:(2007) 《低压开关设备和控制设备,第6部分,多功能电器,第2节,控制与保护开关电器》。符合GB标准和IEC标准规定的CPS电气设计表示方法如图1所示。

   图1 CPS电气设计表示方法

CPS 作为一种控制与保护的多功能电器,主要的技术特征是多功能,即集断路器、接触器、热继电器(或电子式过载继电器) 和隔离器的控制与保护功能于一体,解决各电器之间的协调配合问题。且具有连续工作性能,即在分断短路电流后无需维护即可投入使用,也就是具有分断短路故障后的连续运行性能,为低压配电与控制系统提供了一种新型、理想、小型化、多功能的基础元件,如图2所示。

图2 低压电控系统的构成
 
 
1. CPS产品的优势
目前,国内投放市场的第一代CPS产品为KBO系列,KB0系列填补了国内空白的第一代CPS大类产品。就其与其他产品的分析比较如下:
1.1 与分立电器构成的系统相比具有如下一些特性
1)控制与保护自配合的特性
KBO系列的CPS采用模块化的单一电器产品结构型式,具有控制与保护功能,能够实现多种电器组合的功能。可以很好地解决了分立电器之间的保护与控制特性匹配问题,使保护与控制特性配合更加完善合理。以往在选择电器时需考虑的因素很多,自电源进线端至负载端要选择多种电器,而在选用CPS时则只需根据负载功率或电流即可正确选择单一类型的产品,这样大大减轻了设计人员的工作量,而且还提高了对各类电动机负载、配电负载的控制与保护作用。
2)无可比拟的运行可靠性与系统的连续运行能力
KBO系列的CPS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。CPS在进行了分断短路电流试验后,仍具有不小于6000次的AC-4电寿命,这是由分立电器构成的系统所难以达到的,CPS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性。
3)节能节材
KBO系列的CPS具有体积小、安装面积少、节约能源、节约材料,设计、工艺、质量标准统一等优点。
1.2与塑壳断路器相比具有分断能力高、飞弧距离短的特性
380V额定运行中,其在50kA预期短路电流下的分断时间仅为2~3ms,限流系数达到0.2以下,达到塑壳断路器的领先水平,达到熔断器的限流水平,有效限制了短路电流对系统的动、热冲击,保护了系统中的其他电器设备。CPS飞弧距离仅为20~30mm。CPS的热脱扣(反时限)电流和磁脱扣(定时限)电流均可调整。克服了塑壳断路器的短路保护整定电流出厂后用户无法调整的缺点,具有保护整定电流可调整的特性,使得CPS产品即使安装在线路末端,短路电流较小时,同样具有良好的短路保护功能。
1.3 与接触器相比具有寿命长、操作方便的特性
CPS的机械寿命达500~1000万次,电寿命AC-3达100~120万次,采用了先进的触头与电磁系统分离式设计,有效抑制了触头的二次弹跳,大幅度提高了产品的电寿命,而且特别适用于重载起动等严酷的场合。CPS既可现场手动操作,又可实现远距离遥控控制。
 
2.控制与保护开关电器的发展历程
CPS具有控制与保护功能,采用了模块化结构,具有体积小,对环境污染的防护等级高,飞弧小、电弧寿命长、连续运行性和可靠性高等特点,且在安装使用及维修操作方便具有一定的优势,因而CPS得到了快速的发展,使用范围日益广泛,可适用于工业设施、基础设施、商业及民用设施和消防系统等多种系统。

在上世纪60年代初,由法国MG公司研制将电磁式瞬时脱扣器和热双金属片式延时过载脱扣器安装在转动式接触器上,构成“Stangard”系列高分断能力的接触器,其体积比较大,组装接线繁琐。到70年代初期,日本户上公司生产出“组合型”结构的UNK系列的交流接触器,它把塑壳断路器与接触器组合起来,可产生较高的分断能力,它尽管解决了体积大的问题,但在保护技术方面没有什么大的突破,这两种产品被认为是CPS产品的雏形(如图3所示)。主要是由于受到当时工业发展水平和技术水平的限制,制约了CPS产品的发展。

图3 早期CPS的结构模型

直到上世纪80年代初期,法国施耐德公司将“Intergral 32”系列CPS产品投入市场,从而产生了新型高分断能力、高集成化、模块组合、多功能为一体的控制与保护开关电器,出现了以微电子为保护技术的第一代CPS产品,使CPS的发展跨入了一个新阶段。进入90年代后,低压配电系统和电动机控制系统已经形成了智能化监控、保护与信息网路系统。目前,以节能、环保、智能为主题的第二代CPS已经问世,其特点体现在现代通信技术如现场总线接口、微电子技术如控制器专用 ASIC和微处理器、新型材料如绝缘与触头材料等。代表作品如施耐德公司和西门子公司推出的基于电子技术的CPS 产品(TeSysU 系列和3RA6 系列),如图4所示。

图4 第二代智能化CPS
随着工业自动化技术的高速发展,特别是在传感器技术、通信技术、现代控制技术、微电子技术、计算机技术等方面取得了突破性发展并向各个领域渗透,一些新的理论、技术正在或已经被开发、运用,用来对开关电器进行研究,尤其是为智能电器的发展,提供了基本条件。其技术发展特征主要体现在以下几个方面:
① 保护功能更完善
除了常规的过载、过电流保护外,还可增加三相不平衡、堵转、阻塞、接地/漏电、过电压、电动机加速超时保护和相序等故障保护、还可以通过热敏电阻检测,实现温度保护,并可通过欠电流,欠功率保护实现对相关设备的保护,且保护功能更准确。
②定值整定功能更完善
除了对热保护和磁保护的电流整定值在一定范围内可调外,其余保护参数均可整定,包括各种功能报警和脱扣域值、脱扣级别(即可分别对应轻载和重载采取不同的保护曲线)、脱扣时间、脱扣后的复位时间、温度保护用热敏电阻的类型等,保护方式还可分为整定为脱扣(分断)或报警,增加了不同应用场合的灵活性。
③可选欠电压/失电压重起动功能
“晃电”引起主电路断开后,可根据设定值实现电压恢复后的多重起动方式。
④ 测量功能
通过内置的测量和保护电流互感器,可测量三相电流,漏电电流/接地电流、三相电压、频率、功率、功率因数以及电能等。
⑤ 带多路通信接口
具有遥测(远程测量)、遥信(远程信号)、遥调(远程调节)、遥控(远程控制)即“四遥”功能,可与ModBus、Profibus、DeviceNet总线通信。
⑥具有维护管理功能
具有历史故障记录、信息查询(如整定、故障、运行参数、操作次数、运行时间、故障时间、分断次数、热容量等)功能。
⑦环保
触头、塑料等采用无公害的绿色环保材料。
⑧节能
采用智能化的节能控制电路系统,线圈低功耗运行。
⑨系列化
一方面,小规格产品趋向体积的小型化、模数化,如在45mm宽度尺寸内发展32A甚至更高电流规格的CPS;另一方面,以小容量集成化的CPS产品作为主控制器,配以中、大容量的接触器或其他中、大容量开关电器,以此发展中、大容量的产品如800A甚至更高电流规格的CPS。
综上可知,集成化、模块化、节能化、智能化将成为21世纪新型CPS研制的主流方向。
3.国内外CPS产品的比较

当前,国内主流CPS 产品为 KB0 系列及派生的KB0 -T型及VK60智能化系列(如图5所示)。本文对代表国际先进水平的TeSys U、3RA6与国内的KB0-T、VK60 系列CPS 进行综合分析,其主要技术特性分析如下:

图5 国内研制的智能化CPS
表1 典型CPS的主要结构构成及外形尺寸对比
项目
VK60-50
KBO-45/T
TeSys U-32
3RA6-32
基本配置构成(模块化)
动力模块+电源模块+控制保护模块
本体(相当于动力模块)+保护模块
动力底座+控制器
整体结构
动力模块(动力底座,本体)构成
接触器+操作机构(含脱扣器)+控制电磁系统+内助辅助、信报触头
接触组(含用于短路保护的螺管电磁铁)+操作机构+控制电磁系统
接触组+操作机构(含脱扣器)+控制电磁系统
接触组(含用于短路保护的螺管电磁铁)+操作机构+控制电磁系统
操作机构功能
手动控制+通断控制电路+信报输出+直接通断主电路
手动控制+通断控制电路+信报输出+ ——
手动控制+通断控制电路+信报输出+直接通断主电路
手动控制+通断控制电路+信报输出+直接通断主电路
短路保护功能判断方法
电子
电磁
电子
电磁
一般故障保护判断方法
电子
电子
电子
电子
控制电磁系统外形尺寸宽×高×长/(mm×mm×mm)
54×138×164
66×149×182
45×126×154
45×165×170
相对体积/(cm3·A-1)
24.44
39.77
27.29
39.45
表2 国内外CPS典型产品基本性能对比分析
产品型号
电流范围/A
主电路额定绝缘电压/V
机械性能
电气性能
其他特点
VK60-50
0.16-50
690
机械寿命:1000(1500)万次;隔离位置加锁;整定值可加铅封
额定运行短路分断能力:50kA(400V/50Hz);4kA(690V/50Hz);
电寿命:4万次(440V/AC44/Ie:50A)
可逆控制采用串联结构,仅需一组主体和一个可逆模块;隔离功能需增加附加模块
KBO-45/T
0.16-45
690
机械寿命:500-1000万次;隔离位置可加锁;
额定运行短路分断能力:50kA(380V/50Hz);4kA(690V/50Hz);
电寿命:2万次(380V/AC44/Ie:45A)
可逆为2台产品并联;隔离内置于本体

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