控制与保护开关电器（CPS）结构特性分析和在电气工程中的应用

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“Ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅ　Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　Ｄｅｖｉｃｅｓ”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。

二十世纪九十年代前，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成为能与法国某先进企业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《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）》（ＧＢ１４０４８．９－２００８），也即等同ＩＥＣ６０９４７－６－２：２００７标准。成功地进入《民用建筑电气设计规范》（ＪＧＪ１６－２００８），并在实施指南中推为首选产品之一。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推荐推广。

２　ＫＢ０（ＣＰＳ）的分类

（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

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）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，目前分别有ＫＢ０－Ｂ、ＫＢ０－Ｒ、ＫＢ０－Ｅ和ＫＢ０－Ｔ等系列产品。

（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

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）基于ＣＰＳ技术实现的双电源自动转换电器（ＡＴＳＥ），开关（见图3）

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的问世与发展历程。

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ＫＢ０ Ｓ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。ＫＢ０ Ｓ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。

３　ＣＰＳ为低压配电与控制系统提供了较为理想的基础元件

（1）ＣＰＳ的独特结构决定了有完善的保护功能

图４为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。

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。

（2）ＫＢ０（ＣＰＳ）的使用极大地提高了系统运行可靠性和连续运行性。

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。

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。

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约２０台机床，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表示出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）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。

4）ＫＢ０（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）ＫＢ０（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为ＫＢ０开关的节能效果显示。

（4）模块化结构有高效的应急能力

ＫＢ０（ＣＰＳ）产品采用模块化结构设计，各功能模块装入主体后在机械和电器方面实现协调配合。重要的是各功能模块均为插拔式连接，拆装方便，有利于检修或更换。热磁式、数字化（电子）式模块可在３min内更换，解决过负荷 保护器出现故障时，减少停电损失。ＫＢ０接触系统采用独立的ＡＢＣ三相接触组，若出现限流短路脱扣器和接触器功能故障时，不需更换整台产品，可在１０min内更换接触组来予以排除故障。紧急情况下，可将已接好３根电源进线和３根负荷出线的ＫＢ０接在原故障开关的进线端和出线端，１０min内可完成整机换新，迅速恢复供电、控制与操作。在最短时间内完成对产品故障的排除，更有利于生产，减少停电损失，深受用户赞誉。

（5）ＫＢ０（ＣＰＳ）产品系列化、智能化满足低压配电和工业控制的全面选用

ＫＢ０（ＣＰＳ）系列化产品功能如表２所示。据建筑电气和工控应用需求，磁控式和数字化式产品均派生了隔离型、可逆控制型、消防专用型、双速三速电机控制型、减压起动器型（Ｙ－△起动、自耦降压和加电阻）和双电源自动 转换开关电器等。另有控制柜和开关箱等成套装置，应用于额定电压６９０Ｖ及以下，额定电流０．１６～１００Ａ共分２６个等级，能对０．０５～４５kＷ电机在不同工况下进行全压起动控制与保护，且能满足４５～９０kＷ的电动机降压起动，为不同需求用户提供完整的解决方案。

数字化控制技术的应用，使ＫＢ０进入智能化行列，采用微处理器（ＭＣＵ）进行数字化整定准确可靠，具有ＬＥＤ数码管显示和远程控制功能、Ｍｏｄｂｕｓ通讯和剩余电流保护功能。这为电机控制中心（ＭＣＣ）和多机联动生产线，实时数据分析、远传和遥控等综合自动化提供了必要的基础条件。

４ （ＣＰＳ）在低压配电和电动机控制与保护中应用初识

４．１　ＣＰＳ在机床电气改造中的应用

（1）普通车床采用ＣＰＳ作电器元件改造大有潜力可挖

一个普通车床通常的动力设备由主电机（５．５～２２kＷ）、退刀快速电机（１～１．６kＷ）和冷却泵（０．１２～０．２kＷ）组成。其电气系统由一个总的电源开关（断路器或带开关的熔断器组）和三套分别由熔断器、断路器、交流接触器和热继电器组成的控制系统组成，其综合造价与具有四合一性能的ＫＢ０开关相比相差无几。改装ＣＡ６１４０车床前，每二个月，对接触器动静触头均要打磨修正。每年对热继电器均要试验整定，每到夏季，热继电器常因环温升高而失灵，造成无故停车，过载拒动烧毁电机者时有发生。改装后不但配电箱体缩小２０％而关键是运行稳定。全国数以千万台计的普通车床，若全部采用ＫＢ０更新，不仅节约大量板材、节能减排，更重要是电机得到良好的保护和可靠稳定的运转，将创造较好的社会效益和企业效益。

（2）采用数字化智能型的ＫＢ０与ＰＬＣ配合使用，使多刀半自动车床变成自动程控车床

ＰＬＣ编程与ＫＢ０通讯功能的紧密配合相得益彰。对老式多刀半自动车床进行电气改造。利用ＫＢ０可靠地重载起停和可逆控制，把机械加工中的平端头与靠模粗车、精车外圆与切槽合并为一个工序，去掉了一些时继， 行程开关和电磁阀，取得了精确的工作行程、可靠返回和程序顺利自动转换。一气呵成单件加工。稳定高效并降低工人劳动强度，坐享全自动程控之利。

４．２　ＣＰＳ在泵站控制工程中的应用

图６、图７为ＫＢ０用于终端配电部位，不同的是图７采用了基于ＣＰＳ技术的双电源开关作为主电源开关。在多支路负载的终端配电中，主电源开关容量（ＫＢ０或ＫＢ０ Ｓ３）应为负载开关（ｎ１…ｎｎ）中最大一路容量的２．５倍及以上，这样在出现极大短路电流能量脱扣动作时，才具有良好的选择性，否则将会越级跳闸或上下级同时连跳，造成不应有的停电损失。

图８为高层建筑重要负载消防泵柜，采用双电源一用一备控制线路。将具有限流功能的ＫＢ０装在有限流功能的双电源ＫＢ０Ｓ３的下级，其分断能力会因上级开关的限流特性而大大提高，确为良好的配合。在此重要场所，为求善妥要采用源自限流技术的级联技术，按工程计算法算出下级ＫＢ０开关出口处短路的最大预期短路电流。查其限流曲线，将其真正通过的短路电流找出来。再查ＫＢ０和上级双电源ＫＢ０Ｓ３的能量脱扣曲线而定出在这一实际的短路电流通过时上下两级开关的脱扣时间，确保不越级跳闸。严防在泵机堵死或电机短路时，因上下级开关配合不当，上级双电源越级跳闸并使带短路负载进行电源转换使之承受二次短路电流冲击的恶性后果，可见上下开关容量配合和必要的短路电流的工程计算尤为重要。

４．３　ＣＰＳ在工厂生产线上的应用

（1）ＫＢ０综合控制化工反应釜生产作业线

图９为陕西渭南高新企业海泰公司化工反应釜电力控制柜。由现场测出反应釜的压力Ｐ、温度Ｔ、釜内气体含量ＱＴ及加热体的功率Ｗ等送入ＰＬＣ，经程序识别后把控制信号送入控制柜，起停ＫＢ０以实现反应釜的启停、正反转、三档加热和倾釜等系列动作而完成产品加工全工程。每柜可装１５～４０个ＫＢ０，完成数个反应釜的控制工作。该厂共用２９８个ＫＢ０开关，运行三年有余而无一损坏。每年年终停工清扫和紧固压线，很少维修。ＫＢ０以高可靠性而确保生产顺利进行，获取好的经济效益。

（2）酸洗硬质阳极气化作作业线

把ＫＢ０密集于控制台内，通过ＰＬＣ进行顺序控制，产品借助于ＫＢ０的正反停，完成产品入酸除锈→弱酸钝化→净冲工艺→阳极氧化→净冲出槽等工艺流程。由于ＫＢ０有防腐和封闭隔离功能且可频繁启动而适于充有弱酸雾环境的连续生产工艺而取代分立件的控制，运行效果尚可。

４．４　选用ＣＰＳ有助于水、电四遥系统的结构简化和提高运行的可靠性

智能型电子式的ＫＢ０产品的问世，拓宽了ＫＢ０的应用范围。采用微处理器对电机进行精确的全能性保护，对配电电路负载可接通、承载和分断正常条件下运行过载电流，也能够接通、承载和分断非正常条件下的短路电流，具有远控和就地自控功能。通过控制器的嵌入式软件分析计算，发出启停处理指令，并通过４８５接口转至上位机，这样就省去四遥终端一些执行部件，简化四遥结构、提高速率和可靠性。特别是在河网配水四遥系统，在洪水到来之时，水库闸门和渠网闸门可以群起群开，从速排汛以解危机。

４．５　ＫＢ０在电动机控制与保护系统中的配置

表３所列为配置推荐方案，仅供选用。ＫＢ０产品基本分为二大类，为适应工程而派生了许多产品。用不同的起动运行方式，以适应消防、给水和工业控制。可根据电动机功率及使用类别，详阅国家建筑标准设计图集１０Ｄ３０３－２－３《常用电机控制电路图》２０１０年版本或浙江中凯科技股份有限公司编制的２０１３年版本《ＫＢ０系列控制与保护开关电器二次控制电路图集》（ＫＢ０－ＣＣ），摘取上图、快速选用，简化设计并确保工程质量。

５　结束语

（1）ＫＢ０（ＣＰＳ）在我国批量生产已十余年，以优异的品质和系列特点为不同需要的用户提供完整的解决方案，广泛地应用于建筑电气、机械加工、动力采钻、化工和水网之中，它必将全面取代传统电机的电气控制方法。ＪＧＪ１６－２００８《民用建筑电气设计规范》实施指南中对其作了极高评价：“它成功地解决了过去一直没有解决好的电动机保护配合问题”，推为首选产品并列入风机与水泵控制国标图集，有依有据应广泛应用。

（2）目前ＫＢ０（ＣＰＳ）其额定电流为０．１６～１００Ａ，这对较大功率的电动机控制有了一定的限制，不适应大型泵站、水利枢纽和石化合成的动力控制要求，较大容量的ＣＰＳ急待开发。力争早日取代８００～１６００Ａ的框架开关。

（3）高速列车、航海战舰和地铁在我国得以飞速发展，要求研制为轨道列车专用、防腐防爆和湿热带产品。

（4）ＣＰＳ产品厂家不要单一生产ＣＰＳ开关。要适应工业生产发展的要求，制造装配系列电机专用控制箱、双电源泵站控制柜和手术室专用控制箱等成套产品为建筑电气整套服务。

（5）充分发展ＫＢ０产品各种控制、检测和联网功能，尽快应用于电力系统四遥四化成套设备中去，特别是工厂低压配电和电机群控之中。

（6）该产品有独立知识产权的ＣＰＳ产品和许多生产厂家并通过了３Ｃ认证。浙江中凯科技股份有限公司ＫＢ０产品在某些性能上已优于国外同类产品且价格适中，我们应树立自己的国际名牌产品的战略思想，在满足国内需要的同时要大刀阔斧地扩展国际市场。