1、控制与保护开关(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：本文主要介绍了控制与保护开关的发展情况、产品特点及产品优势，并对国内主要 CPS 产品 KB0 和 SDMK1 的基本结构、工作机制进行分析。并对CPS 的应用情况进行介绍。关键词：控制与保护开关；CPS；低压电器；智能化低压电器1 引言控制与保护开关电器 CPS(Control and Protective Switching Device)出现于 90年代末，作为我国低压电器的第 13 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
2、国家标准为GB14048.9-1998)。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、控制特性配合不协调得问题，为控制系统的简化提供了一种理想的基础元件。1.1 国内外发展情况控制与保护开关在国外于 20 世纪 8090 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 世纪施耐德公司又推出了 TeSys U 系列 CPS。西门子公司推出了 3RA6 系列，其最主要的特点体现在
3、：现代通信技术，如现场总线，微电子技术，控制器专用 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基础上进行了进一步完善，成为国内第一代 CPS 系列产品，即 KB0 系列控制与保护开关，该系列产品的最大额定电流为 125A。控制与保护开关电器真正广泛普及推广应用是从 2009 年开始，在此之前全国生产智能控制
4、与保护开关电器的企业不到 10 家，从 2010 年上半年开始，全国从事智能控制与保护开关电器制造与销售的企业如雨后春笋般迅速发展，从2009 年前不到 10 家企业的规模，到 2011 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目前(2011 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控制与保护开关电器这个新型智能电气产品的发展，加快了智能电气产品的发展步伐，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！1.2 CPS 产品特点智能控制与保护开关电器是一个多种功能
5、高度整合的多功能一体化综合保护开关，控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。1.2.1 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 380V、额定工作电流为 0.8-630A，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
6、剩余电流保护特性。 起动器功能可代替接触器和热继电器组合的起动器，控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计操作次数。 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打开或关闭预警功能，当设备过载运行温升达到预警门限时，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心进行信息交换。 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
7、、欠压、失压保护功能1.2.2 节省材料传统的控制保护回路为了实现对负荷(M)的控制与保护功能，传统的做法是采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)等进行组合控制。图 1 控制与保护方案对比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。而由 CPS 控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。1.2.3
8、 选型简单从其结构和功能上来说，控制与保护开关电器产品已不再是接触器、或断路器、或热继电器等单个产品，而是一套控制保护系统。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)由于选择不合理而引起的控制和保护配合不合理的种种问题，特别是克服了由于采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起时，保护特性与控制特性配合不协调的现象，极大地提高了控制与保护系统的运行可靠性和连续运行性能。目前，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 KB0 系列产品，另一种是沈阳明鑫智能电器为代表的 SDMK1 系列控制与保护开关。2 KB0 为代表的 CPS
9、 产品特点KB0 系列控制与保护开关于 1996 年 5 月通过国家级鉴定验收，型号含义“K”“B”为“控制”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”控制与保护开关电器。由浙江中凯生产，主要用于交流 50Hz、额定电压至 690V、额定电流 0.25A 至 125A 的电力系统中。2.1 KB0 的基本结构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 基本型产品以 KB0 基本型为例，如图 2 所示开关主要由主体，热磁脱扣器、辅助触头模块、分励脱扣器、远距离再扣器 5 部分组成，而主体部分又由电磁传动机构、操作机构、主电路
10、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 KB0 开关主体由图 3 我们可以看出，KB0 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。除基本型之外，KB0 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，但是附件模块的加入增加了开关的复杂度和故障率。2.2 KB0 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，KB
11、0 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采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 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，不易于控制；二是多套传动机构增加了开关的复杂性，导致开关机械故障几率加大。基于热磁式，KB0 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，后续由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。KB0 的各种保护功能主要依
12、赖各类脱扣装置实现，脱扣器价格相对便宜，但脱口装置在使用寿命、操作频次、可靠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 KB0 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。KB0 主体在机械寿命上相当高，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 KB0 的机械使用寿命。3 SDMK1 为代表的 CPS 产品特点SDMK1 系列控制与保护开关由沈阳明鑫智能电器生产，主要用于交流50Hz 或 60Hz、额定工作电压 380V（额定绝缘电压 660V） ，额定工作电流 0.8-630A 的电力系统中接通、承载和分断正常件下(包括
13、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） 。3.1 SDMK1 的基本结构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、一套智能控制单元来实现 CPS 的全部功能。SDMK1 的结构如图 4 所示，结构简单，集成度更高，零件数量较 KB0 大幅减少，运行稳定性更高。1 灭弧系统 2 智能控制单元 3 触头及电磁系统 4 辅助触头模块图 4 SDMK1 组成3.2 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
14、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（5） ，与系统内的数学模型进行对比运算，不论电流或其它参数正常或异常，都通过显示系统显示出来，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，则数字处理系统（5）给励磁去磁系统（7）信号，励磁去磁系统接到信号后立刻给电磁铁（1）反向励磁去磁系统
15、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，通过智能控制单元检测主回路电流，并进行逻辑运算和数据处理，控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 是通过智能控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，而智能控制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
16、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，而且保证了分断能力。就目前来说，国内产品的分断能力最大不会超过 12Ie，而 SDMK1 的分断时 16Ie，在分断能力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 600 万次左右，电寿命约为 100 万次。3.3 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、
17、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。 通信控制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，将开关的工作状态和参数传输到管理平台,也能接收来自管理平台的指令，实现远程控制。 通断控制SDMK1 开关对电气回路的通断控制，既可现场控制，也可远程控制。如当电力供应紧张，或有区域改造及维修工程时，农村电网停电与送电，可以通过远程控制实现。 智能控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
18、、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发展的必然趋势，也是市场的刚性需求。未来几年中国智能电网，智能小区，智能城市将快速发展，这也是智能型低压电器的发展机遇。4 中国低压电器的智能化发展趋势3.1 什么是智能低压电器到目前为止，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、制造商及工程设计人员以及使用部门所接受。低
19、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。随着建筑电气的发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应商重视。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，从而避免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，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计算机集中控制，提高了配
20、电系统的自动化程度，使配电、控制系统的调度和维护达到新的水平。5)智能电器采用数字化的新型监控元件，使配电系统和控制中心提供的信息最大幅度增加，且接线简单、便于安装，提高了工作的可靠性。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。3.2 低压电器智能化发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的。3.2.1 低压电器基本智能化技术目前，智能化低压电器基本含义主要包括以下功能：保护与控制功能齐全，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
21、与报警，系统运行状态监控，电能使用管理等功能(或其中一部分功能)。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、控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。3.2.2 智能电器可通信技术研究智能化低压电器强大功能充分发挥，必须依赖于低压配电与控制系统网络化。为此，对低压电器提出了可通信要求。为了满足网络化要求，又将涉及一系列
22、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、消防和安全等是小区物业管理的重点。由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，小区内安全监控区域较广，小区物业针对供电、消防和安全监控设立了多个值班室，但目前仍存在管理效率低和管理不到位等问题，表现为：（1）当系统发生故障时，一般都是由用户被动地上报，然后物
23、业再安排人员到现场进行分析、排查，故障反应周期长。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）按照配电和安全监控值班的相应规定，一般需要 24h 值守，按照 2人 4 班 3 运转的原则，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，日常的运行成本越大。如果采用 SDMK1 控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安全监控系统，则可解决上述问题。这三个系统可以合为一体，为小区物业管理提供优质服务。图 6 所示为采用 SDMK1 系列控制与保护开关的解决方案。图 6 SDMK1 实现方案小
24、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 控制与保护开关进行控制和保护，利用 SDMK1 控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，配电箱或消防控制箱内部的开关和设备采用 RS485 通讯方式，配电箱（控制箱）与配电箱（控制箱）之间采用电力载波通讯方式，所有信息发送至中央控制，中央控制室采用 GPRS 与管理和维护人员通讯，从而使设备管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 控制与保护开关对被保护线路和设备进行保
25、护，每条线路只需要用一台 SDMK1 控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，如果达到临界上限，则给出预警。配电箱内的 SDMK1 控制与保护开关采用 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，监控中心通过 GPRS 实现远程监控。供电管理和维护人员可以远程监测被保护线路的电气参数和工作状态，还可以远程控制开关接通或断开。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采集、用户数据分析以及数据同享等功能，实时获取
26、用电信息并掌握用电规律。为电网企业营销业务管理、用户用能管理和小区物业管理提供及时、完整、准确的基础数据。（2）消防报警系统采用 SDMK1 控制与保护开关，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，如果超出整定值则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，可以组成小区消防监控系统，实现剩余电流数据采集、记录和历史数据分析功能，以及时发现电气火灾隐患。利用 SDMK1 开关的远程控制功能，及时切断有火灾隐患的电气线路，并指导运行维修人员及时排查故障。此外，消防泵采用 SDMK1 控制与保护开关进行控制，SDMK
27、1 控制与保护开关的远程监控功能不仅能对消防泵进行控制，还能定期地对消防泵进行自检，及时发现其是否存在隐患，以免在关键时刻不能正常工作。（3）目前，基于网络的视频监控系统基本上采用中心录像服务器来存储录像。分散的录像数据需要通过专门的网络传输至中心录像服务器，利用SDMK1 控制与保护开关的通讯接口组成的载波通讯网络可以传输包括小区安全防、火警监控等录像数据，不仅没有视频辐射，还可以减少视频监控录像传输线路，节约建设投资。（4）智能家居的前端设备。SDMK1 控制与保护开关可安装在家庭住宅的进户处，用户可以利用其通讯网络实现家庭用电设备信息采集、监测、分析及控制等功能，实现家电联动，可通过电话
28、、手机、远程网络等方式实现家居的监控与互动，查询用电基本信息及三表抄收等其他增值服务。综上可见，利用 SDMK1 系列控制与保护开关对住宅小区内的供配电线路、消防报警和处理系统及视频监控系统进行控制和保护，利用开关的通讯接口组成通讯网络，实现居住区供用电状况、消防隐患、安防等的监控和迅速响应。可以实时将小区配电系统各点的运行信息传送到配电自动化主站，实现供用电运行状况、电能质量监控，故障自动检测与自动隔离，并对故障迅速响应；实施消防报警系统的监测状态传送至物业管理部门，及早发现火灾隐患；实时将小区内各点的视频录像传输至物业管理部门，无需敷设专用的监控录像传输线路。上述功能合为一体，组成物业集中管理系统，支持电网企业、消防、公安与居住区物业公司的协同处理水平，提高故障响应能力和处理速度。此外，对于小区住户，还可以借助该网络实现家居电气、消防、视频监控的远程监控与互动。
