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浅析CPS在建筑电气应用中存在的问题

0 引言

民用建筑中,在CPS这种电气元件出现以前通常采用断路器、接触器、热继电器等分立元器件的组合来实现控制与保护功能,包括通断负荷电流、短路保护、过载保护、欠压保护、缺相保护及联锁控制等功能。专用的控制与保护开关电器CPS(Controland Protective Switching Device)自上世纪80年代开始发展,它将断路器、接触器、热继电器的主要功能综合为一体,以一个单一产品实现了上述多个产品功能的组合。国际电工委员会IEC给出的标准代号为CPS,其在1992年出版了相关的标准IEC947-6-2:1992(我国相应国家标准为GB14048.9-1998)。

CPS将隔离开关、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的应用减少了线路中所需的元件数量,并很好地解决了不同元器件组合在一起使用时其保护特性、控制特性配合不协调的问题,为控制系统的简化提供了一种理想的基础元件。

CPS元件的符号、代号如图1所示。

图1 CPS元件的符号、代号

1 CPS产品特点

CPS(控制与保护开关电器)是一个多种功能高度整合的多功能一体化综合保护开关,采用模块化的单一产品结构型式,具有优良的技术经济指标,如机械寿命、电气寿命、预期短路分断能力、体积、质量以及协调配合时间、电流保护特性等,且可以根据不同需求选用不同的功能模块、辅助触头、分励脱扣器、再扣模块、欠压保护模块、交直流控制转换模块等等,可实现对电机的控制、对配电线路可能发生的过载、短路及欠电压故障进行保护,既能手动现场控制,也能实现远程控制。

1 CPS方案与分立元器件对比


2 CPS工作机制及优缺点

CPS兼具短路保护及过载、断相等非瞬时动作保护的功能,但其检测方式、保护方式和动作执行机构在不同产品中也均有不同。

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。

CPS的各种保护功能主要依赖各类脱扣装置实现,脱扣器价格相对便宜,但脱扣装置在使用寿命、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热磁式CPS的操作频次,使用热磁脱扣器时,操作频率极限值不超过12次/h。CPS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,这就限制了热磁式CPS的机械使用寿命。

3 CPS在使用中存在的问题

3.1 CPS用于配电线路保护

《民用建筑电气设计规范》(JGJ16-2008)第7.6.4条规定“对于突然断电比过负荷造成的损失更大的线路,该线路的过负荷保护应作用于信号而不应切断电路”。《低压配电设计规范》(GB50054-2011)第6.3.6条也有类似条文。故在针对消防负荷的配电线路中需要认真考虑如何满足此要求,特别是在变配电所的低压柜中。目前在较多项目中设计人员都注意到了在变配电所中的消防配电线路前端配置单磁脱扣型断路器,但有部分设计师却忽视了过负荷报警的要求,以至于在消防配电线路过载的情况下没有任何报警信号输出。

针对规范要求,在消防负荷配电线路的保护上有多种方案可以选择:

  • 采用过载仅报警不脱扣的断路器;

  • 采用单磁脱扣型断路器与热继电器等过负荷保护元器件的组合,热继电器报警信号输出;

  • 采用多功能仪表,设置固定的过载电流值,达到此值时输出报警信号;

  • 采用配电保护的消防型CPS产品;

上述报警信号均可送入电力监控系统等后台,针对上述方案选择,可以看出:

方案1)简单实用,但由于目前市场上生产此类产品的厂商并不普遍,在甲方招标采购的选型范围上会有诸多限制,采用的机会并不大;

方案2)采用了两种不同的分立元器件来满足规范需求,但存在本文表1中所描述的所有问题,也不建议采用;

方案3)采用一种折中的解决方案,但由于其报警信号不是直接由保护元器件发出,而是由互感器采样后经多功能仪表发出,存在一定的误动作可能性。且对多功能仪表要求有可编程输出的功能,同样在招标采购上有一定的局限性。

方案4)采用了CPS单一元器件来实现规范要求的功能,接线简单,安装方便,但也存在一些需要注意的问题:

(1)根据CPS厂家资料,其配电保护型CPS的磁保护整定电流Is2是可调节的,范围一般为3Ie~6Ie。如果采用带单磁脱扣器断路器的方案,一般是调节不了瞬时短路保护整定值的,而如果需要调节要采用电子脱扣器才行,此时断路器方案成本并不具备很大优势。

(2)不论是用于配电保护型还是电机保护型CPS产品,CPS厂商一般都未提供CPS元件的过载反时限曲线资料。众所周知,CPS的过载保护特性主要是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电动机烧毁。而变配电所低压柜内设置的保护元器件是用作配电线路保护的,与单纯电动机的过载反时限曲线并不一定相同。用CPS来做配电线路保护元件时,需要注意其反时限曲线的选用是否合适。

(3)CPS元件用于配电线路保护时,有一些专用于电动机的保护功能是不需要的,例如堵转保护、阻塞保护、缺相保护、启动超时保护等,厂商针对配电线路保护生产的专用CPS元件,应该能省掉此部分模块从而降低成本。

(4)当CPS用于配电线路保护时,遇到大规格电流等级时不够用。目前较多厂商的CPS产品电流范围是自0.16A~125A(目前有厂家已能生产225A规格),无法提供较大的电流等级。而在变配电所内,125(225)A均属于偏小的电流规格,部分消防负荷配电回路干线所需要的电流大于此值,此时可能选用不到合适的CPS。

3.2 CPS控制回路的改进

国家标准图集《建筑电气常用数据》(04DX101-1)第7-1页明确指出“电动机主回路宜优先采用组合式保护电器,其中一类是控制与保护开关电器(CPS)……CPS被认为是一个整体”。

为了推广CPS的使用,国家还出台了多本标准图集,例如《常用电气设备安装与控制》(08D800-5)、《常用风机控制电路图》(10D303-2)、《常用水泵控制电路图》(10D303-3)等。

在上述图集中,可以看到CPS元件针对故障状态单独设置了输出触点,一般为95/98、05/08两对触点。其中95/98是故障输出触点,任何主电路发生过载(或过流、断相)故障时95/98故障报警触点均会闭合;而05/08触点是单独针对短路故障的,仅在CPS发生短路故障时闭合,此时95/98触点亦会同时闭合。

从上述特点可以看出,CPS元件的故障输出触点可以区分两种不同类型故障,即短路、过载(缺相)故障。利用这个特性可以在异地详细了解到现场到底是发生了何种类型的故障。

而在上述几本标准图集的二次回路中,均未充分利用CPS的这个特点,下面以图2为例(国家标准图集10D303-2第78页二次控制原理图)进行分析。

从图2可以看到,原方案仅将CPS元件的95/98触点作为故障(过载)状态输出所用,远传至BA系统或其他后台,此时在远地可以发现故障状态,但无法判别是短路还是过载(缺相),只有在现场通过观察CPS本体或控制箱面板上的短路故障指示灯PGR1是否点亮才能判断。而如果检修人员在现场没有得到后台指示的故障信号时,当发生过载(缺相)等故障时现场是没有指示信号的。

图2 二次控制原理图

针对以上问题,可以在二次回路中做出局部修改,将95/98、05/08两对触点的故障信号分别显示出来。这种改动需要将95/98、05/08两对输出触点通过中间继电器分别扩展其触点数量,并分别输出到本地和远地(BA)两处不同的地方,二次控制回路将稍微复杂一点,但对于有此需求的用户来说还是非常有必要的。建议在国家标准图集或厂家标准图集的修订中考虑这种需求,充分利用CPS的优势。

本文来源:《智能建筑电气技术》杂志

作者:湖南省建筑设计院 吴斌 孟焕平

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作者:吴斌 孟焕平 来源: 点击数: 发布时间:2016年01月18日
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