控制和保护开关电器的概念和基本特征

为了克服采用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的现象，方便用户选用，提高低压电控系统的运行可靠性，在20世纪的80～90年代，发展了一种新型电器即多功能集成化的控制与保护开关电器（Control and Protective Switching Device，CPS），其代表产品是法国TE公司的LD系列CPS产品和国内的KB0系列CPS热磁式产品。根据市场需求和新技术的发展，施耐德公司又于21世纪初推出了TeSys U系列，西门子公司推出了3RA6系列，国内则开发了VK60系列等数字化CPS产品。通过近20年的发展，CPS产品逐步完善，形成了多个系列、多个品种规格，基本满足了市场的需求。

控制与保护开关电器是低压电器中的新型大类产品，其产品类别代号为“CPS”。CPS是除手动控制外，还能够自动控制、带或不带就地人力操作装置的开关电器（设备）。CPS能够接通、承载和分断正常条件下包括规定的运行过载条件下的电流，且能够接通、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。CPS具有过载和短路保护功能，这些功能经产品内部协调配合使得CPS能够在分断直至其额定运行短路电流I_CS后连续运行（即CPS承受规定条件下的过电流后能够恢复运行）。CPS可以是也可以不是由单一的电器组成，但总被认为是一个整体（以下若无特殊说明，均针对整体式CPS进行描述）。协调配合可以是内在固有的，也可以是遵照制造厂商的规定经正确选取脱扣器而获得的。

CPS的基本特征即为具有内部自配合的多功能，多功能体现为：

（1）主要的保护功能 与电流相关的过载、断相、短路等保护功能，以及与电压相关的欠电压、过电压等保护功能。这些功能经协调配合，使得CPS能够在分断直至其额定运行短路电流I_CS后连续运行。

（2）主要的控制功能 就地与远程的手动控制，以及自动控制等。

CPS作为多功能电器，集成了隔离器、断路器（熔断器）、接触器、过载（或过电流）保护继电器、欠电压保护继电器等电器元件的主要功能，具有远距离自动控制和就地直接人力控制功能、机电信号报警功能（机械报警主要指面板指示，电气信号报警指通过指示灯等电信号指示）、协调配合的时间—电流保护特性，其具有的各种保护特性、控制动作特性在产品内部协调配合，即具有自配合性能。

17.1.1.1 低压配电与电控系统的基本构成及特征

提出并发展CPS，有多方面的技术背景。在低压配电与电控系统中，为了实现对电动机（M）的控制与保护，有两种方式：一是采用传统的分立元件构成电控系统，如图17-1a所示，其主要电器元件构成为：熔断器（FU）+断路器（QF）+接触器（KM）+热继电器（FR）。基本工作原理是：在正常情况下，由KM控制电路的通断，当过载或断相时，由FR控制KM切断电路，当短路故障出现时，由QF（FU）断开故障电路。二是采用新型多功能集成化的控制与保护开关电器（CPS）构成的电控系统，如图17-1b所示。

图17-1 低压电控系统的构成

a）分立元件构成的电控系统 b）CPS构成的电控系统

由于以下几方面的原因，要达到完善的选择性保护或是各种保护特性的协调配合的目标难度很大：采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起使用时，保护特性、控制特性配合不协调；设计人员选择电器元件可能匹配不当；成套生产厂商购置不同生产厂商的元件产品的质量不同和装配调整不当；用户现场整定不当；元件生产厂商推广和技术服务不到位。这些原因经常导致电控系统中会出现以下现象：接触器的主触头烧毁、甚至造成飞弧，使故障扩大，影响邻近供电回路；断路器在系统出现短路故障时不能正常分断电路；保护装置不能起到保护电动机的功能，造成误动或拒动等。对此具体分析如下：

一般的接触器的接通能力为10～12倍的额定电流，分断能力为8～10倍额定电流，当电路中出现超过接触器主触头分断能力的短路电流时，接触器的主触头在短路电流产生的强大的电动力作用下，极易发生接触器的主触头烧毁，并同时产生飞弧，导致事故的进一步扩大，甚至造成人身伤害。此类故障在工矿企业电气事故中占有相当高的比例。因此，在一些工程设计和建设中，为了达到断路器与接触器的动作时间的配合，应采用耐受电流大的接触器和限流断路器，通常采用放大接触器容量这个既不合理又不经济的办法。

电动机作为用电负载，通常使用在支路或线路未端。对于大多数直接起动的中小型电动机，用量最大的一般为30kW或45kW及以下，过去由于采用终端分立控制，当负载点发生短路故障时，短路电流一般在10kA左右。但是，随着配电与控制技术的发展，目前的一些工矿企业为了减少电能传输过程的损耗，方便运行管理，往往将一些电动机的控制设备设置于变配电站内的电动机控制中心（MCC）内，使得电动机保护用的断路器与配变的低压母线之间距离很近，导致控制电器出线端的阻抗很小，使得电动机功率虽小，但断路器及接触器负载端的短路电流却很大。目前，断路器短路分断能力随框架等级电流增大而增大，小电流的断路器分断能力较小，容易出现断路器在系统出现短路故障时不能正常分断电路的问题。

传统电动机保护型断路器作为电动机的过载保护和短路保护存在着以下缺陷：电动机保护型断路器只有两段保护，即过载长延时和短路瞬动保护，且大多数断路器的整定电流都是不可调整型的。这样，在实际工程选用中，电动机用的断路器额定电流一般是向上取一个最接近的数值，加之大多数断路器没有断相保护功能，往往起不到对电动机的保护作用。为此，需采用增加单独的热继电器作为过载和断相保护，后者的反时限整定电流也只是较粗的调节，各种元件的特性配合很难达到圆满的协调选择，而且保护功能比较简单。

17.1.1.2 由控制与保护开关电器构成的电控系统及其特征

图17-2表示了CPS产品的功能原理电路。图中的虚线表示机械关联，实线表示电气关联。在电气线路上，通过采用一组主电路接触组（包括动、静触头与灭弧系统）替代了至少两组主电路接触组（如断路器+接触器）。通过采用模块化的单一产品结构型式，单一的操作机构同时与各种保护单元（包括过载反时限保护、过电流定时限保护、短路瞬动保护）以及控制保护单元相关联实现控制与保护功能，且具有面板指示及机电信号报警功能。(www.xing528.com)

图17-2a、b为以KB0系列为代表的CPS的原理电路，该类产品采用传统的双金属片和螺线管电磁铁作为保护装置；图17-2c、d为以TeSys U系列和VK60系列为代表的CPS原理电路，其控制保护单元为电子式，通过电流互感器采样，MCU发出指令控制产品实现接通、分断和脱扣。

17.1.1.3 符合的标准及名词术语

国际电工委员会IEC给出CPS的标准为IEC 60947-6-2—2007，我国相应国家标准为GB 14048.9—2008《低压开关设备和控制设备 第6-2部分：多功能电器（设备）控制与保护开关电器（设备）（CPS）》（等同采用IEC 60947-6-2—2007）。

国家标准GB/T 4728.7—2008《电气简图用图形符号 第7部分：开关、控制和保护器件》中规定了CPS的电气图形符号，如图17-3a所示，图中符号的要素从左至右依次为自动脱扣功能、接触器功能、隔离功能、断路器功能和可逆功能，针对产品具有的集成化的多功能，图形符号中得到了充分的体现；当产品不具备非必备要素时，如隔离功能和可逆功能，电气符号中可略去相应的图形要素，见图17-3b、c、d。

按照标准的规定，CPS的定义为“是除手动控制外还能够自动控制、带或不带就地人力操作装置的开关电器（设备）。CPS能够接通、承载和分断正常条件下，包括规定的运行过载条件下的电流，且能够接通、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。CPS具有过载和短路保护功能，这些功能经协调配合使得CPS能够在分断直至其额定运行短路分断能力I_cs后连续运行。CPS可以是也可以不是由单一的电器组成，但总被认为是一个整体（或单元）。”

图17-2 CPS产品实现多功能的原理电路

a）不带隔离功能 b）带隔离功能 c）不带隔离功能 d）带隔离功能

注：I表示极大电流，如短路电流

图17-3 CPS的电气图形符号

（机械的）接触器的定义为“仅有一个休止位置，能接通、承载和分断正常电路条件（包括过载运行条件）下的电流的一种非手动操作的机械开关电器”，而CPS的定义中有“能够接通、承载和分断正常条件下包括规定的运行过载条件下的电流”，这与接触器的定义一致，同时CPS也可自动操作，与接触器唯一不同的是接触器“仅有一个休止位置”，而CPS“可以具有一个以上的休止位置”，可以看出，CPS具有接触器的功能。

断路器是“在正常电路条件下能接通、承载以及分断电流，也能在所规定的非正常电路条件（例如短路）下接通、承载一定时间和分断电流的一种机械开关电器”，可以看出，CPS的定义中完全包含了断路器的定义，因此CPS也具有断路器的功能。

CPS的定义指出“CPS可以是也可以不是由单一的电器组成”，即从产品的构成型式看，包含两种基本构成型式，即整体式和组合式，整体式产品将分立元件的功能通过其部件分别实现，仅包含一组主电路触头，无论从外表还是内部结构均为一个独立的完整的低压电器元件，国内外大公司的该类产品的容量通常较小；组合式产品则将满足标准要求的特性匹配的分立元件进行组合，或者紧凑组合或者分离安装但彼此关联，从理论上分析，紧凑组合型式多为小容量，分离安装者多为大容量。无论何种型式，即单一产品或由断路器、接触器、热继电器等分立元件通过特定的方式组合而成的产品，必须符合相应标准GB 14048.9—2008（IDT IEC 60947-6-2—2007）的要求方可成为或称为CPS。

本章除非另有说明，所指CPS产品均为整体式。