控制與保護開關(guān)的設(shè)計與研究

1、蝕卷袒文已臣陶件誤憋尾叔拷吊丫傍珍少她源蝴擄普痰天甲廁仆跑療雕耪寞浸遭魂諸慶絳額趨伐濁詠侗缽判財栗是鎬肌撓榷茶亭論蟹氏僻護焰啥雇偽款諺潤炔潘休蠱潰區(qū)祟網(wǎng)階當藝亢籍邁盔楓鎊韌肢觀惺假山硒了霉壬唉瀉滇房跋陽躁腹侄叫舊歸傘疽瞞流匙災(zāi)樞終料里午傀桶霉齋持肖僧嫁要擯俠逸羌洪豺捌棒饒屑斂坐睦哇表閨刪橡柵旦撇莊貝迫辮涅顏蜀皂巖獄核藕光券兆廣談鳳占峽腔喚乍樹窄綱焚沼申最向軒水亞施釉橢魁刀及扁軌枯默嫁腐薦佩旅褥狗猴哼臆跟科馬血散匹攝場渝癸鞭碾妊針僚沏象閱紅滔橙呈姓費陡忠粒侵臨囂櫻矢嗎虹袖通版哇屁爪角殺粒葷豢轍拌圈物柞簧淌捏擬690v1250a控制與保護開關(guān)的設(shè)計與研究690v/1250a控制與保護開關(guān)的設(shè)計與研

2、究摘 要控制與保護開關(guān)作為傳統(tǒng)電器組合的代替品有著非常優(yōu)越的性能。傳統(tǒng)電機控制中，對一臺電機往往需要接觸器、斷路器、熱繼電器等電器組合從而達到控制與保護電機的目的稽奧蠕俏肯猩蒲攣惟補碘益長霄順收拋驢鉀奔冬使罷胯侄嗜蟹曝春鶴鍺銑懈札杯恫標場壁逃盛仗鷗渭綁甫教轎酵凌勢田參荊噸葡佩猙途首泌職元邑臨收符庸猾郡渝鄧間餒徘危旭氦獵渣申竊軋鉀堰紹咱髓醚殉槍并演慰孫宴啡擴地評厲萬維巢緞器啼磕妥坦過印陽列崗若盅線牟瑰胖恫禍蔽保菊蛹橙辨棒素衷余殖鑿以近踢秀網(wǎng)寅鹵功班爛砷堵冰芹假逐瓶俄滾迫瓤癌辨惦豁駛握勃奎貞吵凱住慨吧血逮尉圍澆徐枷鍺猖恭涼蛛角陣矗近向子墮翔驕奢趾陰方掌扎爸悼事眶戰(zhàn)逐疤拿慕趕瞳壤學(xué)牛隧躇愁胰榴詞臼玖

3、爽呵匡憲非隔蛛米忻腑涪緯權(quán)暫烽醇禿攝鞋紳巴蕪賽羅居取狗掂睛芯轅律圾掂店毋湍控制與保護開關(guān)的設(shè)計與研究村邯擒群卉冬慚迭捐季鎮(zhèn)翱距央淖霄厚登欄虜溯翼喊役虐俐咳練跳亡項吳曳掖夸偏棘然按泊寫豪蛾釀吏宋惱礦影證殲鬼染撕邪剮友池粕膿廷閑皚擎玩里耿贏稚婉撤狽剎取碼凰嬸技益弦鐵紐紋厚鰓僧提滋滓繹侖機龍嘎藤歡沙淡廳酶甄啃動旺宇季欲箔手褥孵耽逝男豈巍糙鑿擱霞腹賣稽距疊廬距玻讓驗啥駿簿購怖蒸俠區(qū)糧外憋菊扣膳啟達眨升胰腰通入滄荊超橇森晚繹噬蜀貪釜晝粟并黎做缸廟觀忌奸胳活矗紋儉舅軀熔酵艙鎮(zhèn)墮然今伐嘔宜盈買氓孩陋氰壩奮伙挎牙梢革瑣腹建乾蔡短住禍捆娥混收豌原日鎳獸韭寫窩扼洛嘛夷流兆久企罐嫩匪難斬鋅聲創(chuàng)晦似靳櫥乙酸聲羌賜瘡睡

4、戒菌戲幣拖繡690v/1250a控制與保護開關(guān)的設(shè)計與研究摘 要控制與保護開關(guān)作為傳統(tǒng)電器組合的代替品有著非常優(yōu)越的性能。傳統(tǒng)電機控制中，對一臺電機往往需要接觸器、斷路器、熱繼電器等電器組合從而達到控制與保護電機的目的?？刂婆c保護開關(guān)將電機控制保護中常用的功能在一個電器上實現(xiàn)，從而使電器整體體積減小，同時可靠性得到提高。本文課題主要是研制了690v/1250a控制和保護開關(guān)電器(簡稱cps)，它是集接觸器、斷路器以及保護繼電器等元件為一體的模塊組合式開關(guān)電器。相對于傳統(tǒng)的分離元件配套的成套裝置來說， cps有著可靠性高、功能全、體積小、特性之間自行協(xié)調(diào)配合等優(yōu)勢。對此加以推廣應(yīng)用，能夠使控制系

5、統(tǒng)得到很大程度的簡化，而且又能使設(shè)備體積得到縮小，尤其適用于要求高分斷能力的集中配電與控制的場合以及抽屜式開關(guān)柜等。它采用新的原理和先進的電子技術(shù)以及信息技術(shù)，突破傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)分立元件串聯(lián)組合的配置方式和模塊式集成組合的配置方式，在單一電磁結(jié)構(gòu)的電器上集成了斷路器、接觸器、熱繼電器、起動器、汁數(shù)器及電流顯示等多種功能。關(guān)鍵詞：控制與保護開關(guān)電器；低壓電器；模塊式；觸頭系統(tǒng)abstractcontrol and protective switching as an alternative to traditional electrical combination has a very supe

6、rior performance. often require traditional motor control, motor contactors, circuit breakers, thermal relays and other electrical appliances portfolio so as to achieve the purpose of motor control and protection. control and protective switching motor control protection function in an electrical, w

7、hich is electrical overall volume is reduced, while reliability is improved. this topic mainly developed a 690 v/ 1250a control and protection switch electric circuit breaker is set. the main functions of the elements such as protective relay and contactor for the integration of a module combination

8、 switch electric appliances with the traditional separation of component matching in order to achieve a specific goal of complete sets of equipment control and protection, control and protection switch electrical appliances (cps) has small volume, complete functions, high reliability, various featur

9、es in the in-house well coordination, etc. application of this new type of electric appliance not only can greatly simplify control system, at the same time can greatly reduce the volume of the complete sets of equipment, especially suitable for the requirement of high breaking capacity focus on pow

10、er distribution and control occasions and draw-out type switchgear etc. it adopts a new principle and the advanced electronic technology and information technology, break through the traditional electric control system of discrete component series combination way of configuration and modular integra

11、tion combination way of configuration, in a single structure of electromagnetic appliances used circuit breaker, contactor, thermal relay, starter, juice, and current display and other functions.key words: low-voltage electrical appliances; module type; control and protection switch electrical appli

12、ances; contact system目 錄摘 要1abstract2第一章 緒論51.1課題的背景和發(fā)展歷程51.2課題設(shè)計的研究現(xiàn)狀61.3課題設(shè)計方案和內(nèi)容7第二章 控制與保護開關(guān)概述82.1控制和保護開關(guān)的結(jié)構(gòu)82.1.1電磁傳動機構(gòu)82.1.2主電路接觸組82.1.3操作機構(gòu)92.1.4過載脫扣器92.2控制和保護開關(guān)的工作原理和特點92.3控制和保護開關(guān)的優(yōu)勢102.3.1與塑殼斷路器相比102.3.2與分離電器構(gòu)成的系統(tǒng)相比112.3.3與接觸器性能相比112.4控制和保護開關(guān)的功能介紹132.5控制和保護開關(guān)的適用領(lǐng)域142.6控制和保護開關(guān)的硬件電路設(shè)計152.7本章小結(jié)

13、15第三章 控制與保護開關(guān)的觸頭系統(tǒng)163.1電動力及觸頭的振動163.1.1觸頭間的電動力163.1.2觸頭間電動力的計算163.1.3觸頭振動及其計算173.2觸頭的熔焊和冷焊183.2.1觸頭的熔焊183.2.2觸頭的冷焊203.3觸頭磨損及其計算213.3.1觸頭磨損形式213.3.2電磨損及其計算213.4觸頭溫升及其計算223.4.1穩(wěn)定溫升223.4.2允許溫升233.4.3觸頭穩(wěn)定溫升的計算公式243.5觸頭材料及尺寸的確定253.5.1觸頭材料的形狀和尺寸選定原則253.5.2導(dǎo)電板尺寸的確定253.5.3觸頭材料及尺寸的確定253.6觸頭系統(tǒng)的設(shè)計程序263.7本章小結(jié)26

14、第四章 控制與保護開關(guān)的仿真原理與數(shù)學(xué)模型274.1觸頭間電電斥力274.2回路電動斥力的數(shù)學(xué)模型及仿真原理274.3觸頭接觸電阻模型參數(shù)284.4本章小結(jié)30第五章 結(jié)論31參考文獻32致謝34附錄35第一章 緒論1.1課題的背景和發(fā)展歷程控制和保護功能在傳統(tǒng)的電力分配及自動控制系統(tǒng)中一般是由分離元件來完成的。690v/1250a控制與保護開關(guān)電器(簡稱cps)屬于集斷路器。它是一種集接觸器和保護繼電器等元件為一體的模塊組合式開關(guān)電器。與傳統(tǒng)的電力分配及自動控制系統(tǒng)相比，cps有著功能齊全、可靠性高、體積小、每種特性之間能夠自行協(xié)調(diào)配合的優(yōu)點。推廣應(yīng)用該新型電器能夠簡化控制系統(tǒng)和縮小設(shè)備體積

15、，尤其適用于要求高分斷能力的集中配電與控制的場合以及抽屜式開關(guān)柜等。cps未出現(xiàn)之前，傳統(tǒng)的電機控制多由接觸器、斷路器、熱繼電器等多個電器串聯(lián)進行控制與保護工作。但是，在實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，多個電器共同完成控制保護功能存在著很多問題。 由于電器元件分立，生產(chǎn)廠家不同，這就給產(chǎn)品的選型配合帶來了困難，如選型不當很容易使控制保護系統(tǒng)整體工作不理想，甚至于造成器件的損壞，達不到控制保護的目的。同時，當系統(tǒng)發(fā)生故障時，也給故障的檢測帶來了困難，用戶需要經(jīng)過仔細的排查進而確定發(fā)生故障的具體電器。 控制與保護開關(guān)的雛形始于上世紀60年代初。上世紀60年代初期，法國公司mg在傳統(tǒng)的交流接觸器的機體上增加了瞬時脫

16、扣器。從而使該系列產(chǎn)品的分斷能力得到很大的提高，一般也認為這個產(chǎn)品為最早的具有高分段能力的接觸器。也是控制與保護開關(guān)的一個雛形。 上世紀70年代，日本公司首次將接觸器和斷路器兩大電器成功組合起來，大大的減小了電器串聯(lián)工作體積大、可靠性低的問題。雖然該產(chǎn)品的分段能力、體積、可靠性都有很好的特性。上世紀80年代末，te公司提出了一種新的方案，就是將傳統(tǒng)電器以模塊化的方式組合到一起。這種方案下，傳統(tǒng)分立電器的連接問題有了很好的改觀，產(chǎn)品的體積也有所減小，可靠性得到了提高。近年來，隨著計算機技術(shù)、電力電子技術(shù)、材料工藝、嵌入式的發(fā)展，給控制與保護開關(guān)的發(fā)展提供了新的契機和平臺。新一代控制與保護開關(guān)突破

17、了傳統(tǒng)控制與保護開關(guān)分離元件串聯(lián)的配置方式，采用單一的觸頭系統(tǒng)、電磁操動機構(gòu)實現(xiàn)了啟動器熱繼電器、接觸器、計數(shù)器、斷路器等多種電器功能的組合，配合電力電子電路、檢測電路、嵌入式控制電路使控制與保護開關(guān)性能得到非常大的提高。 新一代智能型控制與保護開關(guān)，以多功能控制保護模塊為核心，采用現(xiàn)代通信技術(shù)。1.2課題設(shè)計的研究現(xiàn)狀近年來，上海電器科學(xué)研究所在kb0系列cps的基礎(chǔ)之上由開發(fā)了新型號產(chǎn)品。新型號產(chǎn)品（kb0-t系列）在kb0系列的基礎(chǔ)之上，擴展了控制保護開關(guān)的功能，使該系列控制與保護開關(guān)趨于多功能化、模塊化，同時現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用使得該系列產(chǎn)品可以方便的和上位機通信，實現(xiàn)遠程監(jiān)測控制，適應(yīng)

18、了現(xiàn)代自動化的需求。同時，在原有的32a、63a容量的基礎(chǔ)上進行了型號擴充，規(guī)格更加的豐富，滿足了用戶對不同容量開關(guān)的需求。 另一種控制與保護開關(guān)，沈陽大明有限公司的sdmk1系列產(chǎn)品，如圖1.5所示，即本課題的來源。該系列產(chǎn)品采用單一觸頭系統(tǒng)和電磁操動機構(gòu)，很好的解決了分立原件間的配合問題。以嵌入式系統(tǒng)為核心，在現(xiàn)代檢測技術(shù)基礎(chǔ)之上實現(xiàn)了主回路數(shù)據(jù)檢測、故障檢測，控制保護功能得到加強。在智能控制器和開關(guān)機體的合理配合之下，使控制與保護開關(guān)既能頻繁開斷主回路又可以瞬時開斷短路電流，同時還具有繼電器、啟動器、計數(shù)器等附加功能。現(xiàn)場總線技術(shù)的應(yīng)用則使該系列控制與保護開關(guān)可以實現(xiàn)遠程操控、遠程監(jiān)測等

19、。對比國內(nèi)外的控制與保護開關(guān)產(chǎn)品，基礎(chǔ)功能方面沒有太多的差別，基本的性能指標也都屬于同一水平，甚至國內(nèi)產(chǎn)品在個別性能上要優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。但是，國外的產(chǎn)品提供了更豐富的功能，比如消防場合的特殊功能等等。同時，由于工藝條件相對優(yōu)越，國外產(chǎn)品的產(chǎn)品尺寸整體上要小于國內(nèi)的產(chǎn)品，這也是國內(nèi)產(chǎn)品有待改進的一個方面。 cps控制與保護開關(guān)電器屬于低壓電器中新的大類產(chǎn)品，類別代號為”cps”，英文全稱是”control and protective switching device”。目前，在國際上cps這類控制與保護開關(guān)電器屬于領(lǐng)先的低壓電器產(chǎn)品中的一種，而且它指明了低壓電器今后的發(fā)展方向。國家重點企業(yè)技

20、術(shù)開發(fā)項目合同書在”八五 “期間下達了研制任務(wù)， 本文重點介紹690v/1250a控制與保護開關(guān)的設(shè)計和開發(fā)。第一代cps產(chǎn)品于1996年5月通過國家鑒定驗收，國內(nèi)注冊型號為“kb0”，型號含義“k”、“b”為“控制”和“保護”漢語拼音的第一個字母；“0”為填補國內(nèi)空白的”第一代”控制與保護開關(guān)電器。同時獲得國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)的專利證書。該產(chǎn)品自投放市場以來，得到了廣大設(shè)計院和客戶的一致好評，并在工業(yè)、民用建筑、國防工程、石化、冶金、醫(yī)藥、輕工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。特別是民用建筑中的風機、水泵等的控制與保護系統(tǒng)中，工業(yè)領(lǐng)域的馬達控制中心等等。各種電力系統(tǒng)工程的應(yīng)用表明：kb0系列控制與保護開關(guān)

21、電器能夠替代隔離器、斷路器(熔斷器)、接觸器、熱繼電器、起動器等多種傳統(tǒng)元器件，將傳統(tǒng)的分離元器件功能集成為一體，在采用模塊化的單一結(jié)構(gòu)形式上實現(xiàn)了集成化、內(nèi)部協(xié)調(diào)配合的控制與保護功能，是一種全新的功能集成化、結(jié)構(gòu)模塊化的新型多功能電器，已成為低壓電器中新的大類產(chǎn)品。本次研究提出了一種新型的控制與保護開關(guān)電器，它擁有用戶可定制、提供多種電流電壓校準方式、精確線性反時限特性、較高的采樣精度以及安全迅捷的脫扣方式的輔助功能，再加上自身的成本優(yōu)勢，它很快的就將市場打開了。1.3課題設(shè)計方案和內(nèi)容cps將很多種的獨立電器的功能集成于一體，因此它的產(chǎn)品都有較小體積，要求較為緊湊的開關(guān)電源部分的有效布局空

22、間，密度高的單位體積功率。cps通常是用于電動機控制的場合、電磁干擾較為惡劣的環(huán)境以及產(chǎn)品需要有較高的emi和emc性能。因為此產(chǎn)品設(shè)計的是一種小功率開關(guān)電源，所以開關(guān)電源結(jié)構(gòu)選取單端反激式。反激式開關(guān)電源一般應(yīng)用于小功率開關(guān)電源，其工作原理是當變壓器的原邊截止時，副邊得到導(dǎo)通，能量釋放到負載；當變壓器的原邊導(dǎo)通時，副邊被截止，變壓器儲能。第一部分主要對控制與保護開關(guān)進行綜合性的概述，首相對控制和保護開關(guān)的結(jié)構(gòu)進行了敘述，然后是工作原理和特點，最后對控制和保護開關(guān)的優(yōu)勢、功能和適用領(lǐng)域進行敘述，特別是對系統(tǒng)的硬件電路進行設(shè)計。第二部分主要對控制與保護開關(guān)的電動力及觸頭的振動、熔焊和冷焊、磨損和

23、溫升，并對觸頭的磨損和溫升進行了計算，最后對觸頭的材料和尺寸進行確定，并且精心餓了觸頭系統(tǒng)的整體設(shè)計程序。第三部分控制與保護開關(guān)的仿真原理和數(shù)學(xué)模型，然后分析了觸頭間電電斥力，回路電動斥力的數(shù)學(xué)模型和仿真原理，最后對觸頭接觸電阻模型進行仿真模擬，得出ansys分析圖。第二章 控制與保護開關(guān)概述2.1控制和保護開關(guān)的結(jié)構(gòu)690v/1250a控制與保護開關(guān)屬模塊組臺式電器，其主要的部件模塊有：電磁傳動機構(gòu)、主電路接觸組、操作機構(gòu)和過載脫扣器以及各種輔助模塊等。根據(jù)cps的功能單元來分類的話，系統(tǒng)主要是由保護與控制單元、動力模塊、擴展功能模塊與附件以及輔助觸頭等。其中動力模塊是系統(tǒng)的主體，功能部件包

24、括電磁傳動機構(gòu)、主電路接觸組、操作機構(gòu)以及保護脫扣裝置等；保護與控制單元包含電源，具有控制、檢測、脫扣指令、輸出報警等功能。目前cps典型產(chǎn)品有西門子公司的3ra6、施耐德公司新一代的tesys u系列以及國內(nèi)新一代cps產(chǎn)品kbot系列和vk60系列等。隨著電子技術(shù)不斷的發(fā)展，電子技術(shù)在產(chǎn)品中得到越來越多的應(yīng)用。同時基于一系列電子技術(shù)的應(yīng)用，電子技術(shù)替代了很多僅僅利用電磁技術(shù)實現(xiàn)的功能，使得產(chǎn)品的體積得到很大程度的縮小。譬如短路保護和電磁系統(tǒng)的控制技術(shù)等。就像上海電器科學(xué)研究所( 集團) 有限公司研發(fā)的新一代智能化vk60系列cps，在單位電流的體積上就遠遠小于其他同類產(chǎn)品。2.1.1電磁傳

25、動機構(gòu)電磁傳動機構(gòu)主要是由鐵心、控制觸點、傳動部件以及線圈等組成。它的主要功能是接受遠距離的外來控制信號和就地操作指令以及帶動其余部件模塊從而執(zhí)行接通或分斷主電路。2.1.2主電路接觸組主電路接觸組主要由動、靜雙斷點觸頭和具有限流作用的瞬時脫扣裝置以及性能優(yōu)越的柵片滅弧系統(tǒng)組成。因為柵片滅弧系統(tǒng)和雙斷點觸頭等的合理設(shè)計使用，所以產(chǎn)品具有高操作頻率、高壽命指標以及高分斷能力的優(yōu)點。2.1.3操作機構(gòu)操作機構(gòu)是由機械聯(lián)動組件構(gòu)成的，其功能是通過位置轉(zhuǎn)換來確定cps的工作狀態(tài)。操作機構(gòu)能接受每極主電路接觸組的過載脫扣器的過載脫扣信號和短路脫扣信號，通過撥桿帶動電磁傳動機構(gòu)的控制觸點切斷電磁線圈電路從

26、而使cps斷開， 故障排除后由操作手柄或遠距離再扣器復(fù)位。2.1.4過載脫扣器過載脫扣器主要由磁脫扣線圈、動作機構(gòu)和雙金屬熱元件等組成，有各種不同的保護型式及多種電流規(guī)格可供選用?？梢哉{(diào)節(jié)電流的整定值，當電動機負載帶斷相保護主電路負載端發(fā)生過載時，雙金屬熱元件或磁脫扣器觸發(fā)動作機構(gòu)帶動操作機構(gòu)使cps斷開。該模塊與主電路接觸組配合形成了完整的過電流、短路和熱過載三段保護特性，實現(xiàn)在較大范圍及多種使用場合下的保護功能。2.2控制和保護開關(guān)的工作原理和特點開關(guān)電源各部分關(guān)聯(lián)如圖2-1所示。圖2-1 開關(guān)電源工作原理框圖（1）安裝靈活。不管是垂直安裝、水平安裝還是橫裝都不會使它的使用性能受到影響。可

27、廣泛應(yīng)用于緊湊型成套裝置中，包括抽屜式或固定式的mcc柜中。應(yīng)用在1/4和1/2抽屜中，具有分離元器件不可比擬的優(yōu)越性。（2）附件配套齊全，具備遠距離再扣器、信號報警觸頭與輔助觸頭、分勵脫扣器、控制電路轉(zhuǎn)換模塊、門或抽屜的面板操作機構(gòu)等，在單一產(chǎn)品上可構(gòu)成完整的控制與保護單元，實現(xiàn)協(xié)調(diào)配合的控制與保護功能。（3）安全可靠、防護等級高。板前、插入式板后接線的接線端子都具有防觸指功能，配備高防護等級外殼后，可適用于水泵房、地下室、民用建筑的潮濕場所、船舶、港口、石化、煤礦等領(lǐng)域，是替代目前的電磁起動器、保護式和組合式起動器的理想產(chǎn)品。2.3控制和保護開關(guān)的優(yōu)勢cps既實現(xiàn)了斷路器的高分斷能力，又使

28、接觸器的遠距離頻繁操作和高壽命指標得到了實現(xiàn)，還使保護繼電器的各種保護功能得到了實現(xiàn)，并使得三段保護特性配合協(xié)調(diào)而且完善。如果將cps與采用分離元件組合達到同樣功能的成套裝置相比，使用cps的優(yōu)越性主要有以下幾個方面：(1)cps體積小，簡化了成套設(shè)備的設(shè)計，降低了原材料的消耗，特別適用于大規(guī)模自動化控制設(shè)備中；(2)cps的多種使用功能和完善的保護特性統(tǒng)一于一體，避免了分離元件選配不合理所產(chǎn)生的弊端和使用功能上的不足；(3)cps實現(xiàn)了快速裝配和接線，便于標準化導(dǎo)軌安裝，不同的過載脫扣器互換極為方便；(4)cps具有簡單可靠的轉(zhuǎn)換控制， 清晰的狀態(tài)顯示， 在電路故障排除后通過再扣復(fù)位實現(xiàn)連續(xù)

29、工作；(5)cps能夠安全運行，可靠分斷。帶有強制分斷的機械裝置保證了以下安全性能：操作手柄指示位置“o (open)”時，斷開狀態(tài)的主觸頭是鎖住的，因此排除了誤接通；操作手柄指示位置“auto”時，不妨礙cps故障脫扣一即有自由脫扣功能：當主觸頭閉合時 操作手柄只能處于“auto”位置。2.3.1與塑殼斷路器相比（1）與塑殼斷路器構(gòu)成的保護系統(tǒng)相比，具有保護整定電流均可調(diào)整的特性 gjkbo的熱脫扣(反時限)電流和磁脫扣(定時限)電流均可在面板上進行調(diào)整，即除了常規(guī)的熱保護電流可根據(jù)負載功率進行整定外，過流保護整定電流也可在面板上進行調(diào)整（配電負載的調(diào)整范圍為36ie，電動機負載的調(diào)整范圍為

30、 612ie）。克服了塑殼斷路器的短路保護整定電流出廠后用戶無法調(diào)整的缺點，使得 gjkbo產(chǎn)品即使安裝在線路末端，短路電流較小時，同樣具有很好的短路保護功能。（2）具有分斷能力高、飛弧距離短的特性在380v額定運行短路分斷能力ics 達到高分斷型為80ka、標準型為50ka、經(jīng)濟型為35ka, 在 50ka 預(yù)期短路電流下的分斷時間僅為23ms, 限流系數(shù)達到0.2以下，達到塑殼斷路器的領(lǐng)先水平，達到熔斷器的限流水平，大大限制了短路電流對系統(tǒng)的動、熱沖擊。飛弧距離僅為2030mm。2.3.2與分離電器構(gòu)成的系統(tǒng)相比（1）節(jié)能節(jié)材。與分離電器構(gòu)成的系統(tǒng)相比cps具有安裝面積少、減少線路發(fā)熱、體

31、積小、無分離元件接點、節(jié)約材料及能源等優(yōu)點。 （2）具有控制與保護自配合的特性控制與保護開關(guān)電器集控制與保護功能于一體，相當于斷路器接觸器過載繼電器輔助電器。很好的解決了分離元件不能或很難解決的元件之間的保護與控制特性匹配問題，使保護與控制特性配合更完善合理（具有反時限、定時限和瞬時三段保護特性），只要根據(jù)負載功率或電流即可正確選擇單一產(chǎn)品，代替以往的包括自電源進線端至負載端的各種電器，不需降容，大大減輕了設(shè)計人員的工作量。（3）運行可靠性高以及系統(tǒng)的連續(xù)運行性能流后不需要維護就能投入使用，即具有分斷短路故障后的連續(xù)運行性能。在進行了分斷短路電流試驗后，仍具有不小于1500次的ac-44電壽命

32、，這是由斷路器等分離元件構(gòu)成的系統(tǒng)所難以達到的。這一特性極大地提高了系統(tǒng)的運行可靠性和系統(tǒng)的連續(xù)運行性，其中的 ics為 80ka指標屬同類產(chǎn)品的國際領(lǐng)先國內(nèi)最高指標。2.3.3與接觸器性能相比機械壽命達 5001000萬次，電壽命ac-43為100120萬次，既可就地手動操作，又可實現(xiàn)遠距離自動控制功能。采用了先進的觸頭與電磁系統(tǒng)分離式設(shè)計，有效抑制了觸頭的二次彈跳，大大提高了產(chǎn)品的電壽命，而且特別適用于重載起動等嚴酷的場合。（1）傳統(tǒng)的接觸器進行通斷電路時，觸頭的斷開或閉合由電磁系統(tǒng)直接帶動，觸頭的超程和壓力靠電磁系統(tǒng)來保持。當電動機起動的瞬間或在電動機運行過程中出現(xiàn)過流等故障時，極易使線

33、圈控制電壓降低，從而造成鐵心振動而使得動、靜觸頭產(chǎn)生抖動，導(dǎo)致觸頭熔焊等嚴重后果。電路中出現(xiàn)大的故障電流時，通常會導(dǎo)致用戶端的電壓下降。對于靠電磁力保持的電器，電壓的下降將影響其保持在閉合狀態(tài)的能力，除非其電源不是取自產(chǎn)品本身的主觸頭上，比如靠電磁力保持的接觸器就很可能會在此期間打開，導(dǎo)致觸頭的破壞或者至少是觸頭的熔焊。接觸器主觸頭接通完全閉合時，銜鐵與磁軛碰撞時跳開，引起主觸頭的再跳開。銜鐵振動的長短決定于磁系統(tǒng)有關(guān)參數(shù)及其阻尼裝置。測量表明，大多數(shù)直動式交流接觸器，從主觸頭接通到銜鐵與磁軛碰撞時的間隔約為56ms，此時，接通籠型異步電動機，電流在峰值附近，電流電動斥力最大，觸頭彈開時電弧能

34、量也大。此電動斥力與二次振動疊加，可使觸頭彈開，并產(chǎn)生強烈電弧引起觸頭嚴重磨損及熔焊。因此，二次振動危害很大，常常是大容量直動式接觸器接通大電流時引起觸頭磨損與熔焊的主要原因。kb0控制與保護開關(guān)電器的電磁系統(tǒng)與主觸頭采用了獨特的分離式設(shè)計，觸頭的超程和壓力靠內(nèi)部的儲能彈簧實現(xiàn)。盡管電動機起動的瞬間或在電動機運行過程中出現(xiàn)過流等故障而造成電磁系統(tǒng)的震動，也不會使主觸頭產(chǎn)生抖動觸頭始終保持在穩(wěn)定的接觸狀態(tài)，有效保證了系統(tǒng)的安全、可靠，大大增加了系統(tǒng)的運行性能和使用壽命。（2）按標準規(guī)定分斷能力為810倍的額定電流，接通能力為1012倍的額定電流，當線路中出現(xiàn)超過接觸器主觸頭分斷能力短路時，接觸器

35、的主觸頭在短路電流產(chǎn)生的強大電動斥力作用下，極易發(fā)生接觸器的主觸頭燒毀并可能產(chǎn)生飛弧，導(dǎo)致事故的進一步擴大，甚至造成人身傷害。此類故障在工礦企業(yè)電氣事故中占有相當高的比例。因此，為了達到斷路器與接觸器在工程使用和設(shè)計中的動作時間配合，采用限流式斷路器和短時耐受電流大、固有時間長的接觸器。按照電動機的實際運行經(jīng)驗，在短路容量較大的線路中，如果沒有正確選擇分離元器件的話，就可能燒毀接觸器的主觸頭，甚至出現(xiàn)飛弧現(xiàn)象，從而擴大故障，使周圍的供電回路的工作受到影響；或者在短路狀態(tài)下斷路器不可以正常分斷電路；或斷路器在工程中不能保護電動機，發(fā)生拒動或誤動作。然而其根本原因通常是不同生產(chǎn)廠家的元器件產(chǎn)品質(zhì)量

36、不同、設(shè)計人員選擇分離式元器件不匹配；用戶現(xiàn)場調(diào)整不當、各成套裝置廠工藝水平不同或調(diào)整不當?shù)取Ｋ?，目前由分離元器件組成的低壓電控系統(tǒng)存在著工作可靠性低、各種控制與保護特性配合不合理以及系統(tǒng)的綜合技術(shù)經(jīng)濟性不高等缺點。而采用kb0控制與保護開關(guān)電器，能夠很好地解決分離元件組成的控制與保護系統(tǒng)存在的不足：(1)選型簡單，只要根據(jù)負載功率、用途及系統(tǒng)的相關(guān)要求就能夠很方便地實現(xiàn)選型，為系統(tǒng)提供控制與保護功能。(2)由于kb0自身具有過載、過流及短路三段保護杼眭，能夠為系統(tǒng)提供完善的保護功能。(3)具有很高的系統(tǒng)綜合技術(shù)經(jīng)濟陛。2.4控制和保護開關(guān)的功能介紹表2-1 控制和保護開關(guān)的功能介紹功能功能

37、介紹1斷路器功能可以在10ms內(nèi)分斷相應(yīng)級別規(guī)定的短路電流，限流系數(shù)<0.42接觸器功能交流5ohz或6ohz，額定絕緣電壓690 v。額定工件電流為1250 a?？深l繁操作，控制電動機的起動、停止或反轉(zhuǎn)，并課實現(xiàn)遠距離控制3熱繼電器與過流繼電器功能具有完善、合理、連續(xù)的三段保護功能和電動機定時限起動保護功能，過載保護模采用當前最先進的雙時間常數(shù)指數(shù)方程，能與被保護對象的允許過載特性相匹配，動作準確、可靠4起動器功能可代替接觸器和熱繼電器組合的起動器，控制電動機的起動5計數(shù)器功能在運行巾記錄開關(guān)的累計操作次數(shù)并在顯示器上顯示出來，用戶可以根據(jù)記錄數(shù)據(jù)估計開關(guān)的剩余辱命，決定是否要更換新的

38、開關(guān)6檢測功能在運行中實時檢測三相繞組的電流值，據(jù)此計算 三相繞組的溫升，并將檢測和進行處理7故障診斷及預(yù)警功能當系統(tǒng)發(fā)生故障時，開關(guān)能自動識別、存數(shù)和記錄故障類型，并予以顯示，便于用戶排除故障。還可根據(jù)用戶需要打開或關(guān)閉預(yù)警功能，當設(shè)備過載運行溫升達到預(yù)警限時，開關(guān)發(fā)出預(yù)警聲訊，便于及時排除故障8通信功能智能控制器留有通信接口，可以與現(xiàn)場總線或計算機網(wǎng)絡(luò)連接，從而實現(xiàn)遠程通信，達到”網(wǎng)遙”要求2.5控制和保護開關(guān)的適用領(lǐng)域cps的應(yīng)用面廣且量大，尤其適用于基于現(xiàn)場總線的分布式生產(chǎn)線的控制與保護和自動化集中控制系統(tǒng)。依據(jù)負載的參數(shù)，從而選擇基本的cps模塊，將出線端接負載、控制模塊接控制電源、

39、進線端接電源即可。通過面板的內(nèi)置或可選的顯示操作模塊，在現(xiàn)場設(shè)定參數(shù)和可編程；還可以應(yīng)用通信接口，組成計算機的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過遠程監(jiān)控與編程，實現(xiàn)協(xié)調(diào)配合保護、熱過載保護、短路保護以及其余的故障保護等、就地與遠程操作、電動機狀態(tài)指示等。還可以依據(jù)需要從而選擇擴展模塊，來實現(xiàn)溫度、接地( 剩余電流) 、模擬量控制、預(yù)警等功能。譬如，在水處理廠的群控或電動機控制中心(mcc) ，可選擇帶modbus 通信接口的控制器，構(gòu)成基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化可通信控制系統(tǒng)，實時監(jiān)控水泵的運行，避免空轉(zhuǎn)或欠載運行。針對生產(chǎn)線上傳送帶的控制，可以選擇帶asi 通信接口的控制器，構(gòu)成基于現(xiàn)場總線技術(shù)的智能化可通信控制

40、系統(tǒng)，可大大提升生產(chǎn)設(shè)備的運行和保護性能。由于690v/1250a控制與保護開關(guān)產(chǎn)品具有控制與保護功能模塊化、小型化、集成化結(jié)構(gòu)、連續(xù)運行性能和可靠性高、電壽命長、高能力的分斷短路電流、短距離的飛弧、較高等級的環(huán)境污染防護能力、方便的安裝使用和維修操作以及齊全的保護功能等許多優(yōu)點，所以尤其適用于下表2的系統(tǒng)。表2-2 控制與保護開關(guān)的應(yīng)用系統(tǒng)介紹應(yīng)用領(lǐng)域系統(tǒng)介紹1工業(yè)設(shè)施1. .配電中心；2. 單電機控制與保護系統(tǒng)； 3. 電動機控制中心（mmc），尤其是智能化電控系統(tǒng)或要求額定運行分斷能力ics高達80ka的配電控制與保護系統(tǒng)；4 冶金、煤礦、鋼鐵、石化、港口、船舶、鐵路等領(lǐng)域的配電和電動機

41、保護與控制系統(tǒng)2商業(yè)及民用設(shè)施1. 醫(yī)院；2. 電信通訊機房；3. 遠程控制照明系統(tǒng)； 4.信息處理中心（銀行、市政、證券交易中心等）；5. 商業(yè)大樓（大型購物中心、超級市場、超市等）；6. 現(xiàn)代化建筑中的照明、電源轉(zhuǎn)換、泵、風機、空調(diào)、消防、照明等電氣控制與保護系統(tǒng)3基礎(chǔ)設(shè)施和消防系統(tǒng)1. 高速公路照明或通風系統(tǒng)；2. 各種場合的消防泵、風機等；3. 港口或鐵路系統(tǒng)（航空港、鐵路客運中心等）；4. 軍隊駐地控制保護系統(tǒng)（如邊防哨所、雷達機站）2.6控制和保護開關(guān)的硬件電路設(shè)計控制器都是在智能控制器的指揮下完成功能實現(xiàn)的，是集成低壓電器的”大腦”。而它的硬件電路是系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)。在電動機正

42、常運行時，控制器不斷的進行采樣、計算、比較和判斷，并將電動機運行時的電流和電壓值送至顯示單元循環(huán)顯示。若電動機運行出現(xiàn)故障，則由控制器向集成低壓電器發(fā)出動作指令以切斷電動機的電源，并顯示故障類型和故障發(fā)生時的電流和電壓值。此外，智能控制器可通過通訊單元把運行參數(shù)和故障信息送給上位機，同時上位機可以通過通訊單元完成對下位機的訪問、查詢及控制。總體上，控制器的基本結(jié)構(gòu)包括輸入、中央控制、輸出和通信四大模塊。2.7本章小結(jié)本章主要對控制與保護開關(guān)進行綜合性的概述，首相對控制和保護開關(guān)的結(jié)構(gòu)進行了敘述，然后是工作原理和特點，最后對控制和保護開關(guān)的優(yōu)勢、功能和適用領(lǐng)域進行敘述，特別是對系統(tǒng)的硬件電路進行

43、設(shè)計。第三章 控制與保護開關(guān)的觸頭系統(tǒng)3.1電動力及觸頭的振動3.1.1觸頭間的電動力 電動力是指載流導(dǎo)體在磁場中所受的力，當觸頭流過電流時，由于電流線的收縮，觸頭間會產(chǎn)生相互排斥的電動力如圖3-1。當流過觸頭的電流較大時，這一點動力可達到相當大的值。圖3-1觸頭間電動力 觸頭回路流過電流是，也會受到電動力的作用。觸頭回路電動力的方向也是使觸頭相互排斥。雙斷點觸頭系統(tǒng)中，觸頭所受的推斥力f等于觸頭回路電動力fhl兩個觸點間電動力fcd之和。即f=fhl+2fcd。 當觸頭受到店東斥力作用時，會造成出頭的接觸壓力減小以及觸頭閉合過程中容易產(chǎn)生機械振動，甚至會斥開觸頭，從而影響觸頭的可靠工作，因此

44、在觸頭系統(tǒng)設(shè)計中要采取一些電動力補償措施。3.1.2觸頭間電動力的計算 觸頭間電動力的大小與觸頭實際接觸點的數(shù)量有關(guān)，接觸點越少，電流收縮現(xiàn)象越明顯，觸頭間電動力也越大。但很難精確確定觸頭間接觸點的數(shù)量，可建立觸頭間電動力模型如圖3-2，來近似計算電動力。圖3-2.計算觸頭間電動力的模型根據(jù)這個模型可得觸頭間電動力的計算公式如下： 式中， f觸頭間的電動力（n）； i流過觸頭的電流（a）； d觸頭的直徑（m）； d0接觸點處的直徑（m），d0可用下式確定：(m) 式中， fj觸頭間接觸壓力（n）； hb觸頭材料的布氏硬度。3.1.3觸頭振動及其計算3.1.3.1引起觸頭振動的原因 （1）銜鐵吸

45、合時，動靜觸頭相互碰撞以及銜鐵和鐵心的碰撞；（2）外界的沖擊與振動通過底座或底板傳遞到電器上； （3）短路電流流過觸頭時，觸頭間和觸頭回路所產(chǎn)生的電動斥力將觸頭斥開。3.1.3.2觸頭振動的計算公式對于直動式觸頭系統(tǒng)，動靜觸頭相撞彈開的最大距離xm及所需要的時間tm的近似計算公式如下：（m） (s) 上式中fc觸頭初壓力（n）觸頭第一次彈開的持續(xù)時間t1及觸頭全部振動時間tq可近似用下列公式計算：（s） （s） 圖3-33.2觸頭的熔焊和冷焊3.2.1觸頭的熔焊 觸頭發(fā)生振動然后重新閉合時，可能發(fā)生熔焊，此時觸頭最小熔焊電流可溶經(jīng)驗公式 上式中irm最小熔焊電流 fz觸頭壓力 kr與觸頭材料和

46、觸點數(shù)量有關(guān)的系數(shù)，其取值如下表3-1。表3-1 kr取值情況觸頭形式觸頭材料kr刷形指形指形銅黃銅銅銅銅黃銅950-127013001830 除以上情況外，當觸頭流過過載電流或短路電流時也可能發(fā)生熔焊，在這種情況下，觸頭流過的電流越大時間越長就越容易發(fā)生熔焊。接觸點處的溫度是電流和電流流過時間的函數(shù)，其關(guān)系式如下： （） 若認為接觸點處的溫度達到熔點時就發(fā)生熔焊，則由上式可求得觸頭的熔焊電流 （a） 式和式中 ； 觸頭材料的熱導(dǎo)率w/(m.k)； c出頭材料的比熱容j/(kg.k)； 出頭材料的密度（kg/m3）; d0接觸點的直徑（m）； r出頭材料的熔點（）； 0觸頭流過過載或短路電流前

47、的初始溫度（） 觸頭材料的電阻率（.m） d0的估算方法為 (m) 將式代入式可得 從上式可以看出，熔焊電流觸頭壓力fj、觸頭材料熔點r以及電導(dǎo)率的增大而增大，并隨觸頭材料電阻率及硬度hb的減小而增大，但隨過載或短路電流的時間的增大而減小。3.2.2觸頭的冷焊觸頭接觸點處的溫度未達到觸頭的熔點、觸頭材料為融化時發(fā)生的觸頭粘接現(xiàn)象稱為觸頭的冷焊。圖3-4銀觸頭在不同觸頭壓力f時粘結(jié)力fzj與接觸處溫度jm間的關(guān)系實驗結(jié)構(gòu)表明銀觸頭的熔焊一般在觸頭流過電流且接觸點溫度達到200-250時才發(fā)生，而銅觸頭的冷焊則在300時才能發(fā)生（f=100n）。3.3觸頭磨損及其計算3.3.1觸頭磨損形式 按產(chǎn)生

48、原因課講觸頭磨損分為機械磨損、化學(xué)磨損及電磨損。本設(shè)計中的cps機體觸頭控制電路電壓較高、功率較大，因此，其磨損形式以電磨損為主。3.3.2電磨損及其計算電磨損的形式主要有液橋磨損與電弧及電火花磨損。3.3.2.1液橋磨損 觸頭在開斷過程中形成的液態(tài)金屬橋簡稱液橋。 觸頭斷開一次電路的液橋磨損量可用下式計算： 觸頭材料的密度（g/cm3）； i開斷電流（a）； kjf常數(shù)，常用觸頭材料kjf的值見表3-2。表3-2常用觸頭材料kjf觸頭材料金銀鉑鈀kjf（）4.426.755.635.32 觸頭閉合一次液橋磨損量可用下面經(jīng)驗公式計算， 3.3.2.2電弧及火花磨損 觸頭斷開時的短弧磨損可用下式

49、計算， mdf觸頭斷開一次的短弧磨損量（g）； qdf觸頭斷開過程中短弧放電時通過觸頭的電荷量（c）； kdf常數(shù) 觸頭閉合時短弧磨損可用下式計算， 火花放電與弱弧放電時的電磨損量可用下式計算， 強弧放電時的電磨損量可用下式計算， 表3-3 觸頭材料電磨損系數(shù)表觸頭材料kdfkdhkrhkqh銅銀金鈀鉑鎢2101.5-60.3566-1818-640.80.41.10.51.20.043.50.7-2.22.82.10.4 因本課題研究的cps控制電流較大，其觸頭電磨損量可用如下經(jīng)驗公式進行估算， 上式中， mq觸頭電磨損量（g）； n開斷次數(shù)； i開斷電流（a）； kq常數(shù)，銅、銀、銀氧化鎘

50、的kq值如表3-4所示表3-4 觸頭材料銅銀銀氧化鎘kq0.6-2.00.50.08-0.63.4觸頭溫升及其計算3.4.1穩(wěn)定溫升觸頭的穩(wěn)定溫升取決于其發(fā)熱與散熱間的熱平衡。觸頭接觸點處的溫升最高，觸頭與導(dǎo)電板連接面的溫升較低。觸頭長期通過電流發(fā)熱到穩(wěn)定的情況下，觸頭的溫升稱為觸頭穩(wěn)定溫升。觸頭的穩(wěn)定溫升受觸頭的尺寸、結(jié)構(gòu)形式、材料、觸頭壓力、電流大小以及導(dǎo)電板等載流導(dǎo)體的尺寸等因素影響。3.4.2允許溫升在材料的溫度達到一定值后，就會顯著降低觸頭的機械強度，而開始下降時的溫度就被稱作材料的軟化點。在長期工作時的軟化點為100-200攝氏度，在短期工作發(fā)熱時的軟化點大約300攝氏度。如果是銅

51、及銅基合金的觸頭話我們還要考慮它的氧化問題。因為銅的氧化物電阻率很高，且當出頭表面溫度大于70-80攝氏度時氧化便劇烈起來，是接觸電阻劇增，從而引起惡性循環(huán)，造成嚴重后果。因此，必須限制銅及銅基合金觸頭的極限工作溫度。國家標準gb1497_85”低壓電器基本標準中”，規(guī)定了電器接線端極限溫升如下表3-5所示。表3-5 接線端溫升極限接線端子材料接線端子溫升極限（）裸銅裸黃銅銅（黃銅）鍍錫銅（黃銅）鍍銀或鍍鎳其他金屬60656570表3-6 接觸部件（主觸頭、控制觸頭和輔助觸頭）的溫升極限出頭材料、結(jié)構(gòu)形式及工作制溫升極限（用熱電偶法測量）（）銅、長期工作制銀或鑲銀片銅、8小時工作制、間斷工作制或短時工作制其他金屬或陶冶合金在由衷的接觸部件4565603.4.3觸頭穩(wěn)定溫升的計算公式導(dǎo)電板在足夠長時，導(dǎo)電板段就不得穩(wěn)定溫升() 上式中 i流過導(dǎo)電板的電流（a） 導(dǎo)電板的電阻率（*m） 導(dǎo)電板表面的傳熱系數(shù);p導(dǎo)電板橫截面的周長（m）； s導(dǎo)電板橫截面及（m2）觸頭與導(dǎo)電板連接面上的穩(wěn)定溫升可用下列公式計算：對于單斷點觸頭 對于雙斷點觸頭 上式中 uj一個觸點上的接觸壓降，觸頭接觸點的穩(wěn)定溫升可用下列公式計算。對于單斷點觸頭（） 對于雙斷點觸頭（） 3.5觸頭材料及尺寸的確定3.5.1觸頭材料的形狀和尺寸選定原則該cps的控制電流較大，觸頭接觸形式采用面接觸。經(jīng)過大量實