CPS短路保护：工作原理与电气框图

17.3.2.1 产品内部的电气原理框图及总体工作原理

17.2.3.1节中，按实现保护功能的方式可将CPS分为热磁式和电子式两种。其中，电子式产品按短路保护方式的不同又可分为两种（按短路保护是否采用电子电路保护分），下面就这三种型式进行电气原理框图和工作原理的分析。

（1）热磁式 过载保护功能基于双金属片，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线管电磁铁，具有多套传动机构，内部的电气原理框图如图17-18所示。

图17-16 国内代表产品的结构

a）VK60系列CPS的构成

1—隔离模块 2—电压模块 3—电源模块 4—动力底座 5—控制保护模块 6—辅助触头模块 7—可逆模块

b）KB0系列CPS的构成

1—主体（动力底座） 2—过载脱扣器 3—辅助触头模块 4—分励脱扣器 5—远距离再扣器

（2）电子式（全功能电子式） 过载保护、定时限保护和短路保护功能均由电子电路实现，内部的电气原理框图如图17-19所示。按照具体产品构成的不同，其中的功能单元可以拆分或合并，例如电源适配单元可内置于全功能电子式控制与保护模块，也可置于其外。

（3）电子式（短路保护采用快速螺线管电磁铁） 短路保护采用快速螺线管电磁铁，对其它一般故障基于电子电路进行保护，内部的电气原理框图如图17-20所示。

另外，为了适应某些特殊场合的实用，特别是消防场合的“仅报警不分断电路”的特定要求，在电子式产品上增加数字量的输出、同时增加判断功能区分一般故障和短路故障，即可方便地实现一般场合的“报警、分断电路”的常规要求或消防场合的“仅报警不分断电路”（此时，不脱扣）的特定要求。

图17-17 国外代表产品的结构

a）TeSysU系列CPS的构成

1—动力底座 2—控制保护模块 3—通信接口模块 4—辅助触头模块

b）3RA6系列CPS的结构示意图

1—手柄 2—电路板 3—控制电磁系统 4—操作机构 5—快速动作电磁铁 6—主电路触头灭弧系统 7—电流互感器 8—辅助（信报）触头 9—剩余寿命感测元件

17.3.2.2 远程频繁操作的工作原理

CPS具有接触器的功能，而接触器的一个很大特点即可以远程频繁操作，而远程频繁操作的核心元件则是电磁系统，因此CPS远程频繁操作的工作原理与接触器基本一致。

CPS最简单的远程频繁操作电路如图17-21a所示（图中仅用按钮表示外部操作元件），其控制电路的配置相当于GB 14048.9—2008中附录E（控制电路的配置举例）的“单电源和控制输入”（见图17-21b），大部分产品例如Te-Sys U、3RA6、KB0等均如此，此时CPS的操作手柄应置于自动位置，图17-13中可看到此位置。

对于GB 14048.9—2008中附录E列举的众多控制电路配置中，还有一种“分离的电源和控制输入”，如图17-22所示（图中仅用按钮表示外部操作元件），代表产品为VK60系列。此时，CPS的操作手柄同样应置于自动位置。该配置通过产品内部的合理分配，可将内部的用电元件分为外部ECD可控和不可控两大类，则同时可实现产品的频繁控制，又可保护液晶显示屏、MCU等电子元器件的非频繁断电，大大提高了电子元器件的使用寿命。

图17-18 基于热磁式保护形式CPS的内部电气原理框图

图17-19 基于全功能电子式保护形式CPS的内部电气原理框图

17.3.2.3 短路保护的工作原理

短路电流出现时，为将电动力和热动力对系统以及对产品本身的影响降到最低，CPS脱扣动作时间越短越好，特别是对于类似于CPS这类限流型产品，短路保护最重要的一点就是快速响应，并分断主电路。

通常，限流型短路分断产品会利用短路大电流发生时触头间产生的斥力将触头快速斥开，同时快速动作机构快速响应，以阻止动触头返回，并将其保持在触头断开位置。

目前代表性CPS产品的限流型触头灭弧系统如图17-25所示。对于该类型的触头灭弧系统，触头在大电流下斥开后，无法停留在断开位置，随着斥开后电流的逐渐减小，斥力也会同步减小，当斥力小于触头压力后，触头会向着触头闭合的方向运动，为了防止触头再次闭合并成功分断短路电流，此时就要求必须有相应的机构到达触头断开位置，阻止其返回至闭合位置。因此，CPS必须有一套快速动作的装置实现此功能。

响应于短路电流的快速动作装置通常包括两种型式：

（1）快速动作的螺线管电磁铁装置 采用螺线管电磁铁装置进行短路保护的产品，其过载等一般故障的保护通常采用另外的、不同于短路保护的方式实现，例如热磁式或电子式的方式，而螺线管电磁铁装置专用于短路保护，这类型式的典型代表产品为KB0和3RA6，其中电子式KB0的内部电气原理框图如图17-20所示，热磁式KB0的内部电气原理框图如图17-18所示。

图17-20 短路保护基于快速螺线管电磁铁的电子式保护形式CPS的内部电气原理框图

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图17-21 CPS控制电路1

a）CPS远程频繁控制的原理图1 b）GB 14048.9—2008中附录E条款E.2.1.1所示图例

（2）快速响应的脱扣电磁铁+快速分断的操作机构 对于全功能电子控制的CPS产品，其所有的保护和控制功能全部由电子部分经由“互感器检测—电子电路判断—电子触发脱扣器—脱扣器动作—操作机构动作—触头分断”过程实现短路分断，操作机构动作的同时，电磁系统也进行释放动作；这类型式的典型代表产品为TeSys U和VK60，其内部电气原理框图如图17-19所示，其快速响应的脱扣电磁铁结构及工作原理如图17-28c所示。

对于CPS这类限流分断产品的短路保护功能，无论采用何种方式实现，均需要动作机构或装置快速响应和动作，CPS短路全分断时间约为2ms左右。

图17-22 CPS控制电路2

a）CPS远程频繁控制的原理图2 b）GB 14048.9—2008中附录E条款E.2.1.2所示图例

随着小型化的要求越来越高，对CPS分断速度的要求也越来越高，借助最新的研究成果，实现了在直动式双断点触头基础上利用斥开卡止结构，最大限度地提高分断速度，进而可大幅度提高分断能力，该研究成果不同于传统的CPS直动式双断点触头结构（见图17-23），每相触头设置了图17-24所示的两根呈夹角布局的触头弹簧，短路电流流过时产生的巨大斥力使两根触头弹簧位置发生翻转，即由图17-24a位置经由图b位置和图c位置到达图d位置，两根触头弹簧对桥式触头的作用力的方向发生变化，如图17-24所示，由于α角和γ角的存在，图a所示位置，桥式触头在y方向受到正向弹簧分力，此时可稳定停留在触头闭合位置；图d所示位置，桥式触头则在y方向受到负向弹簧分力，此时即使没有操作机构对桥式触头施加作用力（如前所述，现有的CPS在短路电流发生触头斥开后，若无机构随后紧跟，则触头会向闭合位置运动），桥式触头也可稳定停留于图d所示的位置，实现斥开卡止的功能。

图17-23 直动式双断点触头传统原理结构

a）触头闭合位置 b）触头分断位置

1—触头弹簧 2—动触头 3—静触头 4—桥式触头 5—静触头 6—触头支持件

图17-23b所示的位置为正常通断位置，包括电磁铁分断（机电寿命即考核该位置）和面板手柄分断位置（操作机构寿命考核该位置），由于CPS触头处于断开位置时电磁系统反力弹簧与触头弹簧的关系与接触器不同，接触器在触头从闭合运动到断开位置过程中，反力弹簧力由大变小，触头弹簧力也由大变小，而CPS的传统直动式双断点结构，在触头从闭合运动到断开位置过程中，反力弹簧力由大变大，触头弹簧力则由小变大（见图17-23，P₂＞P₁）。操作机构在触头从闭合运动到断开位置过程中，其施加在触头支持件上的弹簧力与电磁系统的反力弹簧变化趋势一致，即由大变小（见17.5.2.22），因此为了保证触头开距，必须设置较大的弹簧反力和机构作用力，为电磁系统的小型化以及反力弹簧和机构弹簧的设计或寿命带来一定程度的影响，图17-24所示方案可有效改善此影响，现对触头弹簧力分析如下（该方案中电磁系统和操作机构的作用方式与传统结构一致，仅对触头结构进行了改动）：

图17-23中，单个触头压力为P₁，断开位置触头弹簧作用在单个触头上的力为P₂，其中P₂永远大于P₁；

图17-24中，单个触头压力为P_1y，断开位置触头弹簧作用在单个触头上的力为P_2y，其中：

P_1y=P₁sinα，

P_2y=P₂sinβ，

同样，P₂永远大于P₁，但可以通过调节α与β的关系，使得

P_1y=P_2y

甚至可使得

P_1y＞P2y

图17-24 直动式双断点触头斥开卡止原理结构

a）触头闭合位置 b）触头正常分断位置 c）斥开过渡位置 d）斥开卡止位置

1—触头弹簧 2—动触头 3—静触头 4—桥式触头 5—静触头 6—触头支持件

在P_1y相当的情况下，可有效实施电磁系统小型化或者有效改善整体产品的机电气寿命。

该研究成果目前仅仅停留在专利技术层面而未形成产品，该方案还需在工艺、材料等多方面进行深入研究，以实现产业化。

17.3.2.4 一般故障保护的工作原理

“一般故障”并非低压电器的专有名词，在使用传统分立元件的岁月中未曾出现，但CPS产品出现后，由于在同一产品上通过各种功能部件同时实现多种控制与保护功能，为了区别各种关系，将除短路故障以外的故障统称为一般故障，包括过载、过电流、断相、三相不平衡、堵转、阻塞等非必须瞬时动作保护的诸多故障。

在由断路器、接触器、过载继电器等分立元件搭建的系统中，一般故障通常由接触器分断，在由具有电动机保护功能的断路器与接触器构成的系统中，一般故障则由断路器分断。与上述两种系统的一般故障保护方式对应的CPS可参见表17-2和表17-3，其中3RA6和电子式KB0与第一种系统的一般故障保护方式相类似，即由控制电磁铁动作分断故障（操作手柄处于自动位置），TeSys U、VK60和CB1与第二种系统的一般故障保护方式类似，即由脱扣器带动机构直接断开主电路（操作手柄处于脱扣位置）。

17.3.2.5 其他

数字化CPS的多种一般故障的保护判断主要由互感器将检测到的信号送入MCU，MCU根据软件中建立的数学模型进行动作与否，即故障发生与否的判断，如果判定为故障发生，则将动作指令发到相应的执行机构，例如脱扣器—操作机构—触头，或者将动作指令发到控制电磁铁—触头，实现故障保护。

对于数字化产品通过电子方式判断短路与否的情况，由于对响应速度有很高的要求，与一般故障不同，通常互感器检测到的信号直接送到模拟电路进行判断和处理，而不是通过MCU运算后进行判断，这样可以保证对短路故障的快速响应。

对于传统用于过载保护的热继电器，其工作原理为双金属片元件受热后弯曲推动动作机构实现保护，冷却时双金属片元件必然需要一个恢复时间进行散热，因此热继电器无需设定便自然具有冷态和热态两种不同特性。与热继电器不同，数字化产品的保护特性是通过MCU中的数学模型进行计算和判断的，热态特性需要通过算法进行模拟；很显然，为了与被保护对象——电动机的发热和散热曲线更加贴近，具有热态特性的产品更加具有优势。标准中，将上述功能定义为“热记忆功能”，并给出了具体的验证方法（见GB 14048.9—2008中8.2.1.5.1.2），该功能也可以没有，对于无此功能的产品，标准规定应加以标志（见GB 14048.9—2008中6.1.2r），目前GB 14048.9—2008标准中尚未规定无此功能的标志图形符号，但在GB 14048.4—2010标准中的5.7.3b，则规定了无热记忆功能的电子式继电器应标志“”，因此，不具备热记忆功能的CPS在不久的将来也很有可能会被要求在产品上明确标注该标志。