控制与保护开关电器（CPS/KB0）结构特性分析
和在电气工程中的应用
黄晴明 刘定国
摘要：从对控制与保护开关电器KB0的结构剖析与传统分离元件电气性能的对比，指出这一采用模块化单一结构型式，集成了隔离器+断路器+接触器+热继电器等主要功能，使控制与保护更加协调配合的特点。CPS（KB0）对电动机保护而言是革命性的工程应用收到好的效果。
关键词：CPS（控制与保护开关电器）；控制与保护自配合特性；接触组；传统
分离电器元件 1 前言
在工厂机加作业线和井群泵站中，作为原动力数量庞大的电动机能否顺利起动和可靠运行至关重要。工程中常因元件选择不当、上下保护参数不相匹配、动静触头压力不足、抖动不稳、材质不良而烧伤氧化及灭弧措施欠佳使元件损坏，无端跳闸或无故拒跳而烧毁电机者屡见不鲜。多电机集控时，因元件量多体大而使柜体臃肿，每柜控制量少而不利于布局。基于电动机的控制与保护而研制的CPS（控制与保护开关电器）是把隔离开关、断路器、接触器和热继电器等多种传统元器件采用模块化单一结构形式全新功能集成一体的新型组合电器。CPS是英文“Control and Protective Switching Devices”的缩写。其图形符号如图1所示。使用该符号时，可以省略未使用的功能元素。
图1 CPS图形符号 图2 两种低压电控系统对比
图2表示为分立元件和KB0（CPS）分别组成的低压电控系统；a为传统分离元件搭配的电机控制系统；过载和断相时，由热继KH来控制接触器KM动作而短
路时则由断路器QF完成保护，接线复杂、保护分散度大。B方案无论是过载还是短路均由控制与保护自配合性能已整合成一个KB0来完成。简单明了稳定可靠。 上世纪九十年代前，CPS在我国尚且空缺，“八五”期间国家下达任务：由上海电器科学研究所负责开发、中凯科技股份有限公司负责试创生产并于1996年通过国家级鉴定验收的我国第一代CPS产品，注册型号为KB0。中凯科技股份有限公司经过十余年的改进和提高使KB0成为能与法国施耐德公司TESYS U系列产品性能相媲美且某些性能优于该产品的多种保护型式的系列大类产品。KB0（CPS）依据国家标准：GB14048.9-2008《低压开关设备和控制设备多功能电器（设备）第6-2部分：控制与保护开关电器（设备）（CPS）》，也即等同IEC60947-6-2:2007标准。成功地进入JGJ16-2008《民用建筑电气设计规范》，并在实施指南中推为首选产品。2010年KB0正式编入10D303-2<常用风机控制电路图>和10D303-3<常用水泵控制电路图>等国家标准设计图集，为KB0在工程上大量设计和应用提供依据和荐介推广。 2 KB0（CPS）的分类
2.1 按保护单元基本结构型式和功能特性可分为热磁式和数字化（电子）式两大类
2.1.1 热磁式（M）
这种开关的过载、断相保护是以双金属元件通过电流后，电热和机械能的转变，实现反时限超载保护。以电流线圈（磁脱扣）实现动作电流6-12Ie可调的断路器的定时限保护。专门设计短路瞬动线圈。当短路电流（≥16Ie），KB0可在0.2S的时间内瞬时切断短路电流，在额定运行短路分断能力50KA预期短路电流下分断时间仅为2~3ms。KB0热磁式可方便地实现时间-电流保护特性曲线（即三段保护）。动作稳定、寿命长，适应环境较为宽松，比如潮湿、干燥、粉尘及弱酸碱雾等较差环境。
2.1.2 数字化(电子)式类
除具有KB0（M）的性能外，增加了精细的电流互感器采集信号并通过微处理器（MCU）对电流进行数字式整定和对电机电流进行软件分析运算，实现对电机的过载、欠载、过流、断相、堵转、阻塞和剩余电流的综合保护。置有485接口与上位机构成通讯，方便地实现与四遥系统的配合。按功能不同的区别，目前有KB0-B、KB0-R、KB0-E和KB0-T等系列产品。
2.2 按在低压系统所处位置和作用可分为直控终端型和双电源自动转换型 2.2.1 用于电路终端直接对电机控制的开关，诸如上述两大类及派生的可逆型；消防型；双速、三速控制器；Y-Δ降压起动器；自耦降压起动器等系列产品。
2.2.2 基于CPS技术实现的双电源自动转换电器（ATSE）
近年来，由于工业和建筑的飞速发展，日益增多了对供电连续性要求较高的重要负荷。促进了主要用于末端ATSE产品的研制和大量地推向市场。历经了以分立元件为主体构成的ATSE、以模拟电路应用为主的机电一体化产品和以高性能新型电器元件为基础并采用CPU为核心智能专用控制器的新型ATSE的问世于发展历程。 PC级的ATSE或基于接触器（CTT）的ATSE，均需另加保护电器，从而增大了设备安装面积。基于断路器（MCCB）的CB级ATSE，由于操作机构固有动作时间较长，导致转换时间拖长，一般约为数秒级或十余秒，不能满足电源快速转换的要求。ATSE和CPS均属多功能电器。国内成功开发生产的CPS产品KB0，它的技术发展水平和十余年来大量工程应用的良好状况证实，已具有了ATSE的控制与功能要求。配以适当的电源端检测功能时，则方便的构成新型集成化的KB0S型系列的ATSE。它以两台KB0主体合而为一的形式，安置斗鸡米结构的机械联锁装置和电气互锁机构，依靠两组同时分断的高性能触头灭弧系统的接触组，同时具有了断路器高的分断能力和控制电器长寿命指标。不存在一组触头进行短路电流分断的同时另一组触头处于闭合状态的要求，从根本上解决了不同产品间的特性配合问题。KB0S这种单一的集成化的ATSE运行稳定，转换可靠，得到了工程界的认可。
3 CPS为低压配电与控制系统提供了较为理想的基础元件 3.1 CPS的独特结构决定了有完善的保护功能
图3双电源自动转换开关符号
如图-4所示中凯科技股份有限公司生产的CPS产品KB0系列控制与保护开关电器结构示意予以说明。
图4 (KB0)CPS隔离型结构示意图
KB0（CPS）开关本体由隔离刀、接触组、几个保护脱扣器和与之相连的操作系统，传动系统及指示部件组成。与外设控制指令相连构成负载和电机的控制和保护系统。当电源进入开关本体前受与控制电源联动的隔离刀闸关控，可使主电路和控制电路与电源的同时隔离，可安全地对主、控电路、配电负载和电动机进行检修。KB0的隔离刀与接触器组的合分机构间有可靠的电气联锁和机械闭锁设施，从而保证隔离刀与接触器组的分合次序，从根本上遏止带负荷拉合隔离开关这一恶性事故，保证安全运行。
KB0（CPS）有和操作机构直接相连的短路瞬时过电流脱扣器，可在16Ie时于0.2S时间内瞬时切断短路电流，在额定运行短路分断能力50KA预期短路电流