CW3万能式断路器的智能控制器的选型与使用

2010-06-23管瑞良殷建强

电气技术 2010年5期

管瑞良殷建强

（常熟开关制造有限公司，江苏常熟 215500）

1 引言

新一代CW3-EA、EP、EQ、EG系列框架断路器除了具有高分断、小体积等特点外，其智能控制器基于先进的具有DSP运算能力的32位微处理器设计、液晶显示、中文菜单方式操作，整体性能大幅提高并具有系列化、模块化、多功能、高可靠的特点。另外，作为断路器的核心部件之一，其电磁兼容性能完全满足GB14048.2-2008相关要求。

2 控制器选型[1]

CW3-EA系列为电流保护型控制器，具有电流选择性保护与接地保护功能，EP系列控制器则在EA系列基础上增加了功率测量与能量管理，EQ系列除EP系列功能外还具有谐波分析功能，EG系列则为发电机保护型。各系列控制器后缀35为无接地保护功能，36为带接地保护功能（分矢量和型与变压器中性点接地保护型，用户订货时标明）。CW3智能控制器的通信模块独立于控制器本体，全系列控制器均可选配通信功能，另可选配抽架通信模块、CN1DP系列协议转换器、2路可编程输出模块、6路可编程输出模块、附件状态监测模块，具体见产品样本。

3 保护功能[2]

3.1 选择性保护及MCR

（1）长延时动作特性

CW3系列智能控制器提供通用反时限（I2t）、非常反时限（It）、高压熔丝配合（I4t）三种保护特性曲线，与上下级断路器或熔断器能进行更好的协调配合（EG系列仅提供通用反时限）。

1）通用反时限脱扣曲线

当I≤1.15Ir1时，保护动作时间T1→∞，保护不动作；

当I＞.15Ir1时，保护动作时间T1=(1.5Ir1)2t1/ I2(EG系列为T1=(1.3Ir1)2t1/I2))式中，I为最大相电流。

2）非常反时限脱扣曲线

当I≤1.15Ir1时，保护动作时间T1→∞，保护不动作；

3）高压熔丝配合脱扣曲线

当I≤1.15Ir1时，保护动作时间T1→∞，保护不动作；

4）长延时保护一次动作电流整定值Ir1计算：

按躲过变压器低压侧额定电流或正常最大负荷电流计算，一次动作电流整定值 Ir1=Krel.iIT.N，式中，Krel.i为动作电流可靠系数，取 1.1；IT.N为厂用变压器低压侧额定电流。

（2）短延时动作特性

短路短延时保护是防止配电系统的阻抗性短路，一般用于线路局部短路产生的故障，分为定时限与反时限（EG系列仅定时限）。反时限脱扣曲线的公式为T2=(8Ir1)2t2/I2，当电流大于8Ir1时自动转化为定时限特性，（即电流的增加不再使动作时间缩短）。

1）短延时保护脱扣曲线

定时限动作特性I2t-off，当I≥Ir2，则T2=t2，式中，I 为最大相电流。

2）短延时动作电流整定值Ir2

Ir2=1.3IOP.max；IOP.max为下级出口处最大短路电流值。

3）短延时动作时间整定t2计算

一般取 0.2～0.4s。

（3）瞬时动作特性

瞬时保护是防止本级出线回路的短路，一般为单相短路电流，智能控制器瞬时发出动作信号。I≥Ir3保护无延时瞬时动作（I 为最大相电流）。

（4）MCR功能

当断路器在合闸过程中或智能控制器在通电初始化时，若接通电流超过预定值，则断路器瞬时断开，这加快了断路器分断时间，延长了断路器使用寿命。

3.2 接地保护与ZSI

（1）接地保护

CW3控制器提供矢量和接地故障保护和变压器中心点接地故障保护，应根据系统类型合理选择使用。矢量和型是通过电流传感器检测三相电流及中性线电流的矢量和是否为零来判断系统有无接地电流。变压器中心点接地型是在变压器星形接点的中心点导体上配置一传感器来检测接地故障电流。

（2）ZSI区域选择性保护

ZSI区域选择性保护是将多台上下级断路器通过控制线连接在一起，当发生短路短延时故障（I2t OFF：定时限）或接地故障时，检测到故障的智能控制器发出信号给上级断路器，并检查有无下级断路器送来信号。如果断路器检测到有下级断路器送来的信号，则在脱扣延时期间保持合闸。如果没有检测到来自下级断路器的信号（不管脱扣保护是否有延时），断路器则瞬时断开。防止越级跳闸，缩小断电范围，缩短断路器的分断时间，对提高线路和设备寿命，降低投资成本，提高供电可靠性具有积极意义。

3.3 多种可选保护

CW3智能控制器除提供上述电流保护外还提供多种可选保护功能，其中电流不平衡保护、断相保护主要用于保护三相电动机等负载，防止电机绝缘击穿、烧毁。过压、低压、电压不平衡保护可防止由于电压异常造成设备损坏或线路损耗等问题。欠频保护、过频保护主要是防止系统频率异常引起的工作不正常。逆功率保护则可以防止发电机电流“倒灌”造成汽轮机叶片或燃气轮机齿轮损坏的事故。相序保护可防止电动机工作的接线顺序错而导致电动机无法正常工作甚至损坏的问题。上述可选功能均提供起动值、解除值及时间调整，脱扣/报警或关闭方式可选。

4 测量功能[3]

4.1 RMS电流、电压测量

由于电子电器设备的发展以及大量的非线性负荷投入电网，因此对电流电压的RMS测量有着非常明显的实际意义。CW3智能控制器采用实时 RMS测量保护技术，各相电流测量精度达1.5%、电压精度 0.5%，即使是电焊机等强负荷变化场合也可适用。测量方式可选择三相三线或三相四线方式，当设置三相四线时，不仅可测量线电压，也可测量各相电压及N相电流值。控制器同时提供完备的电压测量功能，可测量电压平均值、电压不平衡率、相序等。频率测量范围为 45～65Hz，控制器自动跟踪系统频率变化，确保测量值为真正的RMS值。

4.2 功率及能量管理

CW3智能控制器采用瞬时有功无功计算方式，确保在各种非纯正弦波形条件下测量准确性，可测量有功功率P，无有功功率Q，视在功率S、功率因素PF及电量测量，测量精度达2.5%，满足内部计量要求。使用时将断路器的 17（A）、18（B）、19（C）、20（N）二次端对应接入主回路，在测量设置菜单中可选择3相4线或3相3线制方式，对3相3线系统20（N）可不接。当用户选用三极断路器+外接中性点接地电流互感器时，请设置为3相4线方式。默认功率流向为上进线下出线，当倒进线使用时需要在测量设置中设定功率方向为P-。

4.3 需量管理

随着石油、煤炭等不可再生资源的减少，人们对节能减排需求的日益增加。为提高利用效率，在系统设计时需要统计系统实际需用量。虽然目前已经有较多的计算方法用于系统的设计规划，但是用户端负载会随着时间发生变化，为及时有效监测量系统负荷情况，CW3智能控制器提供了需量管理功能，可分别测量各相电流需用值及有、无功功率需用值、视在功率需用值，并可通过编程触点输出报警信号。控制器使用算术统计法计算各需用值，在测量设置菜单中可选择固定或滑动窗口方式，统计时间设置范围为5～15min。

4.4 谐波分析和波形捕捉

我们知道，谐波可造成系统过负荷、使设备过多损耗而提前老化，影响负荷正常工作及网络通信。CW3智能控制器可以对电流电压的谐波畸变程度进行定量评估，包括各相的基波电流或电压值、基波有功功率、基波无功功率、基波视在功率、各相电流电压值的总谐波畸变THD与thd值、2-31次谐波含有率测量，是决定是否进行校正的有效工具。根据IEC 61000-2-2的定义，总谐波畸变THD或thd是表示配电系统某一点处畸变的一个单位值，其中THD为是从第2个开始所有谐波平方和的平方根与基波的比率。

例：A相的电流及A-B相间线电压总谐波畸变率为

式中，Ih为A相第h次谐波电流（r.m.s）；Uh为A-B相间第h次谐波线电压（r.m.s）。

一般主要关注3，5，7，11和13次电流谐波，电流总谐波畸变THD(I)在10%及以下视为正常，无不正常工作的风险，10%～50%之间为明显谐波干扰，可能引起温升过高，需要加大电缆，大于50%为重大谐波干扰，需要对设备分析或维修。电压总谐波畸变THD(U)，低于5%及以下视为正常，无不正常工作的风险，5%～8%之间为明显谐波干扰，可能出现工作不正常，大于8%为重大谐波干扰，需要对设备深入分析。CW3智能控制器可分别显示各次谐波含有率及棒状图，如图1所示。

为使用户对系统中的电压电流波形有一较直观的了解CW3智能控制器提供每周64点波形捕捉及显示功能，包括 I1、I2、I3、IN，U12，U23，U31的实时波形，为电源质量分析或设备诊断提供帮助。

图1

5 可编程触点输出

CW3系列智能控制器通过2路（内置式）或6路可编程触点输出模块提供23种类型报警输出，触点动作方式可编程（非闭锁、闭锁、时间延时）。用户可通过双绞线将断路器和6路可编程触点输出模块相连，断路器二次回路“49”脚接输出模块的“A”，“51”脚接输出模块的“B”。当可靠连接后，进入智能控制器的“6路输出”界面，可分别对报警类型和输出方式进行设定。

6 断路器维护信息

6.1 触头磨损指示

触头当量磨损能显示断路器主触头当量磨损次数占断路器通电操作循环次数的百分比。

6.2 控制器有电时操作次数

在智能控制器有电操作时，记录断路器操作次数的总和。

6.3 自诊断功能（存储器故障、超温报警）

当存储器不能正常存储信息而发生故障时，智能控制器发出报警信号。当微处理器发生故障或局部环境温度超过80℃（允差±5℃）时，智能控制器报警。

6.4 附件监测（分励、合闸电磁铁、欠压、电机断线）

智能控制器可在线监测分励脱扣器、合闸电磁铁、欠电压脱扣器、贮能电机的线圈是否断线，当发生故障时，可通过智能控制器查询具体发生故障的附件。

6.5 脱扣/不脱扣试验功能

用于检测智能控制器与断路器机械装置配合的完好情况，可为控制器与断路器的现场调试、定期检查或维修提供方便。

6.6 历史记录

EP/EQ/EG型智能控制器可显示最近10次报警记录和10次脱扣记录，报警/脱扣原因、报警/脱扣阀值、时间（EA型智能控制器显示最近1次故障记录）、最大电流、需用最大电流值，并可通过上位机查询历史最大/最小电压、峰值需用功率、功率因数最大/最小值、频率最大/最小值及故障波形。

7 通信功能

7.1 主要功能

CW3系列智能控制器符合Modbus-RTU标准通信要求，除传统的“四遥”功能外，还具有完善的测量及监控功能。本体通信模块内置独立的微处理器负责与智能控制器本体的数据交换及 Modbus通信，可与全系列智能控制器配合使用。使用CN1DP系列、CN1EG以太网适配器可连接 DeviceNet、ProfiBus、CAN及工业以太网等多种现场总线。

7.2 网络特性

Modbus-RTU在低压电气领域应用广泛，物理层一般为 RS485差分收发方式，逻辑电平要求不小于±200mV。一般情况下使用普通屏蔽双绞线连接可获得较好的抗干扰能力，如在靠近主控端采用屏蔽层单端接地处理，则可进一步提高抗干扰性能。一般情况下一条线路连接不大于 32台设备、最大距离为1200m。为了避免长线传输时信号反射和回波,可在终端接入匹配电阻，电阻值取决于电缆的阻抗特性，与电缆的长度无关，采用双绞线连接时一般为120Ω。