CW3萬能式斷路器的智能控制器的選型與使用

管瑞良 殷建強

（常熟開關(guān)制造有限公司，江蘇 常熟 215500）

1 引言

新一代CW3-EA、EP、EQ、EG系列框架斷路器除了具有高分斷、小體積等特點外，其智能控制器基于先進的具有DSP運算能力的32位微處理器設(shè)計、液晶顯示、中文菜單方式操作，整體性能大幅提高并具有系列化、模塊化、多功能、高可靠的特點。另外，作為斷路器的核心部件之一，其電磁兼容性能完全滿足GB14048.2-2008相關(guān)要求。

2 控制器選型[1]

CW3-EA系列為電流保護型控制器，具有電流選擇性保護與接地保護功能，EP系列控制器則在EA系列基礎(chǔ)上增加了功率測量與能量管理，EQ系列除EP系列功能外還具有諧波分析功能，EG系列則為發(fā)電機保護型。各系列控制器后綴35為無接地保護功能，36為帶接地保護功能（分矢量和型與變壓器中性點接地保護型，用戶訂貨時標明）。CW3智能控制器的通信模塊獨立于控制器本體，全系列控制器均可選配通信功能，另可選配抽架通信模塊、CN1DP系列協(xié)議轉(zhuǎn)換器、2路可編程輸出模塊、6路可編程輸出模塊、附件狀態(tài)監(jiān)測模塊，具體見產(chǎn)品樣本。

3 保護功能[2]

3.1 選擇性保護及MCR

（1）長延時動作特性

CW3系列智能控制器提供通用反時限（I2t）、非常反時限（It）、高壓熔絲配合（I4t）三種保護特性曲線，與上下級斷路器或熔斷器能進行更好的協(xié)調(diào)配合（EG系列僅提供通用反時限）。

1）通用反時限脫扣曲線

當(dāng)I≤1.15Ir1時，保護動作時間T1→∞，保護不動作；

當(dāng)I＞.15Ir1時，保護動作時間T1=(1.5Ir1)2t1/ I2(EG系列為T1=(1.3Ir1)2t1/I2))式中，I為最大相電流。

2）非常反時限脫扣曲線

當(dāng)I≤1.15Ir1時，保護動作時間T1→∞，保護不動作；

3）高壓熔絲配合脫扣曲線

當(dāng)I≤1.15Ir1時，保護動作時間T1→∞，保護不動作；

4）長延時保護一次動作電流整定值Ir1計算：

按躲過變壓器低壓側(cè)額定電流或正常最大負荷電流計算，一次動作電流整定值 Ir1=Krel.iIT.N，式中，Krel.i為動作電流可靠系數(shù)，取 1.1；IT.N為廠用變壓器低壓側(cè)額定電流。

（2）短延時動作特性

短路短延時保護是防止配電系統(tǒng)的阻抗性短路，一般用于線路局部短路產(chǎn)生的故障，分為定時限與反時限（EG系列僅定時限）。反時限脫扣曲線的公式為T2=(8Ir1)2t2/I2，當(dāng)電流大于8Ir1時自動轉(zhuǎn)化為定時限特性，（即電流的增加不再使動作時間縮短）。

1）短延時保護脫扣曲線

定時限動作特性I2t-off，當(dāng)I≥Ir2，則T2=t2，式中，I 為最大相電流。

2）短延時動作電流整定值Ir2

Ir2=1.3IOP.max；IOP.max為下級出口處最大短路電流值。

3）短延時動作時間整定t2計算

一般取 0.2～0.4s。

（3）瞬時動作特性

瞬時保護是防止本級出線回路的短路，一般為單相短路電流，智能控制器瞬時發(fā)出動作信號。I≥Ir3保護無延時瞬時動作（I 為最大相電流）。

（4）MCR功能

當(dāng)斷路器在合閘過程中或智能控制器在通電初始化時，若接通電流超過預(yù)定值，則斷路器瞬時斷開，這加快了斷路器分斷時間，延長了斷路器使用壽命。

3.2 接地保護與ZSI

（1）接地保護

CW3控制器提供矢量和接地故障保護和變壓器中心點接地故障保護，應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)類型合理選擇使用。矢量和型是通過電流傳感器檢測三相電流及中性線電流的矢量和是否為零來判斷系統(tǒng)有無接地電流。變壓器中心點接地型是在變壓器星形接點的中心點導(dǎo)體上配置一傳感器來檢測接地故障電流。

（2）ZSI區(qū)域選擇性保護

ZSI區(qū)域選擇性保護是將多臺上下級斷路器通過控制線連接在一起，當(dāng)發(fā)生短路短延時故障（I2t OFF：定時限）或接地故障時，檢測到故障的智能控制器發(fā)出信號給上級斷路器，并檢查有無下級斷路器送來信號。如果斷路器檢測到有下級斷路器送來的信號，則在脫扣延時期間保持合閘。如果沒有檢測到來自下級斷路器的信號（不管脫扣保護是否有延時），斷路器則瞬時斷開。防止越級跳閘，縮小斷電范圍，縮短斷路器的分斷時間，對提高線路和設(shè)備壽命，降低投資成本，提高供電可靠性具有積極意義。

3.3 多種可選保護

CW3智能控制器除提供上述電流保護外還提供多種可選保護功能，其中電流不平衡保護、斷相保護主要用于保護三相電動機等負載，防止電機絕緣擊穿、燒毀。過壓、低壓、電壓不平衡保護可防止由于電壓異常造成設(shè)備損壞或線路損耗等問題。欠頻保護、過頻保護主要是防止系統(tǒng)頻率異常引起的工作不正常。逆功率保護則可以防止發(fā)電機電流“倒灌”造成汽輪機葉片或燃氣輪機齒輪損壞的事故。相序保護可防止電動機工作的接線順序錯而導(dǎo)致電動機無法正常工作甚至損壞的問題。上述可選功能均提供起動值、解除值及時間調(diào)整，脫扣/報警或關(guān)閉方式可選。

4 測量功能[3]

4.1 RMS電流、電壓測量

由于電子電器設(shè)備的發(fā)展以及大量的非線性負荷投入電網(wǎng)，因此對電流電壓的RMS測量有著非常明顯的實際意義。CW3智能控制器采用實時 RMS測量保護技術(shù)，各相電流測量精度達1.5%、電壓精度 0.5%，即使是電焊機等強負荷變化場合也可適用。測量方式可選擇三相三線或三相四線方式，當(dāng)設(shè)置三相四線時，不僅可測量線電壓，也可測量各相電壓及N相電流值。控制器同時提供完備的電壓測量功能，可測量電壓平均值、電壓不平衡率、相序等。頻率測量范圍為 45～65Hz，控制器自動跟蹤系統(tǒng)頻率變化，確保測量值為真正的RMS值。

4.2 功率及能量管理

CW3智能控制器采用瞬時有功無功計算方式，確保在各種非純正弦波形條件下測量準確性，可測量有功功率P，無有功功率Q，視在功率S、功率因素PF及電量測量，測量精度達2.5%，滿足內(nèi)部計量要求。使用時將斷路器的 17（A）、18（B）、19（C）、20（N）二次端對應(yīng)接入主回路，在測量設(shè)置菜單中可選擇3相4線或3相3線制方式，對3相3線系統(tǒng)20（N）可不接。當(dāng)用戶選用三極斷路器+外接中性點接地電流互感器時，請設(shè)置為3相4線方式。默認功率流向為上進線下出線，當(dāng)?shù)惯M線使用時需要在測量設(shè)置中設(shè)定功率方向為P-。

4.3 需量管理

隨著石油、煤炭等不可再生資源的減少，人們對節(jié)能減排需求的日益增加。為提高利用效率，在系統(tǒng)設(shè)計時需要統(tǒng)計系統(tǒng)實際需用量。雖然目前已經(jīng)有較多的計算方法用于系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃，但是用戶端負載會隨著時間發(fā)生變化，為及時有效監(jiān)測量系統(tǒng)負荷情況，CW3智能控制器提供了需量管理功能，可分別測量各相電流需用值及有、無功功率需用值、視在功率需用值，并可通過編程觸點輸出報警信號。控制器使用算術(shù)統(tǒng)計法計算各需用值，在測量設(shè)置菜單中可選擇固定或滑動窗口方式，統(tǒng)計時間設(shè)置范圍為5～15min。

4.4 諧波分析和波形捕捉

我們知道，諧波可造成系統(tǒng)過負荷、使設(shè)備過多損耗而提前老化，影響負荷正常工作及網(wǎng)絡(luò)通信。CW3智能控制器可以對電流電壓的諧波畸變程度進行定量評估，包括各相的基波電流或電壓值、基波有功功率、基波無功功率、基波視在功率、各相電流電壓值的總諧波畸變THD與thd值、2-31次諧波含有率測量，是決定是否進行校正的有效工具。根據(jù)IEC 61000-2-2的定義，總諧波畸變THD或thd是表示配電系統(tǒng)某一點處畸變的一個單位值，其中THD為是從第2個開始所有諧波平方和的平方根與基波的比率。

例：A相的電流及A-B相間線電壓總諧波畸變率為

式中，Ih為A相第h次諧波電流（r.m.s）；Uh為A-B相間第h次諧波線電壓（r.m.s）。

一般主要關(guān)注3，5，7，11和13次電流諧波，電流總諧波畸變THD(I)在10%及以下視為正常，無不正常工作的風(fēng)險，10%～50%之間為明顯諧波干擾，可能引起溫升過高，需要加大電纜，大于50%為重大諧波干擾，需要對設(shè)備分析或維修。電壓總諧波畸變THD(U)，低于5%及以下視為正常，無不正常工作的風(fēng)險，5%～8%之間為明顯諧波干擾，可能出現(xiàn)工作不正常，大于8%為重大諧波干擾，需要對設(shè)備深入分析。CW3智能控制器可分別顯示各次諧波含有率及棒狀圖，如圖1所示。

為使用戶對系統(tǒng)中的電壓電流波形有一較直觀的了解CW3智能控制器提供每周64點波形捕捉及顯示功能，包括 I1、I2、I3、IN，U12，U23，U31的實時波形，為電源質(zhì)量分析或設(shè)備診斷提供幫助。

圖1

5 可編程觸點輸出

CW3系列智能控制器通過2路（內(nèi)置式）或6路可編程觸點輸出模塊提供23種類型報警輸出，觸點動作方式可編程（非閉鎖、閉鎖、時間延時）。用戶可通過雙絞線將斷路器和6路可編程觸點輸出模塊相連，斷路器二次回路“49”腳接輸出模塊的“A”，“51”腳接輸出模塊的“B”。當(dāng)可靠連接后，進入智能控制器的“6路輸出”界面，可分別對報警類型和輸出方式進行設(shè)定。

6 斷路器維護信息

6.1 觸頭磨損指示

觸頭當(dāng)量磨損能顯示斷路器主觸頭當(dāng)量磨損次數(shù)占斷路器通電操作循環(huán)次數(shù)的百分比。

6.2 控制器有電時操作次數(shù)

在智能控制器有電操作時，記錄斷路器操作次數(shù)的總和。

6.3 自診斷功能（存儲器故障、超溫報警）

當(dāng)存儲器不能正常存儲信息而發(fā)生故障時，智能控制器發(fā)出報警信號。當(dāng)微處理器發(fā)生故障或局部環(huán)境溫度超過80℃（允差±5℃）時，智能控制器報警。

6.4 附件監(jiān)測（分勵、合閘電磁鐵、欠壓、電機斷線）

智能控制器可在線監(jiān)測分勵脫扣器、合閘電磁鐵、欠電壓脫扣器、貯能電機的線圈是否斷線，當(dāng)發(fā)生故障時，可通過智能控制器查詢具體發(fā)生故障的附件。

6.5 脫扣/不脫扣試驗功能

用于檢測智能控制器與斷路器機械裝置配合的完好情況，可為控制器與斷路器的現(xiàn)場調(diào)試、定期檢查或維修提供方便。

6.6 歷史記錄

EP/EQ/EG型智能控制器可顯示最近10次報警記錄和10次脫扣記錄，報警/脫扣原因、報警/脫扣閥值、時間（EA型智能控制器顯示最近1次故障記錄）、最大電流、需用最大電流值，并可通過上位機查詢歷史最大/最小電壓、峰值需用功率、功率因數(shù)最大/最小值、頻率最大/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標準通信要求，除傳統(tǒng)的“四遙”功能外，還具有完善的測量及監(jiān)控功能。本體通信模塊內(nèi)置獨立的微處理器負責(zé)與智能控制器本體的數(shù)據(jù)交換及 Modbus通信，可與全系列智能控制器配合使用。使用CN1DP系列、CN1EG以太網(wǎng)適配器可連接 DeviceNet、ProfiBus、CAN及工業(yè)以太網(wǎng)等多種現(xiàn)場總線。

7.2 網(wǎng)絡(luò)特性

Modbus-RTU在低壓電氣領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，物理層一般為 RS485差分收發(fā)方式，邏輯電平要求不小于±200mV。一般情況下使用普通屏蔽雙絞線連接可獲得較好的抗干擾能力，如在靠近主控端采用屏蔽層單端接地處理，則可進一步提高抗干擾性能。一般情況下一條線路連接不大于 32臺設(shè)備、最大距離為1200m。為了避免長線傳輸時信號反射和回波,可在終端接入匹配電阻，電阻值取決于電纜的阻抗特性，與電纜的長度無關(guān)，采用雙絞線連接時一般為120?。

圖2

為提高通信質(zhì)量建議：

（1）使用優(yōu)質(zhì)屏蔽雙絞線，推薦使用 0.5mm2或更粗線徑的線，兩條線顏色不同。

（2）如使用屏蔽層單點接地，必須注意：單點接地是指一條通信線上屏蔽層有且僅有一點接大地。

（3）一條通信線上每臺設(shè)備的 RS485通信口A(+)接 A（+），B(-)接 B（-），不可接反，同時波特率、校驗方式一致、地址無沖突。

（4）連接線拓撲結(jié)構(gòu)應(yīng)避免一條線路的非啟始點又連入分支線路的“T”形結(jié)構(gòu)的連接方式。

（5）通信線的敷設(shè)要盡量遠離強電信號等電磁干擾源，并選用帶光電隔離和突波吸收的優(yōu)質(zhì)RS232/485通信轉(zhuǎn)換器。

（6）對應(yīng)設(shè)備的Modbus數(shù)據(jù)表格，某些寄存器必須使用多字節(jié)讀寫命令。

8 結(jié)論

以上按保護功能、測量功能、維護及通信功能重點介紹了CW3系列智能控制器的基本功能及使用過程中的常用方法，為產(chǎn)品選型和使用提供一定的參考。目前，經(jīng)不同場合的用戶實際使用證明，該系列產(chǎn)品穩(wěn)定可靠、應(yīng)用靈活，有著較廣闊的市場前景。

[1]CW3系列智能型萬能式斷路器產(chǎn)品樣本.2008.

[2]陳培國.低壓斷路器保護特性的智能化和多樣化.低壓電器,1993.

[3]陳德桂.監(jiān)控與提高電力質(zhì)量的新型智能化電器.電氣時代,2002.