CO2熱泵控制系統(tǒng)安全性與可靠性的設(shè)計(jì)

陳正權(quán)

摘 要：空氣源CO2熱泵是一種以 CO2作為冷媒的新型節(jié)能環(huán)保高效的制熱設(shè)備，它以多重節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)啟了綠色低碳技術(shù)的大門(mén)，其控制系統(tǒng)的好壞是整個(gè)設(shè)備安全、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。該文中筆者根據(jù)自身工作經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合CO2熱泵控制系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用，闡述了在CO2熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，如何從器件選型、相關(guān)電路的短路、缺相、過(guò)載、防雷保護(hù)等方面入手，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，來(lái)達(dá)到提高CO2熱泵控制系統(tǒng)安全性與可靠性的目的。

關(guān)鍵詞：CO2熱泵 安全性 可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：TM571 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）12（c）-0075-01

空氣源CO2熱泵主要由蒸發(fā)器、壓縮機(jī)、冷凝器、膨脹裝置等組成，工作時(shí)通過(guò)PLC控制，讓冷媒（CO2）不斷完成蒸發(fā)（CO2吸取空氣中熱量）-壓縮-冷凝（CO2釋放熱量到水中）-節(jié)流-再蒸發(fā)的熱力循環(huán)，從而將空氣中的熱量轉(zhuǎn)移到水中。與傳統(tǒng)冷媒相比，CO2有較高的單位容積制冷量、較好的傳熱性和流動(dòng)性能，不會(huì)燃燒或爆炸，價(jià)格也相對(duì)便宜，并且維護(hù)起來(lái)方便等多方面的優(yōu)點(diǎn)。CO2熱泵運(yùn)行過(guò)程中，控制系統(tǒng)是關(guān)鍵，因此在設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)的安全性與可靠性設(shè)計(jì)十分重要。

1 CO2熱泵控制系統(tǒng)中短路保護(hù)設(shè)計(jì)

短路保護(hù)設(shè)計(jì)是否得當(dāng)直接影響著CO2熱泵的安全性和可靠性。在CO2熱泵控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，綜合安全可靠性、設(shè)備成本、空間等多方面因素，以及方便在發(fā)生事故或下一級(jí)保護(hù)設(shè)備失靈時(shí)能及時(shí)切斷整個(gè)設(shè)備電源；設(shè)計(jì)時(shí)在系統(tǒng)總進(jìn)線處設(shè)一斷路器QF1做整個(gè)供電系統(tǒng)的總電源開(kāi)關(guān)兼總短路保護(hù)；對(duì)風(fēng)機(jī)M1、M2則分別用熔斷器FU1和FU2作為短路保護(hù)；壓縮機(jī)M3則設(shè)置一斷路器QF2作為短路保護(hù)及電源開(kāi)關(guān)，同時(shí)方便電路出現(xiàn)故障時(shí)的故障排查；水泵M5則因配備變頻器，變頻器能夠進(jìn)行短路保護(hù)，故水泵不需要加設(shè)短路保護(hù)；加熱器R1、R2和直流電源PW1則分別設(shè)一斷路器QF3、QF4作為短路保護(hù)；其具體設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。

1.1 斷路器的選型

由于整個(gè)CO2熱泵控制系統(tǒng)負(fù)載情況都不是很大，其系統(tǒng)額定電流為50A左右，故本系統(tǒng)斷路器選用微型斷路器。QF3和QF4因負(fù)載為阻性負(fù)載和較低沖擊電流的感性負(fù)載，故選擇C類(lèi)脫扣器；QF1和QF2因負(fù)載接通時(shí)有較高沖擊電流，故選D類(lèi)脫扣器。按照斷路器額定電壓、電流不小負(fù)載額定電流、電壓的條件初步選定各斷路器型號(hào)后，再經(jīng)式（1）～（3）校驗(yàn)斷路器分?jǐn)嗄芰蛣?dòng)作靈敏度確定各斷路器型號(hào)：QF1為ABB的S204M-D63；QF2為ABB的S203-D50；QF3為ABB的S201-C20； QF4為ABB的S201-C6。

Icn≥Imax公式（1）；Imin≥KrelIset3公式（2）；Imin≥KrelIset2公式（3）

式中： Imax、 Imin為最大、最小短路電流；Krel為低壓斷路器過(guò)流脫扣器動(dòng)作可靠系數(shù)，按GB50054-1995的規(guī)定取1.3，動(dòng)作時(shí)間超過(guò)0.02S則取1.7；Iset3為低壓斷路器瞬時(shí)過(guò)流脫扣器的整定電流；Iset2為低壓斷路器定時(shí)限過(guò)流脫扣器的整定電流。

1.2 熔斷器的選型

為滿足CO2熱泵的安全性與可靠性，根據(jù)風(fēng)機(jī)的特點(diǎn)，結(jié)合熔體的反時(shí)限特性；按式（4）確定熔斷器額定電流，初步確定熔斷器型號(hào)后，再按式（5）、（6）校驗(yàn)熔斷器的分?jǐn)嗄芰挽`敏度，最終確定熔斷器型號(hào)為三力圓筒帽形gG熔體R054（5φ5）。

IN≥（1.5～2.5）In公式（4）；IN≥Imax公式（5）；Imin≥（4～7）IRT公式（6）

式中：IN為熔體額定電流；In為電路工作電流；IRT為熔斷器熔體額定電流。

2 CO2熱泵控制系統(tǒng)中過(guò)載和缺相保護(hù)設(shè)計(jì)

常用低壓電器中，用作電動(dòng)機(jī)的過(guò)載保護(hù)的器件一般有熱繼電器、反時(shí)限特性的過(guò)載脫扣器、反時(shí)限過(guò)流脫扣器、變頻器和斷路器等。在本設(shè)計(jì)中，M1、M2因是單相電機(jī)，且功率較小，故不需要設(shè)過(guò)載保護(hù)。M5因有變頻器，故可用變頻器做過(guò)載保護(hù)，M3電機(jī)則采用帶斷相保護(hù)的熱繼電器FR1為過(guò)載和缺相保護(hù)器?？紤]M3電動(dòng)機(jī)的工作環(huán)境、啟動(dòng)情況、負(fù)載性質(zhì)等因素，一方面要充分發(fā)揮它的過(guò)載能；另一方面，要合理躲避電動(dòng)機(jī)在短時(shí)過(guò)載與啟動(dòng)瞬間的影響。故熱繼電器FR1按公式IR=（0.95-1.05）IN（式中IR為熱繼電器額定電流；IN為電機(jī)額定電流）選取。

在以上的基礎(chǔ)上還應(yīng)保證：熱繼電器的整定電流應(yīng)當(dāng)可調(diào)，調(diào)整范圍宜不小于其電流上限的20%；熱繼電器在7.2倍整定電流下的動(dòng)作時(shí)間，應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間。根據(jù)以上要求，熱繼電器型號(hào)選擇為ABB TA 75-DU。

3 CO2熱泵控制系統(tǒng)中防雷設(shè)計(jì)

雷電對(duì)CO2熱泵控制系統(tǒng)的破壞一般為：一，雷電通過(guò)感應(yīng)雷或直擊雷對(duì)系統(tǒng)造成破壞；二，雷電擊中變電站或供電線路，通過(guò)供電系統(tǒng)對(duì)熱泵控制系統(tǒng)造成破壞。針對(duì)CO2熱泵控制系統(tǒng)的防雷，本文分別從內(nèi)部和外部?jī)煞矫嬷?，采用安裝避雷針作為外部防雷，防止雷電直接擊中熱泵，避雷針的設(shè)計(jì)需要根據(jù)熱泵安裝的地點(diǎn)，采用滾球法確定避雷針的高度；在控制系統(tǒng)供電入口處裝一浪涌保護(hù)器（SPD）作為內(nèi)部防雷，防止雷電通過(guò)供電系統(tǒng)對(duì)控制系統(tǒng)造成破壞，同時(shí)還能抑制由于一些其他原因?qū)е戮€路上的浪涌和瞬時(shí)過(guò)電壓、泄放線路上的過(guò)電流。SPD則根據(jù)熱泵安裝位置所處防雷界面（LPZ）和周邊環(huán)境，結(jié)合控制系統(tǒng)中各器件的耐沖擊電壓值，在合理選擇SPD的類(lèi)型等級(jí)、通流量Isn、電壓保護(hù)水平Up和最大持續(xù)運(yùn)行電壓Uc后，確定型號(hào)為ABB的OVR BT2 3N-40-320 P。

4 結(jié)語(yǔ)

不合理的設(shè)計(jì)往往會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)誤動(dòng)作或不動(dòng)作，給設(shè)備和人身帶來(lái)安全隱患，影響熱泵工作效率。本文結(jié)合CO2熱泵在日常中出現(xiàn)或可能出現(xiàn)的問(wèn)題，用一些常用的電氣設(shè)備，經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算和多方面綜合考慮，通過(guò)相應(yīng)的保護(hù)設(shè)計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的安全性及可靠性，為設(shè)備安全、可靠運(yùn)行提供了有力保證。

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