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控制與保護開關在交通領域的應用研究

在交通領域，特別是軌道交通領域，存在大量的電動機性質的負載。如大型交通樞紐中用于消防控制的的風機、水泵；軌道交通領域用于信號控制的轉轍機等等。這些負載的正常運行直接關系著交通系統的安全可靠運行。然而由于種種原因，當前的交通領域電動機負載仍然使用著傳統的分立元器件構成構成控制與保護系統。其構成圖如圖1（a）所示。圖1 電動機電控系統的構成a）分立器件構成的電控系統 b）CPS構成的電控系統在采用傳統的分立器件構成電控系統中（如圖1 a所示），其主要電器元件構成為：熔斷器（FU）＋斷路器（QF）+接觸器（KM）+熱繼電器（FR）。基本工作原理是：在正常情況下，由KM控制電路的通斷，當過載或斷相時，由FR控制KM切斷電路，當短路故障出現時，由QF（FU）斷開故障電路。在分立元器件構成的系統中，由于采用不同考核標準的電器產品之間組合在一起使用時，保護特性、控制特性配合不協調；設計人員選擇電器元器件可能匹配不當；成套廠購置不同生產廠家的元器件產品的質量不同和裝配調整不當；用戶現場整定不當；元器件生產廠家推廣和技術服務不到位。因此要達到完善的選擇性保護或是各種保護特性的協調配合的目標，難度很大。而一旦出現上述情況，通常會造成接觸器的主觸頭燒毀、甚至造成飛弧，使故障擴大，影響鄰近供電回路；斷路器在系統出現短路故障時不能正常分斷電路；保護裝置不能起到保護電動機的功能，造成誤動或拒動等。近年來，由本項目負責人所參與的新型多功能集成化的控制與保護開關（CPS）已經在其他領域取得了大量的使用，并且取得了良好的效果。控制與保護開關結構圖如圖2所示。由控制與保護開關電器（CPS）構成的電控系統如圖1 b所示。 CPS具有多種分立器件的組合功能，且這些功能在產品內部具有協調配合的特性，因此，由CPS構成的電控系統與由分離器件構成的系統有以下不同：具有控制與保護自配合的特性：CPS集控制與保護功能于一體,相當于斷路器（熔斷器）＋接觸器＋熱繼電器＋輔助電器。很好的解決了分立元件不能或很難解決的元件之間的保護與控制特性匹配問題，使保護與控制特性配合更完善合理，只要根據負載功率或電流即可正確選擇單一產品,代替以往的包括自電源進線至負載端的各種電器；大大減輕了設計人員的工作量。具有較高的運行可靠性和系統的連續運行性能： CPS在分斷短路電流后無需維護即可投入使用，即具有分斷短路故障后的連續運行性能，CPS在進行了不小于1500次的AC-44操作性能后（相當于AC44電壽命）緊接著完成分斷額定運行短路電流（Ics：O-CO-CO）試驗后，仍具有不小于1500次的AC-44操作性能，這是由斷路器等分立器件構成的系統所難以達到的，CPS的這一特性極大地提高了系統的運行可靠性和系統的連續運行性。本項目擬研究：研究交通領域的電動機負載的控制與保護的基本要求；提出CPS應用與交通領域電動機控制與保護的特殊要求；設計制作符合交通領域電動機控制與保護的CPS；構建基于CPS的交通領域電動機的監控系統；本項目前期研究成果豐富。擁有授權發明專利13個，累計發表文章13篇。隨著國家戰略的實施，未來將建設更多的高速鐵路，也有更多的高鐵站、地鐵站等等。需要在交通領域安裝更多的電動機。每一臺電動機都需要一個控制與保護系統。如能用CPS來替代傳統的分立元器件，將會產生顯著的效果。具有很大的應用前景和社會效益。

同濟大學 2021-04-11

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