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控制与保护开关在交通领域的应用研究

在交通领域，特别是轨道交通领域，存在大量的电动机性质的负载。如大型交通枢纽中用于消防控制的的风机、水泵；轨道交通领域用于信号控制的转辙机等等。这些负载的正常运行直接关系着交通系统的安全可靠运行。然而由于种种原因，当前的交通领域电动机负载仍然使用着传统的分立元器件构成构成控制与保护系统。其构成图如图1（a）所示。图1 电动机电控系统的构成a）分立器件构成的电控系统 b）CPS构成的电控系统在采用传统的分立器件构成电控系统中（如图1 a所示），其主要电器元件构成为：熔断器（FU）＋断路器（QF）+接触器（KM）+热继电器（FR）。基本工作原理是：在正常情况下，由KM控制电路的通断，当过载或断相时，由FR控制KM切断电路，当短路故障出现时，由QF（FU）断开故障电路。在分立元器件构成的系统中，由于采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起使用时，保护特性、控制特性配合不协调；设计人员选择电器元器件可能匹配不当；成套厂购置不同生产厂家的元器件产品的质量不同和装配调整不当；用户现场整定不当；元器件生产厂家推广和技术服务不到位。因此要达到完善的选择性保护或是各种保护特性的协调配合的目标，难度很大。而一旦出现上述情况，通常会造成接触器的主触头烧毁、甚至造成飞弧，使故障扩大，影响邻近供电回路；断路器在系统出现短路故障时不能正常分断电路；保护装置不能起到保护电动机的功能，造成误动或拒动等。近年来，由本项目负责人所参与的新型多功能集成化的控制与保护开关（CPS）已经在其他领域取得了大量的使用，并且取得了良好的效果。控制与保护开关结构图如图2所示。由控制与保护开关电器（CPS）构成的电控系统如图1 b所示。 CPS具有多种分立器件的组合功能，且这些功能在产品内部具有协调配合的特性，因此，由CPS构成的电控系统与由分离器件构成的系统有以下不同：具有控制与保护自配合的特性：CPS集控制与保护功能于一体,相当于断路器（熔断器）＋接触器＋热继电器＋辅助电器。很好的解决了分立元件不能或很难解决的元件之间的保护与控制特性匹配问题，使保护与控制特性配合更完善合理，只要根据负载功率或电流即可正确选择单一产品,代替以往的包括自电源进线至负载端的各种电器；大大减轻了设计人员的工作量。具有较高的运行可靠性和系统的连续运行性能： CPS在分断短路电流后无需维护即可投入使用，即具有分断短路故障后的连续运行性能，CPS在进行了不小于1500次的AC-44操作性能后（相当于AC44电寿命）紧接着完成分断额定运行短路电流（Ics：O-CO-CO）试验后，仍具有不小于1500次的AC-44操作性能，这是由断路器等分立器件构成的系统所难以达到的，CPS的这一特性极大地提高了系统的运行可靠性和系统的连续运行性。本项目拟研究：研究交通领域的电动机负载的控制与保护的基本要求；提出CPS应用与交通领域电动机控制与保护的特殊要求；设计制作符合交通领域电动机控制与保护的CPS；构建基于CPS的交通领域电动机的监控系统；本项目前期研究成果丰富。拥有授权发明专利13个，累计发表文章13篇。随着国家战略的实施，未来将建设更多的高速铁路，也有更多的高铁站、地铁站等等。需要在交通领域安装更多的电动机。每一台电动机都需要一个控制与保护系统。如能用CPS来替代传统的分立元器件，将会产生显著的效果。具有很大的应用前景和社会效益。

同济大学 2021-04-11