剥茧抽丝说控保控制与保护开关（CPS）技术解析作者：东北大学电器科学研究院冯雪时间：2017年6月目录1. 控制与保护开关电器CPS的基本特征与功能 (1)1.1 控制与保护开关电器CPS的基本概念及特征 (1)1.2 控制与保护开关电器的发展 (3)1.3 控制与保护开关电器的功能 (5)1.4控制与保护开关电器的主要特点 (6)2. 控制与保护开关CPS的主要技术参数与性能指标 (8)2.1 CPS的主要技术参数 (8)2.2 CPS的性能指标 (8)3. 控制与保护开关产品分类 (11)3.1 一般分类 (11)3.2 CPS典型分类 (11)4. 控制与保护开关CPS产品的主体结构与关键技术 (15)4.1 断路器式CPS产品结构 (15)4.2 接触器式CPS产品结构 (16)4.3 CPS关键技术 (18)5. 控制与保护开关CPS的发展趋势及核心技术 (22)5.1 CPS的发展趋势 (22)5.2 CPS发展核心技术 (23)6. 主要产品及制造厂商 (25)6.1 CPS主要产品及制造厂商 (25)6.2 生产厂家 (27)6.3 产品性能 (29)6.4 产品功能 (30)7 总结 (31)1控制与保护开关电器CPS 关键技术的研究1. 控制与保护开关电器CPS 的基本特征与功能1.1 控制与保护开关电器CPS 的基本概念及特征1.1.1概述电动机的控制与保护是低压电器在控制领域的一个主要应用，目前主要的控制与保护技术方案如下：①熔断器+接触器+热继电器(或电子式过载继电器)；②断路器+接触器+热继电器(或电子式过载继电器)；③断路器(带电动机保护功能)+接触器；④控制与保护电器(CPS)。

(a)、(b)、(c)分离器件构成的电控系统(d)CPS 构成的电控系统FU —熔断器;QF —断路器((c)中为带电动机保护功能的断路器);KM —接触器;FR —热继电器(或电动机保护器);CPS —控制与保护开关电器图1 低压控制与保护系统的构成随着断路器分断能力不断提高，方案①已很少采用。

实际上只要处理好熔断器与起动器过流保护交接电流，方案①还是不错的选择。

目前大部分采用方案②、方案③，其中断路器起各种保护和故障情况下通断电路的作用，接触器其控制作用。

但是由于选用的断路器限流性能不够，一旦出现短路，容易产生接触器触头熔焊，甚至烧坏。

因此，不同考核标准的电器产品组合在一起形成控制与保护系统时，设计人员需要考虑电器元件的保护特性、控制特性是否匹配；成套厂商需要考虑不同生产厂商产品的质量和装配差异；用户则需要考虑现场整定是否恰当；不同厂商的后期维护及售后服务也存在一定程度的不匹配不协调问题。

为了解决电器元件之间的匹配问题，许多厂商专门推出电动机控制与保护系列产品或综合解决方案，如西门子的SIRIUS 系列、施耐德的TeSys 系列、ABB 电动机控制与保护方案等，这些系列产品采用系列化、模块化设计方式，在设计过程中考虑元件之间的匹配性，并通过插2接和模块连接的方式组成控制与保护单元。

西门子SIRIUS 系列 施耐德TeSys 系列 ABB 电动机控制与保护方案图2 电动机控制与保护系列产品及综合解决方案这种产品系列化的方式解决了产品选型上的部分问题，但从实际使用来说，这类系列产品使用成本相对较高，且其控制与保护仍然依托于断路器、接触器、热继电器这些传统元器件，也就是说这些组合单元仍然存在耗能高、节点多、不易维护的问题。

方案④控制与保护开关(CPS)是控制保护电器诞生后的新方案，其产品综合技术性能优于其他方案，保护功能协调性更好，产品更加小型化。

由于CPS 是单一元件实现控制与保护功能，因此从根本上克服了分立元件的诸多缺点，选型方便、节能环保、易于维护且节省空间。

1.1.2 CPS 基本概念国际电工委员会IEC 针对CPS 产品的标准为IEC 60947-6-2-2007，我国相应的标准为GB 14048.9-2008《低压开关设备和控制设备 第6-2部分：多功能电器(设备)控制与保护开关电器(设备)(CPS)》(等同采用IEC 60947-6-2-2007)。

国家标准GB/T 4728.7-2008《电气简图用图形符号 第7部分：开关、控制和保护器件》中规定了CPS 的电器符号。

图3d 为CPS 的基本型(包含全部CPS 必要特征)，当产品具备非必备要素时，如隔离功能和可逆功能，电气符号为图3a 、图3b 、图3c(其中，图c 为带隔离，图b 为带可逆，图a 为带隔离及可逆功能)。

图3 CPS 电气图形符号3标准规定，CPS 的定义为“是除手动控制外还能够自动控制、带或不带就地人力操作装置的开关电器(设备)。

CPS 能够接通、承载和分断正常条件下，包括规定的运行过载条件下的电流，且能够接通、在规定时间内承载并分断规定的非正常条件下的电流，如短路电流。

CPS 具有过载和短路保护功能，这些功能经协调配合使得CPS 能够在分断直至其额定运行短路分断能力I CS 后连续运行。

CPS 可以是也可以不是由单一的电器组成，但总被认为是一个整体(或单元)。

”CPS 标准定义中同时涵盖了接触器和断路器的定义，也就是说CPS 同时兼具了断路器和接触器的功能。

定义中还指出CPS 可以是整体式也可以是组合式。

整体式是指仅包含一组触头系统，无论从外表还是内部结构均为一个独立完整的低压电器元件；组合式则将满足标准要求的特性匹配的分立元件进行组合，或者紧凑组合或者分离安装但彼此关联。

虽然从定义上CPS 可以是分立元件组合而成，但在实际市场销售时通常认为CPS 为整体式。

本文中所提CPS 产品均为整体式。

1.2 控制与保护开关电器的发展第一代控制与保护开关产品是法国Télémécanique Electrique 公司(TE 电器，该公司于1988年被施耐德收购)于1980年左右设计的“integral 32接触器-断路器”产品。

国内的第一代控制与保护开关产品是由上海电器科学研究所于1995年左右申请专利。

integral 32接触器-断路器 1980 上科所设计“一种控制与保护功能组合模块式开关电器”1995图4 国内外控制与保护开关第一代产品 第一代控制与保护开关产品为热磁式(产品实例图5 a)第一代CPS 经过十多年的发展产品形式相对成熟，生产厂家及品牌众多，产品结构大致相同。

开关结构分为主体、热磁脱扣器、分励脱扣器、辅助模块等。

开关主体实现短路保护功能、自动控制、就地操作与指示功能，即包含断路器和接触器功能；热磁脱扣器主要是实现过载、过流保护等功能，即包含热继电器功能。

近些年第一代CPS发展的主要方向以产品模块4化为主，越发趋向“积木堆叠式”结构。

a 第一代热磁式控制与保护开关b 第二代数字式控制与保护开关图5 第一代、第二代CPS 第一代CPS 产品做到了单一元器件实现全部控制与保护功能的目的。

开关采用的热磁保护技术在断路器中应用广泛，但其双金属片检测保护达不到快速检测目的，无法准确判断电路状态，且需要占用较大的结构空间。

随着技术的不断发展，供配电及控制领域对电器元件的要求不断提高，在检测精度、动作准确性等方面提出了更高的要求。

因此，第二代控制与保护开关应运而生。

第二代控制与保护开关主要以电子式为主，开关结构模块化(产品实例图5 b)第二代产品在原来热磁式产品主体结构不变的基础上，采用电子控制替代热磁检测保护，通过电流互感器检测电路中的电流、判断电路运行状态，带动机械传动机构进行动作。

其主要思路是以数字量替代模拟量来提高检测精度。

此类产品是目前市场上数字型CPS 的主流。

但第二代数字式CPS 无论产品结构还是产品性能相较第一代热磁式都没有更大的提高。

究其原因，主要有以下两点：① 第二代产品的主体机械结构仍然沿用第一代，并没有针对电子式/数字式产品的特点进行相应修改，检测系统与动作机构并不能达到完美配合，在动作时间及动作合理性上没有超越第一代产品；② 电子式/数字式检测的主要优势是电路状态判断准确、迅速，配合直动式结构能够最大程度发挥技术优势。

热磁式结构主要采用机械传动，此结构能够最大限度保证热磁式的动作速度，但对于电子式来说，此类结构就显得过于复杂，不能发挥电子式/数字式检测技术的优势，在很大程度上限制了第二代产品的发展。

5自提出“工业4.0”、“智能化工厂”、“智能化家居”的概念以来，无论是工业上还是建筑上，在电气控制及设计上越来越追求数字化和智能化，通过数字信号进行配电终端控制是目前及未来配电的主要方向，也是第四代低压电器产品发展的主要目标。

虽然第二代CPS 已经开始向着数字化方向前进，但是其复杂的机械结构已经成为第二代CPS 最大的缺陷，同时也是CPS 智能化发展的最大障碍，因此第三代控制与保护开关在整体结构上有了巨大的革新。

图6 第三代智能型一体式控制与保护开关第三代控制与保护开关为数字化一体式/直动式(产品实例图6 )第三代CPS 基于先进的电力电子技术设计，通过智能控制单元检测、计算、分析主回路运行状态，直接控制电磁线圈、驱动主触头动作。

采用直动式结构，能够最大限度的发挥电子式快速、准确的特点。

除结构优势外，第三代CPS 的控制与保护过程全部数字化，也就是说，电路的整个运行状态及开关的控制与保护状态均能够以数据的形式进行传输。

从产品研制与推出的时间来说，第三代CPS 几乎是与第二代同时出现的。

但由于第二代产品是基于第一代改造而成，而第三代产品相当于CPS 的跨越式发展，因此在市场认可度上上并不如第二代产品易于让用户接受。

但随着用户的要求不断升高，第二代产品结构复杂、产品优化困难、不易于深入开发、功能扩展局限的弊端逐渐显现，第三代产品开始逐渐被市场所接受。

1.3 控制与保护开关电器的功能控制与保护开关的功能分为基本功能和扩展功能。

依据GB14048.9-2008中的规定，CPS 除具有手动控制和自动控制的基本控制功能外，至少应具有过载和短路保护功能。

也就是说控制与保护开关的基本功能为短路保护和过载保护。

除基本功能外，控制与保护开关还具有一定的扩展功能。

各厂家产品的扩展功能包括：三相不平衡保护、过欠压保护、剩余电流保护、报警等。

随着检测技术、通信技术与数字技术的发展，许多厂家CPS产品在拓展功能设计上更为丰富，如检测功能、通讯功能、外显功能。

检测功能：电流检测、电压检测、剩余电流检测等，部分厂家的CPS在检测精度上甚至可以达到误差小于±3%。

通讯功能：可连接工业现场总线，通讯协议包括RS-32、RS-485、Modbus、prifbus、工业以太网等。

外显功能：外显型CPS配合配电柜使用，可将显示控制器安装于开关柜门上，方便调试及显示线路运行状态。