CO2熱泵控制系統安全性與可靠性的設計

陳正權

摘 要：空氣源CO2熱泵是一種以 CO2作為冷媒的新型節能環保高效的制熱設備，它以多重節能環保的優勢，開啟了綠色低碳技術的大門，其控制系統的好壞是整個設備安全、可靠運行的關鍵。該文中筆者根據自身工作經驗，結合CO2熱泵控制系統的實際運用，闡述了在CO2熱泵控制系統設計中，如何從器件選型、相關電路的短路、缺相、過載、防雷保護等方面入手，通過合理設計，來達到提高CO2熱泵控制系統安全性與可靠性的目的。

關鍵詞：CO2熱泵 安全性 可靠性

中圖分類號：TM571 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）12（c）-0075-01

空氣源CO2熱泵主要由蒸發器、壓縮機、冷凝器、膨脹裝置等組成，工作時通過PLC控制，讓冷媒（CO2）不斷完成蒸發（CO2吸取空氣中熱量）-壓縮-冷凝（CO2釋放熱量到水中）-節流-再蒸發的熱力循環，從而將空氣中的熱量轉移到水中。與傳統冷媒相比，CO2有較高的單位容積制冷量、較好的傳熱性和流動性能，不會燃燒或爆炸，價格也相對便宜，并且維護起來方便等多方面的優點。CO2熱泵運行過程中，控制系統是關鍵，因此在設計中，控制系統的安全性與可靠性設計十分重要。

1 CO2熱泵控制系統中短路保護設計

短路保護設計是否得當直接影響著CO2熱泵的安全性和可靠性。在CO2熱泵控制系統設計中，綜合安全可靠性、設備成本、空間等多方面因素，以及方便在發生事故或下一級保護設備失靈時能及時切斷整個設備電源；設計時在系統總進線處設一斷路器QF1做整個供電系統的總電源開關兼總短路保護；對風機M1、M2則分別用熔斷器FU1和FU2作為短路保護；壓縮機M3則設置一斷路器QF2作為短路保護及電源開關，同時方便電路出現故障時的故障排查；水泵M5則因配備變頻器，變頻器能夠進行短路保護，故水泵不需要加設短路保護；加熱器R1、R2和直流電源PW1則分別設一斷路器QF3、QF4作為短路保護；其具體設計見圖1。

1.1 斷路器的選型

由于整個CO2熱泵控制系統負載情況都不是很大，其系統額定電流為50A左右，故本系統斷路器選用微型斷路器。QF3和QF4因負載為阻性負載和較低沖擊電流的感性負載，故選擇C類脫扣器；QF1和QF2因負載接通時有較高沖擊電流，故選D類脫扣器。按照斷路器額定電壓、電流不小負載額定電流、電壓的條件初步選定各斷路器型號后，再經式（1）～（3）校驗斷路器分斷能力和動作靈敏度確定各斷路器型號：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為低壓斷路器過流脫扣器動作可靠系數，按GB50054-1995的規定取1.3，動作時間超過0.02S則取1.7；Iset3為低壓斷路器瞬時過流脫扣器的整定電流；Iset2為低壓斷路器定時限過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，根據風機的特點，結合熔體的反時限特性；按式（4）確定熔斷器額定電流，初步確定熔斷器型號后，再按式（5）、（6）校驗熔斷器的分斷能力和靈敏度，最終確定熔斷器型號為三力圓筒帽形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熱泵控制系統中過載和缺相保護設計

常用低壓電器中，用作電動機的過載保護的器件一般有熱繼電器、反時限特性的過載脫扣器、反時限過流脫扣器、變頻器和斷路器等。在本設計中，M1、M2因是單相電機，且功率較小，故不需要設過載保護。M5因有變頻器，故可用變頻器做過載保護，M3電機則采用帶斷相保護的熱繼電器FR1為過載和缺相保護器。考慮M3電動機的工作環境、啟動情況、負載性質等因素，一方面要充分發揮它的過載能；另一方面，要合理躲避電動機在短時過載與啟動瞬間的影響。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為電機額定電流）選取。

在以上的基礎上還應保證：熱繼電器的整定電流應當可調，調整范圍宜不小于其電流上限的20%；熱繼電器在7.2倍整定電流下的動作時間，應大于電動機的啟動時間。根據以上要求，熱繼電器型號選擇為ABB TA 75-DU。

3 CO2熱泵控制系統中防雷設計

雷電對CO2熱泵控制系統的破壞一般為：一，雷電通過感應雷或直擊雷對系統造成破壞；二，雷電擊中變電站或供電線路，通過供電系統對熱泵控制系統造成破壞。針對CO2熱泵控制系統的防雷，本文分別從內部和外部兩方面著手，采用安裝避雷針作為外部防雷，防止雷電直接擊中熱泵，避雷針的設計需要根據熱泵安裝的地點，采用滾球法確定避雷針的高度；在控制系統供電入口處裝一浪涌保護器（SPD）作為內部防雷，防止雷電通過供電系統對控制系統造成破壞，同時還能抑制由于一些其他原因導致線路上的浪涌和瞬時過電壓、泄放線路上的過電流。SPD則根據熱泵安裝位置所處防雷界面（LPZ）和周邊環境，結合控制系統中各器件的耐沖擊電壓值，在合理選擇SPD的類型等級、通流量Isn、電壓保護水平Up和最大持續運行電壓Uc后，確定型號為ABB的OVR BT2 3N-40-320 P。

4 結語

不合理的設計往往會帶來很多問題，導致保護系統誤動作或不動作，給設備和人身帶來安全隱患，影響熱泵工作效率。本文結合CO2熱泵在日常中出現或可能出現的問題，用一些常用的電氣設備，經過精確的計算和多方面綜合考慮，通過相應的保護設計，提高了控制系統的安全性及可靠性，為設備安全、可靠運行提供了有力保證。

參考文獻

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