【非标自动化】2、认识元器件（隔离开关）

非标自动化设备通常需要设置电源隔离装置。最常见的形式就是柜门上的主电源旋转手柄转到“OFF/0”后将设备电气系统与工厂电源隔离。不过首先要把几个容易混淆的名称区分清楚隔离开关主要用于电气隔离强调断开后形成可靠的隔离状态。负荷开关可以在规定的正常负载条件下接通、分断电流。隔离开关熔断器组兼具隔离和熔断保护。断路器可以接通、分断正常电流并在短路、过载等情况下自动跳闸。隔离型断路器既具备保护功能又明确适用于隔离。开关隔离器 Switch-disconnector既能分断正常负载电流又能提供隔离功能非标设备中非常常见。施耐德对开关隔离器的说明是它结合了隔离器和负荷开关的性质可以分断正常负载电流并提供安全隔离ABB的相关产品按照IEC 60947-3等标准设计和测试。(ABB Group)因此电气柜里口语所说的“隔离开关”很多时候实际使用的是开关隔离器而不是只能在无负载状态下操作的纯隔离器。一、隔离开关在非标自动化中有什么作用它最核心的作用不是过载保护也不是急停而是在安装、检修、接线和维护设备时把设备电气系统与上级电源可靠地分开。假设客户工厂提供三相380V电源设备内部有380V电机和伺服驱动器220V电源24V开关电源PLC电磁阀传感器隔离开关位于整个设备电气系统的最前端。工厂配电柜 ↓ 设备进线电缆 ↓ 设备总隔离开关 ↓ 总断路器或各分支保护器件 ↓ 380V、220V、24V等设备内部回路当总隔离开关断开后原则上其下游回路全部失电维修人员才能对柜内设备进行维护。IEC 60204-1适用于机器电气设备并从机器电气设备与电源的连接点开始规定相关要求目前IEC页面列出的整合版本为IEC 60204-1:2016A1:2021。(IEC Webstore)隔离开关通常实现四个目的1. 整机断电将设备主体从工厂电源中切断。注意这里说的是设备内部隔离开关下游失电不意味着柜内任何位置都绝对没有电。隔离开关的上端进线端通常仍与工厂电源连接工厂电源 ↓ 隔离开关上端仍然可能带电 ↓ 隔离开关触点 ↓ 隔离开关下端断开后失电因此即使隔离开关已经关闭柜内隔离开关的进线端仍可能带有380V。2. 提供明显的电源状态通常有两个清晰状态I / ON电源接通O / OFF电源断开柜门手柄能让操作人员直接看到设备总电源状态。3. 支持上锁挂牌正规的主隔离开关手柄通常可以在OFF位置挂锁。维修人员断电后把自己的锁挂上防止其他人误合闸。这属于常见的锁定挂牌思路也就是经常听到的LOTO。施耐德将断开开关的重要应用描述为提供可视范围内的锁定隔离部分封闭式开关隔离器也明确提供可挂锁手柄。(Schneider Electric)4. 防止带电开门或误送电设备上常见的柜门联锁式手柄可以实现隔离开关在ON位置时柜门通常不能直接打开。隔离开关转到OFF位置后才能打开柜门。柜门打开时通常不能轻易把隔离开关转到ON位置。需要专业维护时可以通过特定解锁结构解除联锁。但柜门联锁不能替代上锁挂牌也不能说明柜内进线端已经不带电。二、非标自动化设备是不是一定需要单独安装隔离开关更准确的说法是非标设备通常需要设置“电源切断和隔离装置”但不一定必须使用一个名称就叫“隔离开关”的独立元件。满足要求的装置可能是开关隔离器带隔离功能的断路器隔离开关熔断器组合满足隔离要求的其他主开关装置某些功率较小、连接形式符合条件的设备也可能使用插头和插座作为断开方式ABB早期针对机械电气设备的应用资料将手动主开关隔离器作为每个进线电源的断开装置并强调它应能可靠隔离设备电源、具有明确的ON和OFF状态。(ABB Library)所以不要机械地理解为每个控制柜必须同时具有“隔离开关总断路器”两个完全独立的器件。实际可能有下面几种方案。方案一开关隔离器总断路器进线 → 开关隔离器 → 总断路器 → 分支断路器 → 各负载职责比较清晰开关隔离器负责总电源操作和可靠隔离。总断路器负责短路、过载等保护。分支断路器保护各个支路。这是非常容易理解的一种配置。方案二具有隔离功能的总断路器进线 → 隔离型总断路器 → 分支断路器 → 各负载这个总断路器同时承担正常接通与断开隔离短路保护过载保护但必须确认具体产品明确标明适用于隔离不能看到“断路器”三个字就默认它一定能够作为机械设备的主隔离装置。方案三开关隔离器熔断器组进线 → 开关隔离器熔断器 → 各分支它同时提供手动隔离负载分断熔断器短路保护方案四小型独立设备使用插头连接某些小功率设备可能通过插头从插座取电。拔掉插头后可以实现电源断开而且维修人员能够控制插头状态。但这不适合直接套用到所有工业设备尤其是三相设备固定接线设备大功率设备多路电源设备拔掉插头后仍存在其他能源的设备因此学习非标自动化时可以先按主流结构理解大多数固定安装的非标设备在进线位置会设置一个能够切断并隔离整机电源的主开关。三、隔离开关一般安装在电气柜什么位置要区分电气回路中的位置和物理安装位置。1. 电气回路中的位置它一般位于设备主电源进线后的最前端或非常靠前的位置。典型单线关系是客户工厂上级配电 ↓ 设备进线端子 ↓ 总隔离开关 ↓ 总断路器或主熔断器 ↓ 分支断路器 ↓ 伺服、变频器、开关电源、加热等负载也可能是客户工厂上级配电 ↓ 设备进线端子 ↓ 具有隔离功能的总断路器 ↓ 分支回路也就是说它应当能够控制设备内部绝大部分电源而不能被安装在某个普通分支中却称为“整机总隔离开关”。2. 电气柜中的物理位置典型安装方式是操作手柄安装在柜门外侧。开关本体安装在柜门内侧或柜内安装板上。手柄和开关本体之间通过延长轴连接。打开柜门后可以看到主开关本体和主进线。常见外观就是柜门上一个红黄旋转手柄红色手柄黄色底座ON/IOFF/O不过颜色和形式要结合产品设计及适用标准确认不能仅凭颜色判断器件功能。3. 在柜内布局的哪个区域一般会靠近主电源进线区域例如柜体左上方柜体右上方靠近进线侧独立的主配电区域但没有“必须放左上角”这样的普遍规则。真正的设计原则是主进线到隔离开关之间的导线尽可能清晰、受保护。尽量减少隔离开关上游带电导线在柜内长距离穿行。与24V控制线路、模拟量信号线合理分区。便于安装、操作和检修。柜门手柄高度和位置便于人员操作。打开柜门后能够识别哪些部分仍可能带电。例如电缆从柜底右侧进入主隔离开关却装在柜体左上角就可能导致未经设备总隔离的三相进线在柜内横跨较长距离。更合理的思路是进线位置 ↓ 尽可能短 主隔离装置 ↓ 主配电区 ↓ 各分支区四、需要掌握隔离开关的哪些信息不需要一开始研究所有产品型号。先掌握下面这些核心知识。1. 它能做什么不能做什么隔离开关的主要职责是接通或断开电路提供电气隔离支持检修安全显示总电源状态某些型号支持带正常负载分断某些型号支持挂锁和柜门联锁它通常不能自动完成短路保护过载保护漏电保护电动机缺相保护人员急停保护所以必须查看具体产品究竟是纯隔离器开关隔离器熔断器式隔离开关隔离型断路器不能只看外形。2. 极数常见有2P3P4P对于三相设备3P通常切断L1、L2、L3。4P通常切断L1、L2、L3和N。PE保护地一般不能通过普通隔离开关切断。需要特别注意是否切断N线不是简单地看到设备有N线就必须选择4P也不能随意决定。它与供电系统、接地方式、设备设计和适用规范有关。现阶段先记住相线通常需要切断。PE保护导体必须保持可靠连接。N线是否切断需要根据系统方案确定。不允许把PE当成普通工作导体接入主开关随意断开。3. 额定工作电压例如AC 230VAC 400VAC 415VAC 690VDC 相关额定值必须满足设备供电电压。不能因为一个开关标有400V就默认它同样适用于某个相同电压的直流系统。交流和直流的灭弧条件不同必须看产品的AC/DC额定能力。4. 额定工作电流例如16A25A32A40A63A100A选择时不能只把设备所有铭牌功率相加后随意换算。需要考虑设备计算电流最大连续负载电动机负载同时运行系数使用类别环境温度柜内温升上下级保护器件导线载流量预留余量同时要理解隔离开关额定电流大并不意味着下游电缆就自动受到保护。电缆保护仍要依靠断路器或熔断器。5. 使用类别这是很容易被忽略但非常重要的参数。低压开关设备可能标明AC-20AC-21AC-22AC-23可以先做概念性理解AC-20接通和分断能力受到严格限制偏向隔离用途。AC-21适合电阻性负载。AC-22适合包含一定感性成分的混合负载。AC-23适合电动机或其他高感性负载场景。例如施耐德部分开关隔离器明确标有AC-22A、AC-23A使用类别用于可靠的隔离开关操作。(Schneider Electric)因此如果设备带有电机、变压器、伺服驱动器等负载不能只看“63A”还需要看它在对应使用类别下的额定能力。6. 是否允许带负载操作这是区分纯隔离开关和开关隔离器的重要问题。需要查看产品说明能不能正常带负载合闸能不能正常带负载分闸能否作为整机主开关使用对电动机负载是否有限制是否要求先停止负载再操作隔离器非标设备上更常采用能够进行正常负载开断的开关隔离器因为操作人员可能直接通过柜门主开关关闭设备。但正常停机最好仍按照设备控制流程进行按停止按钮 → PLC停止运动 → 伺服、变频器停止输出 → 设备进入安全静止状态 → 再关闭主隔离开关而不是每次都把隔离开关当成普通停止按钮使用。7. 短时耐受和短路配合隔离开关通常不是短路保护装置但发生下游短路时在上级保护器件切断前它也会承受短路电流。所以需要查看额定短时耐受电流额定限制短路电流与上级熔断器或断路器的配合关系制造商提供的短路协调表作为初学者先建立一个原则隔离开关额定电流满足正常运行不等于它在任何短路条件下都安全。8. 手柄、延长轴和柜门联锁选型不是只选开关本体还可能需要配套柜门旋转手柄延长轴门联锁机构挂锁机构辅助触点端子罩相间隔板需要检查柜门厚度柜体深度延长轴长度手柄防护等级是否能在OFF位置挂锁是否支持柜门联锁是否有紧急解锁功能9. 辅助触点部分隔离开关可以安装辅助触点将主开关状态反馈给控制系统。例如主隔离开关辅助触点 ↓ PLC数字量输入 ↓ HMI显示“主电源已接通”但如果主开关已经切断PLC的电源PLC自然也不能继续显示状态。因此辅助触点是否有意义要结合控制电源来源和电路设计判断。10. 安装方式和防护等级常见安装方式包括柜内安装板安装DIN导轨安装柜门安装封闭式独立安装还要关注IP防护等级工作温度海拔降容安装方向端子接线能力铜导线或铝导线限制允许的紧固力矩五、隔离开关、断路器、急停有什么区别这是学习时必须彻底分开的三个概念。元件主要职责是否自动切断故障是否用于日常停止主隔离开关断开并隔离设备电源通常不能不建议作为普通停止按钮断路器短路、过载保护及通断可以通常不作为设备流程停止急停按钮紧急停止危险动作通过安全回路实现只用于紧急情况普通停止按钮正常停止设备流程不负责电气保护是急停按下后设备必须进入预先设计的安全状态但急停并不等于已经完成电源隔离。例如急停按下后伺服使能被切断。接触器释放。气动危险动作停止。PLC可能仍然有24V电源用于显示报警。电气柜内部仍可能带有380V。因此急停是为了尽快停止危险隔离开关是为了维修时可靠断电两者不能互相替代。六、一个典型非标电气柜中的位置关系可以先用这个简化结构建立认识客户提供三相380VNPE │ ▼ 设备进线端子或进线连接点 │ ▼ QS1 主开关隔离器 │ ▼ QF1 总断路器 │ ┌───────┼─────────┐ ▼ ▼ ▼ QF2动力 QF3控制 QF4辅助 │ │ │ ▼ ▼ ▼ 伺服/变频器 24V电源 插座/风扇等 │ │ ▼ ▼ 电机执行机构 PLC、传感器、电磁阀常见图纸代号可能包括QS开关隔离器、隔离开关QF断路器FU熔断器KM接触器KA中间继电器PS开关电源TC控制变压器不同公司图纸代号习惯可能存在差异最终要看图纸的元件表和符号说明。七、学习隔离开关时第一轮达到什么程度就够了第一轮不需要马上计算复杂短路电流但至少应能回答隔离开关的主要作用是什么它为什么不能代替断路器它为什么不能代替急停纯隔离器和开关隔离器有什么区别它在电气回路中为什么位于进线前端为什么柜门外通常有旋转操作手柄为什么OFF位置最好能够挂锁三相设备为什么可能使用3P或4P为什么PE不能像普通相线一样被切断为什么额定电流之外还要看使用类别断开主隔离开关后柜内哪里仍可能带电隔离开关和上级断路器、下游分支断路器如何配合掌握这些以后再进入具体选型。最后可以把隔离开关概括为它是设备电气系统的总入口闸门。它负责把设备与工厂电源可靠地接通或隔离但通常不独立承担过载、短路和急停保护。物理上一般靠近设备主进线操作手柄通常设置在电气柜门外。