雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）在電氣設(shè)計(jì)中的選擇及應(yīng)用

王琳琳 楊勇偉

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）在電氣設(shè)計(jì)中的選擇及應(yīng)用

王琳琳 楊勇偉

河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）的使用越來越廣泛。筆者對目前常用的不同類型的ATSE產(chǎn)品做了分析，并分析了不同條件下應(yīng)如何選擇，對今后設(shè)計(jì)人員使用ATSE具有一定的參考價(jià)值。

ATSE；PC級；BC級；負(fù)荷；可靠性；安全性

ATSE即雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器,主要用在緊急供電系統(tǒng)，是將負(fù)載電路從一個(gè)電源自動換接至另一個(gè)（備用）電源的開關(guān)電器，以確保重要負(fù)荷連續(xù)、可靠運(yùn)行，因此，ATSE常常應(yīng)用在重要用電場所。ATSE一旦轉(zhuǎn)換失敗將會造成以下兩種危害:①電源間的短路；②重要負(fù)荷斷電(甚至短暫停電)。這不僅會帶來經(jīng)濟(jì)損失，使系統(tǒng)癱瘓、生產(chǎn)停頓，也可能造成社會問題，使生命及安全處于危險(xiǎn)之中。因此，ATSE的可靠性和合理使用尤為重要。工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn),加以限制與規(guī)范。

ATSE一般由兩部分組成：開關(guān)本體（ATS）+控制器。開關(guān)本體（ATS）又有PC級（一體式）與CB級（斷路器式）之分，雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）質(zhì)量的好壞取決于開關(guān)本體（ATS）。開關(guān)本體（ATS）有兩種。1）PC級ATS:一體式結(jié)構(gòu)（三點(diǎn)式）。它是雙電源切換的專用開關(guān)，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，但需要配備短路保護(hù)電器。2）CB級ATS:配備過電流脫扣器，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌Ｋ怯蓛膳_斷路器加機(jī)械連鎖組成，具有短路保護(hù)功能。

控制器主要用來檢測被監(jiān)測電源（兩路）工作狀況，當(dāng)被監(jiān)測的電源發(fā)生故障（如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現(xiàn)偏差）時(shí)，控制器發(fā)出動作命令，開關(guān)本體則帶著負(fù)載從一個(gè)電源自動轉(zhuǎn)換到另外一個(gè)電源。

ATSE在我國已經(jīng)歷了四個(gè)發(fā)展階段:第一代為接觸器式轉(zhuǎn)換開關(guān)，是我國最早生產(chǎn)的雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)。它的基本構(gòu)成是兩臺交流接觸器、機(jī)械和電氣連鎖裝置，其缺點(diǎn)是機(jī)械連鎖不可靠、耗電量大等，在工程中已經(jīng)基本不再使用。第二代為斷路器式轉(zhuǎn)換開關(guān)，是我國國家標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)中所謂的CB級ATSE。它的基本構(gòu)成是兩臺斷路器、機(jī)械和電氣連鎖裝置組成，具有短路和過電流保護(hù)功能，同樣存在機(jī)械連鎖不可靠的缺點(diǎn)，是目前使用最廣泛的ATSE。第三代為負(fù)荷開關(guān)式轉(zhuǎn)換開關(guān)，它的基本構(gòu)成是兩臺負(fù)荷開關(guān)和一套內(nèi)置的連鎖機(jī)構(gòu)組合而成，機(jī)械連鎖可靠，轉(zhuǎn)換由電磁線圈產(chǎn)生吸引力來驅(qū)動開關(guān)，速度快，是早期的PC級ATSE。第四代為雙投式轉(zhuǎn)換開關(guān)，它是電磁力驅(qū)動、內(nèi)置的機(jī)械連接保持狀態(tài)、單刀雙投一體化的轉(zhuǎn)換開關(guān),具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、自身連鎖、轉(zhuǎn)換速度快、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，是完全重新設(shè)計(jì)的一體式PC級ATSE，也是未來ATSE的發(fā)展方向。

1 CB級和PC級ATSE性能對比

1）兩者的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理念不同,CB級ATSE是由斷路器組成，而斷路器是以分?jǐn)嚯娀榧喝?，要求機(jī)構(gòu)快速脫扣，因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素;PC級ATSE不存在該方面問題。PC級ATSE的可靠性遠(yuǎn)高于CB級產(chǎn)品。CB級斷路器不承載短路耐受電流，觸頭壓力小，一旦發(fā)生短路或過電流，脫扣器脫扣，從而分?jǐn)喽搪冯娏鳌C級ATSE能接通和承載20Ie及以上的過載電流,能確保重要負(fù)荷的可靠供電,短路電流的分?jǐn)鄤t由保護(hù)斷路器實(shí)現(xiàn)，因此是真正意義的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。

2）從可靠性與安全性來說，CB級ATSE開關(guān)本體由兩個(gè)斷路器、分/合閘線圈、儲能電機(jī)、輔助接點(diǎn)及外置機(jī)械連鎖等元器件組合而成，每個(gè)元器件均可成為故障點(diǎn),增加了系統(tǒng)的故障率。連鎖機(jī)構(gòu)一旦失靈，直接導(dǎo)致兩路電源短接或重要負(fù)荷斷電，系統(tǒng)可靠性低。電機(jī)驅(qū)動儲能操作限位開關(guān)調(diào)整不好時(shí)，易導(dǎo)致電機(jī)堵轉(zhuǎn)燒毀，造成無法合閘的嚴(yán)重后果。PC級ATSE開關(guān)本體為一體化設(shè)計(jì)，零件數(shù)量少，可靠性高。觸頭結(jié)構(gòu)具備連鎖功能，將兩路電源短接的可能降為零。機(jī)構(gòu)由直流線圈驅(qū)動，瞬間激磁操作，即正常情況下線圈不通電，只有轉(zhuǎn)換的時(shí)候瞬間通電，通電時(shí)間不超過100 ms,這種機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為業(yè)界公認(rèn)為最可靠的驅(qū)動系統(tǒng)。

3）CB級ATSE為了分?jǐn)嚯娀?，斷路器常常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對，但這類觸頭長期暴露在空氣中極易氧化，觸頭的氧化直接導(dǎo)致接觸電阻增大，轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的熱量必然縮短觸頭壽命。PC級ATSE觸頭材料為特殊銀合金材料，降低了氧化程度；觸頭的拍合式設(shè)計(jì)使其具有自動去除氧化物功能，即使使用10年,觸頭電阻也只是增加6%左右。主觸頭附帶滅弧觸頭，滅弧觸頭轉(zhuǎn)移了弧電流，保護(hù)了主觸頭，使得開關(guān)本體壽命達(dá)25年。

4）CB級ATSE的電動操作機(jī)構(gòu)是通過微電機(jī)帶動減速齒輪機(jī)構(gòu)對斷路器進(jìn)行分合工作。因受斷路器機(jī)構(gòu)的限制,微電機(jī)必須工作到堵轉(zhuǎn)后，靠行程開關(guān)才斷開控制回路。眾所周知，微電機(jī)堵轉(zhuǎn)后，其壽命會大大降低。因而，CB級ATSE電動操作機(jī)構(gòu)可靠性較低。PC級ATSE的電動操作機(jī)構(gòu)一般為短時(shí)工作電磁鐵,由于電磁鐵結(jié)構(gòu)簡單，工作可靠,所以PC級ATSE電動操作機(jī)構(gòu)的可靠性較高。

5）從切換速度來說，CB級ATSE的切換時(shí)間為2～3 s，其切換時(shí)間受斷路器限制。PC級ATS的切換時(shí)間小于100 ms，不受斷路器影響。對非常重要的用戶（如銀行、金融中心、數(shù)據(jù)中心等）而言，這點(diǎn)非常重要。

6）從使用壽命上，CB級ATSE在1In/1Ue條件下操作200次，機(jī)械壽命1 400次。PC級ATSE在2In/1.05Ue條件下至少操作循環(huán)1 000次，機(jī)械壽命5 000次。

2 ATSE的選用

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，現(xiàn)代生活和現(xiàn)代工業(yè)對斷電的容忍能力越來越差，國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家（尤其是美國）把ATSE產(chǎn)品視為電源的一部分。由此可見，合理選擇ATSE對保證重要負(fù)荷的連續(xù)供電非常關(guān)鍵。在選擇時(shí)應(yīng)注意以下問題:

2.1 負(fù)荷性質(zhì)

對于一級負(fù)荷、特別重要的負(fù)荷，不允許采用具有過載保護(hù)功能的CB級ATSE，尤其是消防類負(fù)載?！禝EC 62091固定式消防泵控制器》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:消防泵用ATSE只能夠采用PC級。對于普通的二級負(fù)荷,可以選用CB級ATSE。在條件允許的情況下，建議優(yōu)先選用PC級ATSE。

2.2 ATSE轉(zhuǎn)換動作時(shí)間

二位式PC級ATSE總動作時(shí)間一般在50～250 ms，三位式PC級ATSE總動作時(shí)間一般在350～ 600 ms，CB級ATSE總動作時(shí)間一般在2 000～3 000 ms。所以對于轉(zhuǎn)換時(shí)間要求比較高的場所，如醫(yī)療、商業(yè)、數(shù)據(jù)及金融交易中心等，應(yīng)采用二位式PC級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)。其他對轉(zhuǎn)換時(shí)間要求不太高的負(fù)荷可選用CB級ATSE。

2.3 市電+備用柴油發(fā)電組型

備用電源是柴油發(fā)電機(jī)，市電與備用發(fā)電機(jī)之間轉(zhuǎn)換用的ATSE不能用二位式,只能用三位式。因?yàn)槎皇降腁TSE在任何時(shí)候總有一路電源是接通的，假設(shè)常用電源發(fā)生斷相故障，ATSE發(fā)出柴油發(fā)電機(jī)組起動指令，發(fā)電機(jī)組需要經(jīng)過十幾秒鐘才能達(dá)到要求的頻率和電壓，這時(shí)才能進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這十幾秒之內(nèi)，ATSE應(yīng)切斷故障電源，所以應(yīng)該選三位式的ATSE。在發(fā)電機(jī)組沒有達(dá)到穩(wěn)定工況之前，將開關(guān)置于中間位置，同時(shí)斷開兩個(gè)電源，待發(fā)電機(jī)組電源各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到穩(wěn)定后才能進(jìn)行切換。這種轉(zhuǎn)換一般都在低壓配電室的母線上集中裝設(shè)，以便于使用和維護(hù)。一般發(fā)電機(jī)組輸出柜已加裝保護(hù)電器，這類轉(zhuǎn)換方案宜選用一體化PC級三位式的ATSE。

2.4 維修方便

統(tǒng)計(jì)表明，ATSE故障80%以上是控制器故障，這是因?yàn)榭刂破魇沁B續(xù)工作的，所以在合理選擇好ATSE本體開關(guān)后，控制器的維修方便也是設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮的。外置式設(shè)計(jì)（控制器與本體分離）,可以不用動開關(guān)本體，在幾分鐘內(nèi)就可以更換。內(nèi)置式設(shè)計(jì)的ATSE（控制器在本體內(nèi)部），就必須將整個(gè)開關(guān)本體拆下來才能更換，維修很不方便。

3 結(jié)語

綜上所述，ATSE作為保障電源供電連續(xù)性的電器元件，其重要性是顯而易見的。筆者認(rèn)為，一體式PC級ATSE前加裝保護(hù)斷路器可以在各種供電方案中可靠地發(fā)揮功能,是理想的雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器,在配電系統(tǒng)中將廣泛應(yīng)用。

[1]IEC 62091,固定式消防泵控制器.

[2]GB 50052-1995,供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]賀貴兵,向弦信.TSE選擇應(yīng)用中的核心問題控討[J].智能建筑電氣技術(shù),2009.