STS在民航供電系統(tǒng)中的應用

陳智敏

摘 要：文章深入分析了靜態(tài)轉換開關STS（Static Transfer Switch）的原理和特點，闡述了STS對于重要負載持續(xù)不間斷供電的重要性，并介紹了STS在民航供電系統(tǒng)中的應用。

關鍵詞：供電；STS；不間斷切換

中圖分類號：TM73 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0058-02

民航空中交通管制關系到飛行安全和運行安全，所以從指揮調度到雷達無線的設備都不允許有半點差錯，這也對設備供電的可靠性提出了極高的要求，因為哪怕1 s的停機也會給帶來無法估量的損失，嚴重時甚至會對飛行安全造成嚴重的影響，因此，必須保證365×24 h連續(xù)不斷的、穩(wěn)定可靠的運行。

靜態(tài)轉換開關STS是實現(xiàn)兩個獨立電源間的快速轉換的無觸點電子式開關裝置，其最高轉換時間可以達到5 ms，為數(shù)字設備、控制設備或其它對電源供電連續(xù)性要求極高的用電設備提供供電保障，當一路電源超限或斷電后，迅速地切換至另一路電源，保證設備運行及數(shù)據(jù)安全。STS是實現(xiàn)所謂“分布式供電”方案的有利工具，可以大大提高機房供電系統(tǒng)的可靠性。

1 STS的定義

STS為電源二選一自動切換系統(tǒng)，正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內，負載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時，負載自動切換到備用電源，主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。

STS采用先斷后通（BreakbeforeMake）的切換方式，主備電源之間不會產生沖擊電流，可以實現(xiàn)不同輸入電源之間的不間斷切換，為單電源負載提供雙母線供電，如：非并聯(lián)UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同容量UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同型號UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同市電的冗余、市電與發(fā)電機的冗余。

2 STS的工作原理

2.1 STS的組成

STS靜態(tài)電源切換開關主要由智能控制板，高速可控硅（SCR），斷路器構成。其中最核心的部件就是SCR。SCR是由硅半導體組成，因為半導體同時具有絕緣體和電導體的特性，在天然條件下，硅由溫度不同可以變?yōu)閷w或者絕緣體，通過給SCR以很低的電壓就可以將其變?yōu)閷w。

SCR實質上就像一個閥門，它只允許電流在一個方向流動，要打開或者閉合SCR，需要在SCR門極上施加低電壓，這樣可以使電流從陽極流到陰極，但是當交流電正弦波穿過0點時，SCR閥門將關閉，此時SCR停止導電，直到收到新的閥門信號，故需要將兩個SCR反向連接以保證導通整個正弦波周期。

STS智能控制板用以發(fā)送門極電壓信號。

2.2 STS的工作原理

STS可通過控制板設定兩路UPS任意一路輸入電源為主用電源，另一路為備用電源。只有在主用電源故障或手動復位的情況下，STS才會自動在8 ms內從主用電源切換到備用電源。

STS的兩路靜態(tài)開關是嚴格互鎖，STS內還裝有手動旁路開關，在STS需要檢修時，可以手動地將輸入電源切換到旁路開關。進行手動轉換時可保證輸出不間斷。

正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內，負載一直連接于主電源。當主電源發(fā)生故障時，負載自動切換到備用電源，當主電源恢復正常后，負載又自動切換到主電源。

當STS感應的負載電流超過預先設定的過流值時，表示有沖擊電流或者過載，這時即使主電源電壓超出正常的電壓范圍，STS也不發(fā)生轉換。在負載電流恢復到正常值時，過流抑制模式自動復位，STS恢復到正常的工作模式。

在備用電源電壓處于正常的電壓范圍內，且備用電源與主電源間的相位差處于允許的范圍內。

STS可以手動地在兩路電源之間進行切換。為了保證負載電源供給不中斷，在負載連接的電源中斷時，STS將自動在8 ms內轉換到另一路電源。

緊急轉換優(yōu)先任何轉換或者抑制。為了確保正確運行，STS不停地監(jiān)視SCR的狀態(tài)。

在負載電源的SCR發(fā)生短路時，STS將自動告警提示，并迅速打開另一路電源的隔離開關。在另一路SCR發(fā)生短路時，STS自動告警提示，并迅速打開這一路電源的隔離開關。

在有SCR開路時，STS將自動告警，切換打開先前的隔離開關。所有的開路和短路告警都將被鎖定，要求系統(tǒng)進行維修并復位到原來的正常工作狀態(tài)。

STS裝有互鎖的維修旁路開關，STS可以通過旁路開關不間斷地切換到任一路輸入電源，以便于維修。在維修時，STS的輸入、輸出和旁路的電源接線端子都應被隔離，以便在系統(tǒng)處于旁路時，安全維護STS內的任何組件。

3 STS在民航供電系統(tǒng)中的應用及故障處理

3.1 STS在民航供電系統(tǒng)中的應用

之前介紹的STS為小型STS，事實上在民航電力中，STS的應用分為大型STS（StaticTransferSystem，自動切換系統(tǒng)）和小型STS（StaticTransferSwitch），兩者在體積上天差地別，但是原理大致相同。大型STS作為PPC的前級輸入，可在兩個交流輸入源之間實現(xiàn)小于1/4個周波的切換，與靜態(tài)切換開關一樣都是先斷后通，同樣支持手動和自動切換，和小型STS不同的是，大型STS擁有l(wèi)cd屏幕可供操作和監(jiān)控，可以獲取輸入和輸出的重要參數(shù)，你可以在屏幕上操作兩個源之間的切換，只需要密碼確認后就能進行操作。如果出現(xiàn)當前供電源失效或系統(tǒng)檢測到了可控硅故障，為保證供電的連續(xù)性，只要另一路源正常，無論兩路源之間的相位差是否在同步窗口范圍內，STS都會立即切換到另一路源供電，這稱為緊急切換。同時擁有隔離變壓器可以解決不同系統(tǒng)的零線問題，就容量而言，小到63 A，100 A，大到800 A，1 000 A，而且大型STS也配備了維修旁路，方便用戶維修和維護。

民航管制中心供電系統(tǒng)如圖1所示，引入了兩路市電進線，兩路電源各帶一部分負載，當一路市電故障時可將負載通過聯(lián)絡柜切換到另一路市電供電，同時當兩路市電均故障時有三臺1 140 kW的柴油發(fā)電機作為應急電源。

對于特別重要的工藝負荷，為了保證不間斷和高質量的電源供應，配備了兩套不間斷電源系統(tǒng)UPS包括后備電池，通過小型STS實現(xiàn)在雙電源之間的不間斷切換向負載供電。

抽出控制板如圖2所示，為了提高供電的可靠性，在每個席位中分別安裝一個小型16-20A的STS，STS兩路電源分別由兩路UPS分別送至PPC精密配電柜，再送至STS，從STS送至用戶負載側。

民航管制中心所使用的STS大致有兩種，即帶有旁路維修功能的STS和不帶有旁路維修功能的STS。

圖2中的STS是帶有旁路維修功能的，如不帶旁路功能則只需去掉CB3回路和CB4回路。維修旁路的功能本文將在STS故障分析中提到。

綜上所述，大型STS和小型STS被應用于不同的機房設備和環(huán)境中，大型STS應用于配電柜前級，為配電柜提供兩路輸入源不間斷的切換，而小型STS則被用于單個模塊或者小型區(qū)域的供電前級使用，確保了高可靠性的冗余度。

3.2 STS故障分析

在STS的使用過程中也會發(fā)生故障，大致可分為兩類：STS本體模塊故障或者設備端短路導致STS故障其中發(fā)生頻率較高的設備端短路導致STS的故障，碰到此類故障，分析處理步驟如下：

①一般碰到短路故障，由于STS具有診斷功能，檢測到線路中有短路的話不會進行切換，所以找出短路設備或者脫線板將其換下。

②如該系統(tǒng)無法備份，需立即上電，可將STS控制板抽出，（控制板和旁路開關之間沒有聯(lián)系，即使抽出控制板，旁路開關依舊可以動作）切換至旁路供電。

③如系統(tǒng)有備份，可先啟用備份系統(tǒng)，將故障STS換下，抽出控制板如圖2所示，設備如果短路，控制板的快速熔斷絲靈敏度極高，熔絲在焊點的作用下會迅速熔斷，以保護半導體等過載能力很低的整流元件，將熔斷絲更換后STS可重新使用，如果STS仍然故障，可能控制板發(fā)生故障，則需要更換整個控制板或者更換整個STS。

④大型STS發(fā)生過控制屏黑屏故障導致無法操作的故障，由于沒有了控制屏幕顯示，無法迅速判斷STS是否仍然正常工作，兩路輸入源是否正常，也無法通過控制屏進行操作，這時候需要打開STS倉門，肉眼透過兩個扁長方形監(jiān)視倉可以看到里面綠燈是否點亮，點亮則說明該路源正常，同時也可以判斷STS工作在哪一路，只要獲取這些重要信息，就可以手動進行操作將STS切換至旁路，將與屏幕連接的控制板拆下檢查，可換上新的屏幕檢查是否為屏幕損壞或者換上新的控制板檢查是否為控制板的問題，需要注意的是操作要仔細，防止損壞控制板，最好帶上靜電手套。如果遇到屏幕參數(shù)不準確或者誤報警的情況可以請廠方通過軟件，輸入相應的命令重新調整參數(shù)設置及復位。

3.3 STS的維護

對于小型STS，日常維護可以定期做切換測試，檢查STS能否正常切換。尤其是切換小開關時間久了彈簧會變得不靈活或者損壞導致STS無法手動操作。

對于大型STS，日常維護除了定期做切換操作，還需要檢查風扇是否正常工作，這也是相當重要的，如果風扇停止工作會使得STS內溫度升高，從而影響元器件的工作和壽命，嚴重的情況甚至會引起設備損壞和短路，檢查風扇的方法很簡單，只要手放在出風口就行，看手有沒有感覺到風。

一般STS都會有兩個風扇，一個主用，一個備用，同時定期對風扇和防塵隔板進行清洗，STS內部可以用吹風機進行除灰。每年用紅外線溫感測試器對STS內的元器件進行檢測，檢查內部電容，線纜等有無發(fā)熱現(xiàn)象，這樣可以預防短路或者電容漏液等情況的發(fā)生。

4 結 語

STS的應用實現(xiàn)了不同電源之間不間斷的切換，從而為民航的供電提供了充足的冗余度，增強了設備的可靠性，如果要充分發(fā)揮其效果，還需要合理的配置，科學的維護，正確的操作，同時對STS的構造原理有深刻的理解。在民航電力中，有部分地區(qū)設備由于經費等原因（STS的成本是非常高昂的）仍然是單STS供電或者甚至是沒有STS，一旦STS出現(xiàn)故障，就會影響設備的正常運行，如果改成雙STS供電，將提供更大的設備冗余度，提高安全可靠性，這也是STS在民航應用中將來的發(fā)展方向和配置趨勢。

當然，許多地區(qū)受制于資金，環(huán)境，空間等因素，對于STS的配置也應因地制宜，分步實施，逐步完善，有計劃的推進STS在民航供電系統(tǒng)中的發(fā)展。

參考文獻：

[1] 吳健.UPS雙母線一體化配電解決方案[J].電源技術應用，2004，（9）.