关于双电源互投开关的探讨

关于自动转换开关电器（ATSE）设计应用的探讨
一、概述：
自动转换开关电器，即ATSE(Automatic Transfer Switching Equipment)。主要适用于交流不超过1000V或直流不超过1500V的紧急供电系统，用于两路电源切换，以确保重要负荷（一、二级用电负荷）连续安全、可靠运行。ATSE常常应用在重要用电场所，至少是二级负荷用户，其产品的可靠性尤为重要。转换一旦失败，其后果是很严重的。目前在工程设计中双电源自动切换开关电器（ATSE）的应用越来越广泛，对产品的正确认识，合理选择，合理使用也变得越来越重要。下面笔者就此类问题谈几点认识和体会，希望对同行们的设计有所帮助。
二、ATSE的定义和分类：
1、定义：根据GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》的定义，ATSE是由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器组成，用于监测电源电路，并将一个或多个负载电路从一个电源转至另一个电源的电器。
2、分类：根据GB/T14048.11-2002标准规定，自动转换开关电器可分为PC级和CB级两个级别。
PC级：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。
CB级：配备过电流脱扣器的ATSE，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。
3、目前在本地市场上这两种级别的产品很多，CB级产品有：常熟开关厂的CA1系列，天津万高的WATSNB系列，深圳泰永的TBBQ2系列，无锡新宏泰的HTQI系列，天津百利的TQ30系列等；PC级产品有：扬州新菱的XLS9系列，常熟开关厂的CAP1系列，天津万高的WATSG系列，深圳泰永的TBBQ3系列，无锡新宏泰的HTQII系列，天津百利的TQ40P系列等。
三、ATSE的结构形式：
无论什么型式的ATSE，从结构看都是由三部分构成：开关本体（或者称为主触头开关）、传动机构（包括驱动机构和传动机构）、控制器。目前市场上提供的产品，按照结构分，有以下几种类型。
1、 两个接触器+机械连锁+控制器组成。
2、 两个断路器+传动机构（电机驱动+转动板/拨动版）+控制器组成。（CB级ATSE）
3、 两个刀开关（或负荷-隔离开关）+传动结构（电机驱动+齿轮传动/连杆传动）+控制器组成。（PC级ATSE）
4、 单一负荷开关+双电磁力驱动+控制器组成。（PC级ATSE）
5、 一个转换开关+单电磁力驱动+控制器组成。（一体式PC级ATSE）
上述产品有的是利用现有的开关电器（刀或负荷开关、断路器、接触器）组合而成(如1、2、3)，也有的是专用设计开发的ATSE(如4、5)。
四、各类ATSE产品的性能对比：
各类ATSE由于其开关本体的电器性能以及结构形式不同，决定他们各有各自的特点。
1、电气性能对比：
作为其开关本体的一体式ATSE,断路器，刀开关和负荷开关应符合相应的国家标准，其标准要求的主要电气性能见表一。
表一 100A~630A一体式ATSE及断路器、负荷开关主要电气性能要求对比表
接通/分断能力 电操作性能 额定短时耐受电流（Icw） 额定短路接通能力（Icm） 额定短路分断能力（Icn） 实验
GB14048.11
一体式ATSE(AC-33B) 6In，1.05Ue
COSφ=0.5 12次 1In，1.05Ue
COSφ=0.8 1000次 20Ie
或 10KA 1.7*Icn
20Ie
不同相序
GB14048.2
断路器(AC-33A/B) 6In，1Ue
COSφ=0.5 12次 1In，1Ue
COSφ=0.8 1000次 12Ie
或 5KA 1.7*Icn
Icn 同相序
GB14048.3刀或
负荷开关(AC-23) 10/8Ie，1.05Ue
COSφ=0.45 3-5次 1Ie，1Ue
COSφ=0.65 200次 12Ie
无
无 同相序
通过对比不难发现三者电气性能指标有较大区别。一体式ATSE电气性能指标最优越，尤其是耐受冲击电流的能力，因为保障电源供应是ATSE的基础和核心功能，确保ATSE自身安全，不能因为过电流而被烧毁这一点很重要。ATSE标准规定额定短路耐受电流（Icw）最小10KA（或者20Ie），是低压开关电器中要求最高的。
2、五种ATSE产品结构及性能对比：见表二
表二 5种ATSE产品结构及性能对比表
序 号 产品性能 自动转换开关电器
接触器 负荷开关 CB级ATSE PC级ATSE 一体式PC级ATSE
1 开关本体 2台接触器 2台刀或负荷开关 2台断路器 1台负荷开关 1台转换开关
2 开关机构 电斑铁 闸刀机构 带锁扣机构 双电磁机构 旋转
3 机构可靠性 线圈易烧毁 好 低 好 好
4 保持方式 通电 机械 机械 机械 机械
5 触头开距 小 小 小 小 大
6 触头接触电阻 小 一般 较高 小 小
7 触头过载能力 10Ie 12Ie 12Ie 20Ie 20Ie或10KA
8 接通/分断能力 小 小 大 低 大
9 耐短路能力 触头易熔焊 大 触头易斥开 大 大
10 机械/电气寿命 高 低 低 高 高
11 使用类别 单台AC-3 单台AC-23 AC-33 AC-31 AC-33
12 过电流引起转换失灵 不能 不能 能 不能 不能
13 转换速度 一般 一般 慢 快 快
14 产品体积 小 大 大 小 小
15 符合标准 GB14048.4 GB14048.3 GB14048.2GB/T14048.11GB14048.11GB/T14048.11
16 性能比 最低 低 低 低 高
通过对比，可以看出一体式PC级ATSE具有理想的结构及性能要求：①、产品性能符合GB/T14048.11《自动转换开关电器》标准；②、开关本体是由单台开关电器组成，产品体积小；③、一个动触头自身联锁，不会造成两路电源同时被接通事故；④、开关的触头开距大，易于拉断电弧，转换过程安全；⑤、触头接点由优质合金材料组成，接触电阻小；⑥、开关机构简单，单台单磁铁操作，可靠性好，转换速度快；⑦、电器使用类别不低于AC-33（电动机负载或包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载的混合负载）；⑧、具有承受较高短路电流冲击的能力；⑨、无脱扣器，不会因负载过电流引起ATSE不转换事故。
五、ATSE在低压配电系统中的应用
在低压配电系统中，依据《供配电系统设计规范》GB50052-95与《民用建筑电气设计规范》JGJ/16-92的要求：对于较重要的一、二级负荷，应采用双电源或双回路供电，对一、二级消防用电设备的供电，应在最末一级配电箱处做自动切换。因此，自动转换开关电器（ATSE）的应用需求越来越大，如何正确的选择和使用ATSE也成为设计人员关注的焦点。目前市场上常见的 ATSE产品主要有三类，一是由接触器组成的ATSE,二是由断路器组成的CB级ATSE,三是一体化PC级ATSE。由接触器组成的ATSE是最早应用于工程设计中的，这类产品优点是价格低，机械及电气寿命高，产品体积小，由成套厂家自行组装，生产制作方便。缺点是接触器线圈长期通电耗能，且受电网波动线圈易烧毁，触头因抖动易熔焊，其产品的机械联锁、电气可靠性很低。由于此类产品逐步被CB级和一体化PC级ATSE所替代，故本文不做讨论。下面就其他两类ATSE在低压配电系统的应用做一下讨论。
1、CB级和PC级ATSE的选择
CB级ATSE固有的特点就是具有短路保护功能，不需要过载保护功能，实现了双电源切换和短路保护功能，减少了连接点，价格相对于PC级ATSE较低。从ATSE保障电源供应的角度看，不允许过载切换，所以，不能采用具有过载保护功能的断路器作为ATSE主触头开关电器。同时CB级ATSE的低压断路器选型与上下级出线回路低压断路器选型配合应满足配电保护选择性的要求，否则容易导致上下级同时跳闸，特别是当ATSE的断路器与下级断路器同时跳闸后，由于ATSE的动作输入信号是取自ATSE的上口，当正常电源侧电压或频率都正常时，ATSE的控制器检测不到电源故障，开关就不会自动转换, 就会造成同一ATSE下的其他重要负荷电源供电中断的事故。如图1所示。


PC级ATSE只有电源转换功能，没有短路及过载保护功能，整个开关都是独立重新设计的一体式结构形式，操作机构简单、可靠，主触头切换容量大，抗氧化性能好，耐短路电流冲击能力强，转换速度快。如果出现ATSE前端与后端断路器选择性保护不当，同时跳闸，ATSE能够检测到电源停电，将会转换到备用电源，确保其他重要负荷供电。如上图2所示。
ATSE选型建议：
①、一级负荷以及一级负荷中的特别重要负荷宜采用一体化结构的PC级ATSE。
②、一、二级消防负荷宜采用一体化结构的PC级ATSE。
③、CB级ATSE的断路器应选择不带过载保护功能的塑壳断路器（MCCB），不宜采用微型断路器。
2、ATSE不应作为隔离电器使用，其前端应设隔离电器。
目前ATSE有二段式和三段式两种，二段式开关主触头仅有两个工作位（正常电源位和备用电源位），这种ATSE转换动作时间较快；三段式开关主触头有三个工作位，多个“零位”,零位时主触头处于空档，负载断电时间相对较长，是二段式的2~3倍。三段式ATSE设置“零位”的主要作用是当负载为高感抗或大电机负载时，为避免冲击电流做“暂态停留”之用，另在实际设计中又兼做非消防电源断电之用，而非用于负载维修时隔离之用。根据国标《低压配电设计规范》GB50054-95第2.1.3条，第2.1.6条以及国标《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93第2.5.1条的规定，同时考虑ATSE自身也需要检修和维护，所以在配电系统中ATSE前端应设置隔离电器。
ATSE前端隔离电器的选择建议：
①、CB级ATSE前端只设置隔离电器（负荷-隔离开关）。
②、PC级ATSE：当配电系统采用树干式供电时，其ATSE前端设置符合隔离要求的只具有短路保护功能的断路器；当采用放射式供电时，此断路器设于上级，ATSE前端只须设隔离电器（负荷-隔离开关）。
2、 ATSE动作时间的选择
根据GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》的规定，一台ATSE转换速度有五种动作时间（触头转换时间、转换动作时间、总动作时间、返回转换时间、断电时间）。一般设计人员应注意“总动作时间”或者“转换动作时间”，以满足不同配电系统的要求。二段式PC级ATSE总动作时间一般为50~250ms, 三段式PC级ATSE总动作时间一般为350~600ms,CB级ATSE总动作时间一般为2000~3000ms。
为防止电力设备（如大电机）断电即接通启动可能造成机械损伤或对设备产生不良影响时，可选用带延时型ATSE,这种ATSE适用于电动机、变频器、整流器负载及特殊的医疗设备负载。为减少在电源转换过程中的瞬时断电对高强度气体放电光源不能连续照明以及计算机、通信系统不能正常工作，可选用不延时型ATSE, 这种ATSE适用于重要场所的安全照明，重要计算机的电子数据处理装置，重要场所用电设备的应急备用电源以及证卷交易所、金融交易及银行、大型体育场馆、大型百货商场、超市等场所的应急备用照明。
ATSE动作时间的选择建议：
①、设计选型时，应根据允许供电中断时间及负载特性选定ATSE的转换时间，且ATSE应能躲过电源电压闪变、瞬变等干扰。如ATSE的固有转换时间不能满足要求时，需选用带延时型ATSE，应在图纸上注明ATSE的延时时间。
②、ATSE上下级动作时间应根据系统要求配合。
③、ATSE总的动作时间宜参考表三。
表三 负荷允许最大中断供电时间（s）
负荷情况 负荷允许中断的动作时间（s）
计算机系统、通信系统等 A级 ≤0.004 B级 ≤0.2 C级 ≤1.5
应急照明 一般场所 ≤5
高危险区 ≤0.25
医疗设备 0级（不间断） 0（不间断自动供电）
0.15级（极短时间隔） ≤0.15
0.5级（短时间隔） ≤0.5
15级（中等间隔） ≤15
大于15级（长时间隔） ≥15
4、 三相四线制（0.4/0.23kV）电力系统中ATSE极数的选用原则：
①、同一接地系统中，带漏电保护的两个电源回路下级的ATSE，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。
②、两种不同接地系统（包括两个不同中性线接地点的TN-S系统）间电源转换的ATSE，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。
③、正常供电电源与备用发电机之间，当采用不同的接地方式时其转换开关应采用四极ATSE。
④、IT系统中当引出中性线时，三相四线供电应采用四极ATSE，单相供电应采用两极ATSE。
⑤、在有总等电位联结的情况下，TN-S、TN-C-S系统除原则①、②、③、的情况外一般不需要设四极ATSE。
⑥、TN-C系统严禁采用四极ATSE。
5、其他注意事项：
①、ATSE应满足短路条件下的动稳定与热稳定要求。CB级的ATSE应满足短路条件下的分断能力，PC级的ATSE应承载短路耐受电流的要求。
②、市电与发电机转换用的ATSE宜采用PC级、一体化结构、三位式的ATSE。当采用自投自复的ATSE时，自动复归应有适当的延时，延时时间可调，并与发电机停机时间相匹配。
③、ATSE用于消防配电系统双电源末端自动切换时，除一路市电加一路发电机供电系统宜采用自投自复型外，其余宜采用自投不自复型。
④、当日常维护及损坏维修仍要确保连续供电时，建议选用旁路隔离型、旁路抽出型ATSE或采取其它相应措施。
⑤、图纸中，ATSE应至少标注以下内容：
1 额定电流
2 类型，PC级或CB级
3 极数
4 总动作时间（转换动作时间+延时时间）
5 位数(2位，3位)
6 使用类别
7 当为CB级ATSE时，尚应标注脱扣器或熔体整定电流