浅谈ATSE的选择与应用

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  摘要:本文介绍了ATSE(双电源转换开关)的定义、分类、发展历史及应用情况。并从ATSE是否可以作为隔离电器,CB级和PC级ATSE选用,ATSE转换时间确定,三极、四极ATSE选用,二位、三位ATSE的选择等几个方面详细阐述了ATSE的选择与应用的技术要点。
  关键词:ATSE;分类;发展历史;选择与应用
  Abstract: this paper introduces the ATSE (double power conversion switch) the definition, classification, the development history and applications. And from ATSE whether can serve as isolation appliances, CB class and grade PC ATSE choose, ATSE conversion time determined, three very, very ATSE choose four, two, three ATSE choice and so on several aspects in detail ATSE expounds the selection and application of main techniques.
  Key words: ATSE; Classification; Development history; Selection and application
  
  
   中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:
  1、概述
   ATSE(Automatic Transfer Switching Equipment)即自动转换开关电器,是由一个(或几个)转换开关电器和其它必需的电器(转换控制器)组成,用于监测电源电路(失压、缺相、过压、欠压、电压波动、频率偏差等),并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。ATSE主要应用于较为重要的用电场所,依据国家规范GB50052-2009[1]与行业标准JGJ/16-2008[2]的相关标准,对于一些较为重要的一级负荷和二级负荷,应用双电源进行供电。但建筑物的应急照明、消防控制室、消防水泵、消防电梯、防排烟风机等消防设备的供电,应在设备末端设置双电源自动切换装置为其供电。为保证重要负荷供电的連续性,ATSE的应用需求已越来越大,技术性能要求也越来越高。面对纷繁复杂的ATSE产品,如何根据实际情况合理选择ATSE成为广大设计者必须解决的问题。
  2、ATSE的分类及发展历史
  2.1 ATSE的分类
  (1)按短路能力分类
   PC级:能够能够接通和承载,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。
   CC级:能够能够接通和承载,但不用于分断短路电流的ATSE。
   其中,CC级ATSE一般以接触器为主体,和PC级ATSE的区别在于其受短路电流冲击后,主触头允许熔焊。随着对设备可靠性和供电可靠性的要求越来越高,CC级ATSE已逐渐退出历史舞台。
  (2)按结构形式分类
   接触器式ATSE:用两台交流接触器和一些联锁装置搭接而成,属于CC级ATSE。
   断路器式ATSE:用两台断路器和外在的机械联锁装置组合而成,属于CB级ATSE。
   负荷开关式ATSE:用两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成,属于PC级ATSE。
   双投式ATSE:用电磁力驱动、内置的机械结构保持状态,单刀双投一体化的转换开关,属于PC级ATSE。
   以上是ATSE的主要分类方式,同时也有根据ATSE是否可自动投复分为“自投自复型”和“自投不自复型”;根据ATSE主体工作位分为“两位式”和“三位式”;根据ATSE是否带旁路分为“带旁路型”和“不带旁路型”等。
  2.2 ATSE的发展历史
   我国ATSE的发展起步较晚,在90年代初还处于空白状态,也无国家标准。国内所需的双电源转换装置往往由设计、成套部门用接触器、断路器等产品组合而成来替代。近几年,我国的ATSE生产企业(尤其是生产CB级ATSE企业)迅速增加,其产品性能及产品质量也有着参差不齐的情况。
   ATSE目前在我国经历了四个发展阶段,即两接触器型、两断路器型、励磁式专用转换开关和电动式专用转换开关。两接触器型ATSE为第一代,是我国最早生产的双电源转换开关,它是由两台接触器搭接而成的简易电源,这种装置因机械联锁不可靠、耗电大等缺点,因而在工程中越来越少采用。两断路器式ATSE为第二代,也就是我国国家标准和IEC标准中所提到的CB级ATSE,它是由两断路器改造而成,另配机械联锁装置,可具有短路或过电流保护功能,但是机械联锁不可靠。负荷隔离开关类ATSE属于第三代,它因采用了弹簧储能、瞬时释放的加速机构,能快速接通、分断电路或进行电路的转换,产品操作性能可靠。一体式ATSE属于第四代,这类产品主要的触头系统采用“单刀双掷”设计,为统一设计制造,体积小,结构简单,无温升发热、触点粘结、线圈烧毁现象。开关带有机电联锁装置,可实现自投自复、自投不自复、失压、欠压、断相保护、手动-自动转换、延时控制等,为ATSE的发展方向。
  3、ATSE的主要性能指标
  (1)转换时间
   根据国家标准GBT14048.11-2008[3]规定,ATSE的转换时间有触头转换时间、转换动作时间、总动作时间、返回转换时间及断电时间。在设计选用产品过程中,一般讲的是总动作时间,即主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间,加上特意引入的延时时间。
  (2)额定接通能力和分断能力
   额定接通能力和分断能力是制造厂规定的,即在规定条件下ATSE足以能够良好地接通与分断的电流值。对于交流,额定接通和分断能力用电流的交流分量有效值表示。
  (3)额定短时耐受电流
   额定短时耐受电流是制造厂规定的,在国家标准GBT14048.11-2008的9.3.4.3条规定的试验条件下,电器能够承载的短时耐受电流值。对于交流,额定短时耐受电流值用电流的交流分量有效值表示。按照国标要求,验证短时耐受电流能力的试验仅在PC级ATSE上进行。
  (4)额定短路分断能力
   额定短路分断能力是制造厂规定的,在额定工作电压、额定频率与规定的功率因数(或时间常数)下,电器的短路分断能力值,用预期分断电流值表示。额定短路分断能力是指CB级ATSE应能分断额定短路分断能力及以下的任何电流。
  (5)额定限制短路电流
   额定限制短路电流是制造厂规定的,国家标准GBT14048.11-2008的9.3.4.4条规定的试验条件下,被指定的短路保护电器保护的ATSE在短路保护电器动作时间内足以能够承受的预期短路电流值。按照国标要求,验证额定限制短路电流的试验仅在PC级ATSE上进行。
  4、ATSE的选择及应用
   在ATSE的设计选用过程中,需要注意的事项较多,本文将从以下几个方面讲述ATSE的选择与应用。
  4.1 ATSE是否可以作为隔离电器使用。
   根据GB50054-2011[4]中第3.1.6条规定,具有隔离功能的开关和断路器可以作为隔离电器使用。而从ATSE的定义可以看出,ATSE应用在电气系统中主要目的是在一、二级负荷紧急供电系统中,检测被监测电源(两路)的工作状态,当被监测的电源发生故障时,将负载电路从一个电源换接至另一个电源,以保证供电的连续性,确保重要负荷连续可靠运行。可见,ATSE不具备将负载和电源隔离的能力。同时,ATSE本身也存在检修和维护的可能性,自身不能满足隔离电器的要求,为满足维修问题需要隔离时,应在ATSE开关电器前单独设置隔离电器。综上,ATSE不能作为隔离电器使用,同时,为了满足ATSE自身维修问题,在ATSE前需要设置隔离电器。
  4.2 CB级和PC级ATSE如何选用。
   從功能上讲,CB级PC级ATSE的区别在于是否能够分段短路电流。
   CB级ATSE自身带热磁保护,主触头能够接通并且分段短路电流。选择CB级ATSE时,只要求自动转换开关电器的开关执行断路器选择正确,即低压断路器符合下列条件:(1)低压断路器额定分断电流(有效值)大于该处的预期最大短路电流值(有效值)。(2)低压断路器选型与上下级出线回路低压断路器选型配合满足配电保护选择性要求。在使用过程中,在配电箱、柜内,CB级ATSE前端可只设置隔离电器,而不必再设置短路保护电器。同时需注意,由于CB级ATSE兼具短路保护电器功能,当其保护功能起作用时,证明负载侧发生了短路故障,此时ATSE的转换功能应自动失效,即“保护功能起作用,转换功能失效”,这也给CB级ATSE的控制器提出了一个新的要求。
   PC级ATSE只有电源转换功能,没有短路及过载保护功能。虽然其具有一定的承受短路电流的能力,但由于没有切断短路电流的能力,其前端需要设置短路保护电器。此短路保护电器的额定分段能力应大于该处的预期最大短路电流值,且应满足上下级低压断路器的选择性配合要求。同时,PC级ATSE的选择需要考虑与此短路保护电器的匹配问题,以保护ATSE本身的设备安全。此外,还应考虑ATSE前设置隔离电器的要求。综合以上因素考虑,在配电箱、柜内PC级ATSE前端应设置符合隔离要求的短路保护电器。符合隔离要求的短路保护电器有:①熔断器。②熔断器式开关。③熔断器式隔离器。④符合IEC947-3隔离标准要求的隔离型低压断路器。
  4.3 ATSE转换时间的确定
   不同的备用电源性质,以及不同的负载情况,对ATSE转换时间的要求是不同的。在选用ATSE过程中,一般考虑的是总动作时间t=t1+t2(其中t1为转换动作时间,t2为特意引入的延迟时间)。ATSE总动作时间应考虑以下几个方面的要求。
   (1)在ATSE转换动作过程中,伴随着主触头间电弧的产生及熄灭。为了确保电弧的可靠熄灭,防止第一、第二主触头的跨越电弧是正常与备用电源间发生短路,t必须大于电弧的存在时间。实验测定可靠灭弧时间约为120ms,转换时间小于100ms是不可靠的。
   (2)ATSE总动作时间应能满足负载允许的中断供电时间。如《建筑电气专业设计技术措施》1998年版第11.10.5-1条规定,“应急照明在正常照明断电后,其电源转换时间应满足:疏散照明≤15s;备用照明≤15s(金融商品交易场所≤1.5s);安全照明≤0.5s。
   (3)如果ATSE的正常电源与备用电源电源侧设置了联络断路器,则本级ATSE应与上级联络开关设定的动作时间整定值配合,应大于联络开关动作时间0.5~1s以上。一般来说,变电室母联开关的动作时间大多为2.5s,则ATSE总动作时间宜在3s以上。
   (4)ATSE一般不允许带大功率电动机或高感抗负载转换,这类负载在运行中切换,两路电源相位差较大时,电动机将受到巨大的机械应力。同时,由电动机产生的反电动势引起的过流会造成熔断器熔断或断路器脱扣。因此,当ATSE带大功率电动机或高感抗负载转换时,两组动触头在转换前应增加一个延时时间,即应选用延时转换型ATSE,延时时间视负载情况确定[5]。
  4.4 三极、四极ATSE的选择。
   三极与四极ATSE的区别在于是否断N线(三极不断N线),需要考虑的核心问题是正常电源与备用电源N线重合后是否会产生相电压发生不正常变化的情况。一般认为,三极ATSE主要用于同种性质电源,一般指同一电网下不同变压器、不同线路或共零线的电源;四极ATSE主要用于不同性质电源,一般指市电对发电机、市电对变频电压、不同电网对不同电网等情况。三极、四极ATSE的选择应注意以下问题。
   (1)正常供电电源与备用发电机之间若不是同一接地网络,应选四极ATSE;若是同一接地网络,可选三极ATSE。
   (2)带剩余电流动作保护的ATSE应采用四极;在同一接地系统中,两个电源开关带剩余电流保护,其下级ATSE应该选用四极。
   (3)TN-S、TN-C-S系统内ATSE一般不需要选择四极。但TN-S系统的一些特殊情况(如三相严重不平衡及高次谐波含量较高)一般选择四极ATSE。
   (4)TN-C系统严禁采用四极开关;TT系统的电源进线开关应采用四极开关;IT系统中当有中性线时应采用四极开关。
  4.5 二位、三位ATSE的选择
   二位ATSE与三位ATSE的区别在于三位ATSE除了具有二位ATSE具有的“常用电源位”、“备用电源位”外,还有一个“断开位”。
   二位式ATSE转换动作时间快,负载断电时间短,供电连续性高,适合用于特别重要负载及对断电时间敏感的负载(如消防末端,高强度气体放电光源等)。选用该类型产品,可减少因延时供电可能导致人员伤害或财产的损失。
   三位式ATSE可作为延时转换型ATSE,根据负荷性质调节延时时间,达到安全转换的目的。如上文提到的大功率电动机或高感抗负载,为避免转换时产生的冲击电流,采用具有隔离性质的三位式ATSE,通过调节延时时间来达到安全转换的目的。
  5、结束语
   ATSE应用在正常电源与备用电源的交汇处,作为为一、二重要负荷供电系统的核心部分,为保障供电可靠性发挥着重要的作用。但在设计、使用过程中,很容易被当成普通开关,为整个供配电系统安全留下隐患。因此在设计中,应综合分析电源情况、负载情况等各个环节,合理完成ATSE的选择与应用,为整个供配电系统安全运行打下坚实基础。
  
  参考文献:
  [1] GB50052-2009.供配电系统设计规范
  [2] JGJ/16-2008.民用建筑电气设计规范
  [3] GBT14048.11-2008.低压开关设备和控制设备,第6-1部分:多功能电器,转换开关电器
  [4] GB50054-2011.低压配电设计规范
  [5] 任红.罗洁.韩全胜等,双电源转换开关电器的选择及应用,建筑电气专刊-电气应用,2005年第2期:2-9、22
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