ATSE双电源自动转换开关.doc

ATSE的定义1.1 转换开关电器（转换开关）Transfer Switching Device (Transfer Switch) 将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器。 1.2 自动转换开关电器(ATSE) Automatic Transfer Switching Equipment (ATSE)由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。电气行业中简称为“双电源自动转换开关”或“双电源开关”2.ATSE的分类ATSE 可分为两个级别：PC 级和CB 级。PC级ATSE ：只完成双电源自动转换的功能，不具备短路电流分断（仅能接通、承载）的功能；CB级ATSE ：既完成双电源自动转换的功能，又具有短路电流保护（能接通并分断）的功能。ATSE的发展历程电源切换系统类产品发展大体经历了三类：接触器类、塑壳断路器类/负荷隔离开关类、一体式自动转换开关电器类。接触器类此类电源切换系统以接触器为切换执行部件，切换功能用中间继电器或逻辑控制模块组成二次回路完成控制功能，一般为非标产品，缺点是主回路接触器工作需要二次回路长期通电，容易产生温升发热、触点粘结、线圈烧毁等故障。因为是非标产品，其组成元器件较多，产品质量受元器件、制造工艺制约，故障率较高，现已逐渐被新产品代替。塑壳断路器类此类电源切换系统以塑壳式断路器为切换执行部件，切换功能用ATS自动控制单元完成，有机械和电气连锁，功能完善，操作性能好，使用寿命高，组成元器件较少，安装方便。该类属CB级转换开关电器，由两个断路器作为电流分断单元，并配备电流脱扣器 ，具备一定的保护能力，断路器的接通/分断能力比继电器高很多。 该类产品稳态时由机械结构进行保持，由于断路器同负荷隔离开关本身的区别，在过电流状况下的应用效果不如PC级产品。负荷隔离开关类 负荷隔离开关型转换开关电器是在两个负荷隔离开关的基础上加装电动操作机构、机械连锁机构、自动控制单元等一体化组装而成。电流的分断单元为负荷隔离开关，其触头灭弧系统是以分断一次电弧要求设计的，不具备电路的保护功能，这一类产品属于PC级产品，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。一体式自动转换开关电器类此类电源转换系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，真正实现机电一体化的自动转换开关。此类电源切换系统产品的触头系统采用“单刀双掷”设计，为统一设计制造，体积小，结构简单。该产品不具备电流保护功能，属于PC级转换开关电器产品。该类产品一般转换时间比较小，开关切换驱动采用电机驱动，切换平稳可靠，操作器电机驱动只在开关切换瞬间有电流通过，稳态时无需提供工作电流，节能显著。产品无温升发热、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，为电源切换类主流产品。浅谈ATSE的选择应用双电源自动转换开关电器（ATSE）的相关国际标准IEC60947-6-1和国家标准GB/T14048.11已经相继颁布和执行。目前从设计到施工单位的有关人员都知道了要以自动转换开关标准来要求和约束ATSE的选择和使用。但考虑到很多实际工程和负载的特殊性，仅满足国家标准的ATSE并不一定都能满足施工要求，本文结合实际工程中的应用加以分析。结合一些实际工程和负载的具体情况，在此通过列举几项实际工程中常遇到的问题，对ATSE的选用加以论述。【分断能力短路耐受容量】在供电系统中，短路电流是不可避免的，所以选择电气开关时，必须考虑短路电流及其影响。众所周知，对于断路器这种有保护功能的开关来说，选择时除了考虑额定电流，还要考虑短路分断容量，也就是说在发生短路故障时，断路器有多大的能力来克服短路电流带来的动能、热能的急剧变化，完成回路的分断。这就是断路器的“额定短路分断容量”，也就是分断能力。对于PC级的ATS、负荷开关、隔离开关、交流接触器等不具备保护功能的开关来说，发生短路故障时，这些开关只能承受着，直到起保护作用的断路器、熔断器动作切除短路电流。所以这些自身没有保护功能的开关在选择时，不但要考虑其额定电流值，还应该考虑分断能力。从定义和相关国家标准来说，短路耐受容量是包含了“耐受时间”和“耐受电流”这两个概念，也就是在多长的时间范围内可以承受多大的短路电流。我们知道导体通过电流时是要发热的，不考虑电流变化带来的电磁影响（动稳定性），一般将开关烧坏的主要是热能。我们知道，导体通电发热量与流过导体的电流平方和时间成正比，对导体作用的电流越大，时间越长，产生的热能就越多。如果我们要提高开关耐受短路电流I值，我们只能提高开关的熔点，或者缩短作用时间t。从理论上讲，提高开关的熔点也就是选择高熔点的金属（例如金、钨、硅合金等）做触头，增大开关和触头尺寸（便于降低电阻和散热），但这会增加开关的成本和增大开关的尺寸，而且高熔点合金技术为国外各公司所保密，所以实现起来并不容易。缩短短路电流作用时间t，可以从选择快速分断的断路器或快速熔断器等方面考虑。世界上很多专业制造双电源转换开关的厂家，例如美国ASCO公司、日本共立继器，虽然将其转换开关的短路耐受容量做到非常高了（高出国际标准），但有些场合还是不能满足要求。图图就是一个实例，因为2000KVA变压器短路电流较大，所以其下级断路器限定为75KA的短路分断和50KA的短路耐受。最右侧回路是为配电室用照明回路，该支路虽然用电容量只有100A，因为是从低压母线直接取出，所以该级别的转换开关容量为100A,但短路耐受容量为50KA。国家标准中要求100A转换开关的短路耐受容量为5KA，目前世界上顶级产品100A ATSE的短路容量为20-25KA（前级保护为断路器情况下）。为满足50KA短路耐受容量的实际要求，我们可以在ATSE前端加装快速熔断器。由于熔断器比断路器有更短的动作响应时间，所以ATSE可以承受更高的短路电流。从厂方给的数据中可以看出，100A ATSE与熔断器配合时，短路耐受电流可以提升到100KA以上。从而解决了小额定、耐高受分断能力的问题。【感性负载的影响】我们都知道电动机负载是一种典型的感性负载，下面就以电动机为例加以说明。实际工程中常见到这样一种情况，切断大型电动机的供电，然后在很短的时间内恢复供电，而电动机不是很快损坏就是电动机保护断路器跳闸，甚至有可能两种情况同时发生。同时电动机也是一种主动性负载，它可以通过磁场存储能量。对于一个运转的电动机突然失去供电，电动机的转子会在惯性作用下继续旋转，依然在切割磁力线，可以视为一个发电机，产生了电压自激励电压。随着转子旋转的逐渐减慢，这一自激电压将随时间呈指数下降。我们把自激励电压下降到初始值（380v）的37%时所用的时间成为时间常数。大型电动机的时间常数一般是4-5s，5倍时间常数（25s）过后，这一自激电压才会降为0V。正如电源转换时一样，电动机实际上是断电以后再迅速通电，因为大多数ATSE的机械转换时间为0.1-3s之间，也就是说电动机还保存着相当大的激励电压。我们知道电压是一个矢量，含有一定的方向性。最不利的情况就是自激励电压与再次加电的馈电电压方向相反，也就是相位角差180，那么此时电动机上所承受的电压就是1.37-2倍的额定电压了。由于电动机电阻是不会改变的，当电压上升为2倍的额定电压时，电流也会上升为2倍的额定电流。因为电源的转换，电动机要重新起动，而起动电流为工作电流的6-8倍，所以ATSE触头转换接触的一瞬间，加在电动机的电流为额定电流的12-16倍，而大多数情况下，电动机的保护断路器可以承受10-12倍的起动电流，无法承受因电动机电源转换而带来的高于12倍额定电流的冲击，所以断路器通常跳脱了。根据公式：F=kI2,其中F为电动机所承受的机械力，k是机械常数，I是起动电流。如果起动电流增加一倍，电动机所承受的力将会增大到4倍。这就是为什么电源转换时常常造成电动机严重的机械损坏。实际工程中有很多电动机负载又必须由双路电源供电，例如：消防泵、生活泵、空调、电梯、通风扇等。而自激励电压由于无法避免，所以在使用ATSE中可以考虑两种方法：一是使用带延时转换功能的ATSE。这里的延时转换意思是：ATSE动触头离开一路电源，停在中间某一位置，等待电动机的自激励电压消除到安全值时（至少是时间常数过后），再接通另一路电源。这是一种消极的方法，违背了引入备用电源就是让负载尽可能不停电的目的。而且不同电动机、两路供电电源的相位差，直接影响到时间常数，这一延迟时间也不容易确定。为解决这一问题而产生的ATSE,必须要有可以调整的延迟时间。另一种解决办法是同相位切换。其原理是：设法捕捉到自激励电压与馈电电压的相位差，使其在同相位（相位角差为零）时，再接通电源。这样自激励电压和馈电电压方向相同，电流就没有变化了。引申到ATSE功能上，就是要做到同相位转换。有如下优点：电动机仅是瞬间中断，电动机起动器不会跳脱，且无需重新起动。不需要知道电动机的自激电压参数表。通常电动机的自激电压在重新供电时会很高，但是，由于是同相位切换，只会对电动机造成很轻微的电气的机械损伤。在负载切换时，不需要控制发电机，无需附加连线到发电机上。有专门检测器控制整个同相位转换的过程。但ATSE在实现该功能中也会有如下困难：如何捕捉自激励电压和馈电电压的相位差；捕捉到以后如何利用。我们知道一个周波是0.02秒，即使捕捉到同相位，如何能在足够短的时间内完成转换。目前国际先进的ATSE生产厂家的做法是：尽可能的恒定和快速的转换。当转换的速度足够快（例如80ms以内），而且每次基本恒定，我们就可以利用提前量的方式解决第二个难点。另外，有了足够快的恒定的转换，那么只要捕捉两路电源的相位差就可以了。我们知道在转换最开始阶段，自激励电压的波形与被离开的一路电源电压波形是一致的，所以在足够短的时间里，我们就可以近似地认为自激励电压相位就是原供电电压的相位。提高捕捉的几率，可以将这一相位角差限定在某一范围（例如30）而不是0，这一点日本共立HTS型ATSE控制在10以内.由于电动机的自激励电压影响较大，所以应该认真考虑。【转换时间的要求】引入备用电源和ATSE的目的，就是让负载不停电或尽可能的少停电。所以选择ATSE时关键是要知道负载所准许的最长断电时间是多少。目前这一指标国家设计规范中没有给出明确指标，所以ATSE国家标准中也就没有明确要求。下面是美国的国家标准要求，见表1.表1 美国的国家标准要求设备名称最大准许断电时间锅炉电源0.1s通风和鼓风机0.1s自动扶梯15s过程控制不停电（UPS）消防报警1s消防泵10s数据处理1/2周波（引自美国电气工程师便携手册）目前市场上所使用的机械式转换开关，大体上分为电磁驱动和电机驱动两种，电磁驱动转换快一些，一般是100多毫秒，电机驱动的转换慢一些，一般是2-4s。所以要根据负载准许的断电时间来选择ATSE的形式和种类。这里强调一点：转换速度再快的ATSE也无法取代UPS,不能说ATSE转换快了，就可以省略UPS不用了。ATSE、UPS是应急供电系统中起不同的，无法互相替代作用的电气设备。选择ATSE的转换时间，要区别于是否转换的判断时间。要明确是否转换判断的问题，先要了解一下电源品质和基本参数的要求。负载对电源的要求，主要是电源的电压和频率，所以ATSE也就监视输入电源的电压和频率。大部分负载对电源的要求是工作电压为额定电压的85%以上；频率为额定频率的95%以上。在一些特殊场合，可能对电源的要求会更高些。所以我们在选用时，首先要设定ATSE对电压、频率的选取值。电网是经常受外界干扰而波动电压的（频率波动比较少见），那么电压低到选用值之外的时候经常发生，ATSE必须有一个延时判断功能（通常指控制器的延时），考虑到ATSE的转换时间为秒级，这一延迟时间的设定也为秒级即可。设定转换的延迟时间还可以让ATSE依次转换。作为使用方，要明确了解ATSE转换判断的时间延迟、机械转换时间的区别。双电源自动转换开关电器（ATSE）原理说明关键字：自动转换开关原理、ATS/ATSE、动作时间1 工作原理的概述自动转换开关电器简称为ATSE，是Automatic transfer switching equipment的缩写。ATSE主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。因此，ATSE常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要。转换一旦失败将可能造成以下二种危害之一，其电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的，这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（使生命及安全处于危险之中）。因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点产品加以限制与规范。ATSE一般由两部分组成：开关本体(ATS)+控制器。而开关本体(ATS)又有PC级（整体式）与CB级（断路器）之分,双电源自动转换开关电器（ATSE）质量的好坏关键取决于开关本体（ATS）。1.PC级ATS：一体式结构（三点式）。它是双电源切换的专用开关，具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快（0.2s内）、安全、可靠等优点，但需要配备短路保护电器。2.CB级ATS：配备过电流脱扣器的ATS，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。它是由两台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能；控制器主要用来检测被监测电源（两路）工作状况，当被监测的电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动作指令，开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源，备用电源其容量一般仅是常用电源容量的20%30%。图1是典型ATS应用电路。控制器与开关本体进线端相连。ATS的控制器一般应有非重要负荷选择功能。控制器也有两种形式：一种由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字电子型智能化产品。它具有性能好，参数可调及精度高，可靠性高，使用方便等优点。2CB级和PC级ATS性能比较2.1两者机械设计理念不同CB级是由断路器组成，而断路器是以分断电弧为已任，要求它的机械应快速脱扣。因而断路器的机构存在滑扣、再扣问题；而PC级产品不存在该方面问题。PC级产品的可靠性远高于CB级产品。2.2断路器不承载短路耐受电流，触头压力小供电电路发生短路时，当触头被斥开产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATS应承受20Ie及以上过载电流。触头压力大不易被斥开，因而触头不易被熔焊。这一特性对消防供电系统尤为重要。2.3两路电源在转换过程中存在电源叠加问题PC级ATS充分考虑了这一因素。PC级ATS的电气间隙、爬电距离的180%、150%（标准要求）。因而PC级ATSE安全性更好。2.4触头材料的选择角度不同断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧。但该类触头材料易氧化，备用触头长期暴露在外，在其表现易形成阻碍导电、难驱除的氧化物，当备用触头一但投入使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而PC级ATS充分考虑了触头材料氧化带来的后果。3 PC级ATS的相关参数选择3.1 用类别选择3.1.1目前，我国市场上PC级ATSE有两种使用类别。一是适用于AC-33B；另一种适用于AC-31B；开关的使用类别表示其控制负载的能力。C-33B/A*：适用电动机混合负载。既包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载，接通与分断电流为6Ie，COSj=0.5；C-31B/A*：适用无感或微感负载，接通与分断电流为1.5Ie，COSj=0.8； （*B：表示不频繁操作；A：表示频繁操作。）由于ATSE较难通过AC-33B试验。因此，一些制造厂降低开关使用要求，才选择AC-31B使用类别。显而易见选择使用AC-33B的ATSE比选择使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。3.1.2小容量ATSE（100A）通常带电动机负载（如消防泵）直接转换，最好具有AC-3指标(直接通断鼠笼型电动机), 按接通10Ie /分断8Ie /COSj=0.45要求进行考核。使用该产品更安全。3.2 短路保护电器选择PC级ATSE不具有短路保护功能，因此，需配短路保护电器。短路保护电器一般有两种，熔断器或断路器。由于熔断器限流性能好，限制短路电流能力强，它常被使用在系统出现预期短路电流大的地点处；而断路器限流性能差，额定限制短路电流能力低。不同的企业ATSE产品规定的额定限制短路电流不同，表1为RTQ1（TP1）自动转换开关电器所规定的额定限制短路电流值。在选择短路保护电器额定电流值时，一般的原则是短路保护电器（熔断器或断路器）与被保护电器（ATSE）额定框架电流值一致（即1:1）。3.3 段式与三段式选择二段式ATSE开关主触头仅有两个工作位，即“常用电源位”与“备用电源位”，负载不会出现长期断电情况，供电可靠性高，转换动作时间快。三段式ATSE开关主触头有三个工作位，多个“零位（是指电动状态下）”，即主触头处于空挡，负载断电时间相对较长，是二段式断电时间的2-3倍。三段式的“零位”主要是用于ATSE在带高感抗或大电机负载转换时，为避免冲击电流做“暂态停留”之用；而非用于负载维修时隔离之用。维修时的隔离一定要选择隔离开关，它更安全。因为，隔离开关必须具有以下功能： 动触头在断开位置时可锁定或可视； 具有较高的额定冲击耐受电压（1.25倍）； 在任何情况下，极限泄漏电流不应超过6mA。4. ATSE动作时间选择衡量一台ATSE转换速度有5种动作时间（见GB/T14048.11）。ATSE应向用户至少提供一种动作时间，便于用户依据使用要求进行选择。4.1 触头转换时间测定从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。4.2 换动作时间测定从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（含机构动作时间），不包括特意引入（控制器）的延时。4.3 总动作时间转换动作时间与特意引入（控制器）的延时之和。4.4 返回转换时间从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时。4.5 断电时间测定从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。一般用户应注重“总动作时间”或者“转换动作时间”，以满足不同配电系统使用要求.二段式PC级ATSE总动作时间一般在50250ms；三段式PC级ATSE总动作时间一般在350600ms；CB级ATSE总动作时间一般在20003000ms；图7为GB/T14048.11-2002标准中所规定的动作时间概念形象图双电源自动转换开关ATS的现状、选择与应用开关产品主要技术参数说明一、最大额定电压是指在正常工作状态下技术开关能容许施加的最大电压。若是交流电源开关，通常用交流电压作此参数。二、最大额定电流是指在正常工作状态下开关能容许通过的最大电流。三、接触电阻开关接通时，“接触对”（两触点）导体间的电阻值叫做接触阻。.1、最大额定电压指在正常工作状态下开关能容许施加的最大电压。若是交流电源开关，通常用交流电压作此数；2、最大额定电流是指在正常工作状态下开关能容许通过的最大电流。若电压标注为交流（AC），则电源也指交流；3、接触电阻开关接通时，“接触对”（两触点）导体间的电阻值叫做接触电阻。该值要求越小越好，一般开关多在20m(即0.02)以下，某些开关及使用久的开关则在0.10.8；4、绝缘电阻 指定的不相接触的开关导体之间的电阻称为绝缘电阻。此值越大越好，一般开关多在100M以上；5、耐压也叫抗电强度，其含义是指定的不相接触的开关导体之间所能承受的电压。一般开关至少大于100V；电源（市电）开关要求大于500V（交流，50Hz)；6、寿命 是指开关在正常条件下能工作的有效时间（使用次数）。通常为500010000次，要求较高的开关为50000500000次；对一般电子制作实验来讲，选用及掉换开关时，除了型号或外形等需要考虑外，参数方面只要注意额定电压、额定电流和接触电阻三项便可以了。正确使用自动转换开关电器随着近几年技术的进步和发展，在电源切换系统中出现了一种新型产品自动转换开关电器（），它由个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路，并将个或几个负载电路从个电源自动转换至另个电源是专用于电源转换的新型产品。可以说自动转换开关电器（）代表着电源切换系统类产品发展的方向。下面简单介绍一下电源切换系统类产品发展的历程。1电源切换系统类产品发展历程电源切换系统的相关产品大体分为三类：接触器类、空气断路器类、电源自动转换开关电器（）类，其中电源自动转换开关又分为切换部件为空气开关和负荷隔离开关两种。1.1接触器类此类电源切换系统以接触器为切换部件，切换功能用中间继电器或逻辑控制模块组成二次回路完成控制功能，一般为非标产品，缺点是主回路接触器工作需要二次回路长期通电，容易产生温升发热、触点粘结、线圈烧毁等故障。因为是非标产品，其组成元器件较多，产品质量受元器件、制造工艺制约，故障率较高，现已逐渐被新产品代替。1.2空气断路器类此类电源切换系统以塑壳空气断路器为切换部件，切换功能用自动控制单元完成，有机械和电气连锁，功能完善，组成元器件较少，安装方便，无二次线路，但价格较高，一般置于配电柜中，用在计算电流较大（以上）的场所。代表产品为施耐德电气公司的产品和公司产品。1.3电源自动转换开关电器（）类此类电源转换系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，真正实现机电一体化的自动切换开关。此类电源切换系统产品，为统一设计制造，体积小，结构简单