自动转换开关的选择

依据国家标准选择自动转换开关ASCO 北京办事处-李兵一、 概述：自动转换开关（Automatic Transfer Switch），英文缩写是ATS，是一种常用的电器开关设备，主要作用是在两路可用的供电电源间，选择一路安全、可靠的电源向负载供电，以保证负载用电的连续性。自从有了双路电源向负载供电的配电系统，就有了双电源转换开关的应用。中国相关部门于2002年10月8日颁布了ATS设备的国家标准GB/T14048.11，并在2003年4月1日起实施。该标准等同于国际电工委员会标准IEC60947-6-1。一时间众多品牌、形式的ATS涌现市场，让设计和使用者眼花缭乱，不知所措。本文将紧密结合GB/T14048.11标准，综合设计和使用中、尤其是招标技术要求中，对ATS设备的要求和限定内容，做初步的阐述和探讨。二、 解读自动转换开关的定义：自动转换开关电器（ATSE）-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、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。以上是国标中对ATS设备的定义。由该定义我们可以理解如下：1 ATS设备是一种独立的电气开关，它并列于断路器、负荷开关、熔断器、接触器等电气开关。在没有颁布国家标准之前，ATS设备没有生产、使用、检验标准，大家可以根据自己的习惯和检验，用双交流接触器、双断路器、双负荷开关来搭接电气回路以完成双电源转换的功能要求。有了该标准以后，ATSE就是一种定型的独立产品，它完全区别于断路器、接触器和负荷开关，有自己独立的定义和作用，以及跟其他电气开关即相似、又有区别的电气参数要求。2 ATS设备是由转换开关和相应的监视、控制等电子电路组成。也就是说，只有完整的ATS主开关加配套的控制器才能构成ATS设备。如同断路器不能抛开分励脱扣机构单独卖开关一样，ATS设备应该是开关、控制器成套供应，并且这一成套设备是定型设计和生产、检验的。不用在实际使用中由用户做二次控制回路设计或搭配。3 由ATS设备所配套的控制机构自己监视两路供电电源的状况。按一般理解，供电电源被监视的主要参数应该是电压和频率，但该标准中没有明确指出被监视的应该是三相还是单相电压/频率。对于设计者来说，如果要求ATS设备有缺相转换功能，就一定要求ATS设备的控制器是双路三相侦测的。4 这一转换是自动完成的。ATS设备的控制器将侦测的双路电源的实际状况，与控制器预先存储的设定做比较和逻辑判断，然后做出是否驱动转换的控制命令。整个过程完全是自动进行的。5 这种转换是在两路电源间完成的。目前的供电系统中，对于紧急负载大多数是两路电源一用一备的情况，但也有一用两备的三电源供电系统。对于这种系统，不能单靠一个ATS设备来完成转换。其解决办法是：用两个ATS设备来组合完成，或使用三台断路器外置控制和电气连锁来完成。（注意使用三台断路器是否有机械连锁）。三、 ATSE的分类依据国家标准，ATSE只有一种分类方式：PC级和CB级。PC级的ATSE就是只完成双电源自动转换的功能，而不具备短路电流分断的功能；CB级的ATSE是既可以完成双电源转换、又可以具有短路电流保护的功能。PC级和CB级ATS各自有各自的优点和缺点，无法简单的衡量PC级和CB级到底那一个更好。设计和使用者自己和本地区的使用习惯来选择PC级或CB级 ATS，同时要结合其他电气元件来组建应急供电系统。国家标准中既然规定了PC级和CB级两种ATS，至少说明它们都有存在的道理和应用的场合。但要说明一点：国家标准中对ATSE只有这一种分类方式。目前市场上常说的“两段式”、“三段式”ATS，是不科学、不规范的称谓和分类。四、 ATSE的基本技术参数作为一种电气开关，ATS设备有些基本的技术参数和要求，这也是设计中应该注意的细节和编写招标技术文件中应该包含的技术要点，主要有：级别；额定电压（Ue）、额定工作电流（Ie）、额定频率、开关极数；使用类别；短路特性：额定短时耐受电流、短路接通能力-对PC级；额定短路接通与分断能力-对CB级。以下分别叙述。1 级别。级别的意思就是确定ATS是PC级还是CB级。选择和使用ATS，首先要确定其级别，这将影响到以后如何选择ATS的短路特性。2 额定电压、额定工作电流、额定频率、开关极数。这些电气技术参数跟我们熟悉的断路器的电气参数一样，在这里就不赘述了。3 使用类别。使用类别是对负载类型的分类。按照国家标准，具体分类如下：电流性质使用类别典型用途频繁操作不频繁操作交流AC-31AAC-33AAC-35AAC-36AAC-31BAC-33BAC-35BAC-36B无感或微感负载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放电灯负载白炽灯负载直流DC-31ADC-33ADC-36ADC-31BDC-33BDC-36B电阻负载电动机负载或包含电动机的混合负载白炽灯负载对于很多设计和使用者来说，以上表格是陌生的，并且也认为是“无所谓”的。其实不然！在国家标准中，至少有两个ATS的重要指标是跟使用类别密切相关的：1是“额定接通和分断能力”；2是“操作性能”。额定接通与分断能力是由制造厂规定的，在规定条件下，ATS足以能够接通与分断的电流值。对于纯阻性负载来说，接通和分断的电流就是额定电流。但实际使用中很少有单纯的阻性负载，大多数是感性、容性、阻性的混合负载。例如对电动机型负载的转换，对于绝大多数ATS都是“先断后接”的转换，也就是在转换过程中，对于电动机负载来说实际是再加电、再启动的过程。此处的ATS要有足够的接通和分断能力来满足启动瞬间的冲击电流。国家标准中对这一参数做了专门的限定和实验条件，见下表：使用类别接通与分断实验条件I/IeU/UeCOS通电时间/S交流AC-31A AC-31BAC-33A AC-33BAC-35A AC-35BAC-36A AC-36B1.56.03.0151.051.051.051.050.500.500.500.050.050.050.05由上表可以看出：无感或微感负载AC-31的接通能力很小，其额定接通和分断能力只有1.5倍的额定电流，基本上不考虑感性或容性负载的再启动冲击。对于大多数负载来说，应该按AC-33来考虑，也就是说能够满足6倍额定电流接通与分断条件要求（因为大多数电动机的启动电流是额定电流的68倍，所以在国家标准中，对于AC-33的负载类型，是用6倍的额定电流来做实验的）。由此可以看出：国家标准是一个泛泛和综合性的纲领，综合不同场合、不同负载类型和产品的使用要求。但设计和使用者来说，一定要分清使用类别的概念！否则对于一个含有电动机、照明灯具等混合的负载，选择了虽然满足IEC60947-6-1（等同于GB14048.11的IEC标准）要求，但仅适用于AC-31级负载使用类别的ATS，在其转换接通时，ATS触头就可能要经历46倍额定电流的接通冲击电流，瞬间就可能将ATS的触头融化、粘连。建议设计和使用者在不能明确负载类型时，可以依据AC-33A、33B型负载来选择ATS。跟使用类别紧密相连的另一ATS技术指标就是操作性能，参见国家标准要求：验证操作性能对应于各种使用类别的接通与分断条件使用类别接通与分断实验条件I/IeU/UeCOS通电时间/S交流AC-31A AC-31BAC-33A AC-33BAC-35A AC-35BAC-36A AC-36B1.02.02.0101.051.051.051.051.00.80.81.00.050.050.050.05与上面的讲解一样，因为负载使用类别的不同，AC-33型负载比AC-31型负载的实验条件更苛刻，更能适用于复杂类型的实际负载。4短路特性1） 额定短时耐受电流（Icw）。对于PC级ATS来说，其只完成转换而不具备短路保护能力，其自身的短路保护是依靠前端的断路器（或熔断器）来完成的。顺便说明一下：该断路器或熔断器不是为保护ATS而单独设立的，而是保护整个回路的。ATS也是回路中的电气元件，也是在被保护范围之内的。PC级ATS在遇到短路电流时，要在一定的时间内可以忍受一定的短路电流冲击，直到保护断路器起作用。这一忍受能力就是额定短时耐受电流，具有“忍受时间”和“忍受电流值”两个概念。国家标准中对额定短时耐受电流是如下规定的：额定电流耐受时间耐受电流小于100A0.03 s5 KA100400A0.03 s10 KA400500A0.06 s10 KA5001000A0.06 s20 Ie1000A以上0.06 s20 Ie 或50 KA（选较小值） *以交流50Hz来考虑。从样本上来看，目前中国市场上的ATS基本满足这一要求。需要说明的是两点：首先，额定短时耐受电流是由制造厂规定的。Icw 和Icu、Ics 是不同的概念！额定极限短路分断能力（Icu）也是由制造厂家给出的，是断路器的标准技术参数，表示断路器最大能承载和分断开多大的短路电流；额定运行短路分断能力（Ics）也是断路器的基本技术指标，表示实际运行中，断路器可以分断开多大的短路电流。用极限短路分断能力（Icu）的百分比来表示，一般有：50%、75%、100%。额定短时耐受电流（Icw）是针对不具备保护能力的电器元件，例如：负荷开关、接触器、PC级ATS等的基本技术参数。Icw和Icu间没有换算关系，但断路器的Icw值一定小于Icu值。例如NS系列开关，800A额定的Icu值可以高达75KA，但Icw值只有25KA（1秒钟）。它们都是由生产厂家实验给出数值，用于衡量不同的电气设备的参数。在实际的工程设计和使用中，这两个数值要求都应该是设计者计算得出，生产厂家来满足的。简单来说，ATS的核心部件应该是开关的触头，至于驱动触头的方式和闭锁触头位置的方法有很多种。而Icw值的大小主要是取决于触头的品质。我们根据热量公式：Q=I*I*t看出，将开关触头融化的热量Q跟流过触头的电流I和流过的时间t有关。要想提高Q的忍受能力，就要提高开关触头的熔点，使用高合金、高熔点的触头和增大触头接触面积（降低电阻），是提高Icw值的根本方法。这是金属材料的特性，而不是靠改变触头压力等其他方法可以提高的。其次，Icw值满足国家要求不一定满足实际工程的使用要求。对于相同额定电流的断路器来说，其短路分断容量就有高、中、低的区分，价格也会相差很多。所以设计者要根据自己的计算来指定使用ATS处的短路耐受电流，这一值往往高出国家标准要求很多。例如从变电所低压母线上直接引出150A额定容量的回路为变电所本身使用，所选择的ATS额定容量为150A，但短路耐受容量可能要到40KA以上。而国家标准对应的150A ATS 10KA就可以满足了。还有一点要说明的是：因为ATS的国家标准目前还是推荐使用阶段，而ATS的Icw值又是制造厂家自己给出的，所以很多生产厂家在其产品样本中随意编写ATS的Icw值，有的ATS的短路耐受容量甚至等同或高于同额定规格断路器的短路分断容量！2）、短路接通能力前篇阐述了额定接通能力这一基本参数，对于PC级ATS来说，短路接通能力也是一个基本的技术指标，但往往产品生产厂家并没有给出。如上图所示：当ATS下端发生短路时，正常回路的断路器会跳脱，ATS会感知正常电源断电，然后带着短路故障投切到备用电源侧。ATS触头接触的瞬间，会有一个很大的短路冲击电流通过ATS。此时ATS要有足够的动稳定和热稳定性来满足这一短路电流通过。这就是用短路接通能力来衡量。从这个简单的事例中我们也看出一定要先选择ATS的类型，才能在系统中很好的选用和配合。在以后的文章中我们再讨论这种应急供电方式的优缺点，但对于ATS的基本技术指标中，要考虑这一情