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 自动转换开关电器(ATSE)的应用
九州国际娱乐万高(天津)电气设备有限公司   王津先   

 

  摘要:本文介绍了自动转换开关电器(ATSE)标准的主要条款,对不同类型自动转换开关电器应用进行了分析,正确合理地选用自动转换开关电器保证配电系统的安全可靠。
  关键词:自动转换开关电器,PC级ATSE,CB级ATSE,选择性,
  一些重要用电场所如政府机关、金融机构、信息统计中心、医院、空港、车站、冶金、化工等对用电的连续性和可靠性有极高要求。在这些地方供电系统中都设有两路或多路供电线路,或采用备用发电机组。当常用电源线路出现故障(失压、欠压、超压、断相),备用电源线路在常用电源线路被切断后应很快投入。自动转换开关电器(以下简称ATSE)就是为了适应这种要求而生产的一种开关。
  这种ATSE作用就是当常用电源出现故障时,能自动在常用电源和备用电源之间进行切换。由于是自动操作,大大缩短了备用电源投入时间,提高了供电的可靠性,保证了对用户联续不断供电。与此同时由于配电系统中很多故障是非稳定的,当电压消失后,又能很快恢复。这种电源切换开关控制器具有电压鉴别和故障判别时间功能,当故障时间小于设定时间T,开关不转换,避免了开关频繁操作损坏负载。当故障时间大于设定时间T,开关能自动切换,保证备用电源自动投入。当常用电源故障被排除,恢复供电后,电源自动转换开关控制器电压鉴别系统对常用电源进行鉴别,确定无误,电源自动转换开关又将复载换接至常用电源。恢复常用电源供电。因此ATSE在配电系统中得到广泛应用。
1.ATSE主要特性和技术指标:
  我国2002年根据国际电工委员会IEC60947-6-1:1998(1.2版)《低压开关设备和控制设备第6部分:多功能电器第1篇:自动转换开关电器》颁布GB/T14048.11-2002《低压开关设备和控制设备第6部分:多功能电器第1篇:自动转换开关电器》详细规定了对ATSE要求,所规定主要特性和技术要求如下:
  1.1分类:ATSE可分为PC级和CB级两个级别。PC级开关能接通、承载、但不能分断短路电流。CB级开关配备过电流脱扣器,它的主触头能接通并分断短路电流。
  1.2操作机构
  1.2.1ATSE操作机构应具有可靠的电气与机械联锁以防止同时接通常用电源和备用电源,造成两个电源短路。
  1.2.2 PC级ATSE操作机构不应使负载电路与常用电源和备用电源均保持长期断开,但是,可有一预定断开时间,以便完成换接过程。在某些情况下,可提供一休止位置。CB级ATSE可具有预定的断开时间或断开位置。
  1.2.3操作控制、程序和范围:
  过电压条件:控制电磁铁线圈或电动操作电机在110%额定电压应能正常工作。
  电源电压降低时操作:如果电源自动切换开关装有当常用电源电压降低时能将负载从常用电源换接至备用电源装置,则应在制造厂规定的电压范围内开始进行切换。
  电源失压时的操作:电源自动切换开关在常用电源被检测的任意一相或所有各相电压中断后的一预定时间内将负载从常用电源转换至备用电源,并在常用电源恢复正常时将负载返回接至常用电源。
  动作时间:在常用电源换接至备用电源或备用电源换接至常用电源的切换动作总时间中,如果包括任何延时或断电时间,均应在制造厂规定时间范围内。
  电磁兼容:ATSE在电磁环境中能正常工作,且工作中自身产生的电磁骚扰应抑制在一定水平上,不能对同处于一个电磁环境中的任何事物构成不能承受的电磁骚扰。
  1.2.4使用类别:ATSE可在一个或几个额定工作电压下指定具有一个或几个如表1所列的标准使用类别。
  1.2.5额定接通和分断能力:在规定条件下,ATSE足以能够接通与分断的电流值。见表2所示。
  1.2.6额定短时耐受电流:PC级ATSE必须能够承载的短时耐受电流值。见表3所示。

 

 

 

  1.2.7额定限制短路电流:对于制造厂已指定短路保护电器(SCPD)的PC级ATSE,应在SCPD断开电路的时间内承受表3给的预期试验电流。
  2.ATSE的应用与选择:
  ATSE通常装在馈送各分支线的主或副配电母线上。因为它在系统中所处的位置,所以与其它分支线路的设备要求比较,ATSE的能力必须设计成独特的和广泛的。
例如,ATSE应特别考虑以下的特性:
  ( 1 )闭合于大涌流的能力
  ( 2 )有承载从正常电源和备用电源来的连续满载额定电流的能力
  ( 3 )承载故障电流的能力
  ( 4 )开断至少6倍满载电流的能力
  ( 5 )两个非同步电源所需要的附加电气间隙和爬电距离
图1示出ATSE配电线路。

 

图1

图1可看出除了电源故障外, 对重要负荷的连续供电也可能由下列原因而中断:
  ( 1 )在建筑物区域内进线负荷侧开路
  ( 2 )过负荷和短路事故
  ( 3 )建筑物内电力配电系统的电气或机械故障
  依据国家规范GB50052-95《供配电系统设计规范》与行业标准JGJ/16-92《民用建筑电气设计规范》的要求:对于一些较重要的一、二级负荷,应采用双电源供电。但建筑物的应急照明、消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟风机等消防设备的供电,应在最末一级配电箱处设置自动切换装置。为保证重要负荷供电的连续性,双电源自动转换开关电器的应用需求已越来越大,技术性能要求也越来越高,对产品的合理选择就变得更加重要。因为产品的技术水平高低以及先进性和可靠性如何,将直接影响着各重要场所用电的安全与可靠,这已成为低压配电系统中不可缺少的一个重要组成部分。所以在工程设计中设计人员应熟悉和了解其类型、组成与工作原理、主要特点及功能等,以便在满足系统功能的原则下正确选择及合理应用。
  2.1关于CB级和PC级ATSE应用区分:
  CB级和PC级ATSE,在不同的应用场合下各有特点。对于CB级ATSE由于其自身具有对负载侧用电设备和电缆的过载保护功能,可避免将负载故障扩大化。因此如果ATSE用于变压器或发电机电源输入功能,就必须装有过电流保护和隔离装置。远控和自动脱扣措施对于火灾或其它危险情况往往证明是合理的。在许多系统中,在要切换的用电线路上的短路能够自动地闭锁从正常电源到备用电源,以及从备用电源到正常电源的切换,一直到负载短路问题解决,手动复位脱扣,ATSE恢复正常工作。因此,电源输入开关采用CB级ATSE。如图1中ATSE1。当负载为照明类负荷时,一般的系统图如图2 所示。此类负载一般采用树干式配电方式,即在一条配电干线分布着不同层的应急照明或事故照明负载,这种树干式的配电系统应选用CB级ATSE产品。当某一层的某一路负载发生故障时,CB级产品的保护特性将保证配电干线不受影响,如果选用PC级产品,则必须在进线端加过电流保护电器,加大了箱体的尺寸和造价,同时易出现故障状态下的重合闸,扩大事故的影响范围。

 

图2

  当消防负荷容量大且比较集中时,需要在低压配电室的母线上直接放射做双电源转换,或因电源进线后需要直接做双电源转换的场合,如消防水泵房等,这类转换方案负载是一级负荷时。此时设备的安全和供电的连续性相比已不再是首要考虑的因素。(如图1ATSE4)此时,选用CB级ATSE就不适合设备要求,当过负载时,CB级ATSE保护动作,常用电源开关脱扣,但ATSE不转换,选用PC级ATSE则能很好的解决这个问题,当过负载时,PC级进线端保护电器脱扣,电源状态发生变化,ATSE切换至备用电源,保证了供电的连续性。另外用ATSE给混合负载(重要负载+一般负载)供电时,也应采用PC级ATSE开关。
  虽然PC级自动转换开关电器有一定的承受短路电流的能力,但没有切断短路电流的能力,其前端需要设置短路保护电器。《低压配电设计规范》GB50054-95第4.1.2条规定“配电线路采用的上下级保护电器,其动作应具有选择性;各级之间应协调配合。但对于非重要负荷的保护电器,可采用无选择性切断。”根据以上规范要求,采用双电源供电的配电系统,当双电源末端自动互投配电箱、柜内有多路一级负荷或二级负荷出线回路时,其自动转换开关电器前设置的熔断器或隔离型低压断路器均应与配电箱、柜内出线回路低压断路器之间有选择性配合。
  2.2选择性是配电系统的基本要求:
  对CB级ATSE而言,可以根据生产厂家提供的数据进行选型,实现选择性;对PC级产品而言,就需要在ATSE的进线端加装短路电流保护器:熔断器或断路器,来实现选择性的要求。由电路预期短路电流和PC级ATSE短时耐受电流来选择短路保护电器。同时,在故障(短路电流)被查清楚之前,转换开关必须保持它的可操作性,这样才能从另外一路备用电源处继续为重要负荷供电。这意味着短路电流保护电器的保护时间必须和PC级ATSE的耐受电流值相匹配。图3是美国ASCO公司提供的ATSE在配电线路中选择性示意图。
  图 3 中故障点 B 所在 Ll 支路断路器的负载侧,如果系统的断路器具有合适的选择性, Ll 支路的断路器或熔断器将在上级断路器或熔断器之前跳闸。而ATSE必须能够承受这个故障电流直到断路器或熔断器动作排除故障。现在许多的ATSE都有一个标准的控制电路时间,延时 0 . 5 秒或更长而越过瞬间电压的变化,这对于任何过电流保护设备来说是有足够的时间来确定故障并动作使系统电压回到正常值,从而避免转换开关的误动作。
  故障发生在图 3中的 A 点,ATSE负载侧的断路器没有发现故障电流,上级断路器( F2 )和瞬间脱扣元件将动作。ATSE的控制器没有检测到有效电压从而给出一个转换操作信号,转换开关现在在故障条件下需要闭合,直到发电机的过电流设备确认故障。所以PC级ATSE在使用时如果没有足够的短时耐受电流,故障电流将对其产生剧烈的损害和潜在的火灾危险。
  在1989年版的UL1008中,一个主要的内容是允许了对于耐受和闭合电流等级测试有一个可选等级的范围。它的目的是允许转换开关生产厂商在没有过电流保护装置下进行测试。在最大故障电流10kA等级下使用400A及以下等级的转换开关,故障电流时间必须少于25ms,在最大  故障电流在10kA 以上使用400A以上等级的转换开关,故障电流时间必须少于50ms,如果测  试成功,生产厂商可以标志出此开关可以使用在等级内的任意断路器处。           

图3

  如果转换开关生产厂商不接受这种测试,则必须给出与之配合的过电流保护器的类型,以便选型使用。
GB/T14048.11-2002标准中4.3.6.1额定短时耐受电流条款中短时耐受电流是制造厂规定的…最短通电时间为:
  —额定工作电流小于等于400A时,交流为额定频率的3个半波,直流为0.025S;
  —额定工作电流大于400A时,交流为额定频率的3个周波,直流为0.05S。
  值得注意的是:额定电流小于等于100A的PC级ATSE,特别是一体化PC级ATSE。额定短时耐受电流普遍小于5KA,因此在认证中仅提供额定限制短路电流参数,即指定短路保护电器,(SCPD)而不进行短时耐受试验。从图1可看出,一级负载多采用100A以下PC级ATSE,这是配电设计者应注意的。PC级ATSE应依据配电系统出现的最大预期短路电流,选择保护电器。 PC级ATSE的额定限制短路电流必须与前端保护电器(最好是限制短路电流50KA以上的熔断器)类型和参数匹配,此点是目前普遍被忽视的,需要设计师特别注意。
  九州国际娱乐公司即将推向市场的PC级ATSE符合 UL1008中有关要求,对于耐受和闭合电流等级测试有一个可选等级的范围。开关承受故障电流时间大于 25ms ( 1 1 / 2 周期),在最大故障电流在 10KA 以上使用 400A 以上等级的转换开关,开关承受故障电流时间大于 50ms ( 3 周期)。因此不用增加限制短路电流保护可以满足电路等级内的任意断路器处选择性。
  2.3关于ATSE的使用类别:
  ATSE使用类别定义与参数见表1和表2所示。关于ATSE使用类别选择很多文章都有阐述,认为AC33使用类别ATSE更安全,这里不再多述。在GB/T14048.11-2002标准附录A指出:ATSE按一种使用类别或某个参数组合(如最大工作电压和最大工作电流等)进行试验,假如被指定的其他使用类别的试验电流、电压、功率因数或时间常数、操作循环次数、通电时间与断电时间、以及试验电路等条件均不比经过试验的ATSE更严酷,并且经过试验的ATSE在不低于被指定的最大工作电流下验证过温升的话,则ATSE可不经过进一步试验即被确定为足或符合其他使用类别。即AC33向下兼容AC31、AC35使用类别。
  2.4ATSE是否可作为隔离电器使用:
  对于目前市场上绝大多数ATSE有二段式和三段式两种,二段式ATSE开关主触头仅有两个工作位(正常电源位及备用电源位),这种ATSE转换动作时间较快;三段式ATSE开关主触头有三个工作位,(正常电源位、备用电源位及零位),零位时主触头处于空挡,因为设置了零位,三段式ATSE转换动作时间较慢,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,而非用于负载维修时隔离之用。另一方面,自动转换开关电器自身也有检修和维护的可能,所以带零位的三段式ATSE不宜兼做隔离电器,为满足维修问题需要隔离时,应在自动转换开关电器前单独设置隔离电器。
任何事物都是在发展的,九州国际娱乐公司即将推向市场的PC级ATSE具备安全隔离功能,有以下特征:
  (1)动触头在断开位置时可锁定。ATSE开关在“零位”即在双分位置可以加锁锁定。
  (2)不但开关本体,而且控制器也具有较高的额定冲击耐受电压。ATSE在不拆下控制器情况下可耐受8000V额定冲击耐受电压(Ump),可经受3500V工频耐压。浪涌试验可耐受共模4000V,差模2000V试验。比GB/T14048.11-2002标准要求高一倍。
  (3)在任何情况下,极限泄漏电流不应超过2mA
  (4)ATSE开关手动-自动转换带有联锁功能,即自动模式情况下不可进行手动操作。
  由于九州国际娱乐公司推出的PC级ATSE具备以上功能,可以用于负载维修时隔离之用。
  2.5ATSE开关极数的选择及使用:
民用建筑电气设计规范编制组,针对四级开关的应用问题达成了以下共识:
  (1)根据IEC465.1.5条规定,正常供电电源与备用发电机之间若不是同一接地网络中时,转换开关应用四级型开关。
  (2)带剩余电流保护的双电源转换开关应采用四级开关。两个电源开关带剩余电流保护,其下级的电源转换开关应用四级开关。
  (3) 两种不同接地系统间电源转换开关应用四级开关。
  (4)TN-S、TN-C-S系统一般不需要设四级开关。但TN-S系统的一些特殊情况(三相严重不平衡及高次谐波含量较高)是否用四级开关,需视建筑物等级的重要性而确定。
  2.6动作时间:
  在GB/T14048.11-2002标准中,ATSE动作时间是指“由常用电源转换至备用电源或由备用电源转换至常用电源的转换动作总时间中,如果包括任何延时或断电时间,均应在制造厂规定的时间内”。对于ATSE动作时间有种看法认为,动作时间越小越好,这种看法比较片面。
  需要说明的是,ATSE的转换时间并不是越快越好。对于感性负载,当ATSE从常用电源切换到备用电源时,负载会产生反电势,此反电势和备用电源电势叠加在一起,有可能产生大的冲击电流,负载设备将受到极大的机械应力,同时造成熔断器熔断或断路器脱扣。根据理论分析,常用电源出现故障,如果在0.3—0.5s间隔转换电源,常用电源残压与备用电源电压之间的相角差接近180O。根据国外对感应电动机电源切换的分析,电源切换为200ms—500ms时,电动机可能受损坏。慢速切换方式,可使电动机避开危害。另外,民规中规定:“当用电负荷允许中断时间要求在1.5s以内时,应设不间断电源装置。”ATSE不是不间断电源装置,它不能也不应该取代UPS。在新修改的IEC60947-6-1-2005标准中动作时间已给出,应>100ms。
  2.7电磁兼容:
   电磁兼容主要涉及ATSE控制器抗干扰性。绝大多数ATSE控制器由于微处理器和集成芯片数字电路组成,由于控制器由ATSE的正常和应急电源侧直接取电检测,所以控制器也必然承受主回路的电压波动、浪涌电压影响、谐波干扰、电磁干扰等。所以为保证控制器的可靠性,必须对ATSE进行抗静电,射频电磁场,电快速瞬变脉冲群,浪涌,射频传导,射频辐射骚扰等电磁兼容试验。九州国际娱乐等一些国际著名厂商电磁兼容试验指标均高于IEC60947-6-1标准,其目的就是保证ATSE的可靠性。

 

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2010年电气设计质量通病

ATS自动转换开关的最新技术与应用

电气火灾预防的发展