关于双电源的话题 1

合理选择与使用自动转换开关电器（ATSE）

上海电器科学研究所 曲德刚
中国建筑西南设计研究院 徐建兵

摘要：本文通过对不同开关电器的工作原理及产品标准对比和分析，指出理想的自动转换开关电器（ATSE）为PC级ATSE，并指出CB级ATSE因过电流故障引起开关断开，ATSE将不会转换；但PC级ATSE应具有不低于AC-33B使用类别及一定的短路性能，才能保证用户安全使用。
关键词：低压电器 自动转换开关电器

1． 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。转换一旦失败将会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+控制器。而开关本体又有PC级（整体式）与CB级（断路器）之分。
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。
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，图1是典型ATSE应用电路。控制器与开关本体进线端相连。
国内市场用于两路电源转换电器的产品目前有四类。第一类.是由接触器组成的ATSE；第二类.是由断路器组成的ATSE; 第三类.用电动负荷开关(符合GB14048.3标准)完成两路电源转换的产品; 第四类为PC级（一体式）ATSE。
由接触器组成的ATSE产品，它的优点是价格低；缺点是线圈长期通电耗能易烧毁，产品的接通分断能力低，触头易抖动、熔焊，其产品可靠性很低，尤其是在带负荷转换时易出现爆炸性事故，这类产品在国外已被淘汰并禁止使用。为克服上述产品缺点，生产断路器企业推出了CB级ATSE，CB级ATSE是由断路器加机械连锁组成，CB级的ATSE为机械保持，触头的接通与分断能力有所提高，但又不是理想的ATSE产品（见本文第三段）。因此，市场出现了第三类产品-电动负荷开关，这类产品是由两台负荷开关组合加上电操装置组成，产品操作的可靠性又有较大提高，但触头灭弧系统是以分断一次电弧要求设计的，用在双电源电路切换，也存在不合理因素（见本文第三段）。为此，市场呼唤着理想的ATSE产品。PC级（一体式）ATSE产品综合了上述产品优点，克服了其缺点，是目前国内外市场较理想的双电源转换产品。
2．国外ATSE产品简介
2．1 PC级（一体式）ATSE
以美国为代表的ATSE技术代表着当今世界PC级ATSE先进水平。因为，ATSE产品率先是在军工领域得到使用，如雷达、通讯、航天等领域，而美国在上述领域处于世界领先地位，因此，美国对ATSE产品有较高要求，他们将ATSE产品视为电源一部分，为了提高其产品可靠性，不惜采用黄金作为触头材料。因此，在产品开发、研制方面投入较大。目前美国生产ATSE产品规模较大的企业有三至四家，如ONAN、ASCO、GE-ZENITH，主要生产PC级（一体式）ATSE产品，除基本型外，还有瞬间并联型、旁路-隔离型、延时转换型等。 图2，图3分别为ONAN，ASCO产品机构及触头系统示意图。




图2 ONAN产品 触头为双刀单掷系统、两个电操做机构








图3 美国ASCO产品 触头为单刀双掷系统、单台电操做机构
2．2电子式ATSE
为满足不停电电源要求，国外一些大公司推出以可控硅为主的电子式ATSE，额定工作电流100A～1200A，检测、转换时间≤5ms。它主要应用在电子商务网站、计算机数据中心、半导体芯片制造业及紧急救援中心等要害部门。
3．同类产品结构分析与对比
3．1 CB级与PC级ATSE两者有以下几点区别
3．1．1两者机构设计理念不同
CB级是由断路器组成，而断路器是以分断电弧为己任，要求机构快速脱扣。因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素；而PC级机构不存在该方面问题。PC级产品的可靠性远高于CB级产品。
3．1．2断路器（MCCB）一般不承受短时耐受电流，触头压力较小。当供电电路发生短路时，断路器的动触头被斥开并产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATSE应承受20Ie及以上过载电流，触头压力要求较大，因而ATSE触头不易被斥开，也不易被熔焊。这一特性对消防供电系统尤为重要。
3．1．3两路电源在转换过程中存在电源叠加问题。
PC级ATSE充分考虑了这一因素。PC级ATSE的电气间隙、爬电距离一般是断路器的电气间隙、爬电距离的180%、150%（标准要求）。因而PC级ATSE安全性更好。
3．1．4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，在其表面易形成阻碍导电、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ATSE充分考虑了触头材料氧化带来的后果。
3．2 PC级ATSE与电动负荷开关区别
3．2．1两者遵循的标准不同
PC级ATSE符合GB/T14048.11《自动转换开关电器》。
电动负荷开关符合GB14048.3《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》。
3．2．2灭弧系统不同
由于ATSE是在两路电源中带电（负荷）转换，因此，应考虑两路电源间相
位问题。在电网电源与发电机组电源间转换时，可能出现120°相位差，所以，ATSE在做接通与分断试验时常用电源与备用电源相序不同（见图4，该图是国家标准GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》中所规定的试验线路）。在不同相序下做转换试验，开关的触头系统会出现二次电弧,因此,要求开关在接通备用电源（或常用电源）前，第一个电弧必须熄灭，且游离气体迅速排放，否则,开关内部出现短路,造成转换失败。所以，自动转换开关电器的灭弧能力要比一般低压电器开关强,这也是一台优质ATSE价格贵的原因之一。
而符合GB14048.3《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》的产品（如电动负荷开关）没有该要求。








图4 ATSE接通与分断试验线路

3．2．3两者电气性能要求不同
a）两者的接通/分断能力不同。PC级ATSE在使用类别为AC-33A/B时，是在6Ie电流,1.05Ue电压条件下，接通/分断循环次数为50/12次；而负荷开关在使用类别为AC-23A/B时，在10Ie/8Ie电流，1.05Ue电压条件下，接通/分断5/3次。
b）两者的电气寿命、机械寿命也不同。根据产品标准:电流等级≤300A、使用类别为AC-33B的PC级ATSE的电气寿命是在1In/1.05Ue条件下至少操作循环1000次，机械寿命5000次；而相同电流等级、使用类别为AC-23B的负荷开关电气寿命仅在1In/1Ue条件下操作200次，机械寿命1400次。
3．2．4转换速度不同。PC级ATSE转换速度一般高于负荷开关2～3