可靠性自动转换开关电器的选用

　　摘要：阐述了自动转换开关电器ATSE的定义、分类、结构型式、相关标准、主要性能指标，低压配电系统中选择可靠性ATSE的重要意义。从ATSE内部结构、市场返修率的角度，对不同类别的ATSE可靠性进行分析，得出PC级ATSE的可靠性高于CB级ATSE。提出了PC级ATSE在设计应用中的技术要点；工程设计文件中，ATSE应该标注的基本内容。
　　关键词：自动转换开关电器，可靠性，PC级，CB级，选择与应用
　　
　　1 概述
　　ATSE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到另一个电源的电器。按短路分断能力，ATSE可分PC级和CB级。PC级ATSE为能够接通、承载，但不用于分断短路电流的ATSE；CB级ATSE为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。传统的接触器类是非标产品，其组成元器件繁多，产品质量受元器件、制造工艺制约，故障率较高、能耗大，现已逐渐被新产品代替；现行标准不再将其纳入分类范围，本文也不再对其进行论述。
　　按现行的供配电系统设计规范，ATSE多应用在二级及以上重要用电场所。用电负荷的重要性决定了ATSE的安全可靠性是其设计、制造和选用的最关键指标。由ATSE故障造成电源间的短路或重要负荷断电，其后果都是严重的。这不仅仅会带来经济损失、人员伤亡，而且也可能造成社会问题。因此，ATSE的生产、使用应列为国家重点产品加以限制与规范。
　　2 ATSE可靠性分析
　　可靠性是产品在规定的条件下和规定的时间内，实现规定功能的能力；可靠性的概率度量称可靠度。本文拟从ATSE的内部结构特点来阐述其可靠性，并利用产品市场返修率来证实不同类别ATSE可靠性差别。
　　2.1ATSE内部结构概述
　　目前市场上符合《GB/T14048.11-2008》标准的ATSE，按其内部结构，可分为三类。①单电动操作结构的CB级ATSE：其结构通常由两个断路器、一个操作电动机、减速齿轮、连杆机构、操作推杆、检测电路、控制器及附属器件等10个主要部件组成。②双电动操作结构的CB级ATSE：其结构通常由两个断路器、两个电动操作机构、一个控制器、一个机械锁扣件等4个主要部件组成。③PC级ATSE：其结构通常由驱动装置、触头、控制器等3个主要部件组成；其机械机构为单刀双掷结构，简单的结构，可完美的实现双电源切换的机械连锁关系。
　　2.2ATSE可靠性分析及结论
　　ATSE是否具有高可靠性，需要看其是否符合“功能单一、结构简单、设计周到、品控严格”的可靠性原则。ATSE是由若干个子系统组成的串联系统，评价其可靠性的可靠度可按公式进行理论计算，其中Ri（Ri≤1）为装置各部件的可靠度。对于上述三类ATSE，可靠度可分别表达为、、；计算结果显示，三类ATSE的可靠度高低排序为：RS.PC＞RS.Cb2＞RS.Cb1。
　　具市场调查，PC级ATSE总的返修率不足1.6‰，其返修率只有双电动操作结构CB级ATSE的43%，仅有单电动操作结构CB级ATSE的25%。其中，PC级ATSE故障，80%以上由其控制器造成的；如果在控制器元件的选择、线路优化方面下功夫，其整体可靠性还有很大的提升空间。相反，CB级ATSE可能因脱扣因素造成ATSE不转换，进步降低其配电可靠性。
　　基于以上论述，我们有两点结论：①一体化结构的PC级ATSE可靠性高于CB级ATSE，②双电动操作结构的CB级ATSE可靠性高于单电动操作结构的CB级ATSE。
　　3 PC级ATSE的选用
　　国家行业标准《民用建筑电气设计规范JGJ16-2008》中，将ATSE电器选择的首要条件规定为“高可靠性、特性满足现行GB/T14048.11标准要求”。篇幅所限，本文仅对高可靠性PC级ATSE选用中的几个主要指标展开论述。
　　3.1二工位、三工位的选用
　　二工位：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，转换动作时间短（50～250ms）。三工位：开关主触头有三个工作位，较二工位多个“零位”，负载断电时间相对较长（350～600ms）。两者结构相比较，二工位结构较三工位简单，可靠性更高，转换动作时间更短。
　　对于市电与发电机转换的ATSE，当正常电源发生一相断相时，由于柴油发电机启动、稳定供电需要一定的时间，在发电机启动过程中，ATSE不能将负荷转换到备用电源，结果造成非故障两相电压异常升高，有可能造成电器设备损坏。在该供配电节点，宜采用三工位ATSE；在切换的过程中，将ATSE置于“零位”，待发电机启动并稳定送电后，再将负荷切换到备用电源位置，避免电器设备损坏。对于ATSE为大容量电动机负荷供电时，为避免切换时产生弧光短路，应适当调整转换时间，宜采用三工位ATSE。
　　对于配电或末端级ATSE，按《全国民用建筑工程设计技术措施-电气2009》要求，消防负荷的ATSE不应有零位，应采用最为可靠的二工位ATSE。而非消防类重要负荷，考虑火灾时要求切除非消防负荷，笔者建议采用三工位ATSE，以便利用“零位”，达到火灾时切除非消防电源的目的。
　　3.2ATSE级数的选用
　　近年来，为防止因中性线断线、各相用电负荷不均衡，造成用电负荷因过电压烧毁，尽量减少使用四极开关的意见越来越多。基于电源转换时，切断中性导体可以避免中性导体产生分流(包括在中性导体流过的三次谐波及其他高次谐波)，这种分流会使线路上的电流矢量和不为零，以致在线路周围产生电磁场及电磁干扰；而ATSE采用四极(或二极)开关，可避免该类现象发生。最新的国际标准IEC60364-4-46、国家行业标准JGJ16-2008，均明确规定三相电源转换采用四极开关，单相电源转换采用双极开关。
　　3.3ATSE总动作时间、上下级总动作时间配合
　　根据《供配电系统设计规范-2009》第3.0.5条规定“自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间的，可选用带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路”。对ATSE而言，所选ATSE转换总动作时间必须小于其所供电负荷的允许中断供电时间；否则，必须辅以UPS、EPS供电的措施。我国现行的《电子计算机机房设计规范》、《消防应急照明灯具》、《综合医院建筑设计规范》等设计规范，均明确规定了其负荷允许的最大断电时间。ATSE设计选型时应根据负荷特点，对照相关的设计规范来确定其转换总动作时间，使其满足负荷允许的最大断电时间的要求。同时，还需根据电源质量的优劣，控制转换总动作时间，使其能躲过电源电压的闪变、瞬变等干扰，切不可一味的追求ATSE的快速切换。
　　为满足供电连续、可靠性要求，低压ATSE的使用不应超过两级；上下级ATSE的总动作时间应相互配合，保证两者切换控制延时时间没有重叠，以免连续切换。当低压配电线路故障时，因线路故障不可能瞬间恢复，要求末端ATSE快速切换。当电源断电时，电源端ATSE与下级ATSE间的总动作时间关系应掌握两个原则（如图示）：①当市电为双路电源同时工作、分段运行，下级ATSE2总动作时间较上级母联开关转换动作时间延时0.3～0.5s。②当市电为双路电源同时工作、分段运行，且由市电向柴油发电机转换后给应急母线供电，下级ATSE3较电源端ATSE1总动作时间延时0.7～1.0s，电源端ATSE1总动作时间较柴油发电机达到供电条件的时间长。需注意的是，对于线路故障与电源断电，下级ATSE总动作时间要求是不同的。实现该功能必须采用智能型控制器，控制器带通讯接口、远程控制功能，通过中心计算机对电源信号采样分析，判断故障类别，控制ATSE延时或快速切换。增加此项功能，造价会有所增加；所以，一般的项目不一定如此严要求，可将所有故障简化为电源断电考虑。实际工程中，ATSE延时切换时间，应结合工程特点具备现场可调功能。
　　3.4ATSE额定电流及使用类别的选用
　　为保证ATSE有一定的正常工作余量，标准JGJ16-2008规定，PC级ATSE的额定电流不应小于回路计算电流的125％。使用类别反映ATSE正常运行时、能够在什么电流条件下可靠地转换。使用类别由开关本体性能决定，应对照现行GB/T14048.11要求、选用与负载特性一致的ATSE。目前国内生产厂只有AC-31和AC-33类产品，选择时应多加注意。
　　3.5ATSE前短路保护电器(SCPD)及隔离电器的选用
　　PC级ATSE不具备短路电流分断的能力，必须校验其安装地点的短路耐受电流。短路耐受电流有两个重要参数：额定短时耐受电流（ICW）和额定限制短路电流（制造厂规定的、在规定试验条件下，被指定的SCPD分断前、ATSE应承受的短路电流）。直接用ICW参数，不容易校验ATSE是否能够抵抗冲击；实际上，ATSE所在地点短路电流的大小和时间，完全取决于前端选用的SCPD（GB/T14048.11规定：指定了SCPD的，不需再做ICW试验）。所以，额定限制短路电流是更加有效的参数，可以直接使用，选择时要注意厂商资料提供的SCPD型式及参数。也就是说，PC级ATSE前的SCPD应按产品供应商的要求选择。
　　PC级ATSE本体没有检修隔离功能，从安全考虑，其进线端应加装具有隔离功能的电器，隔离电器应符合现行GB14048.3标准的要求。笔者在设计中，常采用熔断器式隔离开关，以同时满足ATSE的短路保护与隔离要求。
　　4 结束语
　　关于ATSE，国家虽已颁布有产品标准GB/T14048.11-2008和设计标准JGJ16-2008，可至今仍没有统一的验收标准。同时，绝大多数设计师在设计中，对选用的ATSE基本参数标注不全，常导致ATSE应用中的质量失控，给项目留下重大的安全隐患。
　　为了让设计文件最为有效的指导施工、控制质量，设计图中，ATSE至少应标注以下内容：①采用符合GB/T14048.11-2008标准的产品，②额定电流，③级别，④级数，⑤位数，⑥总动作时间，⑦适用类别，⑧PC级ATSE前SCPD的型式及参数，⑨转换条件，⑩额定工作电压、频率、电流、相数等基本指标。
　　
　　参考文献
　　李炳华等.自动转换开关电器ATSE设计应用导则.智能建筑电气技术，2006（2）：5-6