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合理選擇與使用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(ATSE)

作者：曲德剛

（曲德剛：上海電科所副總工、標(biāo)準(zhǔn)首席起草人、中國低壓電器行業(yè)協(xié)會會長）

摘要： 本文通過對不同開關(guān)電器的工作原理及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)對比和分析，指出理想的自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（ATSE）為PC級ATSE，并指出CB級ATSE因過電流故障引起開關(guān)斷開，ATSE將不會轉(zhuǎn)換；但PC級ATSE應(yīng)具有不低于AC-33B使用類別及一定的短路性能，才能保證用戶安全使用。

關(guān)鍵詞： 低壓電器 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器

1．概述

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器簡稱為ATSE，是Automatic transfer switching equipment的縮寫。

ATSE主要用在緊急供電系統(tǒng)，將負(fù)載電路從一個電源自動換接至另一個（備用）電源的開關(guān)電器，以重要負(fù)荷連續(xù)、可靠運(yùn)行。因此，ATSE常常應(yīng)用在重要用電場所，其產(chǎn)品可靠性尤為重要。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成以下二種危害之一，其電源間的短路或重要負(fù)荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴(yán)重的，這不僅僅會帶來經(jīng)濟(jì)損失（使生產(chǎn)停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業(yè)發(fā)達(dá)國家都把自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)產(chǎn)品加以限制與規(guī)范。

ATSE一般由兩部分組成：開關(guān)本體+控制器。而開關(guān)本體又有PC級與CB級之分。

PC級：能夠接通、承載、但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯腁TSE。

CB級：配備過電流脫扣器的ATSE，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌?/p>

控制器主要用來檢測被監(jiān)測電源（兩路）工作狀況，當(dāng)被監(jiān)測的電源發(fā)生故障（如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現(xiàn)偏差）時，控制器發(fā)出動作指令，開關(guān)本體則帶著負(fù)載從一個電源自動轉(zhuǎn)換至另一個電源，圖1是典型ATSE應(yīng)用電路?？刂破髋c開關(guān)本體進(jìn)線端相連。

國內(nèi)市場用于兩路電源轉(zhuǎn)換電器的產(chǎn)品目前有四類。類.是由接觸器組成的ATSE；第二類.是由斷路器組成的ATSE; 第三類.用電動負(fù)荷開關(guān)(符合GB14048.3標(biāo)準(zhǔn))完成兩路電源轉(zhuǎn)換的產(chǎn)品; 第四類為PC級ATSE。

　　由接觸器組成的ATSE產(chǎn)品，它的優(yōu)點(diǎn)是價格低；缺點(diǎn)是線圈長期通電耗能易燒毀，產(chǎn)品的接通分?jǐn)嗄芰Φ?，觸頭易抖動、熔焊，其產(chǎn)品可靠性很低，尤其是在帶負(fù)荷轉(zhuǎn)換時易出現(xiàn)爆炸性事故，這類產(chǎn)品在國外已被淘汰并禁止使用。為克服上述產(chǎn)品缺點(diǎn)，生產(chǎn)斷路器企業(yè)推出了CB級ATSE，CB級ATSE是由斷路器加機(jī)械連鎖組成，CB級的ATSE為機(jī)械保持，觸頭的接通與分?jǐn)嗄芰τ兴岣?，但又不是理想的ATSE產(chǎn)品（見本文第三段）。因此，市場出現(xiàn)了第三類產(chǎn)品-電動負(fù)荷開關(guān)，這類產(chǎn)品是由兩臺負(fù)荷開關(guān)組合加上電操裝置組成，產(chǎn)品操作的可靠性又有較大提高，但觸頭滅弧系統(tǒng)是以分?jǐn)嘁淮坞娀∫笤O(shè)計的，用在雙電源電路切換，也存在不合理因素（見本文第三段）。為此，市場呼喚著理想的ATSE產(chǎn)品。PC級（一體式）ATSE產(chǎn)品綜合了上述產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)，克服了其缺點(diǎn)，是目前國內(nèi)外市場較理想的雙電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品。

2．國外ATSE產(chǎn)品簡介

2.1 PC級（一體式）ATSE

　　以美國為代表的ATSE技術(shù)代表著當(dāng)今世界PC級ATSE水平。因為，ATSE產(chǎn)品率先是在軍工領(lǐng)域得到使用，如雷達(dá)、通訊、航天等領(lǐng)域，而美國在上述領(lǐng)域處于世界地位，因此，美國對ATSE產(chǎn)品有較高要求，他們將ATSE產(chǎn)品視為電源一部分，為了提高其產(chǎn)品可靠性，不惜采用黃金作為觸頭材料。因此，在產(chǎn)品開發(fā)、研制方面投入較大。目前美國生產(chǎn)ATSE產(chǎn)品規(guī)模較大的企業(yè)有三至四家，如ONAN、ASCO、GE-ZENITH，主要生產(chǎn)PC級（一體式）ATSE產(chǎn)品，除基本型外，還有瞬間并聯(lián)型、旁路-隔離型、延時轉(zhuǎn)換型等。 圖2，圖3分別為ONAN，ASCO產(chǎn)品機(jī)構(gòu)及觸頭系統(tǒng)示意圖。

2.2 電子式ATSE

為滿足不停電電源要求，國外一些大公司推出以可控硅為主的電子式ATSE，額定工作電流100A～1200A，檢測、轉(zhuǎn)換時間≤5ms。它主要應(yīng)用在電子商務(wù)網(wǎng)站、計算機(jī)數(shù)據(jù)中心、半導(dǎo)體芯片制造業(yè)及緊急救援中心等要害部門。

3．同類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)分析與對比

3.1 CB級與PC級ATSE兩者有以下幾點(diǎn)區(qū)別

3.1.1 兩者機(jī)構(gòu)設(shè)計理念不同

CB級是由斷路器組成，而斷路器是以分?jǐn)嚯娀榧喝危髾C(jī)構(gòu)快速脫扣。因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素；而PC級機(jī)構(gòu)不存在該方面問題。PC級產(chǎn)品的可靠性遠(yuǎn)高于CB級產(chǎn)品。

3.1.2 斷路器（MCCB）一般不承受短時耐受電流，觸頭壓力較小。當(dāng)供電電路發(fā)生短路時，斷路器的動觸頭被斥開并產(chǎn)生限流作用，從而分?jǐn)喽搪冯娏鳎欢鳳C級ATSE應(yīng)承受20Ie及以上過載電流，觸頭壓力要求較大，因而ATSE觸頭不易被斥開，也不易被熔焊。這一特性對消防供電系統(tǒng)尤為重要。

3.1.3 兩路電源在轉(zhuǎn)換過程中存在電源疊加問題。

PC級ATSE充分考慮了這一因素。PC級ATSE的電氣間隙、爬電距離一般是斷路器的電氣間隙、爬電距離的180%、150%（標(biāo)準(zhǔn)要求）。因而PC級ATSE安全性更好。

3.1.4 觸頭材料的選擇角度不同。

斷路器常常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對，這有利于分?jǐn)嚯娀?，但該類觸頭材料易氧化，備用觸頭長期暴露在外，在其表面易形成阻礙導(dǎo)電、難驅(qū)除的氧化物，當(dāng)備用觸頭一但投入使用，觸頭溫升增高易造成開關(guān)燒毀甚至爆炸；而PC級ATSE充分考慮了觸頭材料氧化帶來的后果。

3.2 PC級ATSE與電動負(fù)荷開關(guān)區(qū)別

3.2.1 兩者遵循的標(biāo)準(zhǔn)不同

PC級ATSE符合GB/T14048.11《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》。

　　電動負(fù)荷開關(guān)符合GB14048.3《開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》。

3.2.2滅弧系統(tǒng)不同

　 由于ATSE是在兩路電源中帶電（負(fù)荷）轉(zhuǎn)換，因此，應(yīng)考慮兩路電源間相位問題。在電網(wǎng)電源與發(fā)電機(jī)組電源間轉(zhuǎn)換時，可能出現(xiàn)120°相位差，所以，ATSE在做接通與分?jǐn)嘣囼灂r常用電源與備用電源相序不同（見圖4，該圖是國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》中所規(guī)定的試驗線路）。在不同相序下做轉(zhuǎn)換試驗，開關(guān)的觸頭系統(tǒng)會出現(xiàn)二次電弧,因此,要求開關(guān)在接通備用電源（或常用電源）前，個電弧必須熄滅，且游離氣體迅速排放，否則,開關(guān)內(nèi)部出現(xiàn)短路,造成轉(zhuǎn)換失敗。所以，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的滅弧能力要比一般低壓電器開關(guān)強(qiáng),這也是一臺ATSE價格貴的原因之一。

　 而符合GB14048.3《開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》的產(chǎn)品（如電動負(fù)荷開關(guān)）沒有該要求。

3.2.3 兩者電氣性能要求不同

a）兩者的接通/分?jǐn)嗄芰Σ煌?。PC級ATSE在使用類別為AC-33A/B時，是在6Ie電流,1.05Ue電壓條件下，接通/分?jǐn)嘌h(huán)次數(shù)為50/12次；而負(fù)荷開關(guān)在使用類別為AC-23A/B時，在10Ie/8Ie電流，1.05Ue電壓條件下，接通/分?jǐn)?/3次。

b）兩者的電氣壽命、機(jī)械壽命也不同。根據(jù)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn):電流等級≤300A、使用類別為AC-33B的PC級ATSE的電氣壽命是在1In/1.05Ue條件下至少操作循環(huán)1000次，機(jī)械壽命5000次；而相同電流等級、使用類別為AC-23B的負(fù)荷開關(guān)電氣壽命僅在1In/1Ue條件下操作200次，機(jī)械壽命1400次。

3.2.4轉(zhuǎn)換速度不同。PC級ATSE轉(zhuǎn)換速度一般高于負(fù)荷開關(guān)2～3倍。

3.2.5觸頭系統(tǒng)不同。負(fù)荷開關(guān)一般為V形觸頭系統(tǒng)。V形觸頭的特點(diǎn)是，新開關(guān)時動熱穩(wěn)定性好一些，但經(jīng)過幾次開斷后觸頭間燒損易形成接觸不良現(xiàn)象，而且，電弧轉(zhuǎn)移慢，滅電弧性能差；而PC級ATSE觸頭一般為拍合式，觸頭在接觸瞬間動靜觸頭間有一摩擦，以利于觸頭良好接觸，拍合式觸頭便于電弧快速移動，有利熄滅電弧。

　　通過上述對比可知PC級ATSE是理想的電源轉(zhuǎn)換開關(guān)產(chǎn)品。

4．選擇ATSE產(chǎn)品應(yīng)注意的幾個問題

　　目前市場上自稱ATSE產(chǎn)品較多。但是屬于真正的ATSE產(chǎn)品不多。ATSE必須符合GB/T14048.11-2002《低壓開關(guān)設(shè)備與控制設(shè)備 第6部分：多功能電器 第1篇：自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》。

　　下面介紹選擇ATSE產(chǎn)品應(yīng)注意的幾個問題。

4.1 注意產(chǎn)品符合什么標(biāo)準(zhǔn)。

　　 符合GB14048.3-2003《開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》產(chǎn)品只能叫電動（或電操作）轉(zhuǎn)換開關(guān)。

而GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品考核較嚴(yán)酷，在電源間相序不同情況下，也允許直接轉(zhuǎn)換。

4.2 注意產(chǎn)品使用場所。

CB級ATSE一般不允許在圖5、圖6所示的線路中使用。

　　例如，當(dāng)一般負(fù)載1（或主消防泵）發(fā)生短路故障（過載或短路）引起Q1脫扣，因控制器僅檢測ATSE進(jìn)線端電源狀態(tài)，不會發(fā)出動作指令，所以，ATSE不轉(zhuǎn)換。此時，重要負(fù)載（或備用消防泵）處于斷電狀態(tài)。該供電系統(tǒng)沒有起到安裝ATSE實(shí)際作用。

　  在美國對CB級ATSE使用也有嚴(yán)格限制。其中，UL1008第41.19條規(guī)定，帶有過電流脫扣的轉(zhuǎn)換開關(guān)，必須向用戶提出“警告—如果過電流故障引起開關(guān)斷開，ATSE將不會轉(zhuǎn)換”警告標(biāo)志 。

　　 而PC級ATSE用在混合負(fù)載供電系統(tǒng)或消防泵供電電路中，當(dāng)一般負(fù)載發(fā)生短路故障（見圖1）時，短路保護(hù)器（Qg）動作后ATSE開始轉(zhuǎn)換，可以重要負(fù)載連續(xù)供電。

4.3 用PC級ATSE應(yīng)注意以下幾個問題

4.3.1 用類別選擇

a．目前，我國市場上PC級ATSE有兩種使用類別。一是適用于AC-33B；另一種適用于AC-31B；開關(guān)的使用類別表示其控制負(fù)載的能力。

AC-33B/A*：適用電動機(jī)混合負(fù)載。既包含電動機(jī)、電阻負(fù)載和30%以下白熾燈負(fù)載，接通與分?jǐn)嚯娏鳛?Ie，COSj=0.5；

AC-31B/A*：適用無感或微感負(fù)載，接通與分?jǐn)嚯娏鳛?.5Ie，COSj=0.8； （*B：表示不頻繁操作；A：表示頻繁操作。）

　　由于ATSE較難通過AC-33B試驗。因此，一些制造廠降低開關(guān)使用要求，才選擇AC-31B使用類別。顯而易見選擇使用AC-33B的ATSE比選擇使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。

b．小容量ATSE（≤100A）通常帶電動機(jī)負(fù)載（如消防泵）直接轉(zhuǎn)換，好具有AC-3指標(biāo)(直接通斷鼠籠型電動機(jī)), 按接通10Ie /分?jǐn)?Ie /COSj=0.45要求進(jìn)行考核。使用該產(chǎn)品更安全。

4.3.2 路保護(hù)電器選擇

PC級ATSE不具有短路保護(hù)功能，因此，需配短路保護(hù)電器。短路保護(hù)電器一般有兩種，熔斷器或斷路器。由于熔斷器限流性能好，限制短路電流能力強(qiáng)，它常被使用在系統(tǒng)出現(xiàn)預(yù)期短路電流大的地點(diǎn)處；而斷路器限流性能差，額定限制短路電流能力低。不同的企業(yè)ATSE產(chǎn)品規(guī)定的額定限制短路電流不同，表1為RTQ1（TP1）自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器所規(guī)定的額定限制短路電流值。

　　在選擇短路保護(hù)電器額定電流值時，一般的原則是短路保護(hù)電器（熔斷器或斷路器）與被保護(hù)電器（ATSE）額定框架電流值一致（即1:1）。

4.3.3 段式與三段式選擇

　　二段式ATSE開關(guān)主觸頭僅有兩個工作位，即“常用電源位”與“備用電源位”，負(fù)載不會出現(xiàn)長期斷電情況，供電可靠性高，轉(zhuǎn)換動作時間快。

　　三段式ATSE開關(guān)主觸頭有三個工作位，多個“零位（是指電動狀態(tài)下）”，即主觸頭處于空擋，負(fù)載斷電時間相對較長，是二段式斷電時間的2-3倍。

　　三段式的“零位”主要是用于ATSE在帶高感抗或大電機(jī)負(fù)載轉(zhuǎn)換時，為避免沖擊電流做“暫態(tài)停留”之用；而非用于負(fù)載維修時隔離之用。維修時的隔離一定要選擇隔離開關(guān)，它更安全。因為，隔離開關(guān)必須具有以下功能：

　?、賱佑|頭在斷開位置時可鎖定或可視；

　?、诰哂休^高的額定沖擊耐受電壓（1.25倍）；

　?、墼谌魏吻闆r下，限泄漏電流不應(yīng)超過6mA。

4.4 ATSE動作時間選擇

　　衡量一臺ATSE轉(zhuǎn)換速度有5種動作時間（見GB/T14048.11）。ATSE應(yīng)向用戶至少提供一種動作時間，便于用戶依據(jù)使用要求進(jìn)行選擇。

4.4.1 觸頭轉(zhuǎn)換時間

　　測定從組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉合備用電源為止的時間。

4.4.2 換動作時間

　　測定從主電源被監(jiān)測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間（含機(jī)構(gòu)動作時間），不包括特意引入（控制器）的延時。

4.4.3 總動作時間

　　轉(zhuǎn)換動作時間與特意引入（控制器）的延時之和。

4.4.4 返回轉(zhuǎn)換時間

　　從常用電源恢復(fù)正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時間加上特意引入的延時。

4.4.5 斷電時間

　　測定從各相電弧終熄滅的瞬間起至主觸頭閉合另一個電源為止的轉(zhuǎn)換過程時間，包括特意引入的延時。

　　一般用戶應(yīng)注重“總動作時間”或者“轉(zhuǎn)換動作時間”，以滿足不同配電系統(tǒng)使用要求。

　　二段式PC級ATSE總動作時間一般在50～250ms；

　　三段式PC級ATSE總動作時間一般在350～600ms；

CB級ATSE總動作時間一般在2000～3000ms；

圖7為GB/T14048.11-2002標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的動作時間概念形象圖。

4.5 對高感抗負(fù)載轉(zhuǎn)換控制應(yīng)注意的問題

ATSE一般是不允許帶大電動機(jī)或高感抗負(fù)載轉(zhuǎn)換。比如大電動機(jī)類負(fù)載,當(dāng)其在運(yùn)行中切換而電源相位又差距較大時,它將受到巨大的機(jī)械應(yīng)力沖擊，同時由電動機(jī)產(chǎn)生的反電勢引起的過電流還會造成熔斷器熔斷或斷路器脫扣。解決方法常采用電阻吸收或減負(fù)荷方式，或自動轉(zhuǎn)換開關(guān)為延時轉(zhuǎn)換型, 兩組動觸頭在轉(zhuǎn)換前增加一延時，可避免在切換大電機(jī)或變壓器負(fù)載時引起的沖擊電流。

4.6 產(chǎn)品認(rèn)證情況介紹

我國從2002年5月1日起開始對低壓電器產(chǎn)品實(shí)施3C認(rèn)證，由于ATSE國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》于2002年10月發(fā)布，2003年4月才開始實(shí)施，雖然自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器被列入批3C認(rèn)證 目錄，由于該國標(biāo)遲于實(shí)施。所以，目前ATSE產(chǎn)品只能進(jìn)行CQC認(rèn)證（即自愿認(rèn)證）。ATSE尚未進(jìn)行3C認(rèn)證。市場上自稱獲得3C證書的“ATSE”，實(shí)際是依據(jù)GB14048.3-2003《開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)以及熔斷器組合電器》標(biāo)準(zhǔn)獲得“轉(zhuǎn)換開關(guān)或電動轉(zhuǎn)換開關(guān)”3C證書。希望設(shè)計、使用部門注意它們的區(qū)別。

注：在設(shè)計選用易用性方面和可靠性方面存在的問題分別是：設(shè)計選用易用性方面因為這種ATSE同時有保護(hù)作用，而保護(hù)作用就必須和上級、下級保護(hù)電器形成匹配，才能達(dá)到選擇性保護(hù)的目的，本身設(shè)計師在設(shè)計時就存在無法獲知供電局級各短路參數(shù)無法效驗，現(xiàn)在在選用時又增加了復(fù)雜性，所以易選性差；而由于該種ATS是靠電機(jī)堵轉(zhuǎn)推動外部元件來切換的，如該元件斷裂等因素會造成兩路電源直接短路，嚴(yán)重危害電網(wǎng)安全（GB50052-1995有詳細(xì)規(guī)定）。

4種用于兩路電源轉(zhuǎn)換的開關(guān)電器

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及性能對比

*PC級ATSE的體積是CB級ATSE體積的30％～40％