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專家論點(diǎn):中建院李炳華先生-自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE可靠性分析 

《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE可靠性分析》

作者：中國建筑設(shè)計研究院總工程師 李炳華先生（100044）

摘要: 本文剖析了CB級ATSE和PC級ATSE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了ATSE的可靠性，并用ATSE返修率驗證其可靠性。從中得出PC級ATSE的可靠性高于CB級ATSE，雙電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE可靠性高于單電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE。

關(guān)鍵詞:自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器ATSE CB級 PC級 可靠性 返修率

Abstract:The construction and principle of ATSE will be anatomized in order to analyze the reliability of ATSE in this thesis. And the reliability will be validated by studying ratio of repairing ATSE. The conclusion will be given, that is, the reliability of Class PC is better than Class CB’s, Class CB with two motors is better than one motor’s.

Keywords:ATSE  Class CB  Class PC  Reliability  Ratio of repairing ATSE

1.概述:

ATSE學(xué)名自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器，英文名稱：Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE是其英文名稱的縮寫。根據(jù)GB/T14048.11-2002《自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》的定義，ATSE是由一個（或幾個）轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路，并將一個或幾個負(fù)載電路從一個電源自動轉(zhuǎn)換至另一個電源的電器。ATSE可分為PC級和CB級，PC級ATSE能夠接通、承載、但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯腁TSE，CB級ATSE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Ｈ绾握_選用ATSE？許多專家發(fā)表了不少文章說明自己的觀點(diǎn)。筆者經(jīng)過長時間的研究，從分析ATSE可靠性入手，給讀者從另一角度認(rèn)識ATSE，以便正確、合理選用ATSE。

請讀者倍加注意：使用ATSE的負(fù)荷都是重要負(fù)荷，至少是二級負(fù)荷。因此，分析ATSE的可靠性十分必要。

2. CB級ATSE的特點(diǎn):

2.1 單電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

2.1.1  結(jié)構(gòu)及工作原理:

  圖1為單電動操作機(jī)構(gòu)CB級的ATSE，它通常由二個斷路器、一個操作電動機(jī)、減速齒輪、連桿機(jī)構(gòu)、操作推屬器件組成。

單電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的工作原理如下：首先閉合常用電源,檢測電路8檢測到常用電源參數(shù)正常，電動機(jī)2（在板的背面）轉(zhuǎn)動,帶動齒輪運(yùn)動。一般電動機(jī)轉(zhuǎn)速在1500轉(zhuǎn)/分鐘以上,經(jīng)減速齒輪3（在板的背面）轉(zhuǎn)速變?yōu)榧s15轉(zhuǎn)/分鐘。齒輪帶動連桿機(jī)構(gòu)4旋轉(zhuǎn),致使一個推桿5推動一個斷路器1手柄10至"合"位置,另一個推桿推動另一個斷路器手柄至"分"位置。當(dāng)斷路器手柄到位時，微動開關(guān)6動作，斷開電動機(jī)控制回路，電動機(jī)停止。機(jī)械鎖扣件7保證兩個斷路器不能同時合閘。

電源切換時,電動機(jī)反向旋轉(zhuǎn),帶動機(jī)械各部件也向相反方向運(yùn)動,斷路器手柄在推桿的作用下做相反操作,即原來合閘的斷路器變?yōu)榉珠l,分閘的斷路器變?yōu)楹祥l,從而完成雙電源的切換。

2.1.2 故障類型:

1.機(jī)械偏差造成操作卡死:

單電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE有很復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，機(jī)械部件較多，機(jī)械之間的連接和定位會因長時間使用而出現(xiàn)變形、松動，久而久之，機(jī)械系統(tǒng)偏差越來越大，結(jié)果造成斷路器合閘、分閘不到位，更有甚者機(jī)械系統(tǒng)卡死。 

圖2 為機(jī)械故障之一，由于機(jī)械系統(tǒng)的偏差，推桿從斷路器操作手柄中脫開，即使斷路器質(zhì)量很好，但就ATSE而言，圖中所示的ATSE不能可靠工作，ATSE的可靠性遠(yuǎn)低于斷路器。

2.電動機(jī)及減速齒輪損壞比例較高:

正如前面所述，機(jī)械系統(tǒng)的偏差造成微動開關(guān)的損壞或微動開關(guān)因不到位而不動作，結(jié)果電動機(jī)的控制回路不能正常斷電，該停止的時候電動機(jī)不能停止，而出現(xiàn)電動機(jī)過載或堵轉(zhuǎn)現(xiàn)象，如果過載或堵轉(zhuǎn)時間較長，電動機(jī)會縮短壽命，嚴(yán)重情況下電動機(jī)會被燒毀。

這種情況下，減速齒輪也要承受巨大能量，同樣其壽命將大打折扣，嚴(yán)重時齒輪損壞也就不足為怪。

3.電器件損壞:

ATSE內(nèi)的電動機(jī)過載或堵轉(zhuǎn)會產(chǎn)生另一惡果，保護(hù)、控制電動機(jī)的電子器件會因此而損壞。常見的問題有繼電器燒毀、熔斷器燒壞等。這類問題占ATSE損壞的比例較高，僅排在電動機(jī)損壞、齒輪故障之后，位于第三高故障率。

2.2 雙電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

2.2.1  結(jié)構(gòu)及工作原理

圖3所示為雙電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE，從結(jié)構(gòu)上看，它比單電動操作機(jī)構(gòu)要簡單的多，有兩個斷路器1、兩個電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)2、一個控制器3、一個機(jī)械鎖扣件4組成。

鎖扣件可以保證只有一個斷路器處于合閘的位置，但可保證兩個斷路器均在分閘位置。

2.2.2 故障分析

簡單的結(jié)構(gòu)造就了雙電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的高可靠性。表1匯總了國內(nèi)多家廠家CB級ATSE返修情況，從另一個側(cè)面驗證了雙電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE可靠性要高于單電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE。

表中返修數(shù)量不包括退貨的數(shù)量，故障比例為某類故障的ATSE數(shù)與總故障數(shù)之比，返修率為返修的ATSE數(shù)與該時期ATSE銷售數(shù)量之比。由此可見，單電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE返修率是雙電動操作機(jī)構(gòu)的1.95倍，可靠性高低一目了然。

表1 CB級ATSE故障分類

2.3 CB級ATSE固有的特點(diǎn) CB級ATSE固有的特點(diǎn)就是具有短路保護(hù)，它實(shí)現(xiàn)了雙電源切換和短路保護(hù)兩個功能，減少了連接點(diǎn)。因此，在歐洲CB級ATSE被廣泛使用。據(jù)介紹，額定電流在630A以上的ATSE，歐洲只采用CB級；630A以下的ATSE約60％使用CB級，40％使用PC級；ATSE沒有100A以下的產(chǎn)品。 

CB級ATSE除了具有上述優(yōu)點(diǎn)外，還存在許多不足。 

①由斷路器構(gòu)成的CB級ATSE有滑扣的危險。 圖4所示斷路器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，低壓斷路器由觸頭、滅弧裝置、操作機(jī)構(gòu)和保護(hù)裝置等組成。在斷路器中靜觸頭和動觸頭被用來實(shí)現(xiàn)電路接通或分?jǐn)?，斷路器操動機(jī)構(gòu)包括傳動機(jī)構(gòu)和脫扣機(jī)構(gòu)兩大部分，傳動機(jī)構(gòu)有手動傳動、杠桿傳動、電磁鐵傳動、電動機(jī)傳動。從上面可知，CB級的ATSE斷路器用電動方式操作斷路器的手柄，手柄處于“合閘”位置時，有時動觸頭和靜觸頭不能有效的閉合，這種現(xiàn)象叫做斷路器滑扣?；蹖?dǎo)致電路不能正常接通。

②由斷路器構(gòu)成的CB級ATSE存在無選擇性保護(hù)現(xiàn)象，停電面積擴(kuò)大，不能滿足重要負(fù)荷供電要求。

圖5所示，當(dāng)支路A點(diǎn)發(fā)生短路故障，由于保護(hù)選擇性較難滿足要求，斷路器Q1和ATSE均跳閘。此時電源正常供電，沒有出現(xiàn)電源偏差，ATSE不切換。因此，故障回路被切除的同時，本箱（柜）內(nèi)其它非故障支路也停電，停電范圍被擴(kuò)大。要知道，這些負(fù)荷都是重要負(fù)荷，雙電源沒有給這些負(fù)荷帶來更高的供電可靠性。

3 PC級ATSE的特點(diǎn)

3.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理

圖6為二段式ATSE的結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)軸4帶動動觸頭3轉(zhuǎn)動，當(dāng)動觸頭與上面的靜觸頭閉合時，接通上面的電源；相反，當(dāng)動觸頭與下面的靜觸頭閉合時，下面的電源被接通?？梢院苋菀椎目闯觯@種ATSE結(jié)構(gòu)非常簡單，可靠性十分高，兩個電源只能接通一個，機(jī)械結(jié)構(gòu)保證了雙電源的連鎖關(guān)系，同時控制器還配有電氣連鎖。

具有零位的三段式ATSE結(jié)構(gòu)也比較簡單，可靠性不必懷疑，讀者可以放心使用。

3.2 故障類型

根據(jù)調(diào)查，圖6、7所示的PC級ATSE機(jī)械故障比率低，在銷售的34378臺ATSE中，因機(jī)械故障而返修的僅7臺，返修率，約為萬分之二；因控制器故障而返修的為43臺，返修率為千分之一點(diǎn)二五；因其它原因而返修的4臺，返修率為萬分之一點(diǎn)二，總的返修率不足千分之一點(diǎn)六。返修率只有雙電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的43％，不足單電動操作機(jī)構(gòu)CB級ATSE的四分之一。機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢是PC級ATSE高可靠性的根本保證，如果在控制器元器件的選擇、線路優(yōu)化等方面下功夫，PC級ATSE可靠性還可進(jìn)一步提高。

4 結(jié)論

綜上所述，我們可以得出以下結(jié)論：

結(jié)論1：一體化結(jié)構(gòu)PC級ATSE的可靠性高于CB級ATSE。

一體化結(jié)構(gòu)指的是專門設(shè)計的、結(jié)構(gòu)上是整體的ATSE，它對應(yīng)由分立元器件組成的ATSE，后者分立元器件之間的過多連接造成其可靠性比一體化結(jié)構(gòu)的ATSE要低。圖6二段式和圖7三段式ATSE屬于一體化結(jié)構(gòu)的PC級ATSE。

在北美洲，ATSE只有PC級，不采用可靠性相對較低的CB級ATSE。

結(jié)論2：雙電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE的可靠性高于單電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE。

在歐洲，CB級ATSE約99％采用雙電動操作機(jī)構(gòu)的CB級ATSE，它由斷路器、電動操作機(jī)構(gòu)、機(jī)械——電氣連鎖裝置、控制器等組成。

中國ATSE標(biāo)準(zhǔn)等效了IEC標(biāo)準(zhǔn)，PC級和CB級都可采用，國家標(biāo)準(zhǔn)都容許它們存在，只要符合GB/T 14048.11-2002即可使用。PC級和CB級能夠在IEC共存，是歐洲與美洲妥協(xié)的結(jié)果，希望讀者根據(jù)可靠性合理、科學(xué)的選擇ATSE