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雙電源自動轉換的開關結構及運用探討

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摘要:能夠用于雙電源自動轉換的開關，在國內已經有幾十年的歷史，在沒有標準之前，各種開關（接觸器、斷路器、負荷開關等）都被運用在雙電源自動轉換開關上面。自從國家標準GB/14048.11實施以來，出現了完全按照標準要求設計、制造的ATSE。目前有多種結構型式的雙電源轉換開關，本文從標準、結構、可靠性、選用等方面，給予探討，供業內朋友參考。　　
　　關鍵詞 ATSE 標準結構可靠性使用注意事項
　　能夠用于雙電源自動轉換的開關，在國內已經有幾十年的運用歷史，在沒有標準之前，各種開關（接觸器、斷路器、隔離開關等）都被運用在雙電源自動轉換開關上面。自從國家標準 GB/14048.11實施以來，ATSE作為一個獨立的低壓開關種類，被廣泛用于兩路電源間的自動轉換，以確保重要負載電源的連續供應。目前有多種結構型式的雙電源轉換開關，本文從標準、結構、運用等方面，給予探討。
標準
　　國家標準：GB/T14048.11
　　IEC標準：IEC60947－6－1
　　國家標準的定義：由一個（或幾個）轉換開關電器和其它必需的電器組成，用于檢測電源電路，并將一個或多個負載電路從一個電源自動轉換到另一個電源的電器。
　　中文標準名稱：自動轉換開關電器
　　英文標準名稱：Automatic Transfer Switching Equipment(ATSE)
　　PC級ATSE：能夠接通、承載、但不用于分斷短路電流的ATSE。
　　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斷短路電流
　　認證情況：目前ATSE還未進行CCC認證，所以，能夠證明一個開關是否符合標準的唯一依據就是通過中國質量認證中心頒發的CQC認證。
　　特別說明
在沒有國家標準之前，只要具有失電自動轉換功能，都被用于兩路電源間的自動轉換，最早的就是用兩個接觸器加一個邏輯電路控制器組合而成的產品。在有了國家標準之后，選擇ATSE就必須以國家標準為最低要求設計、制造、選擇和使用。目前，由于ATSE沒有實施CCC認證，所以，能夠證明一個開關是否符合ATSE國家標準的唯一依據就是CQC認證（按照GB/14048.11標準）；
ATSE標準分PC級和CB級兩種類別，國標里其進行CQC認證的型式試驗的內容是不一樣的，所發的CQC證書也是不同的，不能夠互相代替，也不能夠混淆；
ATSE是一個裝置，由開關本體和檢測控制器組成，能夠實時檢測兩路電源的狀態，當常用電源出現故障時（一相或者多相斷相、欠壓、過壓、頻率偏差等），能夠將開關自動轉換到備用電源。控制器是其必不可少的組成部分，也是ATSE與其它低壓開關的主要區別，對其功能、可靠性必須給予高度重視。
結構分析
　　ATSE一般由三部分組成：開關本體、驅動/保持機構、控制器
　　開關本體：指主觸頭的結構、材料、動靜觸頭連接方式、觸頭壓力、同步性、超程、動觸頭開啟速度、滅弧方式等等構成。
　　驅動/保持機構：使觸頭完成閉合、開啟的傳動機構。有三種方式，電磁直接驅動/保持（例如接觸器）；勵磁＋連杠傳動驅動/機械保持；減速電機＋傳動機構驅動/機械保持。
　　控制器：從僅有單相缺相控制功能到具有超過ATSE預設定的參數要求的參數檢測、現場設定、顯示、帶通訊接口等功能，差別很大。
　　提示：一個真正技術先進、可靠性高的ATSE，必須是以上三個部分都同步達到相應的水平。一個部分的缺陷，就是整個ATSE的缺陷。選擇高可靠性的ATSE，也必須從以上三個方面綜合判斷。
　　下面就目前國內市場供應的產品，進行分析：
開關本體：開關本體是ATSE的核心，ATSE的電氣性能基本取決于此。目前市場上銷售的ATSE，有兩種本體結構：一種是直接采用標準的開關（接觸器、斷路器、隔離（負荷）開關）作為本體，市場90%以上的ATSE是此類結構。其特點是：利用現有已經非常成熟的開關，所以開發、制造成本低，開發風險小、投入少，產品上市速度快，國內有許多專門從事此類產品OEM貼牌的廠商。需要用戶注意，這種結構的開關，其電氣性能基本取決于所選用的本體開關的電氣性能。另一種是完全獨立單獨設計（以ASCO、GE、泰永TBBQ3為代表）的本體結構。因為是專門設計，所以觸頭材料、壓力、開啟速度、滅弧等開關的所有性能都可以按照要求設計（特別是高于國家標準要求或者特殊用途，例如AC－33A、耐高電流沖擊能力等）。這類產品的缺點是：開發周期長、成本高；產品成本高。
　　本體結構的選擇依據，主要取決于使用類別（負載類型）。例如，用于消防水泵、風機和電梯的ATSE，屬于電感性負載，所以要求選用使用類別為AC－33B的 ATSE產品。美國ASCO、GE的ATSE產品甚至達到AC－33A的要求。盡管ATSE是非頻繁操作的開關，但按照AC－33A的要求制造，體現產品更高的可靠性。
　　根據我司的研發經驗，要滿足AC－33使用類別標準，開關就必須采用特殊的觸頭材料（銀合金）、開啟速度要快（＞0.5m/s）、要有專門的滅弧裝置快速滅弧。一般采用銅材作觸頭材料、用電機驅動（開啟速度慢）、沒有特別滅弧裝置的開關，是很難通過真正嚴格按照 AC－33使用類別，同時滿足ATSE機械、電氣壽命等國家標準要求試驗的。
　　驅動/保持機構：因為采用的本體結構不同，所以導致驅動/保持的結構也不同。采用現成的斷路器和隔離（負荷）開關作為本體，驅動機構是減速電機＋傳動連桿，機械連鎖、機械保持，保持狀態無需電能。這種結構的特點是：轉換速度較慢、觸頭分離速度慢（相對于勵磁直接驅動）。專門設計的ATSE，采用的是勵磁驅動＋連桿傳動，機械保持、結構連鎖，這種結構轉換速度快，觸頭分離速度快（100A以下可以達到0.75m/s以上）。
　　控制器：控制器是ATSE必不可少的組成部分，ATSE能否在關鍵時刻發揮作用，控制器的可靠性是關鍵，這也是ATSE區別于其它低壓開關的最重要之處。一般用戶（包括一些制造商）往往只關注ATSE的電氣性能，忽視了控制器的功能和可靠性。實際上，ATSE在使用過程中，絕大部分故障是控制器故障。因為只有控制器是連續工作的器件，所以其設計、制造、檢驗都要嚴格控制。
　　目前市場上供應的ATSE控制器，最簡單的是只能檢測一路電源的斷相，復雜的可以檢測除電源故障（一相或者多相斷相、欠壓、過壓、頻率偏差等）以外，還可以檢測發電機的多個參數、可以提供發電機控制信號和通訊接口等等。選用什么樣的控制器，需要考慮系統設計和負載。
　　特別提示
在一個系統中，各級ATSE的轉換時間要有一個合理的“順序”，這就要求ATSE的控制器可以在現場設定ATSE的轉換時間；
帶通訊接口的控制器，需要能夠提供與上位機通訊記錄的檢測報告，因為只有通訊接口（硬件）不能保證能夠正常通訊（軟件）。按照我司的研發經驗，這方面需要做許多的工作；
選用注意事項
必須選擇滿足國家ATSE標準要求的產品，具備CQC認證（按照GB/14048.11標準）是目前唯一的依據；
從結構可靠性來講，PC級ATSE可靠性高于采用斷路器組成的CB級ATSE，所以，高可靠性要求的場所，宜選用PC級ATSE（美國ASCO、GE，日本愛知、高田，法國溯高美等國際知名專業ATSE廠商只提供PC級ATSE也是佐證）；
設計時選用PC級還是CB級，考慮的出發點不應是是否需要短路保護功能（PC級前面加上短路保護電氣，系統就具備與CB級同樣的保護功能），而是可靠性和成本。可靠性要求高，宜選用PC級產品；要求成本低可選用CB級。
斷開故障電源的時間，不同結構的產品是不同的，對故障電源（例如斷相）敏感度高的負載，就需要注意，應選用能夠快速斷開故障電源的勵磁驅動式ATSE。采用斷路器的CB級ATSE和采用隔離（負荷）開關的ATSE，是用減速電機驅動（電機轉速一般為15-20rpm，開關需要轉動到一定轉角后觸頭才能斷開），以100A以下電流等級開關為例，控制器發出轉換指令后，需要1秒以上的時間，故障電源才會斷開，而采用勵磁直接驅動的ATSE，只需要大約30毫秒，故障電源就可以斷開。
PC級前端是否需要加短路保護電器？取決于PC級ATSE能否承受前端短路保護電器保護電流的沖擊。如果能夠承受，切換箱內就不需要再加短路保護電器，如果不能承受，就需要加一個保護電流低于PC級ASTE額定限制短路電流的保護電器，這需要制造商提供ASTE額定限制短路電流的保護電器類型和參數。PC 級ATSE的額定限制短路電流必須與前端保護電器類型和參數匹配，此點需要特別注意。
要注意選擇適合負載特性的ATSE，此點非常重要，否則可能一次切換就導致開關損壞。帶電感負載的ATSE宜選用具有AC－33使用類別的ATSE。符合這種要求的開關，觸頭材料應當是銀合金，開啟速度要較快，還必須有專門的滅弧裝置。
要充分注意操作、維護、更換的方便性：因為ATSE在國內還是較新的電器，使用時間短、范圍小，一般用戶（特別是不直接使用的用戶）不太注意產品的操作、維護、更換的方便性，但成熟的產品，應當是充分考慮這些因素的。因為控制器故障是ATSE使用過程中故障最多的部分，所以，控制器應當是外置式設計，也就是可以不用拆開關就可以方便快捷更換控制器。用斷路器的CB級ATSE，短路保護跳閘以后需要專門的操作才能夠恢復。如果出現其中一個斷路器故障，就必須整個更換新的同型號ATSE，如果不能隨時快速保證產品供應（制造商的供應和物流、服務能力），出現故障將會導致長期停電，這些需要事先充分考慮。

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