1、一、自动转换开关电器 ATSE 的现状选择与应用类别：行业动态 发布时间：2008-1-25 阅读：1061摘要： 本文通过对断路器、刀开关（电动式）和自动转换开关电器三种产品在结构、性能及标准等方面进行分析与对比，指出用在两路电源|稳压器切换的理想电器产品为 PC 级 ATSE。 关键词： 转换开关 现状 选择应用 1、国内外 ATSE 产品现状自动转换开关电器（ATSE）主要用在紧急供电系统，是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：电源间的
2、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、使用列为重点加以限制与规范。我国自动转换开关电器的研制和生产在 90 年代初还处于空白状态，也无国家标准。国内所需的双电源转换装置往往由设计、成套部门用接触器、断电器等产品组合而成来替代。这种方案性产品往往因没有经过测试检验，其可靠性、安全性存在较大隐患（尤其是用两台接触器作为两路电源转换，电气连锁极不可靠，锁极一旦失败，将造成两台电源变压器并联，电源并联形成的系统潮流严重的可催毁整个供电系统）。之后
3、由天津低压电器公司开发了由断路器+机械连锁+ 控制器构成自动转换开关电器。它的进步是由产品替代方案，并按一定技术规范进行产品试验验证，产品的可靠性、安全性大大提高。90 年代中期，针对国内市场急需高性能、高可靠自动转换开关电器产品的现状，日本、法国、德国、美国等自动转换开关电器先后打入中国市场，在一定程度上缓解了我国市场需求。近几年，我国的自动转换开关电器生产企业（尤其是生产 CB 级 ATSE 企业）迅速增加，其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难，也由于对 ATSE 使用和选用不当，给国家财产造成很大损失。为了规范自动转换开在电器（ATSE）产品的生产与选用，国家质检总
4、局于 2002 年 12 月颁布了 GB/T14048.11-2002自动转换开关电器 （等同 IEC60947.6.1-1998）国家标准，2003 年 4 月 1 日实施。该标准将是今后 ATSE 生产制造；企业、设计使用单位、商业活动共同遵循的一部技术性法规文件，也将是 3C 认证依据的技术法规。自动转换开关电器（ATSE）分 PC 有与 CB 级两种。代表 PC 级的具有世界先进水平的产品有美国的 ASCO 及 ONAN。代表 CB 级的有德国穆勒的 ATS-NZM、法国的施耐德。目前，国内生产 CB 级 ATSE 产品的企业约几十家，如天津低压电器公司、常熟开关厂、温州三开及穆勒电气
5、（上海）有限公司等。生产 PC 级 ATSE 产品的企业有广东奇正、北京第一低压电器、上海环奇等。生产电动式刀开关（用于双电源切换）产品的企业也有 5-6 家，如法国朔高美等。ATSE 一般由两部分组成：开关电器本体；控制器。1.1 开关电器本体开关电器本体又分两类：第一类为 CB 级。它是由两台断路器加机械连锁组成，具有短路保护功能；第二类为 PC 级，一体式结构（三点式）。它是双电源切换的专用开关，具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快（0.2s 内）、安全、可靠等优点，但需要配备短路保护电器。1.2 控制器控制器也有两种形式：一种由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字电子型智能化产品
6、。它具有性能好，参数可调及精度高，可靠性高，使用方便等优点。国内外常见的几种 ATSE 产品及电动式刀开关产品的对比见表 1。常见 ATSE 产品与电动式刀开关产品的对比表 12 产品结构分析对比及 ATSE 的选择目前，国内市场上用于两路电源切换的大致有三种开关电器：CB 级 ATSE；PC 级 ATSE；刀开关（电动）。下面从产品结构、性能及所遵循的标准三个方面，分别将 CB 级与 PC 级 ATSE；PC 级 ATSE与刀开关（电动）进行对比和分析。从中不难发现，PC 级 ATSE 是理想的两路电源切换电器产品。2.1CB 级与 PC 级 ATSE 两者有以下区别2.1.1 两者机械设计
7、理念不同CB 级是由断路器组成，而断路器是以分断电弧为已任，要求它的机械应快速脱扣。因而断路器的机构存在滑扣、再扣问题；而 PC 级产品不存在该方面问题。PC 级产品的可靠性远高于 CB 级产品。2.1.2 断路器不承载短路耐受电流，触头压力小供电电路发生短路时，当触头被斥开产生限流作用，从而分断短路电流；而 PC 级 ATSE 应承受 20Ie 及以上过载电流。触头压力大不易被斥开，因而触头不易被熔焊。这一特性对消防供电系统尤为重要。2.1.3 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、爬电距离的 180%、150%（标准要求
8、）。因而 PC 级 ATSE 安全性更好。2.1.4 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，在其表现易形成阻碍导电、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。2.2PC 级 ATSE 与刀开关（电动）区别2.2.1 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。刀开关（电动）符合 GB14048.3开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器。2.2.2 灭弧系统不同PC 级 ATSE
9、 充分考虑了在电源转换过程中可能出现的二次电弧击穿问题，所以对触头开距有一定要求，而且要求电弧的游离气体应迅速排放。否则，易造成电源相间短路。2.2.3 两者电气性能要求不同PC 级 ATSE 是在 6In 电流，1.05Ue 电压下，接通/分断循环次数为 12 次；而刀开关是在 3Ie/1Ue 下，接通/分断 5 次。两者的电气寿命、机械寿命也不同。PC 级 ATSE 的电气寿命是在 2In/1.05Ue 条件下至少操作循环 1000 次，机械寿命 5000 次；而刀开关的电气寿命仅在 1In/1Ue 条件下操作 200 次，机械寿命 800 次。两者电气可靠性不同。2.2.4 转换速度不同
10、PC 级 ATSE 转换速度一般小于 0.3s；而刀开关用于双电源轩换时转换速度不少于 1s。2.2.5 试验方法不同在进行接通与分断试验时，PC 级 ATSE 是在不同的电源相序下进行（灭弧能力考核较严）；而刀开关对相序无要求。通过上述对比可知 PC 级 ATSE 是理想的电源转换开关产品。3 ATSE 产品的应用随着经济发展，现代生活和现代工业对断电的容忍能力越来越差。国外工业发达国家（尤其是美国）把 ATSE 产品视为电源的一部分，对 ATSE 产品选择与使用都很慎重。在双电源紧急供电系统首先 PC 级产品，且开关在转换过程中不允许中间停留（即不带零位）。其目的是增加电源的可靠性。由于备
11、用电源种类不同，ATSE 选择也应有所不同。目前，国内备用电源有三种形式：（1）电网；（2）发电机组；（3）EPS（蓄电池组逆变）。当备用电源为（2）或（3）时，其容量一般仅是常用电源容量的 20%30%。ATSE 的控制器一般应有非重要负荷选择功能（如图 1 所示）。QT 由控制器控制。QT 在 ATSE 转换前断开，在 ATSE返回后闭合。图 1 紧急供电系统线路注：Un 为常用电源（电网）Ug 为备用电源（发电机）Qg 为熔断器隔离器QT 为负荷选择开关，由控制器操作。DN 为控制器当 ATSE 使用在电路末端且用于消防电源转换时，负荷过载应有报警提示功能。其熔断器（Qg）保护特性应与负
12、载要求相匹配。ATSE 一般是不允许带大电动机或高感抗负载转换。如大电动机负载在运行中切换，电源相位差距较大时它将受到巨大的机械应力。同时由电动机产生的反电势引起的过电流可能造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式。图 1 是 ATSE 在紧急供电系统中理想的使用线路图。图中的 Qg 在电路中起两个作用，一是短路保护；二是维修隔。4 新一代 PC 级 ATSE 产品简介为了向广大用户提供理想的 ATSE 产品，上海电器科学研究所与国内多家企业联合开发出我国新一代 PC 级 ATSE 产品HYQ1 系列自动转换开关电器。该产品是目前国内第一家完全依据新的国家标准设计、生产并
13、通过检测的 PC 级 ATSE 产品。该系列产品有 80A、160A、225A、400A、800A、1600A。4.1HYQ1 产品特点（1）符合 GB/T14048.11-2002自动转换开关电器标准；（2）产品适应环境强，具有较强的可靠性：工作环境温度宽：+55 /25，工作电压范围广：70%Ue120%Ue，电磁环境 1：公共电网；（3）开关本体结构为积木式，体积小，是同规格 CB 级 ATSE 体积的 1/31/2；（4）主触头系统为单刀双掷（三点式）结构，自身连锁，不会同时接通两路电源；（5）操作机构为单线圈双向操作，机构简单，转换动作速度快，时间小于 150ms；（6）主触头切换容
14、量大，可以带 6Ie 切换，而且是在两路电源相序不同下切换；（7）带非优先线路选择开关（加卸负荷）；（8）产品有 2 极、3 极、4 极之分，第 4 极（N 极）有闭路转换和开路转换两种。4.2 控制器产品特点控制器是以 CPU 为核心，具有对电压、频率故障进行检测与判断，并可以实现启动、关闭发电机组、相位角监测、暂态停留控制、非优先线路选择、遥控、通讯功能，带有液晶显示。参考文献1GB/T14048.11-2002低压开关设备和控制设备第 6 部分多功能设备自动转换开关电器2GB14048.3-2002低压开关设备和控制设备低压开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器3GB/T14048.1-
15、2000低压开关设备和控制设备总则自动转换开关 ATSE（AutomaticTransfer Switch Equipment）是一种常用的电器开关设备，主要作用是在两路可用的供电电源间，选择一路安全、可靠的电源向负载供电，以保证负载用电的连续性。自从有了双路电源向负载供电的配电系统，就有了双电源自动转换开关的应用。我国相关部门于 2002 年 10月 8 日颁布了 ATSE 的国家标准 GBT14048.11，并在 2003 年 4 月 1 日起实施。该标准等同于国际电工委员会标准 IEC6094761。本文将紧密结合 GBT14048.11 标准，综合设计和使用中存在的问题，尤其是招标技术
16、要求中，对 ATSE 的要求和限定内容，做以下初步的阐述和探讨。 二、自动转换开关的定义 GBT14048.11 定义：自动转换开关电器 ATSE 是由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器组成，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至另一个电源的电器。由该定义我们可以理解如下： （1）ATSE 是一种独立的电气开关 它并列于断路器、负荷开关、熔断器、接触器等电气开关，具有相应的电气参数要求。 （2）ATSE 是由转换开关和相应的监视、控制等电子电路组成 也就是说，只有完整的 ATS 主开关加配套的控制器才能构成 ATSE。 （3）由 ATSE 所配套的控制机构自行监视
17、两路供电电源的状况 按一般理解，供电电源被监视的主要参数应该是电压和频率，但该标准中没有明确指出被监视的应该是三相还是单相电压频率。对于设计者来说，如果要求 ATSE 有缺相转换功能，则 ATSE 的控制器应具备双路三相侦测的功能。 （4）这一转换过程是自动完成的 ATSE 的控制器将侦测的双路电源的实际状况，与控制器预先存储的设定做比较和逻辑判断，然后做出是否驱动转换的控制命令。 （5）这种转换是在两路电源间完成的 目前的供电系统中，对于紧急负载大多数是两路电源一用一备的情况，但也有一用两备的三电源供电系统。对于这种系统，不能单靠一个 ATSE 来完成转换。其解决办法是：用两个 ATSE 来
18、组合完成，或使用三台断路器（注意是否有机械连锁）外置控制和电气连锁来完成。 2、ATSE 的分类 依据国家标准，ATSE 只有一种分类方式：PC 级和 CB 级。目前市场上常说的“两段式”、“三段式”ATSE 是不规范的称谓。 PC 级的 ATSE 就是只完成双电源自动转换的功能，而不具备短路电流分断的功能；CB 级的 ATSE 是既可以完成双电源转换、又可以具有短路电流保护的功能。 PC 级和 CB 级 ATSE 各有优点和缺点，无法简单的衡量 PC 级和 CB 级到底哪一个更好。设计和使用者自己可根据本地区的使用习惯和系统要求来选择 ATSE 的级别，同时要结合其他电气元件来组建应急供电系
19、统。 3、ATSE 的基本技术参数 作为一种电气开关，ATSE 有些基本的技术参数和要求，这也是设计中应该注意的细节和编写招标技术文件中应该包含的技术要点，主要有： （1）级别 选择和使用 ATSE，首先要确定其级别，是 PC 级还是 CB 级。这将影响到以后如何选择 ATSE 的短路特性。 （2）额定电压、额定工作电流、额定频率、开关极数 这些电气技术参数跟我们熟悉的断路器的电气参数一样，在这里就不赘述了。 （3）使用类别 使用类别是对负载类型的分类。按照国家标准，具体分类见表 1。 表 1 ATSE 的使用类别 在国家标准中，至少有额定接通和分断能力和操作性能两个 ATSE 的重要指标是跟
20、使用类别密切相关的。 定接通与分断能力是由制造厂规定的，指在规定条件下，ATSE 能够接通与分断的电流值。对于纯阻性负载来说，接通和分断的电流就是额定电流。但实际使用中很少有单纯的阻性负载，大多数是感性、容性、阻性的混合负载。例如对电动机型负载的转换，对于绝大多数 ATSE 都是“先断后接”的转换，也就是在转换过程中，对于电动机负载来说实际是再加电、再起动的过程。此处的 ATSE 要有足够的接通和分断能力来满足起动瞬间的冲击电流。国家标准中对这一参数做了专门的限定和实验条件，见表 2。 表 2 ATSE 的接通与分断实验条件由上表可以看出，无感或微感负载 AC 一 31 的接通能力很小，其额定
21、接通和分断能力只有 1.5 倍的额定电流，基本上不考虑感性或容性负载的再起动冲击。对于大多数负载来说，应该按 AC 一 33 来考虑，也就是说能够满足 6 倍额定电流接通与分断条件要求（因为大多数电动机的起动电流是额定电流的 68倍，所以在国家标准中，对于 AC 一 33 的负载类型，是用 6 倍的额定电流来做实验的）。 在设计和使用过程中，一定要分清使用类另的概念，即使选择了满足 IEC609476 一 l（等同于GBl4048.11 的 IEC 标准）要求、但仅适用于 AC 一 3l 级负载使用类别的 ATSE，对电动机型负载而言，依然会因瞬间接触产生的冲击电流造成 ATS 触头的融化、粘
22、连。 因此，建议设计者和使用者在不能明确负载类型时，可以依据 AC 一 33 A、33 B 型负载来选择ATSE。 跟使用类别紧密相连的另一 ATSE 技术指标就是操作性能，相关国家标准要求参见表 3。 表 3 验证ATSE 的操作性能对应于各种使用类别的接通与分断条件 与上面的讲解一样，因为负载使用类别的不同，AC 一 33 型负载比 AC 一 3l 型负载的实验条件更苛刻，更能适用于复杂类型的实际负载。 （4）短路特性 1) 额定短时耐受电流 ICW 对于 PC 级 ATSE 来说，其只完成转换而不具备短路保护能力，其自身的短路保护是依靠前端的断路器（或熔断器）来完成的。该断路器或熔断器不
23、是为保护 ATSE 而单独设立的，而是保护整个回路的。ATSE 也是回路中的电气元件，也是在被保护范围之内的。 PC 级 ATSE 在遇到短路电流时，要在一定的时间内可以耐受一定的短路电流冲击，直到保护断路器起作用。这一耐受能力就是额定短时耐受电流，具有“耐受时间”和“耐受电流值”两个概念。国家标准中对额定短时耐受电流的规定见表 4。 表 4 额定铺时耐受电流的相关规定 注：以交流 50Hz 来考虑目前中国市场上的 ATSE 基本满足这一要求。需要说明的是两点： (1) 额定短时耐受电流是由制造厂规定的，ICW 和 ICU 、ICS 是不同的概念。 额定极限短路分断能力 ICU 也是由制造厂家
24、给出的，是断路器的标准技术参数，表示断路器最大能承载和分断开多大的短路电流。 额定运行短路分断能力 ICS 也是断路器的基本技术指标，表示实际运行中，断路器可以分断开多大的短路电流。用极限短路分断能力 ICU 的百分比来表示，一般有：50%、75%、100%。 额定短时耐受电流 ICW，一是针对不具备保护能力的电器元件，例如：负荷开关、接触器、PC 级ATSE 等的基本技术参数。ICW 和 ICU 间没有换算关系，但断路器的 ICW 值一定小于 ICU 值。例如 NS 系列开关，800A 额定的 ICU 值可以高达 75kA，但 ICW 值只有 25Ka（1s）。它们都是由生产厂家实验给出的数
25、值，用于衡量不同电气设备的参数。在实际的工程设计和使用中，这两个数值要求都应该是设计者计算得出，由生产厂家来满足的。 简单来说，ATSE 的核心部件应该是开关的触头，至于驱动触头的方式和闭锁触头位置的方法有很多种。而 ICW 值的大小主要是取决于触头的品质。我们知道，导体通电发热量与流过的电流平方和时间成正比，要想提高 ICW 值使触头不因过热而熔化，就要提高开关触头的熔点，使用高熔点的合金触头和增大触头接触面积来降低导体电阻。 (2) ICW 值满足国家要求不一定满足实际工程的使用要求。对于相同额定电流的断路器来说，其短路分断容量就有高、中、低的区分，所以设计者要根据自己的计算来指定使用 A
26、TES 处的短路耐受电流，这一值往往高出国家标准要求很多。例如从变电所低压母线上直接引出 150A 额定容量的回路为变电所本身使用，所选择的 ATSE 额定容量为 150A，但短路耐受容量可能要到 40kA 以上。而国家标准对应的 150A ATSE 10kA 就可以满足了。 2) 短路接通能力 与前面讨论的额定接通能力类似，如果转换是发生在短路故障时，例如因短路而跳脱正常电源的断路器使 ATSE 正常电源侧失电，ATS 触头接触时就要承受更大的电流，ATSE 的这一承受能力用短路接通能力来衡量。 3) CB 级 ATSE 的额定短路接通和分断能力这一技术指标很好理解，实际上就是断路器的额定短路接通和分断能力，这里就不赘述了。 4、结束语 国家标准 GBT14048.11 仅仅是对 ATSE 的研制、生产、设计、使用的一个通用标准和最起码的要求。实际设计和使用中还会遇到其他的问题，还有 ATSE 的控制器和逻辑判断问题。希望以上的介绍，能让读者对 ATSE 的技术指标有一个大致的了解，结合自己的实际工程情况，更方便、灵活的选择和使用ATSE 设备，同时提出与国家标准相一致的技术规格要求。三、PC 级与 CB 级 ATSE 对比2
