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自动转换开关电器(ATSE)标准、结构、选用

2013/12/3 11:20:33      点击:

        目前,双电源自动转换开关(ATS)在国内已经有几十年的运用历史,在没有标准之前,各种开关(接触器、断路器、隔离开关等)都被运用在双电源自动转换开关上面。自从国家标准GB/14048.11实施以来,双电源自动转换开关(ATS)作为一个独立的低压开关种类,被广泛用于两路电源间的自动转换,以确保重要负载电源的连续供应。目前有多种型式的双电源转换开关,本文从标准、结构、选用等方面,给予探讨,也希望能给广大用户和爱好者提供参考。

一、 标准:  
◆国家标准:GB/T14048.11-2002
 IEC标准:IEC60947-6-1:1998 
  低压开关设备和控制设备 第6部分:多功能电器 第一篇:自动转换开关电器 
◆国家标准的定义:由一个(或几个)转换开关电器和其它必需的电器组成,用于检测电源电路,并将一个或多个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。  
◆中文标准名称:自动转换开关电器 英文标准名称:Automatic Transfer Switching Equipment (ATSE)  
◆PC级ATSE:能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。  
CB级ATSE: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  
◆认证情况:中国、IEC、UL都对ATSE制订专门的标准(几个标准完全等同),所以,就必须选择符合标准的ATSE,由于我国ATSE没有实行CCC认证,所以,目前符合国家标准的唯一依据就是获得由中国质量认证中心按照GB/T14048.11标准颁发的CQC证书。
◆特别说明:
•  在没有国家标准之前,只要具有失电自动转换功能,都被用于两路电源间的自动转换,最早的就是用两个接触器加一个逻辑电路控制器组合而成的产品。在有了国家标准之后,选择ATSE就必须以国家标准为最低要求设计、制造、选择和使用。目前,由于ATSE没有实施CCC认证,所以,能够证明一个开关是否符合ATSE国家标准的唯一依据就是CQC认证(按照GB/14048.11标准);
•  ATSE标准分PC级和CB级两种类别,国标里其进行CQC认证的型式试验的内容是不一样的,所发的CQC证书也是不同的,不能够互相代替,也不能够混淆;
•  ATSE是一个装置,由开关本体和检测控制器组成,能够实时检测两路电源的状态,当常用电源出现故障时(一相或者多相断相、欠压、过压、频率偏差等),能够将开关自动转换到备用电源。控制器是其必不可少的组成部分,也是ATSE与其它低压开关的主要区别,对其功能、可靠性必须给予高度重视。

二、 结构分析:  
◆ATSE一般由三部分组成:开关本体(ATS)、驱动/保持机构、控制器  
◆开关本体:指主触头的结构、材料、动静触头连接方式、触头压力、同步性、超程、动触头开启速度、灭弧方式等等构成。  
◆驱动/保持机构:使触头完成闭合、开启的传动机构。有三种方式,电磁直接驱动/保持(例如接触器);励磁+连杠传动驱动/机械保持;减速电机+传动机构驱动/机械保持。  
◆控制器:从仅有单相缺相控制功能到具有超过ATSE预设定的参数要求的参数检测、现场设定、显示、带通讯接口等功能,差别很大。  
◆提示:一个真正技术先进、可靠性高的ATSE,必须是以上三个部分都同步达到相应的水平。一个部分的缺陷,就是整个ATSE的缺陷。选择高可靠性的ATSE,也必须从以上三个方面综合判断。  
◆下面就目前国内市场供应的产品,进行分析:
•  开关本体(ATS):开关本体是ATSE的核心,ATSE的电气性能基本取决于此。目前市场上销售的ATSE,有两种本体结构:一种是直接采用标准的开关(接触器、断路器、隔离(负荷)开关)作为本体,市场90%以上的ATSE是此类结构。其特点是:利用现有已经非常成熟的开关,所以开发、制造成本低,开发风险小、投入少,产品上市速度快,国内有许多专门从事此类产品OEM贴牌的厂商。需要用户注意,这种结构的开关,其电气性能基本取决于所选用的本体开关的电气性能。另一种是完全独立单独设计(以ASCO、KRC共立为代表)的本体结构。因为是专门设计,所以触头材料、压力、开启速度、灭弧等开关的所有性能都可以按照要求设计(特别是高于国家标准要求或者特殊用途,例如AC-33A、耐高电流冲击能力等)。这类产品的缺点是:开发周期长、成本高;产品成本高。  
本体结构的选择依据,主要取决于使用类别(负载类型)。例如,用于消防水泵、风机和电梯的ATSE,属于电感性负载,所以要求选用使用类别为AC-33B的ATSE产品。美国ASCO、日本共立KRC的ATSE产品甚至达到AC-33A的要求。尽管ATSE是非频繁操作的开关,但按照AC-33A的要求制造,体现产品更高的可靠性。 
按照国标GB/T14048.11-2002交流自动转换开关使用类别分类如下: 
电流性质 使用类别 典型用途
 频繁操作 不频繁操作 
交流 AC-31A AC-31B 无感或微感负载
 AC-33A AC-33B 电动机负载或包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载的混合负载
 AC-35A AC-35B 放电灯负载
 AC-36A AC-36B 白炽灯负载

       根据本产品的研发经验,要满足AC-33使用类别标准,开关就必须采用特殊的触头材料(银合金)、开启速度要快(>0.5m/s)、要有专门的灭弧装置快速灭弧。一般采用铜材作触头材料、用电机驱动(开启速度慢)、没有特别灭弧装置的开关,是很难通过真正严格按照AC-33使用类别,同时满足ATSE机械、电气寿命等国家标准要求试验的。  
•  .驱动/保持机构:因为采用的本体结构不同,所以导致驱动/保持的结构也不同。采用现成的断路器和隔离(负荷)开关作为本体,驱动机构是减速电机+传动连杆,机械连锁、机械保持,保持状态无需电能。这种结构的特点是:转换速度较慢、触头分离速度慢(相对于励磁直接驱动)。专门设计的ATSE,采用的是励磁驱动+连杆传动,机械保持、结构连锁,这种结构转换速度快,触头分离速度快(100A以下可以达到0.75m/s以上)。  
•  控制器:控制器是ATSE必不可少的组成部分,ATSE能否在关键时刻发挥作用,控制器的可靠性是关键,这也是ATSE区别于其它低压开关的最重要之处。一般用户(包括一些制造商)往往只关注ATSE的电气性能,忽视了控制器的功能和可靠性。实际上,ATSE在使用过程中,绝大部分故障是控制器故障。因为只有控制器是连续工作的器件,所以其设计、制造、检验都要严格控制。  
       目前市场上供应的ATSE控制器,最简单的是只能检测一路电源的断相,复杂的可以检测除电源故障(一相或者多相断相、欠压、过压、频率偏差等)以外,还可以检测发电机的多个参数、可以提供发电机控制信号和通讯接口等等。选用什么样的控制器,需要考虑系统设计和负载。  
◆特别提示:
•  在一个系统中,各级ATSE的转换时间要有一个合理的“顺序”,这就要求ATSE的控制器可以在现场设定ATSE的转换时间;
•  带通讯接口的控制器,需要能够提供与上位机通讯记录的检测报告,因为只有通讯接口(硬件)不能保证能够正常通讯(软件)。

三、 选用注意事项
•  必须选择满足国家ATSE标准要求的产品,具备CQC认证(按照GB/14048.11标准)是目前唯一的依据;
•  从结构可靠性来讲,PC级ATSE可靠性高于采用断路器组成的CB级ATSE,所以,高可靠性要求的场所,宜选用PC级ATSE(美国ASCO、GE,日本共立KRC、爱知,法国溯高美等国际知名专业ATSE厂商只提供PC级ATSE也是佐证);
•  设计时选用PC级还是CB级,考虑的出发点不应是是否需要短路保护功能(PC级前面加上短路保护电气,系统就具备与CB级同样的保护功能),而是可靠性和成本。可靠性要求高,宜选用PC级产品;要求成本低可选用CB级。
•  断开故障电源的时间,不同结构的产品是不同的,对故障电源(例如断相)敏感度高的负载,就需要注意,应选用能够快速断开故障电源的励磁驱动式ATSE。采用断路器的CB级ATSE和采用隔离(负荷)开关的ATSE,是用减速电机驱动(电机转速一般为15-20rpm,开关需要转动到一定转角后触头才能断开),以100A以下电流等级开关为例,控制器发出转换指令后,需要1秒以上的时间,故障电源才会断开,而采用励磁直接驱动的ATSE,只需要大约30毫秒,故障电源就可以断开。
•  PC级前端是否需要加短路保护电器取决于PC级ATSE能否承受前端短路保护电器保护电流的冲击。如果能够承受,切换箱内就不需要再加短路保护电器,如果不能承受,就需要加一个保护电流低于PC级ATSE额定限制短路电流的保护电器,这需要制造商提供ATSE额定限制短路电流的保护电器类型和参数。PC级ATSE的额定限制短路电流必须与前端保护电器类型和参数匹配,此点需要特别注意。
•  要注意选择适合负载特性的ATSE,此点非常重要,否则可能一次切换就导致开关损坏。带电感负载的ATSE宜选用具有AC-33使用类别的ATSE。符合这种要求的开关,触头材料应当是银合金,开启速度要较快,还必须有专门的灭弧装置。
•  要充分注意操作、维护、更换的方便性:因为ATSE在国内还是较新的电器,使用时间短、范围小,一般用户(特别是不直接使用的用户)不太注意产品的操作、维护、更换的方便性,但成熟的产品,应当是充分考虑这些因素的。因为控制器故障是ATSE使用过程中故障最多的部分,所以,控制器应当是外置式设计,也就是可以不用拆开关就可以方便快捷更换控制器。用断路器的CB级ATSE,短路保护跳闸以后需要专门的操作才能够恢复。如果出现其中一个断路器故障,就必须整个更换新的同型号ATSE,如果不能随时快速保证产品供应(制造商的供应和物流、服务能力),出现故障将会导致长期停电,这些需要事先充分考虑。
•另外,建议一些场合可以选择进口PC级开关本体(ATS),同时选择配套的国产控制器。因为通过大量的工程实践表明,全套进口的PC级ATSE价格比较高,而国内部分厂家生产的控制器质量和进口的差不多,且价格很实惠!