鐵路低壓配電設計中ATSE的應用

殷 茵

0 引言

自動轉換開關電器（Automatic Transfer Switching Equipment，簡稱ATSE）是“由一個（或幾個）轉換開關電器和其它必需的電器組成，用于監測電源電路、并將一個或幾個負載電路從一個電源自動轉換至另一個電源的電器”。ATSE用于 2路電源之間帶負荷轉換，當接通負載的常用電源偏差超過負載允許的范圍，同時備用電源正常時，則ATSE能夠在短時間內自動將負載從常用電源轉換至備用電源，當常用電源恢復正常時，則自動返回至常用電源供電。

可見，ATSE用于一級、二級負荷的電源自動轉換，廣泛應用于建筑物電氣裝置設計中，隨著該技術的逐漸成熟和鐵路建設投資的增加，也逐步成為了鐵路設計中通信、消防等重要負荷的雙電源自動轉換裝置的設計主流。下文根據筆者幾年來在包惠線、藍煙線、玉鐵線等數條長大干線設計實踐經驗，就雙電源切換裝置設計的若干問題進行探討。

1 鐵路雙電源負荷概況

GB 50052-2009《供配電系統設計規范》3.0.2條規定“一級負荷應由雙重電源供電，當一電源發生故障時，另一電源不應同時受到損壞”。3.0.7條規定“二級負荷的供電系統，宜由兩回線路供電”。GB50016-2006《建筑設計防火規范》11.1.5條規定“消防控制室、消防水泵房、防煙與排煙風機房的消防用電設備及消防電梯等的供電，應在其配電線路的最末一級配電箱處設置自動切換裝置”。TB 10008-2006《鐵路電力設計規范》中明確規定通信站設備、自動閉塞區段及客運專線的通信設備均屬于一級負荷，非自動閉塞區段的通信設備以及通信、信號設備配置的空調屬于二級負荷。TB 10008-2006《鐵路電力設計規范》4.1.3條規定“一級負荷應由兩路相對獨立電源分別供電至用電設備或低壓雙電源切換裝置處，并宜采用雙電源自動切換方式”。4.1.4規定“二級負荷的消防設備、為通信信號主要設備配置的專用空調、非自動閉塞區段的中小站信號設備和通信設備、道口信號設備等宜由兩回線路供電至用電設備或低壓雙電源切換裝置處”。

通信、信號設備與鐵路行車和安全密切相關，該類設備中斷供電在政治、經濟上將會造成重大損失和影響，因此，該類負荷被定義為一級負荷，部分為二級負荷。由上述規范可見，一級負荷應由雙電源供電，二級負荷宜由雙電源供電，而ATSE是實現雙電源切換的重要設備。因此ATSE在鐵路建設中主要應用于信號機械室、通信機械室、通信中繼站等重要場所，ATSE的選型應用是否合理和正確將直接關系到該類設備的安全運行。

2 ATSE的分類及區別

2.1 ATSE的分類

按照ATSE的特性，ATSE可以分為PC級和CB級。

PC級：能夠接通、承載，但不用于分斷短路電流的 ATSE。PC級只能通斷用電設備的負荷電流，并耐受產品規定的短路電流，不能分斷短路電流。目前的PC級ATSE分2種，一種是由隔離開關或負荷開關再加傳動機構和控制器組合而成；另一種是完全重新設計的一體式PC級ATSE，該種產品研發周期長，成本高，但是性能優秀，可靠性高，一級負荷中的特別重要負荷宜采用該類ATSE。

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斷短路電流。按照標準定義，只要主觸頭具有分斷短路電流能力的ATSE，就是CB級ATSE。目前市場上CB級ATSE都是采用斷路器作為開關本體。

2.2 ATSE的區別

（1）開關本體不同。CB級ATSE采用的斷路器多選擇銀鎢、銀碳化鎢材料，利于分斷電弧，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電、難驅除的氧化物，當備用觸頭一旦投入使用，觸頭溫度增高，易造成開關燒毀甚至爆炸；而PC級ATSE充分考慮了觸頭材料氧化帶來的后果。

（2）驅動機構不同。CB級ATSE采用電機機構來帶動斷路器手柄動作，結構復雜。PC級ATSE采用勵磁驅動，結構簡單。結構越復雜，出現故障的幾率就越高，所以PC級ATSE可靠性更高。

（3）功能不同。斷路器不承載短路耐受電流，觸頭壓力??；PC級ATSE應承受20Ie及以上過載電流。觸頭壓力大不易被斥開，因而觸頭不易被熔焊。該特性對消防供電系統尤為重要。

PC級ATSE充分考慮了2路電源在轉換過程中存在電源疊加問題因素。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%標準要求，安全性更好。

3 設計中遇到的問題及解決方案

從PC級與CB級2類ATSE的分析不難得出結論：PC級ATSE的可靠性更高。既然如此，何不直接選用PC級的ATSE呢？主要是因為鐵路上的通信設備和消防設備大多為單相負荷，而PC級的ATSE目前市場上成熟的產品均為3級和4級的型號，如果強制選用PC級ATSE，就要更換自閉貫通變壓器下的供電開關及電力電纜，將單相改為三相。由此將會引起2個問題，一是在施工時要明確三相引入后選用其中具體哪相供電，以免引起變壓器三相不平衡；二是會引起投資劇增，三相電力電纜的投資遠大于單相電力電纜的投資，不滿足經濟性要求。

而目前通信設備負荷多為48 V直流設備，消防設備負荷多為24 V直流設備，雙電源切換后電源變為直流供給用電設備。因此設備本身有處于浮充狀態的電池，故對ATSE切換時間無要求。此外，盡管《IEC62091固定式消防泵控制器》中規定消防泵用ATSE只能夠采用PC級，但是目前就筆者所接觸的設計鐵路的消防設備幾乎不涉及消防水泵，故與該標準并無沖突。

通過上述分析，提出了以下解決方案。

單相設備（中間站通信設備、消防）選用CB級2級的ATSE，并在前端設置隔離開關，有利于日后的安全使用、維護及檢修。圖1為單相設備的雙電源切換箱系統圖。

三相設備（通信站設備）選用 PC級 3級的ATSE。由于原則上PC級的ATSE自動轉換開關電器不作為短路保護電器，只作為電源自動轉換開關使用，因此前端應設置空氣斷路器保護。圖2為三相設備的雙電源切換箱系統圖。

關于是否斷中性線，筆者也參閱了大量的文獻，目前，業內普遍接受的結論是任何接地系統單相電源進線總開關應同時斷相線和中性線，TN系統內三相電源進線總開關只斷相線，不斷中性線。首先，在三相系統中斷開有關相線后，中性線電流自然消失，中性線過流問題不存在；其次，三相系統中性線觸頭導電不良難以發現，往往成為“斷零”，導致單相用電設備燒毀，而單相系統中的“斷零”不會產生該危險；此外，國內有關的防電擊標準中，建筑物內的等電位聯結都是必不可少的基本防電擊措施，所有外露導電部分和裝置外導電部分都處于同一電位，不存在電位差，檢修人員接觸中性線時不會遭受電擊，TN-S（包括TN-C-S）系統建筑物內的中性線無需隔離；目前鐵路建筑物設計中均采用 TN-S（TN-C-S）系統，綜上所述，CB級ATSE選用2級型號，PC級ATSE選用3級型號。

圖1 單相設備的雙電源切換箱系統圖

圖2 三相設備的雙電源切換箱系統圖

4 結語

ATSE在一級、二級負荷的供電中起著重要的作用，是盡快恢復供電不可或缺的重要設備。筆者從2種ATSE的區別出發，針對鐵路運營設備的特殊性，結合多年的設計經驗，對ATSE的選擇進行了探討。上述是在從業過程中遇到的相關問題的思考，只是筆者從設計的角度提出的看法，觀點難免偏頗，僅供同行參考，不妥之處，共同探討。

[1]李道本.雙電源自動切換裝置選用探討[J].電氣設計技術，2005，6（1）：19-23.

[2]劉屏周.自動轉換開關電器的應用[J].電氣設計技術，2005，6（1）：9-13.

[3]王厚余.四極開關應慎用[J].工程建設與設計，2000，（1）：20-22.