雙電源自動轉換開關（ATSE）在電氣設計中的選擇及應用

王琳琳 楊勇偉

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

雙電源自動轉換開關（ATSE）在電氣設計中的選擇及應用

王琳琳 楊勇偉

河南建筑材料研究設計院有限責任公司（450002）

隨著經濟快速發展，雙電源自動轉換開關（ATSE）的使用越來越廣泛。筆者對目前常用的不同類型的ATSE產品做了分析，并分析了不同條件下應如何選擇，對今后設計人員使用ATSE具有一定的參考價值。

ATSE；PC級；BC級；負荷；可靠性；安全性

ATSE即雙電源自動轉換開關電器,主要用在緊急供電系統，是將負載電路從一個電源自動換接至另一個（備用）電源的開關電器，以確保重要負荷連續、可靠運行，因此，ATSE常常應用在重要用電場所。ATSE一旦轉換失敗將會造成以下兩種危害:①電源間的短路；②重要負荷斷電(甚至短暫停電)。這不僅會帶來經濟損失，使系統癱瘓、生產停頓，也可能造成社會問題，使生命及安全處于危險之中。因此，ATSE的可靠性和合理使用尤為重要。工業發達國家都把自動轉換開關電器的生產、使用列為重點,加以限制與規范。

ATSE一般由兩部分組成：開關本體（ATS）+控制器。開關本體（ATS）又有PC級（一體式）與CB級（斷路器式）之分，雙電源自動轉換開關（ATSE）質量的好壞取決于開關本體（ATS）。開關本體（ATS）有兩種。1）PC級ATS:一體式結構（三點式）。它是雙電源切換的專用開關，具有結構簡單、體積小、自身連鎖、轉換速度快、安全可靠等優點，但需要配備短路保護電器。2）CB級ATS:配備過電流脫扣器，它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。它是由兩臺斷路器加機械連鎖組成，具有短路保護功能。

控制器主要用來檢測被監測電源（兩路）工作狀況，當被監測的電源發生故障（如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現偏差）時，控制器發出動作命令，開關本體則帶著負載從一個電源自動轉換到另外一個電源。

ATSE在我國已經歷了四個發展階段:第一代為接觸器式轉換開關，是我國最早生產的雙電源轉換開關。它的基本構成是兩臺交流接觸器、機械和電氣連鎖裝置，其缺點是機械連鎖不可靠、耗電量大等，在工程中已經基本不再使用。第二代為斷路器式轉換開關，是我國國家標準和IEC標準中所謂的CB級ATSE。它的基本構成是兩臺斷路器、機械和電氣連鎖裝置組成，具有短路和過電流保護功能，同樣存在機械連鎖不可靠的缺點，是目前使用最廣泛的ATSE。第三代為負荷開關式轉換開關，它的基本構成是兩臺負荷開關和一套內置的連鎖機構組合而成，機械連鎖可靠，轉換由電磁線圈產生吸引力來驅動開關，速度快，是早期的PC級ATSE。第四代為雙投式轉換開關，它是電磁力驅動、內置的機械連接保持狀態、單刀雙投一體化的轉換開關,具有結構簡單、體積小、自身連鎖、轉換速度快、安全可靠等優點，是完全重新設計的一體式PC級ATSE，也是未來ATSE的發展方向。

1 CB級和PC級ATSE性能對比

1）兩者的機構設計理念不同,CB級ATSE是由斷路器組成，而斷路器是以分斷電弧為己任，要求機構快速脫扣，因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素;PC級ATSE不存在該方面問題。PC級ATSE的可靠性遠高于CB級產品。CB級斷路器不承載短路耐受電流，觸頭壓力小，一旦發生短路或過電流，脫扣器脫扣，從而分斷短路電流。PC級ATSE能接通和承載20Ie及以上的過載電流,能確保重要負荷的可靠供電,短路電流的分斷則由保護斷路器實現，因此是真正意義的雙電源自動轉換開關。

2）從可靠性與安全性來說，CB級ATSE開關本體由兩個斷路器、分/合閘線圈、儲能電機、輔助接點及外置機械連鎖等元器件組合而成，每個元器件均可成為故障點,增加了系統的故障率。連鎖機構一旦失靈，直接導致兩路電源短接或重要負荷斷電，系統可靠性低。電機驅動儲能操作限位開關調整不好時，易導致電機堵轉燒毀，造成無法合閘的嚴重后果。PC級ATSE開關本體為一體化設計，零件數量少，可靠性高。觸頭結構具備連鎖功能，將兩路電源短接的可能降為零。機構由直流線圈驅動，瞬間激磁操作，即正常情況下線圈不通電，只有轉換的時候瞬間通電，通電時間不超過100 ms,這種機構設計為業界公認為最可靠的驅動系統。

3）CB級ATSE為了分斷電弧，斷路器常常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對，但這類觸頭長期暴露在空氣中極易氧化，觸頭的氧化直接導致接觸電阻增大，轉換過程中產生的熱量必然縮短觸頭壽命。PC級ATSE觸頭材料為特殊銀合金材料，降低了氧化程度；觸頭的拍合式設計使其具有自動去除氧化物功能，即使使用10年,觸頭電阻也只是增加6%左右。主觸頭附帶滅弧觸頭，滅弧觸頭轉移了弧電流，保護了主觸頭，使得開關本體壽命達25年。

4）CB級ATSE的電動操作機構是通過微電機帶動減速齒輪機構對斷路器進行分合工作。因受斷路器機構的限制,微電機必須工作到堵轉后，靠行程開關才斷開控制回路。眾所周知，微電機堵轉后，其壽命會大大降低。因而，CB級ATSE電動操作機構可靠性較低。PC級ATSE的電動操作機構一般為短時工作電磁鐵,由于電磁鐵結構簡單，工作可靠,所以PC級ATSE電動操作機構的可靠性較高。

5）從切換速度來說，CB級ATSE的切換時間為2～3 s，其切換時間受斷路器限制。PC級ATS的切換時間小于100 ms，不受斷路器影響。對非常重要的用戶（如銀行、金融中心、數據中心等）而言，這點非常重要。

6）從使用壽命上，CB級ATSE在1In/1Ue條件下操作200次，機械壽命1 400次。PC級ATSE在2In/1.05Ue條件下至少操作循環1 000次，機械壽命5 000次。

2 ATSE的選用

隨著經濟快速發展，現代生活和現代工業對斷電的容忍能力越來越差，國外工業發達國家（尤其是美國）把ATSE產品視為電源的一部分。由此可見，合理選擇ATSE對保證重要負荷的連續供電非常關鍵。在選擇時應注意以下問題:

2.1 負荷性質

對于一級負荷、特別重要的負荷，不允許采用具有過載保護功能的CB級ATSE，尤其是消防類負載。《IEC 62091固定式消防泵控制器》標準規定:消防泵用ATSE只能夠采用PC級。對于普通的二級負荷,可以選用CB級ATSE。在條件允許的情況下，建議優先選用PC級ATSE。

2.2 ATSE轉換動作時間

二位式PC級ATSE總動作時間一般在50～250 ms，三位式PC級ATSE總動作時間一般在350～ 600 ms，CB級ATSE總動作時間一般在2 000～3 000 ms。所以對于轉換時間要求比較高的場所，如醫療、商業、數據及金融交易中心等，應采用二位式PC級自動轉換開關。其他對轉換時間要求不太高的負荷可選用CB級ATSE。

2.3 市電+備用柴油發電組型

備用電源是柴油發電機，市電與備用發電機之間轉換用的ATSE不能用二位式,只能用三位式。因為二位式的ATSE在任何時候總有一路電源是接通的，假設常用電源發生斷相故障，ATSE發出柴油發電機組起動指令，發電機組需要經過十幾秒鐘才能達到要求的頻率和電壓，這時才能進行轉換。在這十幾秒之內，ATSE應切斷故障電源，所以應該選三位式的ATSE。在發電機組沒有達到穩定工況之前，將開關置于中間位置，同時斷開兩個電源，待發電機組電源各項指標達到穩定后才能進行切換。這種轉換一般都在低壓配電室的母線上集中裝設，以便于使用和維護。一般發電機組輸出柜已加裝保護電器，這類轉換方案宜選用一體化PC級三位式的ATSE。

2.4 維修方便

統計表明，ATSE故障80%以上是控制器故障，這是因為控制器是連續工作的，所以在合理選擇好ATSE本體開關后，控制器的維修方便也是設計人員應該考慮的。外置式設計（控制器與本體分離）,可以不用動開關本體，在幾分鐘內就可以更換。內置式設計的ATSE（控制器在本體內部），就必須將整個開關本體拆下來才能更換，維修很不方便。

3 結語

綜上所述，ATSE作為保障電源供電連續性的電器元件，其重要性是顯而易見的。筆者認為，一體式PC級ATSE前加裝保護斷路器可以在各種供電方案中可靠地發揮功能,是理想的雙電源自動轉換開關電器,在配電系統中將廣泛應用。

[1]IEC 62091,固定式消防泵控制器.

[2]GB 50052-1995,供配電系統設計規范[S].

[3]賀貴兵,向弦信.TSE選擇應用中的核心問題控討[J].智能建筑電氣技術,2009.