ATS的選擇及其在輸氣站場低壓系統的應用

陳 聰 李樹山 曲 鵬 張 雷

(1.中國石油天然氣管道工程有限公司，河北 廊坊 065000；2.新疆油田公司工程技術研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.天津修船技術研究所，天津 308456)

根據GB 50052-2009《供配電系統設計規范》的規定，根據負荷要求供電的可靠性和失去供電所造成的影響進行分級，對于一級負荷和比較重要的二級負荷應采用雙電源供電。為保證天然氣加壓和輸送的安全，西氣東輸壓氣站場中的負荷定義為一級，采用兩路外電源進線，主接線采用單母線分段接線，對于消防設備、事故排煙風機、工藝區電動閥配電箱及變電所用電源等特別重要負荷的供電，為保證供電的可靠性，在最末一級的配電箱處設置有雙電源自動切換裝置(Automatic Transfer Switching Equipment，ATS)。ATS的選擇已成為低壓配電系統中不可缺少的重要環節，目前ATS產品的技術水平參差不齊，其可靠性及適用條件等會直接影響重要用電場所的安全可靠。而ATS的選擇也因電源性質、系統接地形式、負載性質和上級開關性能的不同而相異，合理選擇ATS是保證重要負荷供電的關鍵。

為此，筆者就ATS的分類，不同性質電源和不同接地點情況下三級和四級ATS的選擇進行對比，并對站場低壓配電系統中ATS的具體應用加以分析，在滿足系統安全和供電可靠性的前提下說明其正確選擇與合理應用。

1 ATS簡介①

ATS主要用于交流500V及其以下的重要配電系統，當檢測到主供電源低電壓或失電時，將負載電路從主供電源自動切換至備用電源，確保重要負荷的連續可靠運行。根據不同的功能，一般分為PC級和CB級。PC級ATS能承受正常電流和短路電流，但不能分斷過負荷電流和短路電流，即不具備保護跳閘功能；CB級ATS是具備斷路器保護功能的雙電源切換電器，不僅能承受過電流，還具備分斷短路電流及接地故障電流等其他保護功能[1]，從結構上分為用于單相電路的二極ATS、用于三相電路的三級ATS和需要N線轉換的四極ATS。

2 三級ATS和四級ATS的選擇

一、二級負荷一般采用市電-市電、市電-發電機形式的雙電源供電系統，應急供電設備需要雙電源的切換，不同的電源組合形式和不同的接地形式所選擇的ATS不同。

如圖1所示，兩臺容量相同的變壓器布置在同一變電所，同時工作且互為備用，低壓母線一般采用單母線分段接線給一級負荷配電，低壓母聯斷開，在低壓母聯或進線處N線和PE線同時接地，系統為同一點接地系統。兩段母線各取一路電源在末端負荷用電處切換，可采用三極ATS。圖2為兩臺變壓器是同一性質的電源，但接地點不在同一處，可采用三級ATS，但這種接地形式不常用[2]。

圖1 電源性質相同且同一接地點的系統

圖2 電源性質相同但不同接地點的系統

如圖3所示的變壓器-發電機雙電源系統，兩路供電電源性質不同，但接地點在同一處，雙電源轉換電器一般裝在低壓母線的進線側，市電作為主供電源，發電機作為備用電源，因為兩電源接地點在同一點，理論上可以采用三級ATS進行電源切換。圖4也是變壓器-發電機雙電源系統，但接地點不在同一處，是相互獨立的兩個電源，故應采用四極ATS。

圖3 電源性質不同接地點相同的系統

圖4 電源性質不同接地點不同的系統

低壓配電柜饋出回路的斷路器帶有剩余電流保護器或帶有接地故障保護時，其末端負荷用電處雙電源切換宜選四極ATS，如圖5所示，當回路正常工作，假設變壓器TM1低壓側系統為ATS的主供回路，選擇三極ATS時N線電流In被分成了In1和In2分別經過各自的剩余電流保護器和斷路器，但此時的In1由于In2的分流比正常值減少了，斷路器CB1會誤動作，同時斷路器CB2中流過了一定的電流，若此電流較大也會引發CB2誤動作。

圖5 正常工作時剩余電流動作保護的回路電流分布

如圖6所示，同樣假設變壓器TM1低壓側系統為主供電源，選擇三極ATS，當用電設備發生接地故障時，短路電流Id被分成了Id1和Id2兩路，Id2經PE線、變壓器TM2和中性線流經斷路器CB2，當此電流大于CB2的故障保護動作值時引發CB2誤動作；若Id1由于Id2的分流小于CB1的故障保護動作值，會使CB1拒動作。

圖6 具有剩余電流保護的回路接地故障時電流分布

綜上所述，雙電源性質不同、雙電源性質相同接地點不在同一點、ATS上級斷路器帶有剩余電流動作保護時，宜選擇四極ATS。

3 ATS在輸氣站場低壓配電系統的應用

3.1 市電-市電雙電源系統末端配電箱處ATS的選擇

輸氣站場低壓配電主接線形式采用單母線分段接線，各取每段母線一路電源放射配電至站內消防負荷配電箱、工藝電動閥配電箱和110kV變電站交流屏，考慮到電源轉換的可靠性，因CB級的ATS可能會誤動作，末端配電箱或屏內電源進線選用PC級的ATS，消防泵和電動閥的保護采用配電箱內配的斷路器和上級低壓柜內斷路器進行保護。ATS的額定電流可以選得大些，額定短時耐受電流經校驗要大于短路電流。

轉換時間是選擇ATS的重要因素，實驗室測定觸頭轉換時可靠的滅弧時間為120ms，考慮到滅弧時間和開關器件本身的動作時間，一般ATS的轉換時間多為幾百毫秒至幾秒[3,4]。表1是不同切換開關的ATS轉換和延時切換時間。

表1 不同結構形式的ATS切換時間 s

根據GB50052-2009《供配電系統設計規范》的要求，重要負荷的允許中斷供電時間見表2，對允許中斷供電時間在1.5s以內的負載和重要場所的應急電源，應設置不間斷電源裝置。輸氣站場控制室內的應急照明、通信設備、機柜間儀表數據處理設備及站控系統等采用不間斷電源UPS供電，給特別重要的控制電源供電時，要采用兩路UPS電源在末端切換，ATS選擇PC級負荷開關投切型，轉換時間0.5～4.0s。

表2 重要負荷的允許中斷供電時間

站內消防設備、電動閥和變電所所用電源引自低壓柜，低壓單母線分段接線設置母聯備自投，因此ATS動作轉換時間要與母聯斷路器自投時間配合，并大于母聯開關動作時間0.5～1.0s以上[5]。低壓母聯自投的動作時間大多為2.5s，ATS動作時間宜在3.0s以上。

一般ATS不允許帶大感抗類負載(如電動機)切換，因為在切換瞬間電動機定子繞組會產生反電勢，所引起的過電流大于電機的啟動電流，可能會造成保護斷路器跳閘。所以當大功率電動機電源需要ATS轉換時，宜選用延時型ATS，并且延時時間可調。對于站內消防泵，因電機功率較小，上級斷路器整定值較大，可不選延時型ATS；閥門配電箱處，因電動閥動作的同時系數較小，也宜選非延時型ATS。

根據GB 50116-2013《火災自動報警系統設計規范》的要求，配電裝置應設置電氣火災報警系統，站場低壓配電柜內每個出線回路配置了剩余電流互感器，測量相線和N線電流。結合以上分析，即使采用市電-市電電源性質相同且接地點在同一點，末端配電箱內也宜選用四極ATS。

3.2 市電-發電機雙電源系統低壓進線處ATS的選擇

輸氣站場的分輸站負荷等級為二級，采用市電+發電機作為備用電源的供電方式，ATS應選用市電-發電機專用型。圖6所示為分輸站電氣主接線形式，考慮到低壓母線照明段和動力段要分開計量，因此設置專門的照明段，采用兩個ATS分別進行照明和動力切換。

圖7 市電-發電機雙電源系統ATS的配置

發電機和市電電源性質不同，自動電源轉換裝置應選四級延時型ATS，考慮到發電機啟動參數的差異，ATS延時時間設為可調。發電機和市電之間設有閉鎖，當檢測到市電斷電并確認后，變壓器低壓配出斷路器斷開，同時發電機自啟動，待發電機輸出電壓及頻率等參數穩定后，才能進行市電和發電機的轉換，照明和動力的轉換在低壓配電室的母線上集中裝設。由于變壓器低壓配出和發電機出口已經裝設斷路器，故ATS也選用PC級。發電機的啟動和電源轉換時間大于15s，站內允許中斷供電時間較短的應急備用照明、儀表和通信設備的供電由UPS提供。

ATS應具有自動復位功能，即當主供電源(市電)恢復正常后，ATS應經延時后切回主供電源。

4 結束語

雙電源性質相同、接地點相同的電源系統轉換開關可選三級型ATS，雙電源性質不同以及上級斷路器帶剩余電流保護時應用四級型ATS。筆者就雙電源轉換開關應用到輸氣站場市電-市電、市電-發電機兩種雙電源系統下重要負載供電電源切換時，ATS的結構形式、極數及轉換時間等參數的選擇進行闡述，可為類似工程設計提供借鑒。

[1] 李月軍,劉國軍,王成多.智能型自動轉換開關電器的原理及應用[J].電工電氣,2011,(10):34～37.

[2] 李道本.低壓配電系統不同接地型式電源轉換可行性研究[J].電氣應用,2014,(8):47～50.

[3] 何彥民,伏中科,王津先.自動轉換開關電器的工程設計及應用[J].現代建筑電氣,2011,(6):24～29.

[4] 何欽,姚侃.雙電源自動轉換開關的選擇[J].低壓電氣,2012,(6):57～60.

[5] 宋濤,孫牧海.ATSE核心參數選擇幾點思考[J].建筑電氣,2011,(6):25～29.