自動轉換開關（ATS）在變電站中的應用分析

李夕揚

廣州中浩控制技術有限公司 廣東 廣州 510000

引言

變電站是供電重要場所，其站用系統是變電站可靠、穩定、安全運行重要的保障。因此，為了確保站用系統能持續、可靠運行，需對裝置電源、控制電源等重要的負荷采取一定措施，確保可連續供電。自動轉換開關（ATS）是常見開關設備之一，可對兩路電源進行自動轉換，在實現開關持續運行的基礎上，保證系統運行的穩定性。基于此，研究自動轉換開關（ATS）在變電站中的應用，對提高站用系統可靠性有著重要意義。

1 自動轉換開關（ATS）概述

自動轉換開關（ATS）多用在緊急供電的系統中，可自動、靈活轉換供電電源，保證重要負荷可穩定、持續運行。當ATS有故障時，往往會導致重要負荷出現斷電、電源短路等問題，最終造成嚴重社會問題、經濟損失。故此，研究ATS已是機械制造相關領域重點研究的對象之一。我國對ATS、相關電器研究可追溯到90年代的中期。就早期研究而言，因缺乏完善技術支撐，而使得ATS研究存在巨大瓶頸，無法保障其運行的安全性、可靠性，安全隱患較大，極易引發供電安全事故。在科技持續發展的背景下，我國對ATS研究逐漸趨向深入化方向發展，關于ATS的產品也日趨多元化，雖然在技術方面有了很大進步，但如何更有效地應用到變電站中，保障站電系統持續運行，仍是研究重點方向之一。

2 自動轉換開關（ATS）工作原理及類型

2.1 工作原理

自動轉換開關（ATS）組成結構包括控制器、操作機構和開關主體3個部分。在運行時，控制器負責實時監測兩路的電源狀態，當工作電源回路電壓不穩、斷相或者異常時，控制器會發出相應動作指令，之后由操作機構對開關本體控制操作手柄進行操作，以實現備用電源自動投切目標，支負荷端正常供電，進而保證電力系統可正常運行、穩定工作。

2.2 類型

2.2.1 根據能否分斷短路電流進行分類。ATS按能否分斷短路電流分為PC級、CB級，開關本體是兩者主要差異。其中，PC級的主開關為負荷開關或者接觸器，可實現線路負載接通和承載的目標，無法對短路電流進行分斷。同時，PC級的結構相對簡單，轉換的速度可至50ms，能實現頻繁操作且具備自身連鎖等優勢，還可承載20I以上的電流，不易斥開和熔焊，有較大的觸頭壓力；CB級的主開關為塑殼斷路器或者萬能斷路器，既可實現線路負載接通和承載的目標，也能實現短路電流接通和分斷的目標。然而，CB級的動作相對較慢，當非電源性故障出現時，CB級會自動切斷供電的電源，可靠性較低。可見，相較CB級，PC級發展空間更為廣泛。不過，CB級的接線方式較簡單，無須加載限流的設備，更適用于電源轉換要求不高場所[1]。

2.2.2 根據工位進行分類。按照工位劃分，ATS包括兩位式、三位式。其中，兩位式主觸頭的工作位只有兩個，即常用位、備用位。而三位式主觸頭的工作位有三個，較兩位式多零位，可由常用位轉至零位，之后由零位轉至備用位。兩位式轉換的動作較快，兩位式的PC級動作總時間一般為50～250ms，三位式的PC級一般為350～600ms。當火災發生需對非消防負荷進行切除時，可應用三位式，可實現較長時間對電源供由切斷的目標。

3 自動轉換開關（ATS）在變電站中的接線方式

3.1 個體負荷ATS接線

應用明備的方式，在負荷端裝設ATS。由于電源首端有斷路器，可起到保護短路的功能，因此可選擇PC級結構的整體開關，無須配置控制器，以達到節約成本的目標。

3.2 兩個站用電源ATS接線

應用備用的方式，1＃和2＃變壓器各自供應一段母線負荷，并兼作剩余一段負荷備用的電源，即兩用互備的模式。在負荷屏上裝設ATS，共裝設兩套，可選擇PC級、CB級的ATS。在電源的進線處，需設置斷開點刀開關，為后續檢修提供便利。若選擇PC級ATS，進線處還需設置保護短路的電器。

3.3 三個站用電源ATS接線

可應用明備或者暗備的方式。在負荷屏上裝設ATS，共裝設兩套。正常狀態下，1＃、2＃和3＃分別供Ⅰ段、Ⅱ段、 Ⅲ段的母線負荷。Ⅰ段和Ⅲ段的暗備用負荷可選擇2＃的站用電源，Ⅱ段則僅接入一般的負荷。若Ⅱ段未接入負荷時，Ⅰ段和Ⅲ段的明備用負荷選擇2＃的站用電源[2]。

3.4 兩個直流電源ATS接線

為了提高供電安全可靠性，重要變電站蓄電池往往會設置兩組，各組負責一段母線直流負荷供應。然而，在緊急狀況下，倘若其中一組蓄電池有故障，也極易造成嚴重損失。故此，可選擇暗備用的方式裝設ATS，由于PC級結構整體的開關動作具備較好的連鎖性、加快的速度，故此可選擇PC級。

4 自動轉換開關（ATS）在變電站中的應用

4.1 變電站的站用系統特點

220kV的變電站可將主變壓器的低壓側作為引入點，接入容量相同、分列運行、互為備用的兩臺變壓器，按照計算負荷來選擇適宜變壓器。當主變壓器只有1臺時，可從所外的電源引接其中的一臺變壓器。就330～500kV的變電站而言，當其主變壓器是兩臺或以上時，可將主變壓器的低壓側作為引入點，引接兩臺以上變壓器，且裝設一臺備用的變壓器，可引接所外的可靠電源。同時，各臺變壓器容量應考慮主變壓器冷卻用電的負荷，且備用的變壓器容量需與變壓器最大容量一樣。當初期主變壓器僅有一臺時，除引接的一臺變壓器之外，還需設置從所外的可靠電源接入的變壓器一臺。所用電的低壓系統選擇三相四線方式，系統中性點接地方式為直接式。所用電的母線選擇單母線，兩段相鄰母線可配置斷路器，但需確保可分列運行供電[3]。若某一變壓器突然退出時，備用的變壓器可自動切換到失電母線，從而繼續進行供電。一典型變電站所用電的負荷特性可如表1所示。

表1 變電站所用電的負荷特性

用電負荷需選擇配電屏進行直配式供電，重要負荷需采用雙回路進行供電。就330～500kV的變電站內通信樓及控制樓，可在考慮負荷需求的基礎上，設置專用的配電屏供樓內電。隔離開關、斷路器可根據配置劃分區域，在兩段母線下列采取雙回路的供電模式，即各個區域設置不同環形網絡，在環網的中間實現開環運行目標。

4.2 自動轉換開關（ATS）提高用電供電的可靠性

傳統變電站380V的電源系統往往是人為操作的，當1#進入381的開關向負載進行供電時，2#只能在382的分位作為負載后備的電源。倘若某一原因導致1#消失、381開關跳開，會使得380V的母線失壓，而導致全部負載失電，最終經光信號、聲信號報給監控臺人員。當核對了381分閘的位置后，可通過閉合382開關，實現380V的電源恢復目標，這種模式所歷經時間較長，因此已逐步被母聯開關取代。在正常運行時，380的母聯開關位于分閘的位置，1#負載I段的母線，2#負載Ⅱ段，兩者可實現分列運行目標。倘若1#或者2#有故障時，母聯開關可在判斷0V母線電壓、合閘條件的基礎上，閉合380的開關，負載另一母線，從而形成電源帶負載運行的情況。變電所在自動投入電源裝備時需滿足下述要求：第一，確保工作電源斷路器為斷開狀態，母線電壓為0，備用電源的電壓正常；第二，自動投入時動作應延時，且僅允許一次；第三，若母線有故障，則不應再起動自動投入的裝置；第四，在手動斷開電源的情況下，不再起動裝置；第五，當電源恢復正常供電之后，應選擇人工復歸的方式切換回路；第六，在做出自動投入的動作后，需發出預告的信號。

4.3 自動轉換開關（ATS）選用注意事項

4.3.1 選擇ATS的結構形式。在不同應用場合，PC級、CB級特點各有不同，因此需根據實際情況選擇適宜的結構形式。首先，當雙電源供電呈放射式、所需消防負荷比較集中且容量大時，需在低壓的配電室母線直接進行放射，以此作為電源轉換的位置，則應選擇PC級，以防本體故障對電源轉換產生影響，而造成嚴重損失。倘若需加裝保護性電器，可額外選擇。其次，當發電機組和市電進行轉換時，可選擇三位式。因為正常電源在發生斷相時，要求ATS能在切斷電源的同時，歸回零位，當發電機能持續一定時間的穩定送電后再回歸發電機的位置。一般而言，ATS集中裝設在低壓的配電室母線，以便使用、維護。最后，當需要轉換自動切斷的電源、帶高感抗的負載時，應選擇三位式的PC級或者OYQ1專業的CB級。一般而言，ATS不具備高感抗的負載轉換功能，因為兩路電源在相位差比較大的時候進行切換，會使得電動機獲取到巨大動力，因此產生反電勢過電流會引起短路器的脫扣，極為不可靠，因此不能選擇傳統且未進行特殊處理ATS。

4.3.2 選擇ATS的轉換時間。ATS的轉換時間對電力系統有很大影響，轉換的過程是斷電、送電的方式，對系統有較大的沖擊力。若轉換設備有中斷，可選擇帶延時的ATS，以防設備斷電而損傷機械或沖擊設備，這種帶延時的ATS可用于變頻器、電動機、特殊醫療設備、整流器等負載中。若轉換設備無中斷，可選擇瞬間閉路的ATS，以降低電源轉換中瞬間斷電時的損失。總之，ATS的轉換時間需與負荷允許最大時間相符，且能配合供配電機電保護的時間，以防連續進行切換。在供大容量負荷的電動機時，需對轉換時間進行適當調整，通過先斷后合方式保障切換的安全性和可靠性。

5 結束語

總而言之，在科學技術不斷發展的背景下，ATS發展必將趨于機電智能型、一體化方向，且自動轉換的速度會更快、安全性會更強、自動程度會更高。目前，ATS在變電站中的應用仍處在起步階段，尚有很多技術問題等待進一步研究、解決。因此，相關人員應加大對ATS應用到變電站中的研究力度，不斷完善、提升其應用技術，保證重要負荷可持續、穩定供電，促進變電站安全運行。