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双电源自动转换的开关结构及运用探讨

文章出处:责任编辑:人气:-发表时间:2016-07-28 10:00【

 摘 要  能够用于双电源自动转换的开关,在国内已经有几十年的历史,在没有标准之前,各种开关(接触器、断路器、负荷开关等)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,出现了完全按照标准要求设计、制造的ATSE。目前有多种结构型式的双电源转换开关,本文从标准、结构、可 靠性、选用等方面,给予探讨,供业内朋友参考。   
  关键词  ATSE 标准 结构 可靠性 使用注意事项
  能够用于双电源自 动转换的开关,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,ATSE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。目前有多种结构 型式的双电源转换开关,本文从标准、结构、运用等方面,给予探讨。
  标准
  ◆国家标准:GB/T14048.11
  IEC标准:IEC60947-6-1
  ◆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:目前ATSE还未进行CCC认证,所以,能够证明一个开关是否符合标准的唯一依据就是通过中国质量认证中心颁发的CQC认证。
  ◆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。
  结构分析
  ◆ATSE一般由三部分组成:开关本体、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: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、GE、泰永TBBQ3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、GE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。
  根据我司的研发经验,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)。按照我司的研发经验,这方面需要做许多的工作;
  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,日本爱知、高田,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ASTE额定限制短路电流的保护电器,这需要制造商提供ASTE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。


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