双电源转换开关电器的选择及应用

1双电源转换开关电器的选择及应用北京市建筑设计研究院(100045)洪元颐任红罗洁韩全胜林骥摘要阐述了双电源转换开关的定义、分类、结构形式、标准、双投式转换开关的形式、主要性能指标及其适用场所，并剖析了转换开关与控制器的相互依存关系，及选型、应用的技术要点。关键词转换时间、PC级ATSE、CB级ATSE、旁路型ATSE、隔离电器、短路保护电器、转换开关控制器。一、概述依据国家规范GB50052-95《供配电系统设计规范》与行业标准JGJ/16-92《民用建筑电气设计规范》的要求：对于一些较重要的一、二级负荷，应采用双电源供电。但建筑物的应急照明、消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟风机等消防设备的供电，应在最末一级配电箱处设置自动切换装置。为保证重要负荷供电的连续性，双电源自动转换开关电器的应用需求已越来越大，技术性能要求也越来越高，对产品的合理选择就变得更加重要。因为产品的技术水平高低以及先进性和可靠性如何，将直接影响着各重要场所用电的安全与可靠，这已成为低压配电系统中不可缺少的一个重要组成部分。所以在工程设计中设计人员应熟悉和了解其类型、组成与工作原理、主要特点及功能等，以便在满足系统功能的原则下正确选择及合理应用。二、转换开关电器的选用原则2.1基本概念自动转换开关电器，即ATSE（AutomaticTransferSwitchingEquipment）。主要适用于交流不超过1000V或直流不超过1500V的紧急供电系统，用于两路电源切换，在转换电源期间中断向负载供电。2.1.1定义：根据IEC国际标准定义：由一个或多个转换开关电器和其它必要的电器组成，用于2检测电源电路，并将一个或多个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器。[说明1]操作程序：当存在常用电源和备用电源两个电源的情况下，ATSE应指定一个常用电源位置，其操作程序由两个自动转换过程组成；如果常用电源被检测到出现偏差，则自动将负载从常用电源转换至备用电源；如果常用电源恢复正常，则自动将负载返回换接到常用电源。换接时间可预定延时或无延时。[说明2]被检测的电源偏差：被检测的电源特性的改变，当电源特性偏离规定限值（如电源电压或频率的非正常改变）时，被检测到的电源偏差将为信号使ATSE动作。2.1.2分类：根据IEC-60947-6国际标准规定，自动转换开关电器可分为PC级或CB级两个级别。PC级：能够接通、承载，但不用于分断短路电流的ATSE。CB级：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。2.1.3结构形式：接触器式ATS—用两台交流接触器和一些联锁装置搭接而成。断路器式ATS—用两台断路器和外在的机械联锁装置组合而成。负荷开关式ATS—用两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成。双投式ATS—用电磁力驱动、内置的机械结构保持状态，单刀双投一体化的转换开关。[说明1]负载开关和接触器双投型的ATS都属于PC级，本体只能作为自动转换开关使用，不具备过载和短路以及其它保护功能。[说明2]短路器和控制保护器投切型的ATS都属于CB级，本体作为自动转换开关使用外，还具备过载、短路以及其它保护功能，从而实现对负载的两段或三段及其它保护功能。2.1.4ATS的应用(图1)：正常/应急马达换向3旁路接地图12.2转换开关电器的主要性能指标2.2.1转换时间a.触头转换时间：从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。b.转换动作时间：主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间，不包括特意引入的延时。c.总动作时间：转换动作时间与特意引入的延时之和。e.返回转换时间：从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时f.断电时间：从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。2.2.2额定接通和分断能力：额定接通和分断能力是制造厂规定的，在规定条件下ATSE足以能够接通与分断的电流值。对于交流，额定接通和分断能力用电流的交流分量有效值表示。2.2.3额定短时耐受电流：负载转换4额定短时耐受电流是制造厂规定的，在国家标准GB/T14048.11-2002的8.3.4.3条规定的试验条件下，电器能够承载的短时耐受电流值。对于交流，额定短时耐受电流值用电流的交流分量有效值表示。按照国标要求，验证短时耐受电流能力的试验仅在PC级ATSE上进行。2.2.4额定短路分断能力：额定短路分断能力是制造厂规定的，在额定工作电压、额定频率与规定的功率因数（或时间常数）下，电器的短路分断能力值。额定短路分断能力用预期分断电流值表示。额定短路分断能力是指CB级ATSE应能分断额定短路分断能力及以下的任何电流。2.2.5额定限制短路电流：额定限制短路电流是制造厂规定的，在国家标准GB/T14048.11-2002的8.3.4.4条规定的试验条件下，被指定的短路保护电器保护的ATSE在短路保护电器动作时间内足以能够承受的预期短路电流值。按照国标要求，验证额定限制短路电流的试验仅在PC级ATSE上进行。2.3自动转换开关电器的性能应满足供配电系统的要求：2.3.1自动转换开关电器前是否需设置隔离电器：自动转换开关电器是由开关与转换控制器（或微型控制电脑）及传动机构（微型电机或电磁操作机构）组合而成的机电一体化带机电连锁的开关电器，适用于一级负荷及二级负荷的供配电系统中主电源与备用电源的自动转换。根据有关规范对配电系统的要求，一级负荷及二级负荷配电系统应采用双电源供电末端自动互投，按其使用性质自动转换开关电器通常安装在配电系统最后一级的配电箱、柜的进线侧。（市电-发电机主备型除外）根据《低压配电设计规范》GB50054-95第2.1.3条当维护、测试和检修设备需断开电源时，应设置隔离电器。第2.1.6条隔离电器可采用下列电器：1.单极或多极隔离开关、隔离插头；2.插头与插座；53.连接片；4.不需要拆除导线的特殊端子；5.熔断器。以及《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93第2.5.1条隔离电器的装设应符合下列规定：1.每台电动机的主回路上应装设隔离电器，当符合下列条件之一时，数台电动机可共用一套隔离电器：(1)共用一套短路保护电器的一组电动机；(2)由同一配电箱（屏）供电且允许无选择地断开的一组电动机。2.电动机及其控制电器宜共用一套隔离电器。符合隔离要求的短路保护电器可兼作隔离电器。3.隔离电器宜装设在控制电器附近或其他便于操作和维修的地点。无载开断的隔离电器应能防止无关人员误操作。现行国家标准《低压电器基本标准》中，已将低压空气式开关（刀开关）、隔离开关、隔离器、熔断器式开关、熔断器式隔离器等隔离电器；低压断路器标准中亦列入了隔离型。根据以上规范及标准的相关要求，在配电系统中自动转换开关电器前端应设置隔离电器。2.3.2自动转换开关电器是否可作为隔离电器使用：根据自动转换开关电器的定义，自动转换开关电器是由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器（转换控制器）组成。用于检测电源电路，并将一个或几个负载电路从一个电源自动换接至另一个电源的开关电器。从自动转换开关电器的定义可以看出，自动转换开关电器应用在电气系统中主要目的是在一、二级负荷紧急供电系统中，检测被监测电源（两路）的工作状态，当被监测的电源发生故障时，将负载电路从一个电源换接至另一个电源,以保证供电的连续性，确保重要负荷连续可靠运行。目前自动转换开关电器有二段式和三段式两种，二段式自动转换开关电器开关主触头仅有两个工作位（正常电源位及备用电源位），这种自动转换开关电器转换动作时间较快；三段式自动转换开关电器开关主触头有三个工作位，（正常电源位、备用电源位及零位），零位时主触头处于空挡，因为设置了零位，三段式自动转换开关电器转换动作时间较慢，三段6式自动转换开关电器设置“零位”的主要作用是当负载为高感抗或大电机负载时，为避免冲击电流做暂态停留之用，而非用于负载维修时隔离之用。另一方面，自动转换开关电器自身也有检修和维护的可能，所以带零位的三段式自动转换开关电器不宜兼做隔离电器，为满足维修问题需要隔离时，应在自动转换开关电器前单独设置隔离电器。2.3.3自动转换开关电器前是否需设置短路保护电器：目前自动转换开关电器根据保护特性分为两类：CB级和PC级，下面分别阐述：1.CB级：CB级自动转换开关电器开关执行断路器本身带热磁保护，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。在配电系统中选择CB级自动转换开关电器时，只要求自动转换开关电器的开关执行断路器选择正确，即低压断路器符合下列条件：(1).低压断路器额定分断电流（有效值）大于该处的预期最大短路电流值（有效值）。(2).低压断路器选型与上下级出线回路低压断路器选型配合满足配电保护选择性要求。配电箱、柜内CB级自动转换开关电器前端可只设置隔离电器或隔离开关，不必再设短路保护电器。2.PC级：PC级自动转换开关电器只有电源转换功能，没有短路及过载保护功能。额定电流小于等于250A的PC级自动转换开关电器，额定短时耐受电流有效值（1秒）一般在5KA-12KA左右；额定电流大于250A小于等于630A的PC级自动转换开关电器，额定短时耐受电流有效值（1秒）一般在13KA-25KA左右。由于以下因素在配电箱、柜内PC级自动转换开关电器前端须设置短路保护电器：（1）虽然PC级自动转换开关电器有一定的承受短路电流的能力，但没有切断短路电流的能力，其前端需要设置短路保护电器。（2）此外还应考虑设置隔离电器的要求。综合以上因素在配电箱、柜内PC级自动转换开关电器前端应设置符合隔离要求的短路保护电器。符合隔离要求的短路保护电器有：1．熔断器2．熔断器式开关3．熔断器式隔离器4．符合IEC947-3隔离标准要求的隔离型低压断路器。7《低压配电设计规范》GB50054-95第4.1.2条规定“配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应协调配合。但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。”根据以上规范要求，采用双电源供电的配电系统，当双电源末端自动互投配电箱、柜内有多路一级负荷或二级负荷出线回路时，其自动转换开关电器前设置的熔断器或隔离型低压断路器均应与配电箱、柜内出线回路低压断路器之间有选择性配合。2.4对ATSE转换时间有何要求不同的备用电源性质，以及不同的负载情况，对ATSE转换时间的要求是不同的。根据国家标准《自动转换开关电器》GB/T14048.11-2002，ATSE的动作时间有下列几种表示方法：a.触头转换时间b.转换动作时间c.总动作时间d.断电时间e.返回转换时间在设计选型时应注重“总动作时间”，以满足不同配电系统的使用要求。受开关物理特性和制造工艺的限制，并考虑到“电弧短路”的问题（实验测定可靠灭弧时间约120ms，转换时间小于100ms是不可靠的），机械式ATSE的转换动作时间在100多毫秒至几秒钟。目前生产工艺条件下，ATSE动作时间范围大致如下(表1)：断路器投切型(CB级)负荷开关双投型(PC级)接触器双投型(PC级)控制保护器投切型(CB级)转换动作时间1.5-3秒0.45-4秒0.1-0.3秒0.05秒切换延时0-180秒0-250秒可调0-30秒可调0-30秒可调设计选型时，应根据允许供电中断时间及负载特性选定ATSE总动作时间。《供配电系统设计规范》GB50052-95第2.0.4条规定，“自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间的，可选用带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路”。《民用建8筑电气设计规范》JGJ/T16-92第3.1.9.2(2)条规定，“带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路，适用于允许中断时间为1.5s以上的供电”。部分负荷的允许中断供电时间如下：1．应急照明的正常电源与应急电源转换时间应满足：*疏散照明≤15s,*备用照明≤15s（金融商品交易场所≤1.5s）*安全照明≤0.5s（摘自《建筑电气专业设计技术措施》1998年版第11.10.5-1条）2