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ATSE在建筑电气设计中的应用

  近年来,众多民用建筑的低压配电系统,为了提高供电可靠性,大部分采用了双电源进线,并选用了双电源自动切换装置。当两路电源有一路发生故障时,可以将有故障的电源用双路电源切换装置自动切换到没有故障的电源上。这种双电源的切换,无须人工操作,能保证主要用电负荷供电的可靠性、安全性和连续性。民用建筑设计规范对建筑内的消防用电负荷有主要由两路电源供电,并明确说明,在最末一级配电处实行自动切换,也要用切换装置。

  1、各型ATSE工作过程介绍

  在国内外市场较理想的双电源切换开关产品是自动转换开关电器,英文名称为“AutomaticTransferSwicthingEquipment”,ATSE是其英文名称的缩写。它适用于交流不超过1000V或直流不超过1500V的供电系统,用于两路电源切换,在转换过程中向中断的负荷供电。

  ATSE产品中有以下几个类型:电动机操作的断路器型、电动机操作的负荷开关型、电磁操作的一体化开关型。国内目前普遍使用的ATSE产品都是机电一体化的产品,是由机械部分和电子部分组成,其中控制器部分是电子部分,执行机构是机械部分。当常用电源出现故障时,控制器检测到电源故障,发出指令使执行机构动作,执行机构完成从常用电源切换到备用电源的操作。一台ATSE产品的可靠性由两方面决定。即控制器的可靠性和执行机构的可靠性,控制器是一个电子产品,目前据厂家资料介绍各种控制器的构成和原理大同小异,其可靠性取决于控制器的设计水平和电子元件的选用,如果控制器电路设计合理。电子元件选用质量优质,则控制器就有较高的可靠性。为此,只要以优化设计电路,采用高质量的电子元件来保证,可靠性就不用担心了。ATSE产品的寿命是以执行结构所带负荷动作的最大次数,或者说是电气寿命来衡量的,所以机械部分的可靠性是整个ATSE产品可靠性的关键。根据机械原理和概率轮中的理论:一个机械可靠性和这个机械零件数量成反比,零件数量越少,机构越简单,出现故障的几率就会小,可靠性就会高;反之,机构越复杂,零件数量越多,出现故障的几率就会大,可靠性就会低,根据这一原理,就能决定ATSE动作情况、稳定性能、制作加工质量等来衡量可靠性的重要因素。下面根据产品厂家资料介绍各种ATSE的工作过程。

  1.1电动机型的ATSE

 

  在ATSE产品中,由各断路器加电动机操作机构构成的ATSE和负荷开关加电动机操作机构构成的ATSE均是采用电动机作为执行机构的动力源,电动机的转速比较高,电动机通电后产生运动的轨迹是一个转动方向固定的连续圆周运动,而在ATSE产品中实现触电转换的运动轨迹是一个距离比较短的往复式运动,从这点上来看,电动机所产生的运动并不能直接实现ATSE产品中实现触点转换的运动,要增加一套比较复杂的机械机构才能实现开关触点接通和分断的动作。其工作过程如下:

  控制器检测到电源出现需要切换的情况时,控制器输出一个指令使电动机转动,电动机通电后产生高速圆周运动,首先要通过齿轮减速,再驱动一个机构使断路器手柄动作,或是驱动负荷开关的刀臂动作,使触点接通或断开,动作到位后,形成开关接通,控制器检测到形成开关的信号后再发出指令使电动机断电。在这种ATSE里,电动机还要具有反向转动的可能性,以便使断路器手柄或者负荷开关的刀臂复位。所以,控制器不仅要监测两路电源的状况,还要能控制电动机正转和反转,同时要检测形成开关的状态,控制器的电路也会比较负责。由此可见,这类ATSE的机电部件较多,机构比较负杂。

  1.2电磁操作的一体化开关型

  这种ATSE由一台控制器加一个一体化电磁操作的开关本体组成,其开关本体有模具专门制造,主触点类似于断路器,这种ATSE内部机械动作的动力来自电磁线圈带电后对衔铁产生电磁力,衔铁动作,带动相应的机构动作,完成相应的动作功能,由于线圈通电后吸引衔铁所产生的运动轨迹是一种直线型的短距离往复式运动,适合于实现ATSE中主触点的闭合与分断,这种ATSE的执行机构相对于电动机型的ATSE要简单一些。

  其工作过程是:在开关本体内部有三个线圈,分别是合闸主线圈、导向线圈、分闸线圈。合闸主线圈的作用是使开关产生合闸的动作;导向线圈的作用是为了区分投常用电源还是备用电源;分闸线圈的作用是使开关产生断开两路电源触点的动作。当控制器检测到电源出现需要转换的情况时,控制器首先发出指令使导向线圈动作或不动作,带动与导向线圈相关的机构动作,完成区分是投常用电源还是投备用电源的动作,然后控制器再发出指令给合闸线圈,使其动作,带动相应的机构动作,使相应的电源触点接通。当控制器需要使两路电源分断时,控制器发出指令使分闸线圈通电动作,带动相应的机构动作,使两路电源触点均分断。这种电磁操作的一体化开关合闸时,需要导向线圈和合闸线圈以及有关的机构协调配合动作,才能实现投常用电源或者投备用电源的动作;当需要分闸时,需要分闸线圈及其附属机构的协调配合,才能完成分闸的动作。

 

  1.3主触点采用接触器的ATSE

  这种开关是采用两个独立的接触器作为两路电源主回路的开关元件,通过控制两个接触器的吸合与释放来实现两路电源之间的切换。接触器是一种使用历史很长,制造技术非常成熟的电气元件,接触器的主要用途是控制电动机等用电设备的频繁启停,接触器的结构简单而且有很长的机械寿命。

  其工作过程是:在“山”字形的静铁芯中间的铁芯上有一个线圈,静铁芯的上方有一块也是由硅钢片做的衔铁,在衔铁上还固定了一组触点,接触器线圈中没有通电的时候,衔铁在两个弹簧的弹力作用下,和静铁芯保持一定距离,动触点不与静触,外电路处于分断状态。当静铁芯上的线圈通电后,由于电流的效应,静铁芯产生的电磁场会对衔铁产生吸引力,使衔铁克服弹簧的弹力和静铁芯吸合在一起,衔铁运动的同时,固定在衔铁上的动触点也会随之运动,动触点与两个静触点接触,外电路接通。当线圈失电后,静铁芯吸引衔铁的力消失,衔铁在弹簧力的作用下弹起,动触点也会随衔铁一起运动,于两个静触分离,外电路分断。这种产品从工作过程来看,接触器可运动部件很少,仅仅与衔铁相关的部件,运动部件的行程短,接触器的机构非常简单,所以,接触器发生机械故障的可能非常小,机械寿命可达500万次,电气寿命可达50万次。此外,由于仅仅通过控制一个线圈通电与否,就可以控制外部电路的接触点接通与否,就可以控制外部电路的接触点接通与分断,不需要行程开关来检测运动部件所处的位置,控制器的电路也会简单一些,越简单的机械就会越可靠。这种基于接触器的ATSE的机械可靠性是比较高的。从以上概述的归纳ATSE一般由两部分组成:开关本体+控制器。开关本体用来完成主回路转换。控制器用来检测两路电源工资哦状况,当被监测的常用电源发生故障(如任一相断相、欠压、失压或频率出现偏差)时,控制器发出动作指令,使开关本体自动从常用电源转换至备用电源。此时,备用电源为可用电源;当常用电源恢复后,ATSE返回到常用电源侧。实际上也可互为备用。控制器与开关本体的进线端相连。控制器也有继电器式、电子式、数字式和智能通讯型之分。

  2、 ATSE作为负载转换的应用

  ATSE开关本体按照规范氛围PC级与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:配备过电流的脱扣器的ATSE,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。

 

  ATSE产品现状:

  (1)短路能力。PC级ATSE只有转换功能,没有短路及过载保护功能;CB级ATSE的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。

  (2)应用方面。CB级ATSE前端可以设置隔离电器或隔离开关,不必再设短路保护电器;而PC级ATSE前端需要设计短路保护器,且该短路保护器应与上一级配合的要求。

  (3)电源转换时间。PC级ATSE为100ms~200ms;CB级ATSE为1.5s左右,PC级、CB级ATSE均考虑电弧击穿问题。他们的电气寿命、机械寿命、电气可靠性、接通分断电流值的考虑指标均大于电动式刀开关。

  3、民用建筑电气设计中ATSE选用

  3.1PC级与CB级的选用

  《民用建筑电气设计规范》JGJ16-2008第7.5.4条,采用PC级和CB级有如下要求;当采用PC级自动转换开关电器时,应能耐受回路的预期短路电流,且ATSE的额定电流不应小于回路计算电流的125%;当采用CB级ATSE为消防用电负荷供电时,应采用仅具有短路保护的断路器组成的ATSE,其保护选择性应与上下级保护电器相配合。假如系统要求ATSE有短路、过负荷等保护功能,而PC级就不能满足负荷过载保护,就得用“PC级+断路器”的ATSE(见图1所示),或直接采用CB级。假如按照图1接线,具有断路器所能包含有短路、过载功能,又具备了“转换和保护”的双重功能。但是如果消防用电负荷回路发生了过电流故障,反而有过载功能的CB级ATSE不动作,这是因为控制器检测到正常电源依然有电压,达不到ATSE本身的功能。如图2,由于ATSE的动作输入信号是取自ATSE的上口,当正常电源侧的电压或频率都正常时,由于断路器因过流而脱扣器动作造成用电负荷失电,ATSE并不会动作,ATSE只是作为正常电源故障时转换到备用电源的。从这个角度来讲,用CB级的保护功能在供电系统中的运行是不利的。由此,ATSE的使用可以考虑三点:

  (1)设置ATSE的目的,是双路电源转换而不是作为线路分断和线路保护;

  (2)因为双路电源转换时冲击电流很大,要具备冲击电流的能力;

 

  (3)应具备可频繁操作的特性和控制器浪涌电压的影响。

  图1图2

  3.2ATSE选三极还是四极

  三极与四极的ATSE主要区别就是是否断N线(三极是不断N线),三极主要用于同种性质电源,一般是指同一电网下不同变压器或不同线路等。四极主要指不同性质电源,一般是指市电对自备发电机,市电对变频电压,不同电网对不同电网,因为各自的零线上都有不同的零序电压存在,如零线不断开将会形成环流,对电气设备危害很大。采用三极或四极ATSE要根据四极电器的选择原则确定。《民用建筑电气设计规范》7.5.3条针对三相四线制系统中四极开关的选用,做出一些规定:

  (1)保证电源转换的功能性开关电气应作用于所有带电导体,且不得使这些电源并联;

  (2)TN-C-S、TN-S系统中的电源转换开关,应采用切断相导体和中性导体的四极开关;

  (3)正常供电电源与备用发电机之间,其电源转换开关应采用四极开关;

  (4)TT系统的电源进线开关应采用四极开关;

  (5)IT系统中当有中性导体时应采用四极开关。

  总之,选择三极还是四极要根据具体情况,按系统要求确定。

  3.3 ATSE工作位的选择

  3.3.1两个工作位选择

  ATSE开关主触头仅有两个工作位,即“常用电源位”与“备用电源位”,用电负荷不会出现长时间断电情况,ATSE转换开关过程中一次动作到位,供电可靠性高、转换动作时间快。

  3.3.2三个工作位选择

本文章由 正泰电器 于2011年01月03日发布在电气技术分类下,
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