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自动转换开关在低压配电中的应用,了解下
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自动转换开关在低压配电中的应用
    由于产品的技术水平高低以及先进性和可靠性,将直接影响各重要场所用电的安全与可靠,ATS已成为低压配电系统中一个不可缺少的重要组成部分,因此在工程设计中应引起高度重视,并很有必要熟悉和了解其类型、组成与工作原理、主要特点及功能等,以便正确选择和合理应用。 

  ATS主要适用于交流不超过1000V的紧急供电系统,在换接电源期间中断向负载供电。根据IEC国际标准定义:由一个或多个转换开关电器和其他必须的电器组成,用于检测电源电路,并将一个或多个负载电路从一个电源转换至另一个电源的自动电器。当存在常用电源和备用电源两个电源的情况时,ATS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时,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时,则自动将负载返回换接到常用电源。换接时间可有预定的延时或无延时,并可处于一个断开位置。这类电器产品已在建筑电气行业中得到了认可,简称为“双电源自动转换开关—ATS”。 

  根据IEC-60947-6国际标准规定,ATS分PC或CB两个级别。PC级能够接通、承载,但不用于分断短路电流的ATS。其负荷开关和接触器双投型的ATS都属于这一类产品,本体只能作为ATS使用,不具备过载和短路以及其他保护功能。CB级配备过电流脱扣器的 ATS,其主触头能接通并用于分断短路电流。其断路器和控制保护器投切型的ATS都属于这类产品,除本体作为ATS使用外,还具备过载、短路以及其他保护功能,从而实现对负载的两段或三段及其他保护功能等。 
   
  ◇ATS的主要特点及功能 

  针对目前国内生产不同类型的ATS,从安全性、可靠性、保护性等诸多方面分析其主要特点及功能,并简述其优缺点,供设计选用时参考。 

  ◇断路器投切型ATS 

  这种ATS由两台断路器为基础,外加单(双)微型可逆电机组成电动操作机构来实现双电源自动转换与控制,所以断路器的取材广泛,从国产到合资生产以及进口的断路器都能进行组装。断路器投切型ATS的主要优点: 
  (1)从结构形式上采用了两台断路器,绝缘等级高,且具有电气与机械双重联锁功能,防止两台断路器任何状态下都不能同时合闸,很好地保证了其安全性。 

  (2)二次控制回路采用智能控制器组成,在弱电控制、无触点化、功能强大等方面具有先进性,减少了外围元器件,为供电的连续性提供了可靠的保障,基本符合有关可靠性要求。 

  (3)为负载提供了完整的过载与短路保护,可实现两段或三段保护功能,并可根据需要增加接地等其他保护功能;另外还具有限流强、选择性能好、级联配合以及能量保护等功能,在选择性能上表现极为突出。 

  (4)具有电源各种故障保护、故障报警指示、运行参数可调及电源电压显示等功能,并防止故障电源向负载供电;由于不同用户或设备对供电电压及转换时间有不同的要求,可通过数字整定可调功能,大大方便用户使用,并且为实现“四遥”提供了前提条件,经通信接口适用于智能化网络的集中控制。 

  ◇其主要缺点: 

  (1)由于采用两台断路器为基础,体积大,造价高;因采用微型可逆电机驱动,故转换时间长,至少1.5s以上。 

  (2)当采用两台断路器(微断或塑壳式)时,在其手柄上加装一套微型可逆电机组成的电动操作机构,使两只手柄同时逆向操作,这种方法较原始,操作手柄容易受损,动作位置调整也很困难,还会因振动等原因影响正常的分合闸操作;当采用两套微型可逆电机组成的电动操作机构时,同样存在操作和联锁机构复杂、不容易调整及易发生故障等问题,因此,可靠性在一定程度上受到影响。发现这类缺陷后,对产品操作机构进行了研究改进,使其传动简捷、故障点少、寿命长。 

  ◇负荷开关双投型ATS 

  这种ATS由两套负荷开关拼装为一体,依靠一套微型可逆电机组成电动操作机构,并通过齿轮变速箱传动完成双电源的自动转换与控制,动作方式与单电机驱动的断路器投切型ATS基本类似。 

  ◇负荷开关双投型ATS的主要优点: 

  (1)由于本身的运动、传动机械简单、紧凑,除电气联锁外,还可通过机械齿轮传动结构完成机械联锁功能,安全性得到保证。 

  (2)二次控制回路大部分产品都集开关与逻辑控制于一体,由于采用电子产品,故障隐患减少,基本满足了可靠性要求。 

  (3)受结构形式限制,不具备过载和短路等保护,所以体积适中,外观整齐统一,价格适中。 

  ◇其主要缺点: 

  (1)因不具备任何保护功能,且耐受短路导通容量小,主触头系统无灭弧栅,切换时拉弧时间长,容易影响触头的使用寿命。 

  (2)采用微电机驱动和齿轮变速传动机构,所以转换时间长,其机械传动机构装置同样存在易发生故障而影响可靠性等问题,需进一步改进、完善。 

  (3)不适宜频繁的转换与操作,否则将影响整体使用寿命。这种ATS采用直流电磁线圈作为动力,经电磁激励脉冲操作完成整个转换动作过程。 

  ◇接触器双投型ATS的主要优点: 

  (1)在结构形式上由V型主触头和电气机械双重联锁控制组成,采用直流线圈激励直线驱动完成转换过程,因此外型体积偏小,结构简单紧凑,运行安全性能好。 

  (2)二次控制回路大多数产品都集开关与逻辑控制为一体,并通过机械部分直线定位,定位精度高,抗震动,不受安装方向和角度的影响。另外,依靠电气与V型机械自锁装置的作用,确保两路电源在任一时刻都不会同时接通,可靠性较高。 

  (3)不具备过载和短路保护功能,但短路接通容量大。因为主触头为平面型接触,具备独立的灭弧室并配有灭弧栅,具有很高的载流量,能够带负荷或频繁转换操作。 

  (4)采用电磁瞬时激励驱动,故转换时间快,且完成转换后线圈不带电,达到了节电消除噪音的目的。 

  其主要缺点是:需进一步改进和完善二次控制回路,最好采用智能控制器,尽量减少与有关操作和信号指示的外围元器件,提高该装置的先进性,使其动作更加安全可靠。 

  ◇控制保护器投切型ATS 

  这种ATS主要由KBO系列主电路基本模块和其他辅助模块组成。控制保护器投切型ATS的主要优点:

  (1)由于采用了模块化结构,在单一的结构形式上实现了集成化、内部协调配合的控制与保护,具有断路器、接触器及热继电器的各种功能与优点,并通过内部电气与机械联锁功能,依靠电磁线圈吸引驱动来完成自动转换过程,无须再外加其它操作和转换机构,故结构简单紧凑,转换速度快,安全性能好。 

  (2)目前该产品在国内是独家生产,其二次控制回路无论采用集开关与逻辑控制于一体,还是采用智能控制器,都能较好地满足可靠性的要求。 

  (3)可为负载提供完整的过载与短路保护,其他功能及特点与断路器投切型的ATS基本相同,不再详述。 

  (4)具有过载、短路以及故障直接报警功能,当选用消防型电子脱扣器时,在过载情况下其本身具备只报警不跳闸功能,可满足消防设备的特殊使用要求。 

  ◇其主要缺点: 

  (1)主电路容量小,最大为100A,不能完全符合双电源转换需求,应进一步研发大容量产品,以满足大中型工程的使用要求。 

  (2)采用电磁线圈吸引驱动,其线圈长期带电会产生噪音,应考虑增加直流无声运行辅助模块,减少噪音污染,达到节电节能目的。 

  ◇ATS在低压配电系统中的应用 

  在低压配电系统中,依据国家与行业现行规范要求,对于一些较重要的一、二级负荷,应采用双电源供电;对消防用电设备,除采用双电源供电外,还应在最末一级配电箱处做自动切换。因此,ATS的使用范围将更加广泛,如何正确选择和使用ATS也成为设计所关注的焦点。在一些工程设计中,往往由于不了解ATS的类型、组成与动作原理、特点及功能等,而单纯以价格作为衡量标准,盲目地选择和使用,忽视了其本身的安全性和可靠性,使低压配电系统扩大了配电级数,增加了故障点,直接影响了供电的连续性和可靠性。从本质上说, ATS只是能完成双电源自动转换功能电力设备的统称,并不拘限于某种类型,但必须符合国家与国际标准的检验要求。作为双电源自动转换使用的ATS开关设备,除了完成负载在两路电源间的选择和转换功能外,还必须考虑供电回路中的种种复杂情况(如短路电流的冲击、过负荷、设备频繁操作等),所以ATS本身还必须具有很好的自我保护能力和适用性。随着我国IEC标准的推广,ATS的选择和使用应逐步向正规化、合理化趋势发展。在实际工程设计中,对ATS的选择应从技术角度出发,必须充分考虑供电系统的配电方式、转换时间及负载使用性质等实际情况,供电要求苛刻的场所应使用高可靠性转换的ATS,并以短路电流校验ATS的遮断电流,以市电的可靠性决定ATS转换的频繁性。现就正确选择和使用ATS需要注意的问题进行分析。 

  ◇低压配电系统应遵循的原则 

  为了保证供电的连续性和可靠性,对于电源供电的线路一般都取自变配电所(或配电室)低压侧的两段母线上,消防设备供电还要求专路供电,并应对该线路加装过载和短路保护,其配电方式分别采用树干式和放射式或两者相结合的方式。对于负荷比较分散并需要向各楼层或各分区供电的负荷,宜采用树干式供电。对于容量较大且负荷集中或重要负荷宜采用放射式供电,在确定配电方案时,应遵循以下原则: 

  (1)民用建筑电气设计规范JGJ/T16-92(以下简称为民规)第8.1.4条规定:“自变压器二次侧至用电设备的低压配电级数不宜超过三级,非重要负荷供电时,可超过三级。”对于双电源供电的线路,无论采用树干式或放射式供电,应尽量减少配电级数,因为都是重要负荷,不宜超过三级。 

  (2)民规第8.6.6.2条规定:“保护电器应装设在被保护线路与电源线路的连接处,但为了维护与操作方便可设置在离开连接点的地方,并应符合下列要求:①线路长度不超过3m”……此规定主要适用于树干式供电的线路,并确定在电源线与分支线的连接处是否要加装保护电器,当分支线的截面减小或与电源线等截面时,只要长度不超过3m,则无须在该分支线上加装保护电器,直接在负荷侧出线回路上加装保护电器即可。 

  (3)民规第8.6.6.3条规定:“从高处的干线向下引接分支线路,为了操作维护的方便需将分支线路的保护电器装设在距连接点的线路长度大于3m的地方时,应符合下列要求:①在该分支线装设保护电器前的那一段线路发生单相(或两相)短路时,离短路点最近的一级保护电器应能保证动作”……此规定主要适用于树干式供电的线路,当分支线从电源干线连接引下时,其分支线长度大于3m,但截面不减小同电源线截面,可直接在负荷侧加装保护电器;②当分支线截面需要减小时,应首先在分支线长度不超过3m处加装保护电器,然后在大于3m的负荷侧另外加装保护电器。 

  (4)民规第8.1.7条规定:“由放射式线路供电的配电箱,其进线开关宜采用不带短路保护和过负荷保护的隔离电器。”对于放射式供电的线路,因在上一级已加装了过载和短路保护,并向终端配电箱供电,其配电箱的进线开关宜采用不带保护功能的隔离开关即可。 

  ◇双电源树干式供电时ATS的选择和使用 

  双电源树干式供电分水平和垂直树干式两种。当采用水平树干式供电时,其线路不应跨越防火分区连接用电设备,垂直树干式供电线路应在专用的电气竖井或沿封闭式防火桥架敷设。下面对树干式供电时ATS的选择和使用情况进行分析: 

  (1)采用双电源树干式供电。这种方案有两种情况:一种情况是分支线路无论是截面减小(一般不宜小于电源干线截面的两个等级)或与电源干线等截面,只要距分支连接点的长度不超过3m,可直接加装不带保护的PC级ATS,然后在负荷侧各出线回路上加装保护电器;另一种情况是分支线路不变截面与电源干线等截面,且距分支连接点的长度大于3m或远远大于3m,同样也可在用电设备处直接加装不带保护的PC级ATS,另外在负荷侧各出线回路上加装保护电器。上述两种情况都能满足配电系统的原则要求,主要适用于需要末端转换的场所,其ATS和负荷侧各出线回路的保护电器装在同一箱(柜)内,也可分别设箱并列安装。当 ATS转换后负荷侧需要总电源隔离时,可利用ATS本体具有的手动隔离功能实现,或另外加装总隔离开关。 

  (2)采用双电源树干式供电。这种方案是分支线路需要大大减小截面,且距分支连接点的长度远远大于3m时,首先应在不超过3m处加装电源配电箱并内装保护电器,然后分支线路按负荷侧额定电流要求减小截面,引至用电设备处再加装ATS,这时应采用不带保护的PC级产品,另外在负荷侧各出线回路上加装保护电器。该方案主要适用于需要末端转换的场所,且电源配电箱和ATS箱应安装在同一层或同一分区内的不同地方。

  (3)采用双电源树干式供电。这种方案主要适用于不需要末端转换的场合, ATS与负荷出线箱分别设置并安装在同一层或同一分区内的不同地方。但该方案有两种情况:一种情况是当分支线从电源干线连接引下时,无论是距分支连接点的长度不超过3m或大于3m,其分支线路截面均不减小与电源干线等截面,在该分支线路上加装ATS时应采用不带保护的PC级产品,从ATS转换后引出至负荷出线箱的线路也不应减小截面,然后在各出线回路上加装保护电器,并按所需选择线路截面引出;另一种情况是加装ATS的要求与前一种情况相同,只是在ATS 转换后引出的线路截面大大减小,所以应加装保护电器,然后引出至负荷出线箱,并在各出线回路上另外加装保护电器,选择合适的线路截面引出。 

  根据以上对双电源树干式供电时加装ATS的情况分析,在一般配电系统中应采用1.3WP、1.3BWP干线方案,不宜采用2.4WP、2.4BWP干线方案,但个别特殊情况除外,因为此方案的配电级数超过了3级。对于双电源树干式供电线路,从安全和可靠角度出发,应尽量减少连接点,避免故障隐患,并应考虑线路长截面过大会给制造和安装施工带来一定的困难等因素,建议每路双电源树干式供电线路所加装的ATS数量不宜超过5台,其干线的最大整定电流不宜超过 250A,干线最好选用电缆或预分支电缆,有条件时应优先选用预分支电缆。 

  ◇双电源放射式供电时ATS的选择和使用 

  (1)当双电源采用放射式供电时,因干线已在上一级加装了过载和短路保护,并向终端配电箱供电,在加装ATS时应采用不带保护的PC级产品,另外在负荷各出线回路上加装保护电器。这种方案主要适用于需要在末端转换的场所,其ATS和负荷各出线的保护电器装在同一箱(柜)内,也可以分别设箱并列安装;当在双电源放射式线路上加装ATS,但不需要末端转换时,可将ATS和负荷出线箱分别设置,并安装在同一层或同一分区内的不同地方,其干线至负荷出线箱的部分不应减小截面,在负荷出线箱内各路加装保护电器后,再按需选择相应截面出线。 

  (2)当消防负荷容量大且比较集中时,需要在低压配电室的母线上直接放射进行双电源转换,或因电源进线后需要直接进行双电源转换的场合(如消防水泵房等),这类转换方案仍可选用PC级的ATS,而不宜采用CB级的ATS,以避免因本体故障而影响电源的转换,若需要加装保护电器时可另外选择。 

  ◇市电与发电机电源转换时ATS选择与使用 

  当市电与发电机电源转换时,首先应考虑发电机的特殊性,确认市电断电后,发电机自启动,待发电机电源各项指标达到稳定值后才能输出,并具有互联装置。这类双电源的转换生产厂家专门规定了产品型号,以示区别,由于转换容量较大,一般都在低压配电室的母线上集中加装,以便使用和维护。这类双电源转换仍可选用PC级的ATS,若需要加装保护电器可另外选择。 

  (1)根据国家与行业有关规范要求,对于消防设备的双电源转换,其转换时间越快越好,但考虑目前我国的供电技术条件,规定在30s以内。当消防设备处于运转期间,若突然出现断电,势必引起电源的转换,由于转换时间长会使消防设备停止运转而影响使用,因此,必须增加二次启动控制环节保证消防设备继续工作,故在选择ATS时应优先选择转换时间快的产品。 

  (2)对于应急照明,根据目前我国设计的实际做法,一般采用城市电网的电源作为应急照明供电。为了满足使用需要和利于安全,允许使用城市电网供电,但是采用ATS作为应急照明时,在正常电源断电后,其电源转换时间应当满足:疏散照明≤15s(有条件时宜缩短转换时间),备用照明≤15s(金融商品交易场所≤1.5s),安全照明≤0.5s。 

  (3)当采用发电机组作为应急照明电源时,发电机的启动和转换的全部时间不应大于15s。 

  ◇四极型ATS的选择与使用 

  (1)根据IEC465.1.5条规定,正常供电电源与备用发电机之间的转换开关应用四极型开关。 

  (2)带漏电保护的双电源转换开关应采用四极型开关。两个电源开关带漏电保护时,其下级电源转换开关应采用四极型开关。 

  (3)两种不同接地系统间的电源转换开关应采用四极型开关。 

  (4)TN-S、TN-C-S系统一般不需要设四极型开关。但TN-S系统的一些特殊情况(三相严重不平衡及高次谐波含量较高)是否采用四极型开关应作进一步研究。根据上述要求,在选择ATS时,应按具体使用功能和要求确定是否采用四极型ATS,但四极型ATS需慎用。 

  ◇带漏电保护ATS的选择 

  ATS是否要加装漏电保护,主要取决于负载的使用性质和特点,为了防触电和确保人身安全,需要加装漏电保护,但在消防负载时为了保证电源的连续性和可靠性,又不希望加装漏电保护,这两者相互矛盾,笔者建议非消防使用的 ATS在电源侧和负载侧不宜加装总漏电保护,若必须加装时最好加装在转换后各自出线的支路上;消防使用的ATS电源侧和负载侧不应加装漏电保护。 

  ◇ATS过电压保护的选择 

  为了防止雷电的影响和分合闸所造成的过电压,ATS应加装过电压浪涌保护,具体做法如下: 

  (1)远离低压配电室设置在各楼层与分区及设备末端的ATS,应在双电源转换后加装过电压浪涌保护,浪涌保护应按第二级或第三级的有关要求进行加装。 

  (2)在变电所低压配电室内或建筑物的总配电室内,由于电源侧都加装了过电压浪涌保护,集中设置的ATS若距电源侧不超过10m时,可不再加装过电压浪涌保护。 

  ◇结束语 

  本文就ATS的类型、组成、工作原理、主要特点及功能等进行了分析,主要是为了在工程设计、选择和应用时引起大家的高度重视,合理地选择和使用ATS。特别是在低压配电系统中,应首先满足一级负荷配电级数不宜超过3级的要求,选择时无论是双电源树干式或放射式供电,都不宜采用带过载和短路保护的ATS,只需达到自动转换的目的,避免因主体结构故障及增加保护而引起的负载侧断电现象。在选择四极型和带漏电保护的ATS时,要谨慎考虑,应以保证使用功能为主,避免因选择不当而影响供电的连续性和可靠性。在选择ATS时,为了保证安全供电,应按要求加装过电压浪涌保护,避免因雷电和分合闸过电压而造成影响。随着现代化建设的不断深入发展,ATS应向机电一体化智能型方向发展,自动化程度会更高,安全可靠性能会更好,具有较高的检测精度和宽带参数设定范围,具备良好的电磁兼容性,应能承受主回路电压波动和电磁干扰的影响,具有转换时间快,延时可靠,并能提供各种信号及消防联动的通信接口,通过总线与计算机联网实现“四遥”功能。主体结构应简捷可靠,具有较高的抗冲击电流能力,通过自身的机械与电气联锁,确保任何情况下都不能并联运行,并具备零位功能和独特的触点分合技术,隔离距离大,能够承受更高电压的冲击,进一步提高主体的可靠性和稳定性。尽管微型计算机的发展和应用已相当普及,但机电一体化智能型ATS应用在我国尚属初级阶段,目前还有许多技术问题需要进一步探讨和解决,产品质量也需要进一步完善与提高,由于具有明显的优势,相信它会逐步取代传统的转换开关,而被广大工程设计人员认可,并得到越来越广泛的应用。
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