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自動轉換開關電器ATS基本原理

1. 工作原理的概述

  自動轉換開關電器簡稱為ATS,是Automatic transfer switching equipment的縮寫。ATS主要用在緊急供電係統,將負載電路從一個電源自動換接至另一個(備用)電源的開關電器,以確保重要負荷連續、可靠運行。因此,ATS常常應用在重要用電場所,其產品可靠性尤為重要。轉換一旦失敗將會造成以下二種危害之一,其電源間的短路或重要負荷斷電(甚至短暫停電),其後果都是嚴重的,這不僅僅會帶來經濟損失(使生產停頓、金融癱瘓),也可能造成社會問題(使生命及安全處於危險之中)。因此,工業發達國家都把自動轉換開關電器的生產、使用列為重點產品加以限製與規範。

  ATS一般由兩部分組成:開關本體+控製器。而開關本體又有PC級(整體式)與CB級(斷路器)之分。

  1. PC級:一體式結構(三點式)。它是雙電源切換的專用開關,具有結構簡單、體積小、自身連鎖、轉換速度快(0.2s內)、安全、可靠等優點,但需要配備短路保護電器。

  2. CB級:配備過電流脫扣器的ATS,它的主觸頭能夠接通並用於分斷短路電流。它是由兩台斷路器加機械連鎖組成,具有短路保護功能;

  控製器主要用來檢測被監測電源(兩路)工作狀況,當被監測的電源發生故障(如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現偏差)時,控製器發出動作指令,開關本體則帶著負載從一個電源自動轉換至另一個電源,備用電源其容量一般僅是常用電源容量的20%~30%。圖1是典型ATS應用電路。控製器與開關本體進線端相連。




  ATS的控製器一般應有非重要負荷選擇功能。控製器也有兩種形式:一種由傳統的電磁式繼電器構成;另一種是數字電子型智能化產品。它具有性能好,參數可調及精度高,可靠性高,使用方便等優點。

2. CB級和PC級ATS性能比較

2.1兩者機械設計理念不同

  CB級是由斷路器組成,而斷路器是以分斷電弧為已任,要求它的機械應快速脫扣。因而斷路器的機構存在滑扣、再扣問題;而PC級產品不存在該方麵問題。PC級產品的可靠性遠高於CB級產品。

2.2斷路器不承載短路耐受電流,觸頭壓力小

  供電電路發生短路時,當觸頭被斥開產生限流作用,從而分斷短路電流;而PC級ATSE應承受20Ie及以上過載電流。觸頭壓力大不易被斥開,因而觸頭不易被熔焊。這一特性對消防供電係統尤為重要。

2.3兩路電源在轉換過程中存在電源疊加問題

  PC級ATSE充分考慮了這一因素。PC級ATSE的電氣間隙、爬電距離的180%、150%(標準要求)。因而PC級ATSE安全性更好。

2.4觸頭材料的選擇角度不同

  斷路器常常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對,這有利於分斷電弧。但該類觸頭材料易氧化,備用觸頭長期暴露在外,在其表現易形成阻礙導電、難驅除的氧化物,當備用觸頭一但投入使用,觸頭溫升增高易造成開關燒毀甚至爆炸;而PC級ATSE充分考慮了觸頭材料氧化帶來的後果。

3 PC級ATS的相關參數選擇

3.1 用類別選擇

  3.1.1目前,我國市場上PC級ATSE有兩種使用類別。一是適用於AC-33B;另一種適用於AC-31B;開關的使用類別表示其控製負載的能力。
  ①.C-33B/A*:適用電動機混合負載。既包含電動機、電阻負載和30%以下白熾燈負載,接通與分斷電流為6Ie,COSj=0.5;
  ②.C-31B/A*:適用無感或微感負載,接通與分斷電流為1.5Ie,COSj=0.8; (*B:表示不頻繁操作;A:表示頻繁操作。)
由於ATSE較難通過AC-33B試驗。因此,一些製造廠降低開關使用要求,才選擇AC-31B使用類別。顯而易見選擇使用AC-33B的ATSE比選擇使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。

  3.1.2小容量ATSE(≤100A)通常帶電動機負載(如消防泵)直接轉換,最好具有AC-3指標(直接通斷鼠籠型電動機), 按接通10Ie /分斷8Ie /COSj=0.45要求進行考核。使用該產品更安全。

3.2 短路保護電器選擇

  PC級ATSE不具有短路保護功能,因此,需配短路保護電器。短路保護電器一般有兩種,熔斷器或斷路器。由於熔斷器限流性能好,限製短路電流能力強,它常被使用在係統出現預期短路電流大的地點處;而斷路器限流性能差,額定限製短路電流能力低。不同的企業ATSE產品規定的額定限製短路電流不同,表1為RTQ1(TP1)自動轉換開關電器所規定的額定限製短路電流值。



  在選擇短路保護電器額定電流值時,一般的原則是短路保護電器(熔斷器或斷路器)與被保護電器(ATSE)額定框架電流值一致(即1:1)。

3.3 段式與三段式選擇

   二段式ATSE開關主觸頭僅有兩個工作位,即“常用電源位”與“備用電源位”,負載不會出現長期斷電情況,供電可靠性高,轉換動作時間快。

  三段式ATSE開關主觸頭有三個工作位,多個“零位(是指電動狀態下)”,即主觸頭處於空擋,負載斷電時間相對較長,是二段式斷電時間的2-3倍。

  三段式的“零位”主要是用於ATSE在帶高感抗或大電機負載轉換時,為避免衝擊電流做“暫態停留”之用;而非用於負載維修時隔離之用。維修時的隔離一定要選擇隔離開關,它更安全。因為,隔離開關必須具有以下功能:

  ①動觸頭在斷開位置時可鎖定或可視;
  ②具有較高的額定衝擊耐受電壓(1.25倍);
  ③在任何情況下,極限泄漏電流不應超過6mA。

4. ATS動作時間選擇

  衡量一台ATSE轉換速度有5種動作時間(見GB/T14048.11)。ATSE應向用戶至少提供一種動作時間,便於用戶依據使用要求進行選擇。

4.1 觸頭轉換時間

  測定從第一組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉合備用電源為止的時間。

4.2 換動作時間

  測定從主電源被監測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間(含機構動作時間),不包括特意引入(控製器)的延時。

4.3 總動作時間

  轉換動作時間與特意引入(控製器)的延時之和。

4.4 返回轉換時間

    從常用電源完全恢複正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時間加上特意引入的延時。

4.5 斷電時間

  測定從各相電弧最終熄滅的瞬間起至主觸頭閉合另一個電源為止的轉換過程時間,包括特意引入的延時。

  一般用戶應注重“總動作時間”或者“轉換動作時間”,以滿足不同配電係統使用要求.二段式PC級ATSE總動作時間一般在50~250ms;

  三段式PC級ATSE總動作時間一般在350~600ms;
  CB級ATSE總動作時間一般在2000~3000ms;
  圖7為GB/T14048.11-2002標準中所規定的動作時間概念形象圖。


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