什么是双电源自动切换开关,如何选择双电源自动切换开关?

建筑电气杂志2018-06-25 12:29:27

双电源切换开关就是因故停电自动切换到另外一个电源的开关,一般双电源切换开关是广泛应用于高层建筑、机房、小区、医院、机场、码头、消防、冶金、化工、纺织等不允许停电的重要场所。


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什么双电源自动切换开关?


双电源自动切换开关指的是一种由微处理器控制,用于电网系统中网电与网电或网电与发电机电源启动切换的装置,可使电源连续源供电。系列双电源,当常用电突然故障或停电时,通过双电源切换开关,自动投入到备用电源上,(小负荷下备用电源也可由发电机供电),使设备仍能正常运行。最常见的是电梯、消防、监控上、照明等。


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双电源自动切换开关的功能特点


两台断路器之间具有可靠的机械联锁装置和电气联锁保护,彻底社绝了两台断路器同时合闸的可能性,采用双列复合式触头、横接式机构、微电机预储能及微电子控制技术,基本实现零飞弧(无灭弧罩),具有明显通断位置指示、挂锁功能,可靠实现电源与负载间的隔离 可靠性高,使用寿命8000次以上,机电一体设计,开关转换准确、灵活、可靠 电磁兼容好,抗干扰能力强,对外无干扰,自动化程序高。


双电源自动切换开关具有短路、过载保护功能,过压、欠压、缺相自动转换功能与智能报警功能,自动转换参数可在外部自由设定,有操作电机智能保护功能,当消防控制中心给一控制信号进入智能控制器,两台断路器都进入分闸状态,留有计算机联网接口,以备实现遥控、遥调、遥信、遥测等四遥功能。


全自动型不需外接任何控制元器件 外形美观、体积小、重量轻 由逻辑控制板,以不同的逻辑来管理直接装于开关内的电机,变速箱的动行操作来保证开关的位置,电机为聚氯丁橡胶绝缘湿热型电机装有安全装置,在超出110℃湿度和过电流状态时跳闸,在故障消失后即自动投入工作,可逆减速齿轮采用直齿齿轮。

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双电源自动切换开关正常工作条件


(1)周围空气温度:周围空气温度上限+40℃,周围空气温度下限-5℃,周围空气温度24h的平均值不超过+35℃。

(2)海拔:安装地点的海拔不超过2000m。

(4)大气条件:大气相对湿度在周围空气温度为+40℃时不超过50%;在较底温度下可以有较高的相对湿度;最湿月的月平均最大相对湿度为90%,同时该月的月平均最低温度+25℃,并考虑到因温度变化发生在产品表面上的凝露。

(5)污染等级:污染等级为3级。


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双电源自动切换开关的分类


1、ATS和STS


STS(Static Transfer Switch),静态开关,又叫静态转换开关,为电源二选一自动切换系统,第一路出现故障后STS自动切换到第二路给负载供电(前提第二路电正常且和第一路电基本同步),第二路故障的话STS自动切换到第一路给负载供电(前提第一路电正常且和第二路电基本同步),适合用于UPS-UPS,UPS-发电机,UPS-市电,市电等任意两路电源的不断电转换,以上所有电源间都需要同步装置已保证两电源基本同步,否则STS无法切换。

主要由智能控制板,高速可控硅,断路器构成,其标准切换时间为≤8ms,不会造成IT类负载断电,既对负载可靠供电,同时又能保证STS在不同相切换时的安全性。


ATS也称ATSE(是Automatic transfer switching equipment的英文缩写),动转换开关。ATS主要用在紧急供电系统,将负载电路从一个电源自动换接至另一个(备用)电源的开关电器,以确保重要负荷连续、可靠运行,ATS为机械结构,转换时间为100毫秒以上,会造成负载断电。适合照明、电机类负载,其中负荷开关派生的自动转换开关采用双列复合式触头、传动机构、微电机预储能、以及微电子控制技术,基本实现了零飞弧,驱动电机为聚氯丁橡胶绝缘湿热型电机,装有安全装置在超出110℃温度和过电流状态时自动跳闸,待故障消失后即自动投入工作,很大程度保证了开关寿命。

2、双电源自动切换开关主要分为PC级双电源开关(整体式)和CB级双电源开关(双断路器式)


(1)PC级双电源自动切换开关


PC级双电源自动切换开关能够接通、承载、但不用于分断短路电流的双电源,双电源若选择不具有过电流脱扣器的负荷开关作为执行器则属于PC级自动转换开关,不具备保护功能,但其具备较高的耐受和接通能力,能够确保开关自身的安全,不因过载或短路等故障而损坏,在此情况下保证可靠的接通回路。


(2)CB级双电源自动切换开关


CB级双电源自动切换开关配备过电流脱扣器的双电源,它的主触头能够接通并用于分断短路电流,双电源应选择仅具有短路电流脱扣器的断路器作为执行器则属于CB级自动转换开关,具备选择性的保护功能,能对下端的负荷和电缆提供短路保护,其接通和分断能力远大于使用接触器和继电器等其他元器件。

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双电源自动切换开关操作规程


1、当因故停电,且在较短时间内无法恢复供电时,必须启用备用电源。


(1)切除市电供电各断路器(包括配电室控制柜各断路器,双电源切换箱市供电断电器),拉开双投防倒送开关至自备电源一侧,保持双电源切换箱内自备电供电断路器处于断开状态。

(2)启动备用电源(柴油发电机组),待机组运转正常时,顺序闭合发电机空气开关、自备电源控制柜内各断路器。

(3)逐个闭合电源切换箱内各备用电源断路器,向各负载送电。

(4)备用电源运行期间,操作值班人员不得离开发电机组,并根据负荷的变化及时调整电压、厂频率等,发现异常及时处理。


2、市电恢复供电时,应及时做好电源转换工作,切断备用电源,恢复市电供电。


(1)按顺序逐个断开自备电源各断路器,顺序是:双电源切换箱自备电源断路器→自备电源配电柜各断路器→发电机总开关→将双投开关拨至市电供电一侧。

(2)按柴油机停机步骤停机。

(3)按顺序,从市电供电总开关至各分路开关逐个闭合各断路器,将双电源切换箱自市电供电断路器置于闭合位置。


3、检查各仪表及指示灯指示是否正常,启动变压器内冷却风扇。基本分类 双电源自动转换开关(以下简称双电源)是采用塑壳断路器与负荷开关二大类型以下是二种产品介绍


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如何选择双电源自动切换开关


双电源自动切换开关在切换备用电源时是有延时的,这个延时主要作用在由主电源向备用电源转换上。而有些用电设备对双电源自动切换开关的转换时间是有严格要求的,因此双电源自动切换开关选型时一定要看好用电设备的转换时间。下面就介绍一些用电设备对双电源自动切换开关的转换时间的要求。


(1)双电源自动切换开关具有自投自复功能时,当主电源恢复正常供电后,双电源自动切换开关应经延时后,切换回主电源。


(2)双电源自动切换开关一般不允许带大电动机或高感抗负载转换,这类负载在运行中切换,两路电源相位差较大时,电机将受到巨大的机械应力。同时,由电动机产生的反电势引起的过流会造成熔断器熔断或断路器脱扣。因此,当双电源自动切换开关带大电动机或高感抗负载转换时,两组动触头在转换前应增加一个延时时间,即应选用延时转换型双电源自动切换开关,延时时间视负载情况确定。


(3)当采用发电机组作为应急照明电源时,发电机的启动和电源转换的全部时间不应大于15s。双电源自动切换开关应选用“市电-发电机转换”专用型。


(4)当变电室低压配电系统为单母线分段运行,并设母联开关时,双电源自动切换开关总动作时间应与变电室母联开关设定的动作时间整定值配合, 应大于联络开关动作时间0.5-1秒以上。变电室母联开关的动作时间大多为2.5s,双电源自动切换开关总动作时间宜在3s以上。


ATSC即双电源自动转换开关在工程中得到了广泛的应用,正确合理的选择ATSE可确保重要负荷的可靠供电,ATSE在重要负荷的供电系统中是不可缺少和重要的一个环节,ATSE目前在我国经历了四个发展阶段,即两接触器型、两断路器型、励磁式专用转换开关和电动式专用转换开关。


(1)两接触器型转换开关为第一代,是我国最早生产的双电源转换开关,它是由两台接触器搭接而成的简易电源,这种装置因机械联锁不可靠、耗电大等缺点,因而在工程中越来越少采用。


(2)两断路器式转换开关为第二代,也就是我国国家标准和IEC标准中所提到的CB级ATSE,它是由两断路器改造而成,另配机械联锁装置,可具有短路或过电流保护功能,但是机械联锁不可靠。


(3)励磁式专用转化开关为第三代,它是由励磁式接触器外加控制器构成的一个整体装置,机械联锁可靠,转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关,速度快。电动式专用转换开关为第四代,是PC级ATSE,其主体为符合隔离开关,为机电一体式开关电器,转换由电机驱动,转换平稳且速度快,并且具有过0位功能。

07

ATSE的发展趋向主要包括两个方面:


其一是开关主体,具备很高的抗冲击电流能力,并且可频繁转换;具有可靠的机械联锁,确保任何状态下两路电源不能并列运行;不允许带熔丝或脱跳装置,以防止双电源开关因过载而造成输出端无电现象;具备0位功能,并且隔离距离大,以便能够承受更高的冲击电压(8KV)以上;四级开关具备N级先合后分的功能,以防止ATSE在切换时,不同系统中 N线上电位漂移,使电流走向不一致或分流,造成剩余电流保护装置误动作。


其二是控制器,采用微处理器智能化产品,检测模块应具有较高的检测精度和宽的参数设定范围,包括电压、频率、延时时间等;具备良好的电磁兼容性,应能承受住主回路的电压波动,浪涌保护,谐波干扰,电磁干扰等;转换时间快,且延时可调;可为用户提供各种信号及消防联动接口,通信接口。      


从ATSE的发展过程和发展趋向可以看出,PC级ATSE在工程中的应用将成为主流,值得一提的是,《固定式消防泵驱动器-控制器》(IEC标准修正草案)中指出,ATSE不应带短路和过电流保护功能。而CB级ATSE不能够满足这一点,一旦出现短路和过电流的情况,脱扣器脱扣,造成电源侧虽然有电, 而负载没电的情况,不能满足一、二级负荷对供电的要求。IEC标准修订的趋向也证明了PC级ATSE在工程中的推广是必然的。这也是我们为什么要单独对PC级ATSE进行阐述的理由,标准中还将ATS分成PC级和CB级2个级别。   


(1)PC级ATS采用一体式转换结构,励磁驱动(Drive),容易可靠,动作时间快,一般100-200MS。触头为银合金,触头分离速度大,有专门设计的灭弧室。体积小,仅有CB级的1/2.具有耐短时电流。   


(2)CB级ATS是由两台断路器为基础,由控制器控制带有机械连锁的电动传动机构来实现2路电源的自动转换。切换时间1-2s。    


(3)PC级双电源用在要求较高的场合,CB级用在一般的使用场合,CB级的双电源的价格比PC级的低。    


(4)PC级双电源是有符合隔离开关组成,能够接通,承载,但不用于分断短路电流的双电源转换开关。  


(5)CB级双电源是配备过流脱扣器(断路器)的双电源,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。


在选用ATSE 过程中,需要了解 ATSE所带负荷的特性、负荷对电源的要求、在发生短路时的承受能力及保护要求等。有的放矢地的在系统中选择和设计好 ATSE。


一、思考 1:在 ATSE 选用中体现使用类别有何意义?


1
ATSE 选用体现使用类别的意义


a.在不同的负荷情况下,负荷在启停、工作、改变工作状态时工作电流是要发生变化的,而使用类别反应了正常工况下的接通与分断能力。所以在设计前分析负荷在各工况下电流的变化,根据范围选择合适的使用类别是有必要的。


b.GB / T14048.11 - 2008《低压开关设备和控制设备第 6 - 1 部分:多功能电器 转换开关电器》比较已被其替换的 GB / T 14048.11 - 2002,使用类别所对应的典型用途已经发生改变。


据了解,很多 ATSE 厂家的样本并未随着标准的改变而更新,所以在设计时核实使用类别是有必要的。


2
ATSE 使用类别的选择(见表1)


表1 ATSE使用类别

 

GB / T 14048. 11 - 2008 较 GB / T14048. 11 - 2002 增加了使用类别 AC - 32 及 AC - 33i。


其中 AC - 32 的接通与分断能力 I /  Ie(I —— 接通和分断电流; Ie —— 额定工作电流)为 3倍。


填补了由原来的 AC- 31 的 I /  Ie为 1~ 5 倍直接到原 AC - 33的 I /  Ie 为 6 倍的中间选择参数。


现在的 AC - 33i 代替了原来的 AC -33,接通与分断能力 I /  Ie 为 6 倍。现在的 AC - 33的接通与分断能力 I / Ie 由原来的 6 倍提高到了 10 倍。


二、思考 2:为何要明确 ATSE 的转换类型?


ATSE 设计明确转换类别的意义


a.有些负荷对电源电压、频率、相位同步的要求较高,需要电源条件完全符合才能转换。


b.ATSE 一般不允许带大电动机或高感抗负荷转换,这类负荷在运行中切换,两路电源相位差较大时,电机将受到巨大的机械应力。


同时,由电动机产生的反电势引起的过流会造成熔断器熔断或断路器脱扣。因此,当 ATSE 带大电动机或高感抗负荷转换时,两组动触头在转换前应增加一个延时时间,即应选用延时转换型 ATSE,延时时间视负荷情况确定。


c.无缝转换的需要。此类转换形式并不符合GB 50052 - 2009《供配电系统设计规范》4. 0. 2 条的要求,但是市场存在此类技术的产品,应用于特殊场合(例如:在 2008 年北京奥运会的 IBC 转播中心经华北电网研讨同意后实行备用供电的短时并网方案)。


三、思考 3:如何考虑 ATSE 的短路特性?


ATSE 短路特性的选择


GB / T 14048-11 - 2008 的 8- 2- 5 给出了短路条件下 ATSE 接通与分断能力的几个参数:


a.额定短时耐受电流(额定热稳定电流)—— 在规定的使用和性能条件下,在确定的短时间内,ATSE 在闭合位置所能承载的规定电流有效值。


额定短时耐受电流的通电时间按该标准 5-3- 6- 1 条确定,即:


①额定工作电流小于等于 400 A 时,交流为额定频率的 1- 5 个周波(50 Hz,0- 03 s),直流为 0- 025 s;


②额定工作电流大于 400 A 时,交流为额定频率的 3 个周波(50 Hz,0- 06 s),直流为 0- 05 s。


ATSE 应能承受表2 的预期电流。



表2 验证短路操作能力的试验电流值

 

b.额定限制短路电流。与 PC/ CC级 ATSE 配合的短路保护电器(SCPD)的额定限制短路电流值,应能承受表2 的预期试验电流,直至 SCPD 分断电路。SCPD 应能满足最大峰值电流和 I 2 t 的条件。


c.额定短路接通能力。额定短路接通能力在GB / T 14048- 11 - 2008 的 5- 3- 6- 2 中给出定义:TSE 在外施电压小于等于 105% 额定工作电压时,应能接通相应于额定短路接通能力的电流。


是制造商规定的,在额定工作电压、额定频率和规定的功率因数(或时间常数)下,电器的短路接通能力值。额定短路接通能力用最大预期峰值电流表示。


对于交流 CB 级的 TSE,额定短路接通能力应大于短路分断能力有效值乘以表 3 中系数 n 后的值。



表3 对应于实验电流的功率因数、时间常数、电流峰值与有效值的比率n

 

对于 PC 级 ATSE,在其前端设置了可靠的SCPD 保护的情况下,是否可以不用再考虑额定短路接通能力?尚需大家去探究。


d.额定短路分断能力。额定运行短路分断能力 Icn 的试验程序为 O — t — CO — t — CO。


经过试验,断路器能完全分断、熄灭电弧,就认定它的额定运行短路分断能力合格。按照 GB / T 14048- 11 - 2008 的 8- 2- 5- 4,CB 级 TSE 应能分断表2 的试验电流。

 

四、思考 4:如何确定 ATSE 的总动作时间?


1
设计前需要确定的几个问题


a.10 kV 系统母线段是否有母联开关?如果有,投入时间是多少?


b.低压母线段是否有母联开关?如果有,投入时间是多少?


c.设计中的 ATSE 是第几级的 ATSE?


d.通过计算得到的 ATSE 工作电流来选择驱动形式(电机驱动、电磁驱动)。


综上所述,应以 ATSE 的总动作时间,即:人为设定的延时时间 + 上下级级差 + ATSE 转换时间,为设计参数。


2
ATSE 动作时间的几种表示方法


根据国家标准 GB / T 14048-11 - 2008 中的 3- 2- 5 ~ 3- 2- 8,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.返回转换时间。


e.断电时间。


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,并考虑灭弧时间(实验测定可靠灭弧时间约 120 ms,转换时间小于 100 ms 是不可靠的),机械式 ATSE 的转换动作时间在 100 多 ms 至数 s。


目前生产工艺条件下,ATSE 动作时间范围大致如表4 所示。


表4 ATSE转换动作时间范围




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