双电源转换开关(ATSE)的选择和设计问题分析

夏凡

（阿特金斯顾问(深圳)有限公司上海分公司上海200003）

摘要：近年电气专业新规范频频推出，新技术发展愈来愈快，对供电的可靠性要求也越来越高，本文通过对双电源转换开关（ATSE）的选择及在电气设计中的常见问题进行了较深入的分析,指出了双电源目前存在的问题,并提出了具体建议和改进办法,对建筑电气中双电源的选型和设计具有借鉴作用。

关键词：ATSE的概念分类；CB级；PC级；ATSE的合理选择；设计缺陷和分析

1引言

双电源转换开关(ATSE)的作用主要是用于电网系统中网电与网电或网电与发电机等备用电源启动切换的装置，可使电源连续源供电，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，能够保证负载用电的连续性。双电源自动转换开关(ATSE)在消防负荷上的作用尤为重要，是决定消防系统能够正常运行的一个重要因素。随着近年来技术长足发展，设计要求也越来越高，在双电源开关(ATSE)的电气设计上，还存在一些问题值得探讨和研究。

2自动转换开关（ATSE）的概念及分类

2.1自动转换开关(ATSE)的定义和构成

以GB/T14048.11-2016《低压开关设备和控制设备》对自动转换开关的定义为：自动转换开关电器（ATSE）是由必需的电器和一个（或几个）转换开关电器组成，并将单个或若干个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源用于监测电源电路的电器。自动转换开关（ATSE）一般包括通过进线端相连的控制器和开关本体。在电源的工作状况中，一旦控制器监测到电源发生故障时，控制器立即发出动作命令。

双电源转换开关(ATSE)本体的功能则是带着负载完成从一个电源至另一个电源的自动转换。开关本体又分为CB级和PC级，CB级开关本体主要由两个相同的断路器和机械连锁操作机构组成；PC级开关本体有两种结构形式，一种是由两个相同的隔离开关或负荷开关和机械连锁操作机构组成，另一种是整体式专用PC级自动转换开关，整个开关（包括触头材料、压力、分离速度、灭弧机构、传动机构等）都是独立重新设计的。

2.2CB级与PC级自动转换开关(ATSE)的区别

CB级与PC级主要有以下几个方面的不同：

1）机构设计理念不同：由断路器组成CB级，断路器要求机构应快速脱扣，以便能很好地完成分断电弧的任务，而PC级产品的可靠性远高于CB级产品，也就根本不会存在滑扣、再扣问题；

2）CB级ATSE能分段短路电流，而PC级能够接通和承载，但不用于分断短路电流。CB级主要承担分断短路电流的责任，当供电线路发生短路时，断路器的触头压力较小，一般不能承受短时耐受电流，易被斥开并产生限流作用。相比之下，PC级触头压力较大，不易被斥开和熔焊，因此能承受20Ie甚至以上过载电流，PC级触头耐受电流的这个特性在消防供电系统中的应用非常重要；

3）PC级ATSE转换时间为0.1秒左右，而CB级转换时间为3秒左右。

4）安全性不同：为了使分断电弧效果更好，CB级一般选择银钨、银碳化钨材料等触头材料，但由于备用触头经常暴露于空气中，容易受氧化阻碍导电且不易消除。PC级则避免了此种备用触头投入使用时，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸的安全隐患，显然CB级安全系数低于PC级。此外PC级充分考虑了两路电源在转换过程中存在电源叠加问题，PC级的标准要求电气间隙、爬电距离是CB级的180%和150%，因此PC级安全性更好。

3自动转换开关（ATSE）合理的选择和使用

在现阶段使用的双电源自动切换开关（ATSE）主要分为PC级和CB级两种类型。PC级双电源自动切换开关在很多时候都是优先选择的类型。但是这不意味着CB级双电源自动转换开关就没用,有些地方还是需要CB级双电源的，PC级和CB级建议可以从如下几个方面进行参考选择。

3.1从时间投入上来进行选择

《民用建筑电气设计规范》JGJ16—2008（以下简称民规）第7.5.4第2款规定：ATSE的转换动作时间，应满足负荷允许的最大断电时间的要求；按上文所述，PC级ATSE转换时间为0.1秒左右，而CB级转换时间为3秒左右。当ATSE用于应急照明系统，如正常照明断电，安全照明投入的时间不应大于0.25S，此时，只有PC级ATSE能够满足要求，而CB级ATSE则不能满足要求，又如，医疗、商业及金融交易的断电时间必须小于1.5s，CB级的转换时间不可能小于1.5s，因此应采用PC级自动转换开关。

3.2从负荷的重要性方面来分析

《民规》第7.6.4款和《低压配电设计规范》GB50054—2011（以下简称低规）第6.3.5款均规定了重要负荷过载保护应不作用于电路，所以消防负荷、一级负荷或特级负荷供电时，不允许采用具有过载保护功能的CB级自动转换开关，应选用PC级ATSE为自动转换开关。普通二级负荷供电时，自动转换开关可以选用CB级ATSE，但如果条件允许时，建议优先选用PC级ATSE；

4双电源转换开关（ATSE）易存在的电气设计缺陷及分析

4.1ATSE额定电流的选择

在电气设计中，设计选用的PC级ATSE时，通常存在其额定电流选值小于回路计算电流的125%的现象，这是不符合设计要求的。在《民规》7.5.4的第3款规定：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％；此条规定是为了保证ATSE有一定的裕量。例如，当回路计算电流为67A时，ATSE额定电流应选用100A而不是80A（仅为计算电流67A的120%）

4.2ATSE检修隔离功能和隔离措施

《民规》7.5.4的第5款规定：所选用的ATSE宜具有检修隔离功能；当ATSE本体没有检修隔离功能时，设计上应采取隔离措施。而通常存在的设计问题是：

1）在为消防重要符合供电时，选用带检修功能（OFF位）的ATSE产品，从而不能保证消防符合供电的可靠性，所以选用为消防符合供电的ATSE不应选用带检修位产品以确保供电可靠性，此时应在ATSE的进线端加装具有隔离功能的电器，如隔离开关或自带隔离功能不带热保护的断路器。

2）在为非消防重要负荷供电时，设计未要求ATSE具有检修隔离功能,也未采取前端隔离措施。在非消防重要负荷采用ATSE作双电源转换时，是要具有检修隔离功能的，以便在ATSE配电线路检修时，能够隔离电源，如果ATSE本体上没有检修隔离功能，应在ATSE进线端加装具有隔离功能的隔离开关或断路器。

4.3ATSE转换过程的动作延时控制

在电气设计中，为消防泵，喷淋泵等大负荷电机双电源供电时，没有明确要求ATSE在先断后合的转换过程中，应具有50～100毫秒的延迟，这在此类设备电源可靠切换上也存在问题。《民规》7.5.4的第7款规定：ATSE为大容量电动机负荷供电时，应适当调整转换时间，在先断后合的转换过程中保证安全可靠.《民规》的条文解释明确指出，由于这类负荷具有高感抗，分合闸时电弧很大。特别是由备用电源侧自复至工作电源时，两个电源同时带电，如果转换过程没有延时，则有弧光短路的危险。如果在先断后合的转换过程中加50～100毫秒的延时躲过同时产生弧光的时间，则可保证安全可靠切换。而在现实应用中，ATSE的转换时间并不是越短越好，当大容量电机负荷断开常用电源时，负载会产生反电动势，此反电动势与备用电源电势相位差可达180。，可能会产生大的冲击电流（2～3倍启动电流）造成熔断器或断路器脱扣，同时负载也将承受极大的机械应力（4～9倍正常机械应力，F=kI2），造成电机机械部分损坏，所以，在中间时间适时停留50～100毫秒，是非常有必要的。

4.4ATSE应采用四级开关

目前ATSE设计中常用电和备用电转换开关选择常存在下面三种错误类型：一是TN-C-S，TN-S系统中的电源转换开关ATSE误用三极开关3P；二是正常电与备用发电机电源转换开关误用三极开关3P；三是涉及到电源转换的漏电开关的RCD采用三极开关3P。以上三种情况，均应选用四极开关。《民规》7.5.3的第3款规定：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；7.7.10的第7款规定，当装设剩余电流动作保护电器时，应能将其所保护的回路所有带电导体断开。这是因为在电源转换时切断中性导体N，可避免中性导体产生分流，这种分流会使线路上的电流矢量和不为零，导致在线路周围产生电磁场和电磁干扰。

从上述可以看出，涉及到保证电源转换的功能性开关电器应作用于所有带电导体，且不得使这些电源并联，正常电和备用电的电源转换开关，应采用切断导体和中性导体的四极开关。

5结束语

自动转换开关（ATSE）的应用领域非常广泛。又因为在重要场所常常用到这种产品，它的可靠性就显得至关重要。转换一旦失败造成的电源间短路或重要负荷断电，小则会带来经济上的损失，严重则可能使生命处于危险之中，造成社会问题。因此在ATSE设计中，确保人身与设备的安全，保证其电源切换和设备系统的可靠稳定，是每个电气设计人员应认真对待的问题。

参考文献

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