双电源转换开关选择

双电源转换开关选择浅谈ATSE的选择应用双电源自动转换开关电器（ATSE）的相关国际标准IEC60947-6-1和国家标准GB/T14048.11已经相继颁布和执行。目前从设计到施工单位的有关人员都知道了要以自动转换开关标准来要求和约束ATSE的选择和使用。但考虑到很多实际工程和负载的特殊性，仅满足国家标准的ATSE并不一定都能满足施工要求，本文结合实际工程中的应用加以分析。结合一些实际工程和负载的具体情况，在此通过列举几项实际工程中常遇到的问题，对ATSE的选用加以论述。【分断能力—短路耐受容量】在供电系统中，短路电流是不可避免的，所以选择电气开关时，必须考虑短路电流及其影响。众所周知，对于断路器这种有保护功能的开关来说，选择时除了考虑额定电流，还要考虑短路分断容量，也就是说在发生短路故障时，断路器有多大的能力来克服短路电流带来的动能、热能的急剧变化，完成回路的分断。这就是断路器的“额定短路分断容量”，也就是分断能力。对于PC级的ATS、负荷开关、隔离开关、交流接触器等不具备保护功能的开关来说，发生短路故障时，这些开关只能承受着，直到起保护作用的断路器、熔断器动作切除短路电流。所以这些自身没有保护功能的开关在选择时，不但要考虑其额定电流值，还应该考虑分断能力。从定义和相关国家标准来说，短路耐受容量是包含了“耐受时间”和“耐受电流”这两个概念，也就是在多长的时间范围内可以承受多大的短路电流。我们知道导体通过电流时是要发热的，不考虑电流变化带来的电磁影响（动稳定性），一般将开关烧坏的主要是热能。我们知道，导体通电发热量与流过导体的电流平方和时间成正比，对导体作用的电流越大，时间越长，产生的热能就越多。如果我们要提高开关耐受短路电流I值，我们只能提高开关的熔点，或者缩短作用时间t。从理论上讲，提高开关的熔点也就是选择高熔点的金属（例如金、钨、硅合金等）做触头，增大开关和触头尺寸（便于降低电阻和散热），但这会增加开关的成本和增大开关的尺寸，而且高熔点合金技术为国外各公司所保密，所以实现起来并不容易。缩短短路电流作用时间t，可以从选择快速分断的断路器或快速熔断器等方面考虑。世界上很多专业制造双电源转换开关的厂家，例如美国ASCO公司、日本共立继器，虽然将其转换开关的短路耐受容量做到非常高了（高出国际标准），但有些场合还是不能满足要求。图Ⅰ图Ⅰ就是一个实例，因为2000KVA变压器短路电流较大，所以其下级断路器限定为75KA的短路分断和50KA的短路耐受。最右侧回路是为配电室用照明回路，该支路虽然用电容量只有100A，因为是从低压母线直接取出，所以该级别的转换开关容量为100A,但短路耐受容量为50KA。国家标准中要求100A转换开关的短路耐受容量为5KA，目前世界上顶级产品100AATSE的短路容量为20-25KA（前级保护为断路器情况下）。为满足50KA短路耐受容量的实际要求，我们可以在ATSE前端加装快速熔断器。由于熔断器比断路器有更短的动作响应时间，所以ATSE可以承受更高的短路电流。从厂方给的数据中可以看出，100AATSE与熔断器配合时，短路耐受电流可以提升到100KA以上。从而解决了小额定、耐高受分断能力的问题。【感性负载的影响】我们都知道电动机负载是一种典型的感性负载，下面就以电动机为例加以说明。实际工程中常见到这样一种情况，切断大型电动机的供电，然后在很短的时间内恢复供电，而电动机不是很快损坏就是电动机保护断路器跳闸，甚至有可能两种情况同时发生。同时电动机也是一种主动性负载，它可以通过磁场存储能量。对于一个运转的电动机突然失去供电，电动机的转子会在惯性作用下继续旋转，依然在切割磁力线，可以视为一个发电机，产生了电压—自激励电压。随着转子旋转的逐渐减慢，这一自激电压将随时间呈指数下降。我们把自激励电压下降到初始值（380v）的37%时所用的时间成为时间常数。大型电动机的时间常数一般是4-5s，5倍时间常数（25s）过后，这一自激电压才会降为0V。正如电源转换时一样，电动机实际上是断电以后再迅速通电，因为大多数ATSE的机械转换时间为0.1-3s之间，也就是说电动机还保存着相当大的激励电压。我们知道电压是一个矢量，含有一定的方向性。最不利的情况就是自激励电压与再次加电的馈电电压方向相反，也就是相位角差180°，那么此时电动机上所承受的电压就是1.37-2倍的额定电压了。由于电动机电阻是不会改变的，当电压上升为2倍的额定电压时，电流也会上升为2倍的额定电流。因为电源的转换，电动机要重新起动，而起动电流为工作电流的6-8倍，所以ATSE触头转换接触的一瞬间，加在电动机的电流为额定电流的12-16倍，而大多数情况下，电动机的保护断路器可以承受10-12倍的起动电流，无法承受因电动机电源转换而带来的高于12倍额定电流的冲击，所以断路器通常跳脱了。根据公式：F=k·I2,其中F为电动机所承受的机械力，k是机械常数，I是起动电流。如果起动电流增加一倍，电动机所承受的力将会增大到4倍。这就是为什么电源转换时常常造成电动机严重的机械损坏。实际工程中有很多电动机负载又必须由双路电源供电，例如：消防泵、生活泵、空调、电梯、通风扇等。而自激励电压由于无法避免，所以在使用ATSE中可以考虑两种方法：一是使用带延时转换功能的ATSE。这里的延时转换意思是：ATSE动触头离开一路电源，停在中间某一位置，等待电动机的自激励电压消除到安全值时（至少是时间常数过后），再接通另一路电源。这是一种消极的方法，违背了引入备用电源就是让负载尽可能不停电的目的。而且不同电动机、两路供电电源的相位差，直接影响到时间常数，这一延迟时间也不容易确定。为解决这一问题而产生的ATSE,必须要有可以调整的延迟时间。另一种解决办法是同相位切换。其原理是：设法捕捉到自激励电压与馈电电压的相位差，使其在同相位（相位角差为零）时，再接通电源。这样自激励电压和馈电电压方向相同，电流就没有变化了。引申到ATSE功能上，就是要做到同相位转换。有如下优点：⑴电动机仅是瞬间中断，电动机起动器不会跳脱，且无需重新起动。⑵不需要知道电动机的自激电压参数表。通常电动机的自激电压在重新供电时会很高，但是，由于是同相位切换，只会对电动机造成很轻微的电气的机械损伤。⑶在负载切换时，不需要控制发电机，无需附加连线到发电机上。有专门检测器控制整个同相位转换的过程。但ATSE在实现该功能中也会有如下困难：⑴如何捕捉自激励电压和馈电电压的相位差；⑵捕捉到以后如何利用。我们知道一个周波是0.02秒，即使捕捉到同相位，如何能在足够短的时间内完成转换。目前国际先进的ATSE生产厂家的做法是：尽可能的恒定和快速的转换。当转换的速度足够快（例如80ms以内），而且每次基本恒定，我们就可以利用提前量的方式解决第二个难点。另外，有了足够快的恒定的转换，那么只要捕捉两路电源的相位差就可以了。我们知道在转换最开始阶段，自激励电压的波形与被离开的一路电源电压波形是一致的，所以在足够短的时间里，我们就可以近似地认为自激励电压相位就是原供电电压的相位。提高捕捉的几率，可以将这一相位角差限定在某一范围（例如±30°）而不是0°，这一点日本共立HTS型ATSE控制在10°以内.由于电动机的自激励电压影响较大，所以应该认真考虑。【转换时间的要求】引入备用电源和ATSE的目的，就是让负载不停电或尽可能的少停电。所以选择ATSE时关键是要知道负载所准许的最长断电时间是多少。目前这一指标国家设计规范中没有给出明确指标，所以ATSE国家标准中也就没有明确要求。下面是美国的国家标准要求，见表1.表1美国的国家标准要求设备名称最大准许断电时间锅炉电源0.1s通风和鼓风机0.1s自动扶梯15s过程控制不停电（UPS）消防报警1s消防泵10s数据处理1/2周波（引自美国电气工程师便携手册）目前市场上所使用的机械式转换开关，大体上分为电磁驱动和电机驱动两种，电磁驱动转换快一些，一般是100多毫秒，电机驱动的转换慢一些，一般是2-4s。所以要根据负载准许的断电时间来选择ATSE的形式和种类。这里强调一点：转换速度再快的ATSE也无法取代UPS,不能说ATSE转换快了，就可以省略UPS不用了。ATSE、UPS是应急供电系统中起不同的，无法互相替代作用的电气设备。选择ATSE的转换时间，要区别于是否转换的判断时间。要明确是否转换判断的问题，先要了解一下电源品质和基本参数的要求。负载对电源的要求，主要是电源的电压和频率，所以ATSE也就监视输入电源的电压和频率。大部分负载对电源的要求是工作电压为额定电压的85%以上；频率为额定频率的95%以上。在一些特殊场合，可能对电源的要求会更高些。所以我们在选用时，首先要设定ATSE对电压、频率的选取值。电网是经常受外界干扰而波动电压的（频率波动比较少见），那么电压低到选用值之外的时候经常发生，ATSE必须有一个延时判断功能（通常指控制器的延时），考虑到ATSE的转换时间为秒级，这一延迟时间的设定也为秒级即可。设定转换的延迟时间还可以让ATSE依次转换。作为使用方，要明确了解ATSE转换判断的时间延迟、机械转换时间的区别。GQ1系列双电源自动转换开关电话:[phone]传真：0577-617517962007-09-2717:12GQ1系列双电源自动转换开关是我厂自行研制开发的新型高性能自动转换开关电器，由两台GM系列塑壳断路器和一套转换控制器组成。适用于额定绝缘电压690V及以下，交流50Hz的双电源紧急供电系统，可以完成常用电源和备用电源间的自动转换而无须人工操作。换接电源期间瞬时中断向负载供电。[GQ1系列双电源自动转换开关符合标准]IEC60947-6-1《自动转换开关电器》GB7251《低压成套开关设备和控制设备》GQ1-225[特点]具有失压、断相、过压、欠压保护、以及启动发电机、手动操作和紧急停电等功能；GQ1-65突破以往只检测常用电源的方式，提供备用电源检测功能（即双向检测），保证负载获得符合使用要求的电源；六种转换控制器型式，使用于不同场合，智能控制，带通讯接口单电机控制两台断路器，机械联锁十分可靠；具有两台断路器同时断开功能，是PC级系列产品中首创，便于负载的检修。体积小，外观精美[分类]GQ1系列产品可分为PC级和CB级PC级：能够接通、承载，但不用于分断短路电流的GQ1CB级：配备过电流脱扣器，能够接通并可分断短路电流的GQ1[基本参数]产品型号：GQ1-65、GQ1-100、GQ1-225、GQ1-400、GQ1-630、GQ1-800、GQ1-1250壳架等级额定电流：40、63、100、225、400、630、800、1250A极数：2P、3P、4P额定工作电压AC230V、AC400V额定电流：1～1250A[型号含义]GQ1-100/8033A，即为固安祥GQ1系列双电源自动转换开关，壳架等级额定电流为100A的三极开关，CB级，额定工作电流为80A，转换控制器型式为A型，即CB级基本型。[使用环境]海拔高度2000m及以下；周围介质温度不低于-5℃和不高于40℃，高于40℃可降容使用；能耐受潮湿空气的影响；能耐受盐雾油雾的影响；能耐受霉菌的影响；在受到船舶正常振动时能可靠工作；在无爆炸危险的介质中，且介质无足以腐蚀金属和破坏绝缘的气体与导电尘埃的地方；在没有雨雪侵袭的地方。GW3系列万能式断路器电话:[phone]传真：0577-617517962007-09-2717:10GW3系列万能式断路器应用于额定绝缘电压AC1000V，额定工作电压为交流50HzAC400V、AC690V的配电网络中，用来分配电能和保护线路及电源设备免受过载、欠电压、短路、接地故障等的危害。断路器核心部件采用智能型控制器，具有精确的选择性保护，可避免不必要的停电，提高供电可靠性。[GW3系列万能式断路器符合标准]IEC60947-2GB14048.2低压断路器[特点]创新的强制灭弧装置克服了传统灭弧装置的不足。断路器进行闭合操作时，动