近年來(lái)，眾多民用建筑的低壓配電系統(tǒng)，為了提高供電可靠性，大部分采用了雙電源進(jìn)線(xiàn)，并選用了雙電源自動(dòng)切換裝置。當(dāng)兩路電源有一路發(fā)生故障時(shí)，可以將有故障的電源用雙路電源切換裝置自動(dòng)切換到?jīng)]有故障的電源上。這種雙電源的切換，無(wú)須人工操作，能保證主要用電負(fù)荷供電的可靠性、安全性和連續(xù)性。民用建筑設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)建筑內(nèi)的消防用電負(fù)荷有主要由兩路電源供電，并明確說(shuō)明，在最末一級(jí)配電處實(shí)行自動(dòng)切換，也要用切換裝置。
1、各型ATSE工作過(guò)程介紹
在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)較理想的雙電源切換開(kāi)關(guān)產(chǎn)品是自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器，英文名稱(chēng)為“AutomaticTransferSwicthingEquipment”，ATSE是其英文名稱(chēng)的縮寫(xiě)。它適用于交流不超過(guò)1000V或直流不超過(guò)1500V的供電系統(tǒng)，用于兩路電源切換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中向中斷的負(fù)荷供電。
ATSE產(chǎn)品中有以下幾個(gè)類(lèi)型：電動(dòng)機(jī)操作的斷路器型、電動(dòng)機(jī)操作的負(fù)荷開(kāi)關(guān)型、電磁操作的一體化開(kāi)關(guān)型。國(guó)內(nèi)目前普遍使用的ATSE產(chǎn)品都是機(jī)電一體化的產(chǎn)品，是由機(jī)械部分和電子部分組成，其中控制器部分是電子部分，執(zhí)行機(jī)構(gòu)是機(jī)械部分。當(dāng)常用電源出現(xiàn)故障時(shí)，控制器檢測(cè)到電源故障，發(fā)出指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成從常用電源切換到備用電源的操作。一臺(tái)ATSE產(chǎn)品的可靠性由兩方面決定。即控制器的可靠性和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性，控制器是一個(gè)電子產(chǎn)品，目前據(jù)廠(chǎng)家資料介紹各種控制器的構(gòu)成和原理大同小異，其可靠性取決于控制器的設(shè)計(jì)水平和電子元件的選用，如果控制器電路設(shè)計(jì)合理。電子元件選用質(zhì)量?jī)?yōu)質(zhì)，則控制器就有較高的可靠性。為此，只要以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)電路，采用高質(zhì)量的電子元件來(lái)保證，可靠性就不用擔(dān)心了。ATSE產(chǎn)品的壽命是以執(zhí)行結(jié)構(gòu)所帶負(fù)荷動(dòng)作的最大次數(shù)，或者說(shuō)是電氣壽命來(lái)衡量的，所以機(jī)械部分的可靠性是整個(gè)ATSE產(chǎn)品可靠性的關(guān)鍵。根據(jù)機(jī)械原理和概率輪中的理論：一個(gè)機(jī)械可靠性和這個(gè)機(jī)械零件數(shù)量成反比，零件數(shù)量越少，機(jī)構(gòu)越簡(jiǎn)單，出現(xiàn)故障的幾率就會(huì)小，可靠性就會(huì)高;反之，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，零件數(shù)量越多，出現(xiàn)故障的幾率就會(huì)大，可靠性就會(huì)低，根據(jù)這一原理，就能決定ATSE動(dòng)作情況、穩(wěn)定性能、制作加工質(zhì)量等來(lái)衡量可靠性的重要因素。下面根據(jù)產(chǎn)品廠(chǎng)家資料介紹各種ATSE的工作過(guò)程。
1.1電動(dòng)機(jī)型的ATSE
在ATSE產(chǎn)品中，由各斷路器加電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成的ATSE和負(fù)荷開(kāi)關(guān)加電動(dòng)機(jī)操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成的ATSE均是采用電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，電動(dòng)機(jī)通電后產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)的軌跡是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向固定的連續(xù)圓周運(yùn)動(dòng)，而在ATSE產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)觸電轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)軌跡是一個(gè)距離比較短的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，從這點(diǎn)上來(lái)看，電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)并不能直接實(shí)現(xiàn)ATSE產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動(dòng)，要增加一套比較復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)接通和分?jǐn)嗟膭?dòng)作。其工作過(guò)程如下：
控制器檢測(cè)到電源出現(xiàn)需要切換的情況時(shí)，控制器輸出一個(gè)指令使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電動(dòng)機(jī)通電后產(chǎn)生高速圓周運(yùn)動(dòng)，首先要通過(guò)齒輪減速，再驅(qū)動(dòng)一個(gè)機(jī)構(gòu)使斷路器手柄動(dòng)作，或是驅(qū)動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)的刀臂動(dòng)作，使觸點(diǎn)接通或斷開(kāi)，動(dòng)作到位后，形成開(kāi)關(guān)接通，控制器檢測(cè)到形成開(kāi)關(guān)的信號(hào)后再發(fā)出指令使電動(dòng)機(jī)斷電。在這種ATSE里，電動(dòng)機(jī)還要具有反向轉(zhuǎn)動(dòng)的可能性，以便使斷路器手柄或者負(fù)荷開(kāi)關(guān)的刀臂復(fù)位。所以，控制器不僅要監(jiān)測(cè)兩路電源的狀況，還要能控制電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)要檢測(cè)形成開(kāi)關(guān)的狀態(tài)，控制器的電路也會(huì)比較負(fù)責(zé)。由此可見(jiàn)，這類(lèi)ATSE的機(jī)電部件較多，機(jī)構(gòu)比較負(fù)雜。
1.2電磁操作的一體化開(kāi)關(guān)型
這種ATSE由一臺(tái)控制器加一個(gè)一體化電磁操作的開(kāi)關(guān)本體組成，其開(kāi)關(guān)本體有模具專(zhuān)門(mén)制造，主觸點(diǎn)類(lèi)似于斷路器，這種ATSE內(nèi)部機(jī)械動(dòng)作的動(dòng)力來(lái)自電磁線(xiàn)圈帶電后對(duì)銜鐵產(chǎn)生電磁力，銜鐵動(dòng)作，帶動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成相應(yīng)的動(dòng)作功能，由于線(xiàn)圈通電后吸引銜鐵所產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)軌跡是一種直線(xiàn)型的短距離往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，適合于實(shí)現(xiàn)ATSE中主觸點(diǎn)的閉合與分?jǐn)?，這種ATSE的執(zhí)行機(jī)構(gòu)相對(duì)于電動(dòng)機(jī)型的ATSE要簡(jiǎn)單一些。
其工作過(guò)程是：在開(kāi)關(guān)本體內(nèi)部有三個(gè)線(xiàn)圈，分別是合閘主線(xiàn)圈、導(dǎo)向線(xiàn)圈、分閘線(xiàn)圈。合閘主線(xiàn)圈的作用是使開(kāi)關(guān)產(chǎn)生合閘的動(dòng)作;導(dǎo)向線(xiàn)圈的作用是為了區(qū)分投常用電源還是備用電源;分閘線(xiàn)圈的作用是使開(kāi)關(guān)產(chǎn)生斷開(kāi)兩路電源觸點(diǎn)的動(dòng)作。當(dāng)控制器檢測(cè)到電源出現(xiàn)需要轉(zhuǎn)換的情況時(shí)，控制器首先發(fā)出指令使導(dǎo)向線(xiàn)圈動(dòng)作或不動(dòng)作，帶動(dòng)與導(dǎo)向線(xiàn)圈相關(guān)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成區(qū)分是投常用電源還是投備用電源的動(dòng)作，然后控制器再發(fā)出指令給合閘線(xiàn)圈，使其動(dòng)作，帶動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使相應(yīng)的電源觸點(diǎn)接通。當(dāng)控制器需要使兩路電源分?jǐn)鄷r(shí)，控制器發(fā)出指令使分閘線(xiàn)圈通電動(dòng)作，帶動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使兩路電源觸點(diǎn)均分?jǐn)?。這種電磁操作的一體化開(kāi)關(guān)合閘時(shí)，需要導(dǎo)向線(xiàn)圈和合閘線(xiàn)圈以及有關(guān)的機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合動(dòng)作，才能實(shí)現(xiàn)投常用電源或者投備用電源的動(dòng)作;當(dāng)需要分閘時(shí)，需要分閘線(xiàn)圈及其附屬機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，才能完成分閘的動(dòng)作。
1.3主觸點(diǎn)采用接觸器的ATSE
這種開(kāi)關(guān)是采用兩個(gè)獨(dú)立的接觸器作為兩路電源主回路的開(kāi)關(guān)元件，通過(guò)控制兩個(gè)接觸器的吸合與釋放來(lái)實(shí)現(xiàn)兩路電源之間的切換。接觸器是一種使用歷史很長(zhǎng)，制造技術(shù)非常成熟的電氣元件，接觸器的主要用途是控制電動(dòng)機(jī)等用電設(shè)備的頻繁啟停，接觸器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且有很長(zhǎng)的機(jī)械壽命。
其工作過(guò)程是：在“山”字形的靜鐵芯中間的鐵芯上有一個(gè)線(xiàn)圈，靜鐵芯的上方有一塊也是由硅鋼片做的銜鐵，在銜鐵上還固定了一組觸點(diǎn)，接觸器線(xiàn)圈中沒(méi)有通電的時(shí)候，銜鐵在兩個(gè)彈簧的彈力作用下，和靜鐵芯保持一定距離，動(dòng)觸點(diǎn)不與靜觸，外電路處于分?jǐn)酄顟B(tài)。當(dāng)靜鐵芯上的線(xiàn)圈通電后，由于電流的效應(yīng)，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)銜鐵產(chǎn)生吸引力，使銜鐵克服彈簧的彈力和靜鐵芯吸合在一起，銜鐵運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，固定在銜鐵上的動(dòng)觸點(diǎn)也會(huì)隨之運(yùn)動(dòng)，動(dòng)觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)接觸，外電路接通。當(dāng)線(xiàn)圈失電后，靜鐵芯吸引銜鐵的力消失，銜鐵在彈簧力的作用下彈起，動(dòng)觸點(diǎn)也會(huì)隨銜鐵一起運(yùn)動(dòng)，于兩個(gè)靜觸分離，外電路分?jǐn)?。這種產(chǎn)品從工作過(guò)程來(lái)看，接觸器可運(yùn)動(dòng)部件很少，僅僅與銜鐵相關(guān)的部件，運(yùn)動(dòng)部件的行程短，接觸器的機(jī)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，所以，接觸器發(fā)生機(jī)械故障的可能非常小，機(jī)械壽命可達(dá)500萬(wàn)次，電氣壽命可達(dá)50萬(wàn)次。此外，由于僅僅通過(guò)控制一個(gè)線(xiàn)圈通電與否，就可以控制外部電路的接觸點(diǎn)接通與否，就可以控制外部電路的接觸點(diǎn)接通與分?jǐn)?，不需要行程開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)部件所處的位置，控制器的電路也會(huì)簡(jiǎn)單一些，越簡(jiǎn)單的機(jī)械就會(huì)越可靠。這種基于接觸器的ATSE的機(jī)械可靠性是比較高的。從以上概述的歸納ATSE一般由兩部分組成：開(kāi)關(guān)本體+控制器。開(kāi)關(guān)本體用來(lái)完成主回路轉(zhuǎn)換?？刂破饔脕?lái)檢測(cè)兩路電源工資哦狀況，當(dāng)被監(jiān)測(cè)的常用電源發(fā)生故障(如任一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現(xiàn)偏差)時(shí)，控制器發(fā)出動(dòng)作指令，使開(kāi)關(guān)本體自動(dòng)從常用電源轉(zhuǎn)換至備用電源。此時(shí)，備用電源為可用電源;當(dāng)常用電源恢復(fù)后，ATSE返回到常用電源側(cè)。實(shí)際上也可互為備用?？刂破髋c開(kāi)關(guān)本體的進(jìn)線(xiàn)端相連。控制器也有繼電器式、電子式、數(shù)字式和智能通訊型之分。
2、 ATSE作為負(fù)載轉(zhuǎn)換的應(yīng)用
ATSE開(kāi)關(guān)本體按照規(guī)范氛圍PC級(jí)與CB級(jí)兩個(gè)級(jí)別：
PC級(jí)：能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯腁TSE;CB級(jí)：配備過(guò)電流的脫扣器的ATSE，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌?
ATSE產(chǎn)品現(xiàn)狀：
(1)短路能力。PC級(jí)ATSE只有轉(zhuǎn)換功能，沒(méi)有短路及過(guò)載保護(hù)功能;CB級(jí)ATSE的開(kāi)關(guān)執(zhí)行斷路器本身帶熱磁保護(hù)，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌?
(2)應(yīng)用方面。CB級(jí)ATSE前端可以設(shè)置隔離電器或隔離開(kāi)關(guān)，不必再設(shè)短路保護(hù)電器;而PC級(jí)ATSE前端需要設(shè)計(jì)短路保護(hù)器，且該短路保護(hù)器應(yīng)與上一級(jí)配合的要求。
(3)電源轉(zhuǎn)換時(shí)間。PC級(jí)ATSE為100ms～200ms;CB級(jí)ATSE為1.5s左右，PC級(jí)、CB級(jí)ATSE均考慮電弧擊穿問(wèn)題。他們的電氣壽命、機(jī)械壽命、電氣可靠性、接通分?jǐn)嚯娏髦档目紤]指標(biāo)均大于電動(dòng)式刀開(kāi)關(guān)。
3、民用建筑電氣設(shè)計(jì)中ATSE選用
3.1PC級(jí)與CB級(jí)的選用
《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008第7.5.4條，采用PC級(jí)和CB級(jí)有如下要求;當(dāng)采用PC級(jí)自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器時(shí)，應(yīng)能耐受回路的預(yù)期短路電流，且ATSE的額定電流不應(yīng)小于回路計(jì)算電流的125%;當(dāng)采用CB級(jí)ATSE為消防用電負(fù)荷供電時(shí)，應(yīng)采用僅具有短路保護(hù)的斷路器組成的ATSE，其保護(hù)選擇性應(yīng)與上下級(jí)保護(hù)電器相配合。假如系統(tǒng)要求ATSE有短路、過(guò)負(fù)荷等保護(hù)功能，而PC級(jí)就不能滿(mǎn)足負(fù)荷過(guò)載保護(hù)，就得用“PC級(jí)+斷路器”的ATSE(見(jiàn)圖1所示)，或直接采用CB級(jí)。假如按照?qǐng)D1接線(xiàn)，具有斷路器所能包含有短路、過(guò)載功能，又具備了“轉(zhuǎn)換和保護(hù)”的雙重功能。但是如果消防用電負(fù)荷回路發(fā)生了過(guò)電流故障，反而有過(guò)載功能的CB級(jí)ATSE不動(dòng)作，這是因?yàn)榭刂破鳈z測(cè)到正常電源依然有電壓，達(dá)不到ATSE本身的功能。如圖2，由于ATSE的動(dòng)作輸入信號(hào)是取自ATSE的上口，當(dāng)正常電源側(cè)的電壓或頻率都正常時(shí)，由于斷路器因過(guò)流而脫扣器動(dòng)作造成用電負(fù)荷失電，ATSE并不會(huì)動(dòng)作，ATSE只是作為正常電源故障時(shí)轉(zhuǎn)換到備用電源的。從這個(gè)角度來(lái)講，用CB級(jí)的保護(hù)功能在供電系統(tǒng)中的運(yùn)行是不利的。由此，ATSE的使用可以考慮三點(diǎn)：
(1)設(shè)置ATSE的目的，是雙路電源轉(zhuǎn)換而不是作為線(xiàn)路分?jǐn)嗪途€(xiàn)路保護(hù);
(2)因?yàn)殡p路電源轉(zhuǎn)換時(shí)沖擊電流很大，要具備沖擊電流的能力;
(3)應(yīng)具備可頻繁操作的特性和控制器浪涌電壓的影響。
圖1圖2
3.2ATSE選三極還是四極
三極與四極的ATSE主要區(qū)別就是是否斷N線(xiàn)(三極是不斷N線(xiàn))，三極主要用于同種性質(zhì)電源，一般是指同一電網(wǎng)下不同變壓器或不同線(xiàn)路等。四極主要指不同性質(zhì)電源，一般是指市電對(duì)自備發(fā)電機(jī)，市電對(duì)變頻電壓，不同電網(wǎng)對(duì)不同電網(wǎng)，因?yàn)楦髯缘牧憔€(xiàn)上都有不同的零序電壓存在，如零線(xiàn)不斷開(kāi)將會(huì)形成環(huán)流，對(duì)電氣設(shè)備危害很大。采用三極或四極ATSE要根據(jù)四極電器的選擇原則確定?！睹裼媒ㄖ姎庠O(shè)計(jì)規(guī)范》7.5.3條針對(duì)三相四線(xiàn)制系統(tǒng)中四極開(kāi)關(guān)的選用，做出一些規(guī)定：
(1)保證電源轉(zhuǎn)換的功能性開(kāi)關(guān)電氣應(yīng)作用于所有帶電導(dǎo)體，且不得使這些電源并聯(lián);
(2)TN-C-S、TN-S系統(tǒng)中的電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，應(yīng)采用切斷相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的四極開(kāi)關(guān);
(3)正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間，其電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)應(yīng)采用四極開(kāi)關(guān);
(4)TT系統(tǒng)的電源進(jìn)線(xiàn)開(kāi)關(guān)應(yīng)采用四極開(kāi)關(guān);
(5)IT系統(tǒng)中當(dāng)有中性導(dǎo)體時(shí)應(yīng)采用四極開(kāi)關(guān)。
總之，選擇三極還是四極要根據(jù)具體情況，按系統(tǒng)要求確定。
3.3 ATSE工作位的選擇
3.3.1兩個(gè)工作位選擇
ATSE開(kāi)關(guān)主觸頭僅有兩個(gè)工作位，即“常用電源位”與“備用電源位”，用電負(fù)荷不會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間斷電情況，ATSE轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)過(guò)程中一次動(dòng)作到位，供電可靠性高、轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間快。
3.3.2三個(gè)工作位選擇
