【摘 要】現(xiàn)供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中大量采用了ATSE轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，我國(guó)ATSE轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的生產(chǎn)研制也得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)一種新型的無(wú)負(fù)載切換型自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)了雙電源間無(wú)負(fù)載自動(dòng)切換，較好的解決了轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的觸頭氧化和電弧問(wèn)題，大大提高了轉(zhuǎn)換設(shè)備的安全性、可靠性。
【關(guān)鍵詞】雙電源，無(wú)負(fù)載切換，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，可靠性，安全性
1、概述
1.1自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（即雙電源切換設(shè)備）是在建筑、工廠、醫(yī)院、礦山、軍事、船舶等各個(gè)領(lǐng)域大量使用的一種電器設(shè)備，其作用是將用電負(fù)荷從一路電源轉(zhuǎn)換到另一路電源上，以保證供電的連續(xù)性、可靠性。
1.2根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14048.11-2002/IEC 60947-6-1：1998低壓開(kāi)關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備，第6部分：多功能電器，第1篇：自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器》，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器（ATSE：automatict transfers switchinge equipment）的定義為：由一個(gè)（或幾個(gè)）轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器和其化必需的電器組成，用于監(jiān)測(cè)電源電路、并將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源的電器。
1.3其中轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的定義為：將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源電器。
1.4ATSE的適用范圍為：……ATSE適用于應(yīng)急供電系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換電源期間中斷向負(fù)載供電。
2、ATSE應(yīng)用中的問(wèn)題
2.1根據(jù)我國(guó)高層民用建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范規(guī)定：“一類高層建筑應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷供電，二類高層建筑應(yīng)按二級(jí)負(fù)荷要求供電。”“高層建筑的消防控制室、消防水泵、消防電梯、防煙、排煙、風(fēng)機(jī)等的供電，應(yīng)在最未一級(jí)配電箱處設(shè)置自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置”。為保證重要負(fù)載供電的連續(xù)性，雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的應(yīng)用需求已越來(lái)越大，技術(shù)性能要求也越來(lái)越高，對(duì)產(chǎn)品的合理選擇就顯行更加重要。其產(chǎn)品的技術(shù)水平、先進(jìn)性和可靠性，直接影響到建筑物內(nèi)人員的生命安全和用電設(shè)備的正常使用。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會(huì)造成多種危害，電源間的短路或重要負(fù)荷斷電、甚至短暫停電，其后果都是嚴(yán)重的。因此，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都把自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器的生產(chǎn)、使用列為重點(diǎn)產(chǎn)品加以規(guī)范。
2.2對(duì)于雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)電器（ATSE），首先要關(guān)心的是設(shè)備自身的安全可靠性，不能因設(shè)備自身的故障，而影響電源給負(fù)載供電。ATSE本身會(huì)因?yàn)榭刂破�、機(jī)械機(jī)構(gòu)、電弧、觸頭氧化等問(wèn)題會(huì)出現(xiàn)故障，有些問(wèn)題現(xiàn)在可以通過(guò)技術(shù)手段或其它主法得以解決，而觸頭氧化是目前市場(chǎng)上的ATSE應(yīng)重點(diǎn)解決的問(wèn)題。觸頭被氧化，產(chǎn)生氧化物，接觸電阻增加，一旦投入使用，觸頭溫升增高易造成供電中斷，輕則影響生產(chǎn)和生活，重則造成重大事故。
2.3目前市場(chǎng)上主要有四種類型的ATSE，如雙接觸器型（CC級(jí)）、雙斷路器型（CB型）、雙負(fù)荷開(kāi)關(guān)型（PC型）、單臂雙擲型等（PC級(jí)）。這些ATSE都有兩組具備分?jǐn)嚯娀」δ艿闹饔|頭，一組備用觸頭長(zhǎng)期處于打開(kāi)狀態(tài)。為了滿足來(lái)弧要求，接觸器、斷路器的觸頭經(jīng)常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對(duì)，這有利于分?jǐn)嚯娀�，但該類觸頭材料易氧化，備用觸頭長(zhǎng)期暴露在外，在其表面易形成阻礙導(dǎo)電、難驅(qū)除的氧化物。
負(fù)荷開(kāi)關(guān)型的觸頭滅弧系統(tǒng)是以分?jǐn)嘁淮坞娀〉囊蠖O(shè)計(jì)，如觸頭材質(zhì)差，電弧轉(zhuǎn)移慢，滅弧性能差，經(jīng)過(guò)幾次開(kāi)斷事觸頭間燒損易形成接觸不良形象。與雙接觸器型、雙斷路器型一樣，其備用觸頭長(zhǎng)期暴露在外，在其表面易形成阻礙導(dǎo)電、難驅(qū)除的氧化物。特別是在地下室、礦井、化工環(huán)境、鹽霧環(huán)境下使用，其氧化問(wèn)題尤為突出。
單臂雙擲型為了理想的滅弧效果和解決觸頭氧化問(wèn)題，有的不惜采用純銀甚至黃金做觸頭。黃金觸頭滅弧性能較好，不會(huì)氧化，但這還需要切換速度快，才能保證滅弧效果。對(duì)于人工手動(dòng)操作時(shí)，由于人員在力量、速度上的差異，不能保證開(kāi)關(guān)迅速完成分?jǐn)嚅]合動(dòng)作，有載轉(zhuǎn)換時(shí)有電弧，會(huì)出現(xiàn)觸頭銀點(diǎn)消耗、熔焊、粘連等情況。其故障和事故也時(shí)有發(fā)生。另外由于采用貴金屬做觸頭，其價(jià)格比較貴。
ATSE按行業(yè)規(guī)范要求，定期三個(gè)月要求通電半小時(shí)，以便除觸頭氧化層。ATSE不是一個(gè)頻繁操作的設(shè)備，由于長(zhǎng)時(shí)間不用，大家對(duì)它的維護(hù)保養(yǎng)不會(huì)太重視，很少想到維護(hù)保養(yǎng)它。真正能做到維護(hù)保養(yǎng)的用戶真是少之又少。一旦要使用ATSE，不能保證正常工作，影響重要負(fù)載供電，后果相當(dāng)嚴(yán)重。在如此情況下，如何徹底解決ATSE轉(zhuǎn)換電弧和備用觸頭氧化問(wèn)題提到了產(chǎn)品研發(fā)議程。
3、無(wú)負(fù)載切換的特點(diǎn)
3.1現(xiàn)市場(chǎng)正在推出一種雙電源無(wú)負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)電器CATSN，其在無(wú)負(fù)載電流、無(wú)電弧下進(jìn)行切換動(dòng)作，并且觸頭無(wú)氧化。CATSN由一臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、機(jī)械機(jī)構(gòu)、控制器加一臺(tái)斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)組成。其切換方式很有特點(diǎn)，是先讓斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)斷開(kāi)負(fù)載電路，再讓雙投轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)在無(wú)負(fù)載情況下進(jìn)行電源切換，切換完成后再合上斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)。這種無(wú)負(fù)載狀態(tài)下的切換，因雙投開(kāi)關(guān)是在空載下轉(zhuǎn)換，無(wú)電流通過(guò)，也就不會(huì)有電弧產(chǎn)生，沒(méi)有了電弧，觸頭就不會(huì)被燒蝕。切換觸頭是在無(wú)弧、涂油、密封的狀態(tài)下，不會(huì)被氧化。另外觸頭上涂抹了導(dǎo)電潤(rùn)滑脂，而且轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)外殼全密封，使轉(zhuǎn)換觸頭與外界環(huán)境完全密閉，這樣觸頭即使在惡劣環(huán)境中也沒(méi)有氧化的問(wèn)題。
CATSN的切換功能如下圖所示：
這種方式最大的特點(diǎn)就是不再有觸頭氧化和侵蝕的問(wèn)題。分合負(fù)載電流功能的電器（斷路器、負(fù)荷開(kāi)關(guān)、接觸器等）一直處于閉合工作狀態(tài)；轉(zhuǎn)換刀開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，因?yàn)樵谕耆幱跓o(wú)負(fù)載、無(wú)電流、無(wú)電弧的情況下，可以與外界隔離密封，外界氧氣和腐蝕性所體無(wú)法作用其上；另外轉(zhuǎn)換刀開(kāi)關(guān)觸頭上可以涂抹導(dǎo)電潤(rùn)滑脂，一則可以大大減小觸頭電阻，二則對(duì)各組觸頭更加徹底的保護(hù)。
第二個(gè)特點(diǎn)實(shí)際上是由第一個(gè)特點(diǎn)帶來(lái)的好處，就是大大地減小了設(shè)備的維護(hù)工作量，設(shè)備的使用壽命午到了極好的保證。在這種方式下，設(shè)備的維護(hù)工作內(nèi)容只剩下定期檢查控制器，不再有定期讓備用觸頭通電工作一段時(shí)間，不會(huì)因不能長(zhǎng)期堅(jiān)持不懈地做這項(xiàng)工作而影響設(shè)備的壽命。
第三個(gè)特點(diǎn)就是增加了轉(zhuǎn)換過(guò)程安全性。無(wú)負(fù)載切換雖然增加了轉(zhuǎn)換的步驟，但卻能強(qiáng)制性地限制了最小轉(zhuǎn)換時(shí)間，避免了轉(zhuǎn)換時(shí)間過(guò)快，電弧沒(méi)有完全熄滅引起的兩路電源間的短路；另外轉(zhuǎn)換刀開(kāi)關(guān)在完全無(wú)弧情況下轉(zhuǎn)換，無(wú)疑大大增強(qiáng)了完全性。但轉(zhuǎn)換動(dòng)作的增加無(wú)疑會(huì)延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換動(dòng)作的時(shí)間，目前CATSN系列的轉(zhuǎn)換時(shí)間在1S至4S的范圍內(nèi)，除不能滿足停電轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1S的場(chǎng)所的供電外，可滿足大多數(shù)場(chǎng)合的轉(zhuǎn)換時(shí)間要求。（一般電源轉(zhuǎn)換時(shí)間小于1S的有特別要求的場(chǎng)合，在設(shè)備與雙電源切換之間都配備有UPS、EPS設(shè)備，其轉(zhuǎn)換時(shí)間為毫秒級(jí)）
第四個(gè)特點(diǎn)是可以進(jìn)行多回路的轉(zhuǎn)換。理論上只要有足夠的尺寸保證各回路觸頭間的電氣安全間隙和爬電距離要求，在一臺(tái)設(shè)備上可以轉(zhuǎn)換的回路數(shù)是很多的，但這個(gè)特點(diǎn)在通常情況下沒(méi)有太大的實(shí)際作用。
CATSN系列無(wú)負(fù)載轉(zhuǎn)換方式自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)電器產(chǎn)品外型與雙斷路器型基本一致，只是將其中的一臺(tái)斷路器替換成了一臺(tái)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)；它根據(jù)選用斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)而分成CB或PC級(jí)；單電機(jī)驅(qū)動(dòng)；電氣機(jī)械雙重互鎖，機(jī)械互鎖保證設(shè)備只能按正常順序操作，任何不安全的情況，都被機(jī)械限制。
CATSN的產(chǎn)品已經(jīng)通過(guò)了中國(guó)質(zhì)量檢測(cè)中心3C的產(chǎn)品檢測(cè)。在經(jīng)受了多次短路故障電流后，CATSN的轉(zhuǎn)換頭無(wú)任何損傷痕跡、導(dǎo)電潤(rùn)滑脂完好如初；6000次循環(huán)操作后，轉(zhuǎn)換觸頭表面的導(dǎo)電潤(rùn)滑脂層依然如故。
CATSN沒(méi)有觸頭氧化問(wèn)題，就不需要定期對(duì)觸頭進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。CATSN能保證設(shè)備無(wú)弧、無(wú)氧化安全正常運(yùn)行，又減小了維護(hù)人員的工作量。
3.2需要特別指明提這種方式從電氣線路的角度上來(lái)說(shuō)，并不是一種新東西，在配電系統(tǒng)一直有這種手動(dòng)操作方式，特別是在高壓配電系統(tǒng)中（斷路器與隔離開(kāi)關(guān)的操作）。CATSN只不過(guò)將這種方式應(yīng)用到ATSE上，并進(jìn)一步增加了互鎖、密封、導(dǎo)電保護(hù)油脂層等安全防護(hù)措施。
3.3CATSN實(shí)現(xiàn)了電源間無(wú)負(fù)載自動(dòng)切換，無(wú)需再擔(dān)心觸頭氧化和電弧問(wèn)題，大大提高了切換設(shè)備的安全性、可靠性，同時(shí)也提高了整個(gè)用電系統(tǒng)的安全性、可靠性。
3.4無(wú)負(fù)載（無(wú)電�。┣袚Q方式與現(xiàn)各種帶負(fù)載切換方式性能比較表
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無(wú)負(fù)載切換方式
轉(zhuǎn)換刀開(kāi)關(guān)+斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān) |
帶負(fù)載切換方式 |
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雙斷路器型 |
雙負(fù)荷
開(kāi)關(guān)型 |
單臂雙擲型 |
雙接觸器型 |
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觸頭氧化及被環(huán)境侵蝕問(wèn)題 |
因電源轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)無(wú)滅弧要求，所以觸點(diǎn)可以涂抹導(dǎo)電潤(rùn)滑油脂，并與外界環(huán)境隔離，基本解決觸頭氧化及被其它環(huán)境條件腐蝕問(wèn)題； |
長(zhǎng)期處于打開(kāi)狀態(tài)的備用觸頭，因有滅弧要求，存在易氧化等問(wèn)題；氧化情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引起開(kāi)關(guān)發(fā)熱燒毀。 |
同雙斷路器型 |
除用黃金等貴重金屬做觸頭外，普通型式同雙斷路器型 |
同雙斷路器型 |
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設(shè)備運(yùn)行維護(hù)工作量 |
定期檢測(cè)控制器及機(jī)械操作，但無(wú)備用電源觸頭破除氧化層要求。 |
定期還需讓備用電源觸頭工作一段時(shí)間，破除觸頭氧化層。 |
同雙斷路器型 |
除用黃金等貴重金屬做觸頭外，普通型式同雙斷路器型 |
同雙斷路器型 |
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電源之間的電氣安全 |
轉(zhuǎn)換刀開(kāi)關(guān)使電源間無(wú)物理性短路可能+無(wú)負(fù)載切換使電源間無(wú)電弧性短路可能 |
防止兩路電源間物理性連接短路的機(jī)械互鎖 |
同雙斷路器型 |
單臂雙擲型使電源間無(wú)物理連接可能，但在電弧消除不好的情況下，會(huì)引起電源間的電弧性短路 |
同雙斷路器型 |
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成本 |
因?yàn)橹挥靡慌_(tái)斷路器或負(fù)荷開(kāi)關(guān)，電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)無(wú)滅弧和同步等高要求，故其有較低的構(gòu)成成本 |
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單臺(tái)設(shè)備轉(zhuǎn)換路數(shù) |
2、3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
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轉(zhuǎn)換動(dòng)力方式 |
電機(jī) |
電機(jī) |
電機(jī) |
電磁力 |
電磁力 |
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最小轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間 |
1S~4S |
1S~3S |
0.4~4S |
0.1~0.4S |
0.1~0.4S |
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開(kāi)關(guān)級(jí)別 |
CB、PC |
CB |
PC |
PC |
PC |
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外型與體積 |
同雙斷路器型 |
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重量 |
同雙斷路器型 |
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