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关于ATSE的应用探讨
来源: | 作者: | 发布时间: 2021-03-04 | 11 次浏览 | 分享到:


  1. ATSE的分类
  根据GB/T××××-200×《转换开关电器(TSE)选择和使用导则》讨论稿的规定,ATSE按短路能力分为:CB、PC、CC级。按控制转换方式分为:手动操作转换开关电器(MTSE)、遥控操作转换开关电器(RTSE)、自动转换开关电器(ATSE)。按产品结构型式分为:派生的ATSE、专用的ATSE。按产品特殊功能分为:旁路型、瞬间并联型、延时转换型。按有无触点分为:ATSE、STS型。设计人员更为关注的是ATSE短路能力及其使用方法。
  --PC级:能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE;
  --CB级:配备过电流脱扣器的ATSE,它的主触头能够接通并用于分断短路电流;
  --CC级:能够接通和承载,但不用于分断短路电流的ATSE。该ATSE主要由满足GB1048.4要求的电器构成。受短路电流冲击后,主触头允许熔焊。
  ATSE通常要给出几个参数
  1.1额定限制短路电流值(Iq)
  用制造厂指定的短路保护电器(SCPD)进行保护,在SCPD动作时间内TSE能够良好地承受的预期短路电流值。
  1.2额定短时耐受电流值(Icw)
  在一定的试验条件下,TSE在闭合位置上能够在指定的时间内良好地承受的预期短路电流值。
  1.3短路接通能力(Icm)
  在规定的条件下电器所能接通的预期短路电流值,它用最大预期峰值电流表示。
  1.4额定运行短路分断能力(Ics)
  在一定的试验条件下,断路器分断短路电流后并能继续承载额定电流。
  由于ATSE只能实现两个电源之间的转换,不能改变电源的电压、频率、相位等,因此,在使用过程中,人们要注意切换过程中可能产生的影响。
  2、ATSE应用
  ATSE最初的作用就是实现双电源之间的转换,其转换条件十分简单,就是失压。至于是什么原因造成的失压,则由其他保护元件处理。那么究竟是否应该要它具有其他功能,应该看有无相应的保护装置和在系统中使用这些功能是否给系统带来繁琐和复杂,以及是否影响系统的可靠性来确定。《转换开关电器(TSE)选择和使用导则》讨论稿,给出CB、PC、CC三级ATSE,赋予其多种功能,包括短路、过流、欠压、缺相、频率变化。笔者认为并不妥当。众所周知:ATSE在供电系统中经常处于重要位置,保证重要负载不断电。而ATSE本身故障,无论供电电源如何正常,都将导致严重后果。让ATSE具有太多功能,极易引起误判、误动。况且在一个完整电路系统中,以上的保护功能都有专门的保护器件如断路器、熔断器、热继电器、综保继电器等去实现。
  ATSE在系统中应关注额定短时耐受电流值(Icw)、短路接通能力(Icm)和额定限制短路电流值(Iq)。因为根据ATSE的使用功能,它有可能工作在或者关合到短路故障的线路上,不应该出现带载切除负载的功能。这样,ATSE不会出现电弧烧蚀,ATSE的可靠性及使用寿命将会大大提高。
  鉴于《转换开关电器(TSE)选择和使用导则》讨论稿,已经定义了CB、PC、CC三级ATSE,而且赋予它具有切断负载电流的能力,因此设计人员选用时应有所注意:
  2.1 PC级ATSE的选择:
  PC级ATSE在电路发生短路情况下能承受短路电流,但不能分断短路电流。选用PC级ATSE时应注意以下几个问题。
  2.1.1按短路能力选择
  a)PC级ATSE的额定限制短路电流值(Iq)或额定短时耐受电流值(Icw)及短路接通能力应大于或等于电路的预期短路电流值;
  b)当制造厂只给定ATSE的额定限制短路电流(Iq)值时,应注意短路保护电器(SCPD)的型式--断路器或熔断器,并注意SCPD的型号。电路中的短路保护电器的选择应尽可能与SCPD的型号或性能保持一致;
  c)当制造厂只给定ATSE的额定短时耐受电流(Icw)值时,应注意ATSE允许的最短通电时间;一般按能量值I2t不变考虑。
  2.1.2按触头工作位选择
  ATSE动触头工作位置有三种状态,因而,ATSE分为二个工作位和三个工作位的产品。由于切断负载电流有可能产生电弧,所以无论二个工作位还是三个工作位的ATSE,转换时间均应大于电弧生成时间,一般不小于50ms。
  a)二个工作位的ATSE转换动作时间快,负载断电时间短,供电连续性高。特别重要负载及对断电时间敏感的负载易选用该类型产品,可减少因延时供电可能导致人员伤害或财产的损失;
  b)三个工作位的ATSE可作为延时转换型ATSE。适应上下级之间时间的配合。亦可根据负荷性质调节延时时间,达到安全转换的目的,如通过调节延时时间减少大功率感性负荷在转换时产生的冲击电流。
  2.2 CB级TSE的选择
  CB级TSE在电路发生短路、过载及接地等故障时,能分断电路,达到保护电路及负载的目的,因此选用CB级TSE时应注意以下几个问题。
  2.2.1按短路能力选择;断路器的额定运行短路分断能力应大于电路的预期短路电流;
  2.2.2保护整定上下级应有选择性。
  2.2.3重要负荷的保护级数不应超过3级;
  2.2.4其他同PC级ATSE选用原则。
  2.3 CC级TSE的选择
  2.3.1依据GB14048.4的规定,接触器在短路试验后(SCPD)允许其触头熔焊。因此,由接触器派生的ATSE必须注意“触头发生熔焊后,TSE将不能转换”的现象。CC级ATSE不推荐作为ATSE的使用,尤其不应使用在特别重要负载及应急负载的供电系统中。
  2.3.2符合GB14048.4的接触器过电压类别一般为II级,而ATSE要求的过电压类别不低于III级。因此,由符合GB14048.4的接触器派生的ATSE,应进行不低于过电压类别Ⅲ级的额定冲击耐压试验的验证。
  3、上下级ATSE转换时间配合问题
  3.1上下级ATSE转换时间配合,应根据负载性质、电源容量确定。
  3.2一般情况,为防止过度频繁操作,宜尽量让上级先动,下级后动。
  3.3对于重要的负荷,如消防负载,在火灾情况下,应切断部分非重要正常负载,保证消防设备用电。因此在电源允许的条件下可采用自投不自复,上下级ATSE转换时间可不做配合。
  4、隔离开关的设置
  4.1设置隔离开关的目的
  通常ATSE只是电力系统中的一个部件,系统上下级以及设备的隔离及保护已由相关的开关、断路器实现。在ATSE前面设置隔离开关是为了在线检修ATSE。
  4.2国家相关规范要求
  4.2.1低压配电设计规范GB50054-1995第2.1.3规定:当维护、测试和检修设备需断开电源时,应设置隔离电器。
  4.2.210KV变电所设计规范第3.2.9规定:10KV或6KV固定式配电装置的出线侧,在架空出线回路或有反馈可能的电缆出线回路中,应装设线路隔离开关。第3.2.10规定:采用10KV或6KV熔断器负荷开关固定式配电装置时,应在电源侧装设隔离开关。
  4.2.3通用用电设备配电设计规范第2.5.1规定:每台电动机的主回路上应装设隔离电器。第2.6.1规定:电动机的控制回路应装设隔离电器。
  根据以上规范条文,笔者认为:隔离电器的设置主要是为了检修用电设备,而不是为了检修开关,ATSE本质也是开关。当然为了检修位置重要、维修难度大的开关,设置隔离电器也是可以的。例如,低压配电屏出线回路,我们经常采用抽屉式、插拔式开关柜,实现隔离,便于及时更换,保障了系统可靠运行。但是并不是所有的配电柜(箱)都要那么做。低压屏以下的配电柜(箱)很少这么做。
  4.3隔离开关的设置原则:
  那么是否所有的ATSE都需要在线检修。假如使用具有隔离功能的断路器派生出的CB级ATSE是否还需要设隔离开关。我们认为没有必要。建议:1、在靠近电源处,适当考虑设置。2、其他处是否设置,应以系统要求来确定,不应以是否存在ATSE确定。如末端互投切换箱,一般箱内包括ATSE、配电主开关和分开关,若再设两个隔离开关,势必造成箱体过大,出线回路减少。而其所接设备容量并不大,通常为稳压泵、排烟风机、加压风机、潜水泵、卷帘门、应急照明等负载,因此可以不设。
  4.4关于CB级和PC级ATSE的讨论。
  假如开关生产厂商能够按照GB/T14048.11《低压开关设备和控制设备转换开关电器》、GB/T××××-200×《转换开关电器(TSE)选择和使用导则》的规定生产出CB级ATSE,通过国家有关质检验证、取得证书。质量保证、转换可靠、价格便宜,那么CB级ATSE具有更大的优势,上下级保护选择性配合比较困难的问题,不是ATSE问题,因为,没有ATSE,电路上下级仍存在配合问题。在此权且将ATSE当作一个断路器来考虑。
  但是,有相当一批CB级ATSE其实就是用两个断路器通过电动机和机械传动机构或者电磁机构,操纵断路器的把手分断和闭合来实现电路转换的。一个功能有三个独立的单元共同配合完成,任何一个故障,都导致失败,其可靠性较低。这样的ATSE根据规范标准能够满足要求。但实际上由于机械传动机构,存在磨擦阻力需经常润滑保养维护、公差配合出现咔壳、与断路器硬性配合往往导致把手断裂等问题,容易使转换失败,甚至造成严重后果。
  4.5ATSE符号与文字标志:
  图纸是工程设计的语言,如何在图纸上能够简洁、清晰的把ATSE的主要参数如额定电流、整定电流、极数、级数表示出来,这对设计者十分重要。分断电流、限制短路电流、短时耐受电流、额定电压等共性的问题可以在总说明中表示。
  见附图ATSE在系统图中的表示方法


  5、ATSE可靠性分析
  可靠性包括产品自身的可靠性和系统可靠性。
  5.1自身的可靠性:ATSE通常由结构本体和控制器组成。
  5.1.1CB级,本体通常由两个断路器通过电动机和机械传动机构组成。控制器由电子元器件、微电子集成电路、单片计算机等元件组成。主体及控制器可靠性都较低。
  5.1.2 PC级,一体化结构,两组转换主触头机械连锁,防止并列运行。控制器由电子元器件、微电子集成电路、单片计算机等元件组成。主体可靠性较高。由于转换动力采用电磁操作、控制器采用微电子器件可靠性降低。
  5.1.3 CC级,主体结构通常由两个主接触器及其机械连锁装置组成。控制部分由按钮、中间继电器、时间继电器等电磁元件及线路组成。主体可靠性较低。控制功能简单可靠性较高。
  5.1.4控制器由于采用电子元器件、微电子集成电路、单片计算机等元件,抗干扰能力、抗冲击能力、抗电压波动能力低,因此其可靠性不高。是造成ATSE故障的主要原因。但是由于其具有多功能综合能力、逻辑判断和数学运算能力,因此,在PC级的ATSE中占据无法取代的地位,得到广泛使用。
  5.2系统可靠性:一个系统由A、B两元件组成,系统失效与元件故障成“与”的关系还是“或”的关系很重要,若A、B两元件都故障,系统才故障。可靠性就高。若A、B两元件任一个故障,系统就出现故障。可靠性就低。单节点故障,就导致系统失效,可靠性就低。如配电系统中的综保继电器与电路过流、短路、接地保护,他们是“或”的关系,就单一项来说,综保继电器可能会出故障,电路过流、短路、接地故障也会发生,但两者同时出现故障的几率,就少之又少了。综保继电器的一般故障,可在不影响供电的条件下,通过正常维护保养甚至更换解决问题。所以系统的可靠性高。
  而ATSE在系统中与电源之间的是“与”的关系。ATSE单节点的故障,将100%造成系统失效。
  5.3 改进措施
  其实设计人员对产品质量没有能力去验证,只能认证书和检测报告。使用者无法保证质量、检验认证者不使用,两者依据的都是国家标准,而国家标准对操作机构、使用寿命、可靠性保证,没有明确要求。以致出现鱼龙混杂、各式各样的ATSE在市场上通行,从而带来极大的隐患。
  ATSE产品自身的质量问题、可靠性问题由厂家通过改造创新来解决。设计师只能在现有的状况下,通过系统上的设计来提高可靠性。为此,可采取以下措施:
  5.3.1 在现有条件下,配电及负载部分,采用PC级ATSE。因为PC级ATSE,本体结构主触头部分采用一体化结构,减少机械传动部件,保证转换联锁可靠。但是建议:简化ATSE控制部分的功能。只做电源转换,可具有适当延时功能,不做保护以减少误动、误判。其他锦上添花的功能,交由相应的装置去完成。
  5.3.2 避免使用电子器件。采用弹簧储能操作机构,根据需要采用自投手复、辅以声光报警。
  5.3.3 单独设置旁通开关、ATSE采用整体插拔式或抽屉式结构。设不用经过控制线路直接动作于转换主触头的手动转换装置。必要时,实现人工强制切换。
  5.3.4 数量上冗余。对于IT设备增设UPS装置。
  5.3.5 尽量避免采用瞬间闭合型ATSE。因为,如果负载不允许电源中断,即使采用瞬间闭合型ATSE也解决不了问题。这种ATSE只有在两路电源都正常情况下进行转换,才有可能实现0秒转换。当一路电源故障时再转换,势必要有延时,且两路电源,相位、幅值,在其中一路处于故障,欠压、缺相、频率变化时,也不可能一致。瞬间闭合极易使保护动作,从而造成更大的损失。
  5.3.6 合理设计系统,
   采用末端切换,故障影响面小,但不便于管理。
   集中设置,便于管理,必要时可增设管理人员,采用手动切换。
   消防泵、喷洒泵等通常均设有备用泵,对于这种本身配有备用的设备,宜采用双母线设联络的方式供电。两个主进开关和联络开关任一个故障,不至于造成整个系统失效。解决了ATSE单节点故障的瓶颈问题。
  6结束语
  ATSE标准还在制定,产品还在不断的完善过程中,PC级ATSE的短时耐受电流、CB级ATSE结构的可靠性问题尚未解决;工程设计中,ATSE的合理选择和应用、ATSE下侧电路由于过流、短路保护,造成失电,ATSE是否需要转换等问题,还有待进一步研究。
  附图ATSE在系统中的应用