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双电源互投开关

双电源转换开关电器的选择及应用

北京市建筑设计研究院（100045）

洪元颐任红罗洁韩全胜林骥

摘要阐述了双电源转换开关的定义、分类、结构形式、标准、双投式转换开关的形式、

主要性能指标及其适用场所，并剖析了转换开关与控制器的相互依存关系，及选型、应用的

技术要点。

关键词转换时间、PC级ATSE、CB级ATSE、旁路型ATSE、隔离电器、短路保护电器、

转换开关控制器。

一、概述

依据国家规范GB50052-95《供配电系统设计规范》与行业标准JGJ/16-92《民用建筑电气设计规范》的要求：

对于一些较重要的一、二级负荷，应采用双电源供电。

但建筑物的应急照明、消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟排烟风机等消防设备的供电，应在最末一级配电箱处设置自动切换装置。

为保证重要负荷供电的连续性，双电源自动转换开关电器的应用需求已越来越大，技术性能要求也越来越高，对产品的合理选择就变得更加重要。

因为产品的技术水平高低以及先进性和可靠性如何，将直接影响着各重要场所用电的安全与可靠，这已成为低压配电系统中不可缺少的一个重要组成部分。

所以在工程设计中设计人员应熟悉和了解其类型、组成与工作原理、主要特点及功能等，以便在满足系统功能的原则下正确选择及合理应用。

二、转换开关电器的选用原则

基本概念

自动转换开关电器，即ATSE（AutomaticTransferSwitchingEquipment）。

主要适用于交流不超过1000V或直流不超过1500V的紧急供电系统，用于两路电源切换，在转换电源期间中断向负载供电。

定义：

根据IEC国际标准定义：

由一个或多个转换开关电器和其它必要的电器组成，用于检测电源电路，并将一个或多个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器。

[说明1]操作程序：

当存在常用电源和备用电源两个电源的情况下，ATSE应指定一个常用电源位置，其操作程序由两个自动转换过程组成；如果常用电源被检测到出现偏差，则自动将负载从常用电源转换至备用电源；如果常用电源恢复正常，则自动将负载返回换接到常用电源。

换接时间可预定延时或无延时。

[说明2]被检测的电源偏差：

被检测的电源特性的改变，当电源特性偏离规定限值（如电源电压或频率的非正常改变）时，被检测到的电源偏差将为信号使ATSE动作。

分类：

根据IEC-60947-6国际标准规定，自动转换开关电器可分为PC级或CB级两个级别。

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。

结构形式：

●接触器式ATS—用两台交流接触器和一些联锁装置搭接而成。

●断路器式ATS—用两台断路器和外在的机械联锁装置组合而成。

●负荷开关式ATS—用两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成。

●双投式ATS—用电磁力驱动、内置的机械结构保持状态，单刀双投一体化的转换开关。

[说明1]负载开关和接触器双投型的ATS都属于PC级，本体只能作为自动转换开关使用，不具备过载和短路以及其它保护功能。

[说明2]短路器和控制保护器投切型的ATS都属于CB级，本体作为自动转换开关使用外，还具备过载、短路以及其它保护功能，从而实现对负载的两段或三段及其它保护功能。

ATS的应用（图1）：

正常/应急

旁路

接地

图1

转换开关电器的主要性能指标

转换时间

a.触头转换时间：

从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。

b.转换动作时间：

主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间，不包括特意引入的延时。

c.总动作时间：

转换动作时间与特意引入的延时之和。

e.返回转换时间：

从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时

f.断电时间：

从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。

额定接通和分断能力：

额定接通和分断能力是制造厂规定的，在规定条件下ATSE足以能够接通与分断的电流值。

对于交流，额定接通和分断能力用电流的交流分量有效值表示。

额定短时耐受电流：

额定短时耐受电流是制造厂规定的，在国家标准GB/T的条规定的试验条件下，电器能够承载的短时耐受电流值。

对于交流，额定短时耐受电流值用电流的交流分量有效值表示。

按照国标要求，验证短时耐受电流能力的试验仅在PC级ATSE上进行。

额定短路分断能力：

额定短路分断能力是制造厂规定的，在额定工作电压、额定频率与规定的功率因数（或时间常数）下，电器的短路分断能力值。

额定短路分断能力用预期分断电流值表示。

额定短路分断能力是指CB级ATSE应能分断额定短路分断能力及以下的任何电流。

额定限制短路电流：

额定限制短路电流是制造厂规定的，在国家标准GB/T的条规定的试验条件下，被指定的短路保护电器保护的ATSE在短路保护电器动作时间内足以能够承受的预期短路电流值。

按照国标要求，验证额定限制短路电流的试验仅在PC级ATSE上进行。

自动转换开关电器的性能应满足供配电系统的要求：

自动转换开关电器前是否需设置隔离电器：

自动转换开关电器是由开关与转换控制器（或微型控制电脑）及传动机构（微型电机或电磁操作机构）组合而成的机电一体化带机电连锁的开关电器，适用于一级负荷及二级负荷的供配电系统中主电源与备用电源的自动转换。

根据有关规范对配电系统的要求，一级负荷及二级负荷配电系统应采用双电源供电末端自动互投，按其使用性质自动转换开关电器通常安装在配电系统最后一级的配电箱、柜的进线侧。

（市电-发电机主备型除外）

根据《低压配电设计规范》GB50054-95

第条当维护、测试和检修设备需断开电源时，应设置隔离电器。

第条隔离电器可采用下列电器：

1.单极或多极隔离开关、隔离插头；

2.插头与插座；

3.连接片；

4.不需要拆除导线的特殊端子；

5.熔断器。

以及《通用用电设备配电设计规范》GB50055-93

第条隔离电器的装设应符合下列规定：

1.每台电动机的主回路上应装设隔离电器，当符合下列条件之一时，数台电动机可共用一套隔离电器：

（1）共用一套短路保护电器的一组电动机；

（2）由同一配电箱（屏）供电且允许无选择地断开的一组电动机。

2.电动机及其控制电器宜共用一套隔离电器。

符合隔离要求的短路保护电器可兼作隔离电器。

3.隔离电器宜装设在控制电器附近或其他便于操作和维修的地点。

无载开断的隔离电器应能防止无关人员误操作。

现行国家标准《低压电器基本标准》中，已将低压空气式开关（刀开关）、隔离开关、隔离器、熔断器式开关、熔断器式隔离器等隔离电器；低压断路器标准中亦列入了隔离型。

根据以上规范及标准的相关要求，在配电系统中自动转换开关电器前端应设置隔离电器。

自动转换开关电器是否可作为隔离电器使用：

根据自动转换开关电器的定义，自动转换开关电器是由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器（转换控制器）组成。

用于检测电源电路，并将一个或几个负载电路从一个电源自动换接至另一个电源的开关电器。

从自动转换开关电器的定义可以看出，自动转换开关电器应用在电气系统中主要目的是在一、二级负荷紧急供电系统中，检测被监测电源（两路）的工作状态，当被监测的电源发生故障时，将负载电路从一个电源换接至另一个电源,以保证供电的连续性，确保重要负荷连续可靠运行。

目前自动转换开关电器有二段式和三段式两种，二段式自动转换开关电器开关主触头仅有两个工作位（正常电源位及备用电源位），这种自动转换开关电器转换动作时间较快；三段式自动转换开关电器开关主触头有三个工作位，（正常电源位、备用电源位及零位），零位时主触头处于空挡，因为设置了零位，三段式自动转换开关电器转换动作时间较慢，三段式自动转换开关电器设置“零位”的主要作用是当负载为高感抗或大电机负载时，为避免冲击电流做暂态停留之用，而非用于负载维修时隔离之用。

另一方面，自动转换开关电器自身也有检修和维护的可能，所以带零位的三段式自动转换开关电器不宜兼做隔离电器，为满足维修问题需要隔离时，应在自动转换开关电器前单独设置隔离电器。

自动转换开关电器前是否需设置短路保护电器：

目前自动转换开关电器根据保护特性分为两类：

CB级和PC级，下面分别阐述：

级：

CB级自动转换开关电器开关执行断路器本身带热磁保护，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。

在配电系统中选择CB级自动转换开关电器时，只要求自动转换开关电器的开关执行断路器选择正确，即低压断路器符合下列条件：

（1）.低压断路器额定分断电流（有效值）大于该处的预期最大短路电流值（有效值）。

（2）.低压断路器选型与上下级出线回路低压断路器选型配合满足配电保护选择性要求。

配电箱、柜内CB级自动转换开关电器前端可只设置隔离电器或隔离开关，不必再设短路保护电器。

级：

PC级自动转换开关电器只有电源转换功能，没有短路及过载保护功能。

额定电流小于等于250A的PC级自动转换开关电器，额定短时耐受电流有效值（1秒）一般在5KA-12KA左右；额定电流大于250A小于等于630A的PC级自动转换开关电器，额定短时耐受电流有效值（1秒）一般在13KA-25KA左右。

由于以下因素在配电箱、柜内PC级自动转换开关电器前端须设置短路保护电器：

（1）虽然PC级自动转换开关电器有一定的承受短路电流的能力，但没有切断短路电流的能力，其前端需要设置短路保护电器。

（2）此外还应考虑设置隔离电器的要求。

综合以上因素在配电箱、柜内PC级自动转换开关电器前端应设置符合隔离要求的短路保护电器。

符合隔离要求的短路保护电器有：

1．熔断器

2．熔断器式开关

3．熔断器式隔离器

4．符合IEC947-3隔离标准要求的隔离型低压断路器。

《低压配电设计规范》GB50054-95第条规定“配电线路采用的上下级保护电器，其动作应具有选择性；各级之间应协调配合。

但对于非重要负荷的保护电器，可采用无选择性切断。

”根据以上规范要求，采用双电源供电的配电系统，当双电源末端自动互投配电箱、柜内有多路一级负荷或二级负荷出线回路时，其自动转换开关电器前设置的熔断器或隔离型低压断路器均应与配电箱、柜内出线回路低压断路器之间有选择性配合。

对ATSE转换时间有何要求

不同的备用电源性质，以及不同的负载情况，对ATSE转换时间的要求是不同的。

根据国家标准《自动转换开关电器》GB/T，ATSE的动作时间有下列几种表示方法：

a.触头转换时间

b.转换动作时间

c.总动作时间

d.断电时间

e.返回转换时间

在设计选型时应注重“总动作时间”，以满足不同配电系统的使用要求。

受开关物理特性和制造工艺的限制，并考虑到“电弧短路”的问题（实验测定可靠灭弧时间约120ms，转换时间小于100ms是不可靠的），机械式ATSE的转换动作时间在100多毫秒至几秒钟。

目前生产工艺条件下，ATSE动作时间范围大致如下（表1）：

断路器投切型

（CB级）

负荷开关双投型

（PC级）

接触器双投型

（PC级）

控制保护器投切型

（CB级）

转换动作时间

秒

秒

秒

秒

切换延时

0-180秒

0-250秒可调

0-30秒可调

0-30秒可调

设计选型时，应根据允许供电中断时间及负载特性选定ATSE总动作时间。

《供配电系统设计规范》GB50052-95第条规定，“自投装置的动作时间能满足允许中断供电时间的，可选用带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路”。

《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92第条规定，“带有自动投入装置的独立于正常电源的专用馈电线路，适用于允许中断时间为以上的供电”。

部分负荷的允许中断供电时间如下：

1．应急照明的正常电源与应急电源转换时间应满足：

*疏散照明≤15s,

*备用照明≤15s（金融商品交易场所≤）

*安全照明≤

（摘自《建筑电气专业设计技术措施》1998年版第条）

2．消防设备（风机，水泵）电源转换时间≤30s

3.其他重要负荷的允许中断供电时间（表2）：

用电设备

允许最大断电时间

推荐最小辅助供电时间

应急系统

备用系统

电梯

15S～1min

1h到正常电源恢复

*

锅炉电源

1h到正常电源恢复

*

*

过程控制电源

不停电～1min

到正常电源恢复

*

*

消防报警

1S

到正常电源恢复

*

数据处理设备

1/2周波

到正常电源恢复

*

*

X射线

毫秒到几小时

到正常电源恢复

*

*

生命维持系统

毫秒到几小时

到正常电源恢复

*

*

通讯系统

10S

到正常电源恢复

*

*

注：

本表摘自美国ASCO公司产品样本，仅供参考。

对允许中断供电时间在以内的负载及重要场所（如监控中心等）的应急备用电源，根据《民用建筑电气设计规范》JGJ/T16-92第条，应设置不间断电源装置。

当变电室低压配电系统为单母线分段运行，并设母联开关时，ATSE总动作时间应与变电室母联开关设定的动作时间整定值配合,应大于联络开关动作时间秒以上。

变电室母联开关的动作时间大多为,ATSE总动作时间宜在3s以上。

当采用发电机组作为应急照明电源时，发电机的启动和电源转换的全部时间不应大于15s。

ATSE应选用“市电-发电机转换”专用型。

ATSE一般不允许带大电动机或高感抗负载转换，这类负载在运行中切换，两路电源相位差较大时，电机将受到巨大的机械应力。

同时，由电动机产生的反电势引起的过流会造成熔断器熔断或断路器脱扣。

因此，当ATSE带大电动机或高感抗负载转换时，两组动触头在转换前应增加一个延时时间，即应选用延时转换型ATSE，延时时间视负载情况确定。

ATSE具有自投自复功能时，当主电源恢复正常供电后，ATSE应经延时后，切换回主电源。

系统保护特性对转换开关的要求

ATSE应用在正常电源与备用电源的交汇处，是给重要负载供电的末端配电设备，在工程应用中如何将ATSE本身的特性和配电系统自身的保护特性结合起来，是正确应用ATSE的关键。

在配电系统中，无论是在过负荷还是在短路故障发生的情况下，电线，电缆，开关设备，电动机启动装置的电气设备都要具备一定承受故障电流的能力。

短路电流故障对电气设备损坏是非常严重的，所以ATSE要具备一定的耐受电流值，在短路故障被排除之前，保证自身的可操作性。

国标中规定了ATSE在短路条件下的接通与分断能力。

表3给出了ATSE验证短路操作能力的试验的试验电流值。

额定工作电流Ie（有效值）A

试验电流（有效值）A

Ie≤100

100＜Ie≤500

5000＜Ie≤1000

Ie＞1000

5000

10000

20Ie

20Ie或50kA（选较小值）

对于PC级ATSE，本身不具备过载和短路保护能力，所以PC级只具备短时耐受电流和短路接通能力，并且应能承受和接通上表所给定的电流值。

如果在PC级ATSE前加短路保护的电器设备（断路器或熔断器），则PC级ATSE只在短路保护电器设备断开电路的时间内承受上表所给定的电流值。

而对于CB级ATSE来说，既有一定的短路接通能力又具备短路分断能力，而且对于使用断路器和控制器组合的CB级ATSE，其分断能力也就是所使用断路器的额定分断能力值。

另外，无论CB级与PC级必须要有可靠的电气与机械连锁，保证常用电源和备用电源不同时接通，而且相与相之间要有效的隔离，避免出现相间短路，否则会引起ATSE触头的熔接，对ATSE和其它用电设备造成损坏。

旁路型自动转换开关的应用：

对供电系统可靠性、连续性有很高要求的特别重要场所，为防止当自动转换开关出现故障、损坏或自动转换开关处于检修时，影响供电系统的连续性，应设置旁路隔离型（或旁路隔离抽出型）自动转换开关。

旁路型自动转换开关应有以下功能：

1．旁路隔离开关应能在用电负载不停电的状态下，旁通电源至负载。

旁路开关与自动转换开关额定容量应相同。

2．旁通电源时应能隔离自动转换开关及相关控制电源，保证自动转换开关检修及更换能够安全进行。

3．应有旁路隔离标志，显示系统状态。

4．应有电子及机械联锁，防止误操作。

以下场所宜设置旁路型自动转换开关：

1．采用柴油发电机作为应急备用电源的特别重要场所的油机-市电型自动转换开关。

2．国家及省市级广播电视中心内重要的演播室及机房。

3．大型机场的航空雷达站。

4．重要的大型通讯机站。

5．大型综合医院对供电系统连续性有特殊要求的手术室。

6．银行、金融中心、证券交易所内对供电系统连续性有特殊要求的场所。

系统对控制器的要求

控制器的作用

ATSE一般由两部分组成：

开关本体+控制器，控制器主要用来检测被监测电源（两路）工作状态，当被监测电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动作指令，开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源。

ATSE开关与控制器

与断路器和负荷开关不同的是，ATSE除了开关设备还必须包括控制器，如果没有控制器则ATSE将无法动作。

因此必须把ATS的控制器视为开关主体同等重要！

对于ATSE的选择应着重考虑两点：

1.控制器的功能实用性;2.控制器的可靠性。

1、控制器的实用性：

ATSE是依靠控制器来自动完成转换的，因此控制器必须完成正常/应急电源的检测（包括电压和频率）、检测数据的逻辑判断、和转换驱动执行等动作过程，微处理器式智能化的控制器。

正是利用微处理器的特点将前二项的功能浓缩到一体。

这需要控制器的检测模块具有较高的精度，逻辑判断模块有较宽的参数设定范围（电压、频率、延迟时间、延迟时间的屏蔽）以适应不同负载的需求。

当然控制器上还必须要有必要的状态显示设备。

随着ATSE与发电机组联系的日益紧密和网络集中监控的发展，ATSE要有启动发电机组的信号。

在工程设计中，无论是市电失电、配电至ATSE的线路故障还是该线路的其它电气元件故障，都可以由ATSE感知负载的断电，发送信号启动发电机组供应应急电源。

同时控制器上提供的状态接点或通讯接口，可利用监控网络监视ATSE的状态，从而提高工作效率和可靠性。

2、控制器的可靠性：

由于微处理器和集成芯片的使用，提供控制器功能的同时，也必然带来控制器脆弱的负面影响。

因为控制器由ATSE的正常和应急电源侧直接取电检测，所以控制器也必然承受主回路的电压波动、浪涌电压影响、谐波干扰、电磁干扰等。

所以为保证控制器的可靠性，最好引用相关标准作为衡量标准。

例如：

暂态浪涌电压防范标准为IEC1000-4-4;电磁干扰防范标准为IEC1000-4-3等。

综合而言，控制器在安全、可靠的前提下，应有较多的功能。

ATSE开关与控制器必须在制造时配套成双电源转换系统进行测试、检验后方可安装使用。

如果ATSE是开关与控制器分别选购组合而成，则可能出现两者参数不匹配而导致两电源无法按要求的精度转换。

控制器的控制原理详见（图2）。

图2

三、设备选型的技术要点

从本质上说，ATSE只能完成双电源自动转换功能电力设备的统称，并不局限于某种类型，但必须符合国家与国际标准的检验要求。

作为双电源自动转换使用的ATSE开关设备，除完成负载在两路电源间选择、转换的功能外，还必须考虑供电回路中的种种复杂情况，例如短路电流的冲击、过负荷、设备频繁操作等，所以ATSE本身还必须具有很好的自我保护能力和适用性。

在实际的工程设计中，对ATSE的选择应从技术角度出发，必须充分考虑供电系统的配电方式、转换时间以及负载的使用性质等实际情况。

供电质量要求高的场所应使用高可靠性的ATSE，并以短路电流校验ATSE的遮断电流，且以市电的可靠性决定ATSE转换的频繁性。

下面就在实际工程设计中如何正确选择和使用ATSE需要注意的问题作以下分析及说明：

双电源放射供电时ATSE的选择及使用：

当消防负荷容量大且比较集中时，需要在低压配电室的母线上直接放射做双电源转换，或因电源进线后需要直接做双电源转换的场合，如消防水泵房等，这类转换方案宜选用PC级的ATSE，而不宜选用CB级的ATSE，以避免因其本体故障而影响电源的转换，造成重大损失，若需要加装保护电器时可另外选择。

市电与发电机组电源转换时ATSE的选择及使用：

当市电与发电机组电源转换时，首先应考虑到发电机组的特殊性，确认市电断电后，发电机组自启动，待发电机组电源各项指标达到稳定后才能输出，并具有互联装置。

转换一般都在低压配电室的母线上集中装设，以便于使用和维护，由于发电机组输出柜已装保护电器，这类转换方案宜选用PC级的ATSE。

按时间转换选择和使用ATSE：

1.有“中断”的：

为防止电力设备（如大电机）断电即接通启动可能造成机械损伤或对设备产生不良影响时，可选用带有延时型ATSE，这种ATSE适用于电动机、变频器、整流器负载及特殊的医疗设备负载。

2.无“中断”的：

为减少在电源转换过程中的瞬间断电对高强度气体放电光源等，而不能连续照明所带来的不便和损失,可选用瞬间闭路式ATSE。

四级型ATSE的选择及使用：

民用建筑电气设计规范编制组，针对四级开关的应用问题达成了以下共识：

1.根据条规定，正常供电电源与备用发电机之间若不是同一接地网络中时，转换开关应用四级型开关。

2.带剩余电流保护的双电源转换开关应采用四级开关。

两个电源开关带剩余电流保护，其下级的电源转换开关应用四级开关。

3.两种不同接地系统间电源转换开关应用四级开关。

4.TN-S、TN-C-S系统一般不需要设四级开关。

但TN-S系统的一些特殊情况（三相严重不平衡及高次谐波含量较高）是否用四级开关，需视建筑物等级的重要性而确定。

随着电器产品的不断更新及发展，双电源自动转换开关应性机电一体化智能型方向发展，自动化程度要更高，安全可靠性能要更好，具有较高的检测精度和宽带参数设定范围，具备良好的电磁兼容性，应能承受主回路电压波动和电磁干扰的影响，转换时间快。

延时可靠，并有提供各种信号及消防联动的通讯借口，通过总线与计算机联网实现“四遥”功能。

当配电系统采用双电源（或多路电源）供电（变电室设两台或两台以上变压器），且变电室低压配电系统为单母线分段运行，并设母联开关时，消防配电系统（应急照明系统除外）采用双电源专路供电末端自动切换时，其末端互投配电箱内的自动转换开关电器其主电源向备用电源切换时，为防止大电动机类负载在运行中切换，可能产生的巨大机械应力，以及由电动机产生的反电势引起的过电流，同时为确保与上一级即变电室母联互投开关设定的切换延时时间整定值配合，自动转换开关电器主电源与备用电源切换应有一定时间的延时，其延时时间的整定值应符合以下要求：

（1）延时时间的整定值应大于变电室低压配电系统母联开关切换延时时间整定值秒以上。

（2）当配电系统中，有多处用电设备为大功率电动机或高感抗负载，并需分别设置多台双电源末端互投配电箱（柜）时，为减少对电网的冲击，特别是对发电组，可避免过载冲击导致供电失败。

所有相关的多个自动转换开关电器之间，其设定的切换延时时间整定值应有适当的级差，互相配合，以便主电源侧断电时，大功率电动机或高感抗负载，按一定时间顺序先后切换至备用电源回路。

以下场所双电源供电系统配电箱内切换开关应采用（不延时）具有快速转换功能的励磁式电磁驱动二段式自动转换开关电器：

（1）重要场所的安全照明。

（2）重要计算机的电子数据处理装置。

（3）重要场所用电设备的应急备用电源。

（4）证卷交易所、金融交易及银行、大型体育场馆、大型百货商场、超