近年來，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，并選用了雙電源自動切換裝置。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切換到?jīng)]有故障的電源上。這種雙電源的切換，無須人工操作，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，并明確說明，在最末一級配電處實(shí)行自動切換，也要用切換裝置。
1、各型ATSE工作過程介紹
在國內(nèi)外市場較理想的雙電源切換開關(guān)產(chǎn)品是自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器，英文名稱為“AutomaticTransferSwicthingEquipment”，ATSE是其英文名稱的縮寫。它適用于交流不超過1000V或直流不超過1500V的供電系統(tǒng)，用于兩路電源切換，在轉(zhuǎn)換過程中向中斷的負(fù)荷供電。
ATSE產(chǎn)品中有以下幾個(gè)類型：電動機(jī)操作的斷路器型、電動機(jī)操作的負(fù)荷開關(guān)型、電磁操作的一體化開關(guān)型。國內(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)，控制器檢測到電源故障，發(fā)出指令使執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作，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)量優(yōu)質(zhì)，則控制器就有較高的可靠性。為此，只要以優(yōu)化設(shè)計(jì)電路，采用高質(zhì)量的電子元件來保證，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)荷動作的最大次數(shù)，或者說是電氣壽命來衡量的，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)越簡單，出現(xiàn)故障的幾率就會小，可靠性就會高;反之，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，零件數(shù)量越多，出現(xiàn)故障的幾率就會大，可靠性就會低，根據(jù)這一原理，就能決定ATSE動作情況、穩(wěn)定性能、制作加工質(zhì)量等來衡量可靠性的重要因素。下面根據(jù)產(chǎn)品廠家資料介紹各種ATSE的工作過程。
1.1電動機(jī)型的ATSE
在ATSE產(chǎn)品中，由各斷路器加電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成的ATSE和負(fù)荷開關(guān)加電動機(jī)操作機(jī)構(gòu)構(gòu)成的ATSE均是采用電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動力源，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速比較高，電動機(jī)通電后產(chǎn)生運(yùn)動的軌跡是一個(gè)轉(zhuǎn)動方向固定的連續(xù)圓周運(yùn)動，而在ATSE產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)觸電轉(zhuǎn)換的運(yùn)動軌跡是一個(gè)距離比較短的往復(fù)式運(yùn)動，從這點(diǎn)上來看，電動機(jī)所產(chǎn)生的運(yùn)動并不能直接實(shí)現(xiàn)ATSE產(chǎn)品中實(shí)現(xiàn)觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換的運(yùn)動，要增加一套比較復(fù)雜的機(jī)械機(jī)構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)開關(guān)觸點(diǎn)接通和分?jǐn)嗟膭幼?。其工作過程如下：
控制器檢測到電源出現(xiàn)需要切換的情況時(shí)，控制器輸出一個(gè)指令使電動機(jī)轉(zhuǎn)動，電動機(jī)通電后產(chǎn)生高速圓周運(yùn)動，首先要通過齒輪減速，再驅(qū)動一個(gè)機(jī)構(gòu)使斷路器手柄動作，或是驅(qū)動負(fù)荷開關(guān)的刀臂動作，使觸點(diǎn)接通或斷開，動作到位后，形成開關(guān)接通，控制器檢測到形成開關(guān)的信號后再發(fā)出指令使電動機(jī)斷電。在這種ATSE里，電動機(jī)還要具有反向轉(zhuǎn)動的可能性，以便使斷路器手柄或者負(fù)荷開關(guān)的刀臂復(fù)位。所以，控制器不僅要監(jiān)測兩路電源的狀況，還要能控制電動機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時(shí)要檢測形成開關(guān)的狀態(tài)，控制器的電路也會比較負(fù)責(zé)。由此可見，這類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關(guān)型
這種ATSE由一臺控制器加一個(gè)一體化電磁操作的開關(guān)本體組成，其開關(guān)本體有模具專門制造，主觸點(diǎn)類似于斷路器，這種ATSE內(nèi)部機(jī)械動作的動力來自電磁線圈帶電后對銜鐵產(chǎn)生電磁力，銜鐵動作，帶動相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作，完成相應(yīng)的動作功能，由于線圈通電后吸引銜鐵所產(chǎn)生的運(yùn)動軌跡是一種直線型的短距離往復(fù)式運(yùn)動，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)相對于電動機(jī)型的ATSE要簡單一些。
其工作過程是：在開關(guān)本體內(nèi)部有三個(gè)線圈，分別是合閘主線圈、導(dǎo)向線圈、分閘線圈。合閘主線圈的作用是使開關(guān)產(chǎn)生合閘的動作;導(dǎo)向線圈的作用是為了區(qū)分投常用電源還是備用電源;分閘線圈的作用是使開關(guān)產(chǎn)生斷開兩路電源觸點(diǎn)的動作。當(dāng)控制器檢測到電源出現(xiàn)需要轉(zhuǎn)換的情況時(shí)，控制器首先發(fā)出指令使導(dǎo)向線圈動作或不動作，帶動與導(dǎo)向線圈相關(guān)的機(jī)構(gòu)動作，完成區(qū)分是投常用電源還是投備用電源的動作，然后控制器再發(fā)出指令給合閘線圈，使其動作，帶動相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作，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)出指令使分閘線圈通電動作，帶動相應(yīng)的機(jī)構(gòu)動作，使兩路電源觸點(diǎn)均分?jǐn)?。這種電磁操作的一體化開關(guān)合閘時(shí)，需要導(dǎo)向線圈和合閘線圈以及有關(guān)的機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)配合動作，才能實(shí)現(xiàn)投常用電源或者投備用電源的動作;當(dāng)需要分閘時(shí)，需要分閘線圈及其附屬機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)配合，才能完成分閘的動作。
1.3主觸點(diǎn)采用接觸器的ATSE
這種開關(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關(guān)元件，通過控制兩個(gè)接觸器的吸合與釋放來實(shí)現(xiàn)兩路電源之間的切換。接觸器是一種使用歷史很長，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機(jī)等用電設(shè)備的頻繁啟停，接觸器的結(jié)構(gòu)簡單而且有很長的機(jī)械壽命。
其工作過程是：在“山”字形的靜鐵芯中間的鐵芯上有一個(gè)線圈，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)，接觸器線圈中沒有通電的時(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)靜鐵芯上的線圈通電后，由于電流的效應(yīng)，靜鐵芯產(chǎn)生的電磁場會對銜鐵產(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)動的同時(shí)，固定在銜鐵上的動觸點(diǎn)也會隨之運(yùn)動，動觸點(diǎn)與兩個(gè)靜觸點(diǎn)接觸，外電路接通。當(dāng)線圈失電后，靜鐵芯吸引銜鐵的力消失，銜鐵在彈簧力的作用下彈起，動觸點(diǎn)也會隨銜鐵一起運(yùn)動，于兩個(gè)靜觸分離，外電路分?jǐn)?。這種產(chǎn)品從工作過程來看，接觸器可運(yùn)動部件很少，僅僅與銜鐵相關(guān)的部件，運(yùn)動部件的行程短，接觸器的機(jī)構(gòu)非常簡單，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)500萬次，電氣壽命可達(dá)50萬次。此外，由于僅僅通過控制一個(gè)線圈通電與否，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)?，不需要行程開關(guān)來檢測運(yùn)動部件所處的位置，控制器的電路也會簡單一些，越簡單的機(jī)械就會越可靠。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：開關(guān)本體+控制器。開關(guān)本體用來完成主回路轉(zhuǎn)換?？刂破饔脕頇z測兩路電源工資哦狀況，當(dāng)被監(jiān)測的常用電源發(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)出動作指令，使開關(guān)本體自動從常用電源轉(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開關(guān)本體的進(jìn)線端相連。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開關(guān)本體按照規(guī)范氛圍PC級與CB級兩個(gè)級別：
PC級：能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯腁TSE;CB級：配備過電流的脫扣器的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ATSE只有轉(zhuǎn)換功能，沒有短路及過載保護(hù)功能;CB級ATSE的開關(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ATSE前端可以設(shè)置隔離電器或隔離開關(guān)，不必再設(shè)短路保護(hù)電器;而PC級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)與上一級配合的要求。
(3)電源轉(zhuǎn)換時(shí)間。PC級ATSE為100ms～200ms;CB級ATSE為1.5s左右，PC級、CB級ATSE均考慮電弧擊穿問題。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)均大于電動式刀開關(guān)。
3、民用建筑電氣設(shè)計(jì)中ATSE選用
3.1PC級與CB級的選用
《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》JGJ16-2008第7.5.4條，采用PC級和CB級有如下要求;當(dāng)采用PC級自動轉(zhuǎn)換開關(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)與上下級保護(hù)電器相配合。假如系統(tǒng)要求ATSE有短路、過負(fù)荷等保護(hù)功能，而PC級就不能滿足負(fù)荷過載保護(hù)，就得用“PC級+斷路器”的ATSE(見圖1所示)，或直接采用CB級。假如按照圖1接線，具有斷路器所能包含有短路、過載功能，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)生了過電流故障，反而有過載功能的CB級ATSE不動作，這是因?yàn)榭刂破鳈z測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的動作輸入信號是取自ATSE的上口，當(dāng)正常電源側(cè)的電壓或頻率都正常時(shí)，由于斷路器因過流而脫扣器動作造成用電負(fù)荷失電，ATSE并不會動作，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)角度來講，用CB級的保護(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)換而不是作為線路分?jǐn)嗪途€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(三極是不斷N線)，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路等。四極主要指不同性質(zhì)電源，一般是指市電對自備發(fā)電機(jī)，市電對變頻電壓，不同電網(wǎng)對不同電網(wǎng)，因?yàn)楦髯缘牧憔€上都有不同的零序電壓存在，如零線不斷開將會形成環(huán)流，對電氣設(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條針對三相四線制系統(tǒng)中四極開關(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)換開關(guān)，應(yīng)采用切斷相導(dǎo)體和中性導(dǎo)體的四極開關(guān);
(3)正常供電電源與備用發(fā)電機(jī)之間，其電源轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)采用四極開關(guān);
(4)TT系統(tǒng)的電源進(jìn)線開關(guān)應(yīng)采用四極開關(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)荷不會出現(xiàn)長時(shí)間斷電情況，ATSE轉(zhuǎn)換開關(guān)過程中一次動作到位，供電可靠性高、轉(zhuǎn)換動作時(shí)間快。
3.3.2三個(gè)工作位選擇
