合理選擇與使用自動轉換開關電器(ATSE)

作者：曲德剛

（曲德剛：上海電科所副總工、標準首席起草人、中國低壓電器行業協會會長）

摘要： 本文通過對不同開關電器的工作原理及產品標準對比和分析，指出理想的自動轉換開關電器（ATSE）為PC級ATSE，并指出CB級ATSE因過電流故障引起開關斷開，ATSE將不會轉換；但PC級ATSE應具有不低于AC-33B使用類別及一定的短路性能，才能保證用戶安全使用。

關鍵詞： 低壓電器 自動轉換開關電器

1．概述

自動轉換開關電器簡稱為ATSE，是Automatic transfer switching equipment的縮寫。

ATSE主要用在緊急供電系統，將負載電路從一個電源自動換接至另一個（備用）電源的開關電器，以重要負荷連續、可靠運行。因此，ATSE常常應用在重要用電場所，其產品可靠性尤為重要。轉換一旦失敗將會造成以下二種危害之一，其電源間的短路或重要負荷斷電（甚至短暫停電），其后果都是嚴重的，這不僅僅會帶來經濟損失（使生產停頓、金融癱瘓），也可能造成社會問題（使生命及安全處于危險之中）。因此，工業發達國家都把自動轉換開關電器的生產、使用列為重點產品加以限制與規范。

ATSE一般由兩部分組成：開關本體+控制器。而開關本體又有PC級與CB級之分。

PC級：能夠接通、承載、但不用于分斷短路電流的ATSE。

CB級：配備過電流脫扣器的ATSE，它的主觸頭能夠接通并用于分斷短路電流。

控制器主要用來檢測被監測電源（兩路）工作狀況，當被監測的電源發生故障（如任意一相斷相、欠壓、失壓或頻率出現偏差）時，控制器發出動作指令，開關本體則帶著負載從一個電源自動轉換至另一個電源，圖1是典型ATSE應用電路。控制器與開關本體進線端相連。

國內市場用于兩路電源轉換電器的產品目前有四類。類.是由接觸器組成的ATSE；第二類.是由斷路器組成的ATSE; 第三類.用電動負荷開關(符合GB14048.3標準)完成兩路電源轉換的產品; 第四類為PC級ATSE。

　　由接觸器組成的ATSE產品，它的優點是價格低；缺點是線圈長期通電耗能易燒毀，產品的接通分斷能力低，觸頭易抖動、熔焊，其產品可靠性很低，尤其是在帶負荷轉換時易出現爆炸性事故，這類產品在國外已被淘汰并禁止使用。為克服上述產品缺點，生產斷路器企業推出了CB級ATSE，CB級ATSE是由斷路器加機械連鎖組成，CB級的ATSE為機械保持，觸頭的接通與分斷能力有所提高，但又不是理想的ATSE產品（見本文第三段）。因此，市場出現了第三類產品-電動負荷開關，這類產品是由兩臺負荷開關組合加上電操裝置組成，產品操作的可靠性又有較大提高，但觸頭滅弧系統是以分斷一次電弧要求設計的，用在雙電源電路切換，也存在不合理因素（見本文第三段）。為此，市場呼喚著理想的ATSE產品。PC級（一體式）ATSE產品綜合了上述產品優點，克服了其缺點，是目前國內外市場較理想的雙電源轉換產品。

2．國外ATSE產品簡介

2.1 PC級（一體式）ATSE

　　以美國為代表的ATSE技術代表著當今世界PC級ATSE水平。因為，ATSE產品率先是在軍工領域得到使用，如雷達、通訊、航天等領域，而美國在上述領域處于世界地位，因此，美國對ATSE產品有較高要求，他們將ATSE產品視為電源一部分，為了提高其產品可靠性，不惜采用黃金作為觸頭材料。因此，在產品開發、研制方面投入較大。目前美國生產ATSE產品規模較大的企業有三至四家，如ONAN、ASCO、GE-ZENITH，主要生產PC級（一體式）ATSE產品，除基本型外，還有瞬間并聯型、旁路-隔離型、延時轉換型等。 圖2，圖3分別為ONAN，ASCO產品機構及觸頭系統示意圖。

2.2 電子式ATSE

為滿足不停電電源要求，國外一些大公司推出以可控硅為主的電子式ATSE，額定工作電流100A～1200A，檢測、轉換時間≤5ms。它主要應用在電子商務網站、計算機數據中心、半導體芯片制造業及緊急救援中心等要害部門。

3．同類產品結構分析與對比

3.1 CB級與PC級ATSE兩者有以下幾點區別

3.1.1 兩者機構設計理念不同

CB級是由斷路器組成，而斷路器是以分斷電弧為己任，要求機構快速脫扣。因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素；而PC級機構不存在該方面問題。PC級產品的可靠性遠高于CB級產品。

3.1.2 斷路器（MCCB）一般不承受短時耐受電流，觸頭壓力較小。當供電電路發生短路時，斷路器的動觸頭被斥開并產生限流作用，從而分斷短路電流；而PC級ATSE應承受20Ie及以上過載電流，觸頭壓力要求較大，因而ATSE觸頭不易被斥開，也不易被熔焊。這一特性對消防供電系統尤為重要。

3.1.3 兩路電源在轉換過程中存在電源疊加問題。

PC級ATSE充分考慮了這一因素。PC級ATSE的電氣間隙、爬電距離一般是斷路器的電氣間隙、爬電距離的180%、150%（標準要求）。因而PC級ATSE安全性更好。

3.1.4 觸頭材料的選擇角度不同。

斷路器常常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對，這有利于分斷電弧，但該類觸頭材料易氧化，備用觸頭長期暴露在外，在其表面易形成阻礙導電、難驅除的氧化物，當備用觸頭一但投入使用，觸頭溫升增高易造成開關燒毀甚至爆炸；而PC級ATSE充分考慮了觸頭材料氧化帶來的后果。

3.2 PC級ATSE與電動負荷開關區別

3.2.1 兩者遵循的標準不同

PC級ATSE符合GB/T14048.11《自動轉換開關電器》。

　　電動負荷開關符合GB14048.3《開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》。

3.2.2滅弧系統不同

　 由于ATSE是在兩路電源中帶電（負荷）轉換，因此，應考慮兩路電源間相位問題。在電網電源與發電機組電源間轉換時，可能出現120°相位差，所以，ATSE在做接通與分斷試驗時常用電源與備用電源相序不同（見圖4，該圖是國家標準GB/T14048.11-2002《自動轉換開關電器》中所規定的試驗線路）。在不同相序下做轉換試驗，開關的觸頭系統會出現二次電弧,因此,要求開關在接通備用電源（或常用電源）前，個電弧必須熄滅，且游離氣體迅速排放，否則,開關內部出現短路,造成轉換失敗。所以，自動轉換開關電器的滅弧能力要比一般低壓電器開關強,這也是一臺ATSE價格貴的原因之一。

　 而符合GB14048.3《開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》的產品（如電動負荷開關）沒有該要求。

3.2.3 兩者電氣性能要求不同

a）兩者的接通/分斷能力不同。PC級ATSE在使用類別為AC-33A/B時，是在6Ie電流,1.05Ue電壓條件下，接通/分斷循環次數為50/12次；而負荷開關在使用類別為AC-23A/B時，在10Ie/8Ie電流，1.05Ue電壓條件下，接通/分斷5/3次。

b）兩者的電氣壽命、機械壽命也不同。根據產品標準:電流等級≤300A、使用類別為AC-33B的PC級ATSE的電氣壽命是在1In/1.05Ue條件下至少操作循環1000次，機械壽命5000次；而相同電流等級、使用類別為AC-23B的負荷開關電氣壽命僅在1In/1Ue條件下操作200次，機械壽命1400次。

3.2.4轉換速度不同。PC級ATSE轉換速度一般高于負荷開關2～3倍。

3.2.5觸頭系統不同。負荷開關一般為V形觸頭系統。V形觸頭的特點是，新開關時動熱穩定性好一些，但經過幾次開斷后觸頭間燒損易形成接觸不良現象，而且，電弧轉移慢，滅電弧性能差；而PC級ATSE觸頭一般為拍合式，觸頭在接觸瞬間動靜觸頭間有一摩擦，以利于觸頭良好接觸，拍合式觸頭便于電弧快速移動，有利熄滅電弧。

　　通過上述對比可知PC級ATSE是理想的電源轉換開關產品。

4．選擇ATSE產品應注意的幾個問題

　　目前市場上自稱ATSE產品較多。但是屬于真正的ATSE產品不多。ATSE必須符合GB/T14048.11-2002《低壓開關設備與控制設備 第6部分：多功能電器 第1篇：自動轉換開關電器》。

　　下面介紹選擇ATSE產品應注意的幾個問題。

4.1 注意產品符合什么標準。

　　 符合GB14048.3-2003《開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》產品只能叫電動（或電操作）轉換開關。

而GB/T14048.11-2002《自動轉換開關電器》標準對產品考核較嚴酷，在電源間相序不同情況下，也允許直接轉換。

4.2 注意產品使用場所。

CB級ATSE一般不允許在圖5、圖6所示的線路中使用。

　　例如，當一般負載1（或主消防泵）發生短路故障（過載或短路）引起Q1脫扣，因控制器僅檢測ATSE進線端電源狀態，不會發出動作指令，所以，ATSE不轉換。此時，重要負載（或備用消防泵）處于斷電狀態。該供電系統沒有起到安裝ATSE實際作用。

　  在美國對CB級ATSE使用也有嚴格限制。其中，UL1008第41.19條規定，帶有過電流脫扣的轉換開關，必須向用戶提出“警告—如果過電流故障引起開關斷開，ATSE將不會轉換”警告標志 。

　　 而PC級ATSE用在混合負載供電系統或消防泵供電電路中，當一般負載發生短路故障（見圖1）時，短路保護器（Qg）動作后ATSE開始轉換，可以重要負載連續供電。

4.3 用PC級ATSE應注意以下幾個問題

4.3.1 用類別選擇

a．目前，我國市場上PC級ATSE有兩種使用類別。一是適用于AC-33B；另一種適用于AC-31B；開關的使用類別表示其控制負載的能力。

AC-33B/A*：適用電動機混合負載。既包含電動機、電阻負載和30%以下白熾燈負載，接通與分斷電流為6Ie，COSj=0.5；

AC-31B/A*：適用無感或微感負載，接通與分斷電流為1.5Ie，COSj=0.8； （*B：表示不頻繁操作；A：表示頻繁操作。）

　　由于ATSE較難通過AC-33B試驗。因此，一些制造廠降低開關使用要求，才選擇AC-31B使用類別。顯而易見選擇使用AC-33B的ATSE比選擇使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。

b．小容量ATSE（≤100A）通常帶電動機負載（如消防泵）直接轉換，好具有AC-3指標(直接通斷鼠籠型電動機), 按接通10Ie /分斷8Ie /COSj=0.45要求進行考核。使用該產品更安全。

4.3.2 路保護電器選擇

PC級ATSE不具有短路保護功能，因此，需配短路保護電器。短路保護電器一般有兩種，熔斷器或斷路器。由于熔斷器限流性能好，限制短路電流能力強，它常被使用在系統出現預期短路電流大的地點處；而斷路器限流性能差，額定限制短路電流能力低。不同的企業ATSE產品規定的額定限制短路電流不同，表1為RTQ1（TP1）自動轉換開關電器所規定的額定限制短路電流值。

　　在選擇短路保護電器額定電流值時，一般的原則是短路保護電器（熔斷器或斷路器）與被保護電器（ATSE）額定框架電流值一致（即1:1）。

4.3.3 段式與三段式選擇

　　二段式ATSE開關主觸頭僅有兩個工作位，即“常用電源位”與“備用電源位”，負載不會出現長期斷電情況，供電可靠性高，轉換動作時間快。

　　三段式ATSE開關主觸頭有三個工作位，多個“零位（是指電動狀態下）”，即主觸頭處于空擋，負載斷電時間相對較長，是二段式斷電時間的2-3倍。

　　三段式的“零位”主要是用于ATSE在帶高感抗或大電機負載轉換時，為避免沖擊電流做“暫態停留”之用；而非用于負載維修時隔離之用。維修時的隔離一定要選擇隔離開關，它更安全。因為，隔離開關必須具有以下功能：

　　①動觸頭在斷開位置時可鎖定或可視；

　　②具有較高的額定沖擊耐受電壓（1.25倍）；

　　③在任何情況下，限泄漏電流不應超過6mA。

4.4 ATSE動作時間選擇

　　衡量一臺ATSE轉換速度有5種動作時間（見GB/T14048.11）。ATSE應向用戶至少提供一種動作時間，便于用戶依據使用要求進行選擇。

4.4.1 觸頭轉換時間

　　測定從組主觸頭斷開常用電源起至第二組主觸頭閉合備用電源為止的時間。

4.4.2 換動作時間

　　測定從主電源被監測到偏差的瞬間起至主觸頭閉合備用電源為止的時間（含機構動作時間），不包括特意引入（控制器）的延時。

4.4.3 總動作時間

　　轉換動作時間與特意引入（控制器）的延時之和。

4.4.4 返回轉換時間

　　從常用電源恢復正常的瞬間起至一組主觸頭閉合常用電源的瞬間為止的時間加上特意引入的延時。

4.4.5 斷電時間

　　測定從各相電弧終熄滅的瞬間起至主觸頭閉合另一個電源為止的轉換過程時間，包括特意引入的延時。

　　一般用戶應注重“總動作時間”或者“轉換動作時間”，以滿足不同配電系統使用要求。

　　二段式PC級ATSE總動作時間一般在50～250ms；

　　三段式PC級ATSE總動作時間一般在350～600ms；

CB級ATSE總動作時間一般在2000～3000ms；

圖7為GB/T14048.11-2002標準中所規定的動作時間概念形象圖。

4.5 對高感抗負載轉換控制應注意的問題

ATSE一般是不允許帶大電動機或高感抗負載轉換。比如大電動機類負載,當其在運行中切換而電源相位又差距較大時,它將受到巨大的機械應力沖擊，同時由電動機產生的反電勢引起的過電流還會造成熔斷器熔斷或斷路器脫扣。解決方法常采用電阻吸收或減負荷方式，或自動轉換開關為延時轉換型, 兩組動觸頭在轉換前增加一延時，可避免在切換大電機或變壓器負載時引起的沖擊電流。

4.6 產品認證情況介紹

我國從2002年5月1日起開始對低壓電器產品實施3C認證，由于ATSE國家標準GB/T14048.11-2002《自動轉換開關電器》于2002年10月發布，2003年4月才開始實施，雖然自動轉換開關電器被列入批3C認證 目錄，由于該國標遲于實施。所以，目前ATSE產品只能進行CQC認證（即自愿認證）。ATSE尚未進行3C認證。市場上自稱獲得3C證書的“ATSE”，實際是依據GB14048.3-2003《開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》標準獲得“轉換開關或電動轉換開關”3C證書。希望設計、使用部門注意它們的區別。

注：在設計選用易用性方面和可靠性方面存在的問題分別是：設計選用易用性方面因為這種ATSE同時有保護作用，而保護作用就必須和上級、下級保護電器形成匹配，才能達到選擇性保護的目的，本身設計師在設計時就存在無法獲知供電局級各短路參數無法效驗，現在在選用時又增加了復雜性，所以易選性差；而由于該種ATS是靠電機堵轉推動外部元件來切換的，如該元件斷裂等因素會造成兩路電源直接短路，嚴重危害電網安全（GB50052-1995有詳細規定）。

4種用于兩路電源轉換的開關電器

產品結構及性能對比

*PC級ATSE的體積是CB級ATSE體積的30％～40％