專家論點:中建院李炳華先生-自動轉換開關電器ATSE可靠性分析 

《自動轉換開關電器ATSE可靠性分析》

作者：中國建筑設計研究院總工程師 李炳華先生（100044）

摘要: 本文剖析了CB級ATSE和PC級ATSE的內部結構和工作原理，分析了ATSE的可靠性，并用ATSE返修率驗證其可靠性。從中得出PC級ATSE的可靠性高于CB級ATSE，雙電動操作機構的CB級ATSE可靠性高于單電動操作機構的CB級ATSE。

關鍵詞:自動轉換開關電器ATSE CB級 PC級 可靠性 返修率

Abstract:The construction and principle of ATSE will be anatomized in order to analyze the reliability of ATSE in this thesis. And the reliability will be validated by studying ratio of repairing ATSE. The conclusion will be given, that is, the reliability of Class PC is better than Class CB’s, Class CB with two motors is better than one motor’s.

Keywords:ATSE  Class CB  Class PC  Reliability  Ratio of repairing ATSE

1.概述:

ATSE學名自動轉換開關電器，英文名稱：Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE是其英文名稱的縮寫。根據GB/T14048.11-2002《自動轉換開關電器》的定義，ATSE是由一個（或幾個）轉換開關電器和其它必需的電器組成，用于監測電源電路，并將一個或幾個負載電路從一個電源自動轉換至另一個電源的電器。ATSE可分為PC級和CB級，PC級ATSE能夠接通、承載、但不用于分斷短路電流的ATSE，CB級ATSE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。如何正確選用ATSE？許多專家發表了不少文章說明自己的觀點。筆者經過長時間的研究，從分析ATSE可靠性入手，給讀者從另一角度認識ATSE，以便正確、合理選用ATSE。

請讀者倍加注意：使用ATSE的負荷都是重要負荷，至少是二級負荷。因此，分析ATSE的可靠性十分必要。

2. CB級ATSE的特點:

2.1 單電動操作機構CB級ATSE的結構特點:

2.1.1  結構及工作原理:

  圖1為單電動操作機構CB級的ATSE，它通常由二個斷路器、一個操作電動機、減速齒輪、連桿機構、操作推屬器件組成。

單電動操作機構CB級ATSE的工作原理如下：首先閉合常用電源,檢測電路8檢測到常用電源參數正常，電動機2（在板的背面）轉動,帶動齒輪運動。一般電動機轉速在1500轉/分鐘以上,經減速齒輪3（在板的背面）轉速變為約15轉/分鐘。齒輪帶動連桿機構4旋轉,致使一個推桿5推動一個斷路器1手柄10至"合"位置,另一個推桿推動另一個斷路器手柄至"分"位置。當斷路器手柄到位時，微動開關6動作，斷開電動機控制回路，電動機停止。機械鎖扣件7保證兩個斷路器不能同時合閘。

電源切換時,電動機反向旋轉,帶動機械各部件也向相反方向運動,斷路器手柄在推桿的作用下做相反操作,即原來合閘的斷路器變為分閘,分閘的斷路器變為合閘,從而完成雙電源的切換。

2.1.2 故障類型:

1.機械偏差造成操作卡死:

單電動操作機構的CB級ATSE有很復雜的機械系統，機械部件較多，機械之間的連接和定位會因長時間使用而出現變形、松動，久而久之，機械系統偏差越來越大，結果造成斷路器合閘、分閘不到位，更有甚者機械系統卡死。 

圖2 為機械故障之一，由于機械系統的偏差，推桿從斷路器操作手柄中脫開，即使斷路器質量很好，但就ATSE而言，圖中所示的ATSE不能可靠工作，ATSE的可靠性遠低于斷路器。

2.電動機及減速齒輪損壞比例較高:

正如前面所述，機械系統的偏差造成微動開關的損壞或微動開關因不到位而不動作，結果電動機的控制回路不能正常斷電，該停止的時候電動機不能停止，而出現電動機過載或堵轉現象，如果過載或堵轉時間較長，電動機會縮短壽命，嚴重情況下電動機會被燒毀。

這種情況下，減速齒輪也要承受巨大能量，同樣其壽命將大打折扣，嚴重時齒輪損壞也就不足為怪。

3.電器件損壞:

ATSE內的電動機過載或堵轉會產生另一惡果，保護、控制電動機的電子器件會因此而損壞。常見的問題有繼電器燒毀、熔斷器燒壞等。這類問題占ATSE損壞的比例較高，僅排在電動機損壞、齒輪故障之后，位于第三高故障率。

2.2 雙電動操作機構CB級ATSE的結構特點

2.2.1  結構及工作原理

圖3所示為雙電動操作機構的CB級ATSE，從結構上看，它比單電動操作機構要簡單的多，有兩個斷路器1、兩個電動機操作機構2、一個控制器3、一個機械鎖扣件4組成。

鎖扣件可以保證只有一個斷路器處于合閘的位置，但可保證兩個斷路器均在分閘位置。

2.2.2 故障分析

簡單的結構造就了雙電動操作機構CB級ATSE的高可靠性。表1匯總了國內多家廠家CB級ATSE返修情況，從另一個側面驗證了雙電動操作機構的CB級ATSE可靠性要高于單電動操作機構的CB級ATSE。

表中返修數量不包括退貨的數量，故障比例為某類故障的ATSE數與總故障數之比，返修率為返修的ATSE數與該時期ATSE銷售數量之比。由此可見，單電動操作機構的CB級ATSE返修率是雙電動操作機構的1.95倍，可靠性高低一目了然。

表1 CB級ATSE故障分類

2.3 CB級ATSE固有的特點 CB級ATSE固有的特點就是具有短路保護，它實現了雙電源切換和短路保護兩個功能，減少了連接點。因此，在歐洲CB級ATSE被廣泛使用。據介紹，額定電流在630A以上的ATSE，歐洲只采用CB級；630A以下的ATSE約60％使用CB級，40％使用PC級；ATSE沒有100A以下的產品。 

CB級ATSE除了具有上述優點外，還存在許多不足。 

①由斷路器構成的CB級ATSE有滑扣的危險。 圖4所示斷路器的內部結構，低壓斷路器由觸頭、滅弧裝置、操作機構和保護裝置等組成。在斷路器中靜觸頭和動觸頭被用來實現電路接通或分斷，斷路器操動機構包括傳動機構和脫扣機構兩大部分，傳動機構有手動傳動、杠桿傳動、電磁鐵傳動、電動機傳動。從上面可知，CB級的ATSE斷路器用電動方式操作斷路器的手柄，手柄處于“合閘”位置時，有時動觸頭和靜觸頭不能有效的閉合，這種現象叫做斷路器滑扣。滑扣將導致電路不能正常接通。

②由斷路器構成的CB級ATSE存在無選擇性保護現象，停電面積擴大，不能滿足重要負荷供電要求。

圖5所示，當支路A點發生短路故障，由于保護選擇性較難滿足要求，斷路器Q1和ATSE均跳閘。此時電源正常供電，沒有出現電源偏差，ATSE不切換。因此，故障回路被切除的同時，本箱（柜）內其它非故障支路也停電，停電范圍被擴大。要知道，這些負荷都是重要負荷，雙電源沒有給這些負荷帶來更高的供電可靠性。

3 PC級ATSE的特點

3.1 結構特點和工作原理

圖6為二段式ATSE的結構，轉軸4帶動動觸頭3轉動，當動觸頭與上面的靜觸頭閉合時，接通上面的電源；相反，當動觸頭與下面的靜觸頭閉合時，下面的電源被接通。可以很容易的看出，這種ATSE結構非常簡單，可靠性十分高，兩個電源只能接通一個，機械結構保證了雙電源的連鎖關系，同時控制器還配有電氣連鎖。

具有零位的三段式ATSE結構也比較簡單，可靠性不必懷疑，讀者可以放心使用。

3.2 故障類型

根據調查，圖6、7所示的PC級ATSE機械故障比率低，在銷售的34378臺ATSE中，因機械故障而返修的僅7臺，返修率，約為萬分之二；因控制器故障而返修的為43臺，返修率為千分之一點二五；因其它原因而返修的4臺，返修率為萬分之一點二，總的返修率不足千分之一點六。返修率只有雙電動操作機構CB級ATSE的43％，不足單電動操作機構CB級ATSE的四分之一。機械結構的優勢是PC級ATSE高可靠性的根本保證，如果在控制器元器件的選擇、線路優化等方面下功夫，PC級ATSE可靠性還可進一步提高。

4 結論

綜上所述，我們可以得出以下結論：

結論1：一體化結構PC級ATSE的可靠性高于CB級ATSE。

一體化結構指的是專門設計的、結構上是整體的ATSE，它對應由分立元器件組成的ATSE，后者分立元器件之間的過多連接造成其可靠性比一體化結構的ATSE要低。圖6二段式和圖7三段式ATSE屬于一體化結構的PC級ATSE。

在北美洲，ATSE只有PC級，不采用可靠性相對較低的CB級ATSE。

結論2：雙電動操作機構的CB級ATSE的可靠性高于單電動操作機構的CB級ATSE。

在歐洲，CB級ATSE約99％采用雙電動操作機構的CB級ATSE，它由斷路器、電動操作機構、機械——電氣連鎖裝置、控制器等組成。

中國ATSE標準等效了IEC標準，PC級和CB級都可采用，國家標準都容許它們存在，只要符合GB/T 14048.11-2002即可使用。PC級和CB級能夠在IEC共存，是歐洲與美洲妥協的結果，希望讀者根據可靠性合理、科學的選擇ATSE