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自动转换开关电器ATS的现状,与UPS配套选择与应用

1、国内外ATS产品现状

  自动转换开关(ATS)主要用在紧急供电系统,是将负载电路从一个电源自动换接至另一个(备用)电源的开关电器,以确保重要负荷连续、可靠运行。因此,ATS常常应用在重要用电场所,其产品可靠性尤为重要。转换一旦失败将会造成以下危害:电源间的短路或重要负荷断电,其后果都是严重的。这不仅仅会带来经济损失(使生产停顿、金融瘫痪),也可能造成社会问题(使生命及安全处于危险之中)。因此,工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点,加以限制与规范。

  为了规范自动转换开在电器(ATS)产品的生产与选用,国家质检总局于200212月颁布了GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》(等同IEC60947.6.1-1998)国家标准,200341日实施。该标准将是今后ATS生产制造;企业、设计使用单位、商业活动共同遵循的一部技术性法规文件,也将是3C认证依据的技术法规。随着用户设备的日趋重要,单独配置UPS已不满足用户的需求,双路电源也越来越多,所以ATSUPS的配套选型尤为重要。

  自动转换开关电器(ATS)分PC有与CB级两种。代表PC级的具有世界先进水平的产品有美国的ASCO等;代表CB级的有德国的穆勒、法国的施耐德等。

  ATS一般由两部分组成:开关电器本体;控制器。

1.1开关电器本体

开关电器本体又分两类:

  第一类为CB级。它是由两台断路器加机械连锁组成,具有短路保护功能;

  第二类为PC级,一体式结构。它是双电源切换的专用开关,具有结构简单、体积小、自身连锁、转换速度快(0.2s内)、安全、可靠等优点,但需要配备短路保护电器。

1.2控制器

  控制器也有两种形式:一种由传统的电磁式继电器构成;另一种是数字电子型智能化产品。它具有性能好,参数可调及精度高,可靠性高,使用方便等优点。

  国内外常见的几种ATS产品及电动式刀开关产品的对比见表1

常见ATS产品与电动式刀开关产品的对比表1

生产厂

电器级别

连锁

操作方式

触头系统

转换时间

原厂控制器

符合ATS标准GB/T14048.11

美国ASCO

PC

无需

单线圈

单刀双掷式

150ms

智能型

符合GB/T14048.11

穆勒电气

CB

机械连锁

两台电操

断路器

1.2s

仅符合GB14048.2

法国施耐德

CB

机械连锁

两台电操

断路器

1.5s

仅符合GB14048.2

2、产品结构分析对比及ATS的选择

  目前,国内市场上用于两路电源切换的大致有三种开关电器:①CBATS②PC ATS

  下面从产品结构、性能及所遵循的标准三个方面,分别将CB级与PCATS进行对比和分析。从中不难发现,PCATS是理想的两路电源切换电器产品。

2.1.两者机械设计理念不同

  CB级是由断路器组成,而断路器是以分断电弧为已任,要求它的机械应快速脱扣。因而断路器的机构存在滑扣、再扣问题;而PC级产品不存在该方面问题。PC级产品的可靠性远高于CB级产品。

2.2断路器不承载短路耐受电流,触头压力小

  供电电路发生短路时,当触头被弹开产生限流作用,从而分断短路电流;而PCATS应承受20Ie及以上过载电流。触头压力大不易被弹开,因而触头不易被熔焊。这一特性对消防供电系统尤为重要。

2.3两路电源在转换过程中存在电源叠加问题

  PCATS充分考虑了这一因素。PCATS的电气间隙为爬电距离的180%150%(标准要求)。在此基础上,美国ASCO ATS更是在行业内率先具备了相角同步侦测切换功能。因而PCATS安全性更好。

2.4触头材料的选择角度不同

  断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对,这有利于分断电弧。但该类触头材料易氧化,备用触头长期暴露在外,在其表现易形成阻碍导电、难驱除的氧化物,当备用触头一但投入使用,触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸;而PCATS充分考虑了触头材料氧化带来的后果。

3ATS在实际应用中遇到的问题以及相应产品解决方案

  随着经济发展,现代生活和现代工业对断电的容忍能力越来越差。国外工业发达国家(尤其是美国)把ATS产品视为电源的一部分,对ATS产品选择与使用都很慎重。在双电源紧急供电系统首先选择PC级产品,且开关在转换过程中不允许中间停留(即不带零位)。其目的就是增加电源的可靠性,对于UPS更是如此。

  由于备用电源种类及应用环境有所不同,ATS选择也应有所不同。

3.1问题一: 切换同步问题

  普通的ATS不允许带大电动机或高感抗负载转换。如大电动机负载在运行中切换,电源相位差距较大时它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电流可能造成熔断器熔断或断路器脱扣。

解决方法:

如果选择具备相角同步侦测切换功能的ATS,在两路电源同时存在的情况下切换前侦测两路电源是否同步,当同步检测合格,才允许ATS切换,此时确保反电势与即将投入使用的电源电势同步,也就不会产生冲击电流导致熔断器熔断或断路器脱扣。

3.2问题二:与UPS配套时零线切换问题

普通的三相ATS都有三极四极的分类,但是三极开关不能满足我国供电系统对于进线端ATS必须四极切换、四极隔离的要求。四极ATS虽然可以满足上述要求,但是却未考虑到实际使用中四极同时切换的ATS对于用户的负载特别是单相负载带来的不利影响。由于ATS需要带载切换,实际使用中切换瞬间UPS由于零线缺失,出现虚点位,会出现自动切换到旁路导致负载掉电,若还在电池态严重时可以导致单相负载因电压瞬间升高而烧毁。

如果选择具备零线重叠切换(后离先合技术)功能的ATS,当切换开始过程中相线端拉弧的同时,该结构可以保证零线暂不分离;而当切换即将结束过程中相线端拉弧的同时,该结构可以保证零线已经可靠接触了。整个切换过程中不会发生零线腾空的现象。

3.3问题三:维护及检修问题

普通ATS一旦投入使用,产生故障便需要整体更换,如果能够选择模块化设计的ATS,开关出现故障,只需要把故障部位的模块更换掉就可以恢复正常使用,这样便可以大大减少后期维护的成本。

有些重要负载,为保证不间断供电,即使是ATS故障,也不允许停电更换开关。如果选用旁路隔离式ATS开关即可实现不停电更换故障ATS

总之,随着ATS技术的逐步发展,必将带给用户更多更合理的双电源、多电源切换方案。自动转换开关是一种电源切换系统类新产品,随着技术的进步,必然向电流更大、电压等级更多、切换可靠性更高、功能更完善的方向发展,在工业与民用建筑中与UPS配套将得到更广泛的应用。