（电力系统及其自动化专业论文）双电源控制与保护装置研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t d u a lp o w e rs u p p l yc o n t r o la n dp r o t e c t i v ed e v i c ei so n eo ft h ei m p o r t a n t e q u i p m e n t si nm el - vd i s t r i b u t i o ns y s t e m i ti sw i d e l ya p p l i e di nf a c t o r y , a i r p o r t ， h o s p i t a l 仃剐f l s f b n i l e rs u b s t a t i o na n ds oo nt oe n s u r ec o n t i n u o u sp o w e rs u p p l y w i t h t h ed e v e l o p m e n to fi n d u s t r y , t h ep o p u l a r i z a t i o no fa u t o m a t i o na n dt h ei m p r o v e m e n t o ft h ep e o p l e l i f e ，p e o p l eh a v eam o r ed i s t r i c td e m a n do ft h er e l i a b i l i t yo fp o w e r s u p p l y s ot h ed u a lp o w e rs u p p l yc o n t r o la n dp r o t e c t i v ed e v i c eb e c o m e s m o r ea n d m o r ei m p o r t a n t h o w e v e r , t h ec o n d i t i o ni st h a tt h er e s e a r c ho fa u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n g e q u i p m e n t s ( a t s e ) i no u rc o u n t r yi s m u c hl a t e rt h a na b r o a d ，a n dt h et e c h n o l o g y t r a i l st h ed e v e l o p e dc o u n t r y m o s to ft h ei n d u s t r i e s p r o d u c t sa r eo f t e nu s e da n a l o g u e o rd i g i t a lc i r c u i t a n dt h i sk i n do fp r o d u c td o e s n th a v ew h o l ef u n c t i o n sa n do p e r a t e s i n c o n v e n i e n t l y m o r e o v e r , m o s to ft h ep r o d u c t sa r en o tp a i dm u c ha t t e n t i o nt ot h e i r r e l i a b i l i t ya n ds ot h a to f t e no c c u rf a u l t s a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sd i s c u s s e da b o v e ，t h i sp a p e rf i r s t l yr e s e a r c h e st h e p r e s e n ts i t u a t i o na n d t r e n do fd u a lp o w e rs u p p l yc o n t r o la n dp r o t e c t i v ed e v i c e a n d t h e nan e wk i n do fi n t e l l i g e n td u a lp o w e rs u p p l yc o n t r o la n dp r o t e c t i v ed e v i c eb a s e d o nt h em c ui sd e t a i l e d i tg i v e sad e t a i ld e s c r i p t i o no ft h eh a r d w a r es y s t e ma n d s o f t w a r es y s t e md e s i g n t h ep r o d u c tc a l ld i s p l a ys e l f - d e t e c t i n g , p a r a m e t e r se n a c t i n g a n dr e m o t ec o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n st oa c h i e v ea u t om e a s u r e m e n ta n do p e r a t e ，a v o i d h u m a no p e r a t i o nf a u l t s e v e r a lf e a s i b l ee m c m e t h o d sa r eg i v e n , s ot h er e l i a b i l i t ya n d s t a b i l i t yo fs y s t e mi sg u a r a n t e e d t om e e tt h ed e m a n do fr e m o t ec o m m u n i c a t i o n , a l 【i n do ff r i e n d l yi n t e r f a c em o n i t o ri sd e s i g n e d i tc a ni m p l e m e n tr e m o t es t a t ed e t e c t i n g a n do p e r a t i o n a n di tc a nr e c o r dt h ef a u l ti n f o r m a t i o nf o rm a i n t e n a n c e i ti sb e c a u s e t h a to u rc o u n t r yd o e s n tp a ym o r ea t t e n t i o nt o t h el - vp r o d u c t s s t a b i l i t yw h i l e s t a b i l i t yi so n e o ft h em o s ti m p o r t a n ta s p e c t so fp r o d u c t s p e r f o r m a n c e ，s od u r i n gt h e p r o d u c t sd e v e l o p m e n t , t h i sp a p e ru s e s f a u l tm o d ee f f e c ta n a l y s i sm e t h o dt o g e n e r a l l ya n a l y s et h ep r o d u c t sf a u l t m o d ea n df a u l te f f e c t ，a n du s e sf a u l tt r e e a n a l y s i sm e t h o dt ob u i l dt h e f a u l tt r e ea n de a r l yo u tq u a l i t a t i v ea n a l y s i sm a d q u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h ec o o p e r a t i o no ff m e a a n df t ac a ng i v eaf u l l s c a l ea n d a b s t r a c t d e t a i l e da n a l y s i so ft h ep r o d u c tt oi m p r o v et h ep r o d u c t ss t a b i l i t yg r e a t l y k e yw o r d s ：d u a lp o w e rs u p p l y , a t s e ，s t a b i l i t y , f m e a ，f t a l l i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 芝j c 纠砗 枷【| 年2 月f 8 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 可刮埠j i 7 年乙月8 日 v 1 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着社会生产的发展，许多行业和部门如医院、机场、高层建筑、变电站 等对供电的可靠性都有了非常高的要求。电力质量日益受到人们的重视，而供 电的连续性是电力质量一个重要方面。对于一级负荷及二级负荷的供电，由于 其中断供电在政治、经济上将造成不可估量的损失或影响重大，因此国家标准 g b 5 0 0 5 2 1 9 9 5 供配电系统设计规范规定：“一级负荷应由两个电源供电；当 一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。 ，“二级负荷的供电系统， 宜由两回线路供电。”同时国家标准g b 5 0 0 4 5 1 9 9 5 高层民用建筑设计防火规 范( 2 0 0 1 年版) 也规定：“高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟 排烟风机等的供电，应在最术一级配电箱处设置自动切换装置。 j 。 保证供电连续性通常的解决办法是给供电对象提供常用、备用两路独立的 电源，当常用电源发生故障时，能根据设定的切换程序准确完成常用电源和备 用电源间的切换，从而最大限度的保证供电的连续性。在低压配电网中，这种 切换由双电源自动转换装置( a u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n ge q u i p m e n t ，a t s e ) 完 成。作为电能切换的必备器件，双电源自动转换开关电器的应用需求越来越广 泛，技术性能要求也越来越高1 2 j 。 1 2 国内外研究现状及发展动态 双电源自动转换开关的控制装置发展大致分为三个阶段。 第一阶段主要是采用低压分立器件组成的传统转换控制系统，缺点是体积 大，施工接线较为复杂，可靠性差； 第二阶段是采用模拟电路设计的产品，解决了分立器件的大部分缺点，但 是大多功能不能完全满足现场应用的要求，应用上受到一定的限制； 第三阶段是基于数字电路为基础的控制器，其功能较为完备，但线路复杂， 成本较高，制造工艺较为复杂，且抗干扰性较差。 第1 章绪论 目前三个阶段的技术共存于市场，给设计应用选型带来很多不便。因此有 必要对目前的双电源控制器进行改进，做到功能全面、可靠性高、灵活操作。 进入2 0 世纪9 0 年代中期，随着法国、日本、新加坡、美国、韩国等国的 多个品牌的a t s e 产品先后打入中国市场，虽在一定程度上缓解了我国的市场需 求，但由于国外的供电标准、供电环境和国内的差异，以及价格方面的原因， 研制适合我国国情的通用a t s e 产品，日益为广大电气设计人员所重视和关注。 近几年，我国的自动转换开关电器生产企业( 尤其是生产c b 级a t s e 企业) 迅速增加，其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难， 也由于对a t s e 使用和选用不当，给国家财产造成很大损失。为了规范自动转换 开关电器( a t s e ) 产品的生产与选用，国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 2 年1 2 月颁布了g b t 1 4 0 4 8 1 1 - 2 0 0 2 自动转换开关电器( 等同i e c 6 0 9 4 7 6 1 1 9 9 8 ) 国 家标准，2 0 0 3 年4 月1 日实施。该标准将是今后a t s e 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3 c 认证依据的技术 法规。 随着现代化建设的不断深入发展，a t s e 应向综合智能化方向发展，自动化 程度会更高，安全可靠性要更好，具有较高的检测精度和各类参数设定范围， 具有更好的电磁兼容性，能承受主电路电压波动和电磁干扰的影响，具有更快 的转换时间，且延时可靠，并有提供各种信号及消防联动的通讯接口，通过总 线与上位机连网，实现自动监控。本体结构应简洁、可靠，具有较高的抗冲击 电流能力，通过自身的机械与电气联锁，确保任何情况下都不能并联运行，并 具有零位功能和独特的触头分合技术，隔离距离大，能承受更高冲击电压，进 一步提高本体工作可靠性与稳定性p j 。 1 3 本课题研究的目的与意义 1 3 1 传统双电源切换装置存在的不足与缺点 传统的双电源切换装置采用模拟信号处理方式或数字信号处理方式的控制 器，其功能仅限于对双电源开关进行切换，而无更多的检测功能。当电源缺相、 电压不正常、频率超标等情况发生时，无法进行有效的控制。随着科技的发展， 越来越多的水电安防等设备采用集中式的控制，而现有技术中的双电源自动转 2 第1 章绪论 换开关无法满足这种需要远程通讯功能才能实现的集中式控制，国内多数产品 不具备通讯功能，因而不能适应自动化发展的趋势【4 j 。 1 3 2 智能型双电源控制与保护装置研究的意义 双电源控制与保护装置是低压配电网的重要设备之一，它的可靠性与安 全性关系着整个低压配电网络。随着现代化建设的不断深入发展，双电源控制 与保护装置应向机电一体化智能型方向发展。尽管微型计算机的发展和应用已 相当普及，但机电一体化智能型双电源控制与保护装置应用在我国尚属初级阶 段，目前还有许多技术问题需要进一步探讨和解决，产品质量也需要进一步完善 与提高。因此开发高可靠性、高稳定性的双电源控制与保护装置对于我国低压 配电网络具有非常重要的现实意义。 1 4 本文研究的主要内容 为了提高双电源自动转换控制器的性能，扩展其应用领域，现代双电源自 动转换控制器应该具有高性能、高可靠性和智能化等特点。本课题具体的研究 内容包括： ( 1 ) 首先介绍了双电源控制与保护装置的设计背景及应用要求，包括介绍其 定义与分类、主要类型及功能模式，同时阐述了其各项性能指标以及实际工程 应用当中的要求；、 ( 2 ) 设计满足系统切换功能需求的硬件电路，主要包括电源供电模块、电压 采集模块、微处理器控制电路以及频率采集模块等。其中微处理器控制电路又 包括蜂鸣器报警电路、时钟电路、r s 4 8 5 通讯电路、液晶显示电路和开关量输入 与输出控制电路。为了提高系统的可靠性，从硬件上提出了几种提高系统抗干 扰能力的措施； ( 3 ) 在软件编程上，利用c 语言编程，同时采用模块化的设计方法实现系统 功能需求。程序的主要模块包括：a d 采集模块、按键检测模块、显示模块、驱 动控制模块、时钟模块以及通讯模块。并提出了在软件上提高系统抗干扰能力 的措施。； ( 4 ) 为了满足系统远程通讯和监控的需求，利用b o r l a n dc + + 编写了上位机监 第1 章绪论 控软件，实现系统的远程实时数据采集、参数设定、状态控制以及故障记录； ( 5 ) 在满足性能的前提下，针对系统可靠性的要求，利用f m e a 和f t a 综 合分析的方法对整个系统的可靠性进行详细的分析，为预防性维修工作、消除、 发现故障提供科学依据。最后通过系统的试验测试结果表明系统在e m c 方面具 有很强的抗干扰能力，同时性能也完全满足设计要求。 4 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 2 1 双电源设计背景 自动转换开关电器，即a t s e ( a u t o m a t i ct r a n s f e rs w i t c h i n ge q u i p m e n t ) 。主 要适用于交流不超过1 2 0 0 v 或直流不超过1 5 0 0 v 的低压紧急供电系统，用于两 路电源之间的切换。 2 1 1 定义 根据i e c 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。 操作程序：当存在常用电源和备用电源两个电源的情况下，a t s e 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。 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a t s e 动作。 2 1 2 分类 根据国际标准i e c 6 0 9 4 7 6 1 ：1 9 9 8 ( 我国对应的国家标准g b t 1 4 0 4 8 1 1 - 2 0 0 2 ) 对双电源自动转换开关电器分类的描述为：按自动转换开关电器短路电流的能 力将其分为两类，即p c 级和c b 级p j 。 p c 级a t s e 可分为转换开关、电机操作机构或电磁操作机构、转换控制器、 联锁机构组成的p c 级a t s e 和由无短路保护的断路器、电动操作机构、转换控 制器、联锁机构组成的p c 级a t s e 两种型式。p c 级a t s e 能够接通、承载。其 优点是结构简单，自身联锁，转换速度快，可频繁操作，从切换装置本身来说， 价格相对低廉。缺点是耗电大、有噪音，另外由于它不能分断短路电流，需加 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 熔断器或断路器。以美国为代表的a t s e 技术代表着当今世界p c 级a t s e 先进 水平。因为a t s e 产品率先是在军工领域得到使用，如雷达、通讯、航天等领域， 因此美国对a t s e 产品有较高要求，他们将a t s e 产品视为电源一部分，为了提 高产品可靠性，不惜采用黄金作为触头材料。因此在产品研发、研制方面投入 较大。目前美国生产a t s e 产品规模较大的企业有3 到4 家，如a s c o 、o n a n 、 z e n i t h ，主要生产p c 级产品。 c b 级a t s e 是由断路器、电机操作机构或电磁操作机构、转换控制器、联 锁机构组成。c b 级具有过载、短路保护功能，所以c b 级既能接通、承载，又 能够分断短路电流。但是它的缺点是体积较大、转换速度慢。该类代表性产品 有法国施耐德的u a 、b a ，德国穆勒电气的c b 级产品等。 2 1 3 结构类型 针对目前国内生产不同类型的a t s e ，从安全性、可靠性、保护性等诸多方 面分析其主要特点及功能，并简述其优缺点，供设计选用时参考。 ( 1 ) 断路器投切型 这种a t s e 由两台断路器为基础，外加单( 双) 微型可逆电机组成电动操作机 构来实现双电源自动转换与控制，所以断路器的取材广泛，从国产到合资生产 以及进口的断路器都能进行组装。断路器投切型的主要优点： 1 ) 从结构形式上采用了两台断路器，绝缘等级高，且具有电气与机械双重 联锁功能，确保两台断路器任何状态下都不能同时合闸，很好地保证了 其安全性。 2 ) 二次控制回路采用智能控制器组成，在弱电控制、无触点化、功能强大 等方面具有先进性，减少了外围元器件，为供电的连续性提供了可靠的 保障，基本符合有关可靠性要求。 3 ) 为负载提供了完整的过载与短路保护，可实现两段或三段保护功能，并 可根据需要增加接地等其他保护功能；另外还具有限流强、选择性能好、 级联配合以及能量保护等功能，在选择性能上表现极为突出。 4 ) 具有电源各种故障保护、故障报警指示、运行参数可调及电源电压显示 等功能，并防止故障电源向负载供电；由于不同用户或设备对供电电压 及转换时间有不同的要求，可通过数字整定可调功能，大大方便用户使 6 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 用，并且为实现“四遥 提供了前提条件，经通讯接口适用于智能化网 络的集中控制。 其主要缺点： 1 ) 由于采用两台断路器为基础，体积大，造价高；因采用微型可逆电机驱 动，故转换时间长，至少1 5 s 以上。 2 ) 当采用两台断路器( 微断或塑壳式) 时，在其手柄上加装一套微型可逆电 机组成的电动操作机构，使两只手柄同时逆向操作，这种方法较原始， 操作手柄容易受损，动作位置调整也很困难，还会因振动等原因影响正 常的分合闸操作；当采用两套微型可逆电机组成的电动操作机构时，同 样存在操作和联锁机构复杂、不容易调整及易发生故障等问题，因此， 可靠性在一定程度上受到影响。发现这类缺陷后，对产品操作机构进行 了研究改进，使其传动简捷、故障点少、寿命长。 ( 2 ) 负荷开关双投型 这种a t s e 由两套负荷开关拼装为一体，依靠一套微型可逆电机组成电动操 作机构，并通过齿轮变速箱传动完成双电源的自动转换与控制，动作方式与单 电机驱动的断路器投切型a t s e 基本类似。 负荷开关双投型a t s e 的主要优点： 1 ) 由于本身的运动、传动机械简单、紧凑，除电气联锁外，还可通过机械 齿轮传动结构完成机械联锁功能，安全性得到保证。 2 ) 二次控制回路大部分产品都集开关与逻辑控制于一体，由于采用电子产 品，故障隐患减少，基本满足了可靠性要求。 3 ) 受结构形式限制，不具备过载和短路等保护，所以体积适中，外观整齐 统一，价格适中。 其主要缺点： 1 ) 因不具备任何保护功能，且耐受短路导通容量小，主触头系统无灭弧栅， 切换时拉弧时间长，容易影响触头的使用寿命。 2 ) 采用微电机驱动和齿轮变速传动机构，所以转换时间长，其机械传动机 构装置同样存在易发生故障而影响可靠性等问题，需进一步改进、完善。 3 ) 不适宜频繁的转换与操作，否则将影响整体使用寿命。 ( 3 ) 接触器双投型 这种a t s e 采用直流电磁线圈作为动力，经电磁激励脉冲操作完成整个转换 7 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 动作过程。接触器双投型a t s e 的主要优点： 1 ) 在结构形式上由v 型主触头和电气机械双重联锁控制组成，采用直流线 圈激励直线驱动完成转换过程，因此外型体积偏小，结构简单紧凑，运 行安全性能好。 2 ) 二次控制回路大多数产品都集开关与逻辑控制为一体，并通过机械部分 直线定位，定位精度高，抗震动，不受安装方向和角度的影响。另外， 依靠电气与v 型机械自锁装置的作用，确保两路电源在任一时刻都不会 同时接通，可靠性较高。 3 ) 不具备过载和短路保护功能，但短路接通容量大。因为主触头为平面型 接触，具备独立的灭弧室并配有灭弧栅，具有很高的载流量，能够带负 荷或频繁转换操作。 4 ) 采用电磁瞬时激励驱动，故转换时间快，且完成转换后线圈不带电，达 到了节电消除噪音的目的。 其主要缺点是：需进一步改进和完善二次控制回路，最好采用智能控制器， 尽量减少与有关操作和信号指示的外围元器件，提高该装置的先进性，使其动 作更加安全可靠。 ( 4 ) 控制保护器投切型 这种a t s e 主要由k b 0 系列主电路基本模块和其他辅助模块组成。 控制保护器投切型a t s e 的主要优点： 1 ) 由于采用了模块化结构，在单一的结构形式上实现了集成化、内部协调 配合的控制与保护，具有断路器、接触器及热继电器的各种功能与优点， 并通过内部电气与机械联锁功能，依靠电磁线圈吸引驱动来完成自动转 换过程，无须再外加其它操作和转换机构，故结构简单紧凑，转换速度 快，安全性能好。 2 ) 目前该产品在国内是独家生产，其二次控制回路无论采用集开关与逻辑 控制于一体，还是采用智能控制器，都能较好地满足可靠性的要求。 3 ) 可为负载提供完整的过载与短路保护，其他功能及特点与断路器投切型 的a t s e 基本相同。 4 ) 具有过载、短路以及故障直接报警功能，当选用消防型电子脱扣器时， 在过载情况下其本身具备只报警不跳闸功能，可满足消防设备的特殊使 用要求。 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 其主要缺点： 1 ) 主电路容量小，最大为i o o a ，不能完全符合双电源转换需求，应进一步 研发大容量产品，以满足大中型工程的使用要求。 2 ) 采用电磁线圈吸引驱动，其线圈长期带电会产生噪音，应考虑增加直流 无声运行辅助模块，减少噪音污染，达到节电节能目的【6 】。 2 1 4 功能模式 自动转换开关电器形式的多样性源于其应用方式的多样性。在国内开发的 众多自动转换开关电器中，除了满足自动转换开关电器的基本要求外，根据具 体应用场合的不同或客户使用要求的不同，派生出了有别于标准规定操作次序 的特别的应用需求，其应用主要有以下几种方式【7 j ： 1 ) 自投自复型：在正常状态时，由常用电源供电，当常用电源出现异常时， 转换开关经设定的延时切换至备用电源；当常用电源恢复正常后，备用 电源自动切换至常用电源。 2 ) 自投不自复型：在正常状态时，由常用电源供电，当常用电源出现异常 时，转换开关经设定的延时切换至备用电源；当常用电源恢复正常后， 不能自动切换至常用电源，需要人为干预才能切换到常用电源。 3 ) 互为备用型：在由两路市电供电的条件下，没有指定哪一路电源为常用 电源，哪一路电源为备用电源。当正在使用的一路电源出现故障时，经 设定的延时转换到另外一路j 下常电源，两路互为备用，没有主备之分。 4 ) 电网发电机型：对电网和发电两路电源进行自动切换，发电设备通常 为柴油发电机组。在电网电压低于设定值时( 一般为8 5 额定电压) ，经 发电延时指令发出发电指令。当发电电压达到8 5 额定电压时，先从电 网断开负载电路，经延时发出卸载指令，卸去次要负载，再经延时接通 发电电源。当电网电压恢复正常( 达到8 5 额定电压以上) 后，经延时将 负载电路从发电电源断开，再经延时，自动切换到电网供电【8 】。 2 1 5 转换开关电器的主要性能指标 2 1 5 1 转换时间 ( 1 ) 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 9 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 用电源为止的时间。 ( 2 ) 转换动作时间：常用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。 ( 3 ) 总动作时间：转换动作时间与特意引入的延时之和。 ( 4 ) 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 ( 5 ) 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。 2 1 5 2 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a t s e 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。 2 1 5 3 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g b t1 4 0 4 8 1 1 - 2 0 0 2 的 8 3 4 3 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p c 级a t s e 上进行。 2 1 5 4 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c b 级a t s e 应能分断额定短路分断能力及以下的任 何电流。 2 1 5 5 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g b t1 4 0 4 8 1 1 - 2 0 0 2 的 8 3 4 4 条规定的试验条件下，被指定的短路保护电器保护的a t s e 在短路保护 电器动作时问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p c 级a t s e 上进行。 l o 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 2 2 转换开关电器的应用要求 2 2 1 供配电系统的要求 2 2 1 1 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 荷的供配电系统中常用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g b 5 0 0 5 4 9 5 第2 1 3 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2 1 6 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g b 5 0 0 5 5 9 3 第2 5 1 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 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 准中亦列入了隔离型【9 】。 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。 2 2 1 2 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 档，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。 2 2 1 3 自动转换开关电器前是否需设置短路保护电器 在配电系统中选择c b 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c b 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。 1 2 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 p c 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2 5 0 , 4 的p c 级自动转换开关电器，额定短时耐受电流有效值0 s ) 一般在5 k a 1 2 k a 左右；额定电流大于2 5 0 a 小于等于6 3 0 a 的p c 级自动转换开 关电器，额定短时耐受电流有效值( 1 s ) 一般在1 3 k a 2 5 k a 左右。 由于以下因素在配电箱、柜内p c 级自动转换开关电器前端须设置短路保护 电器： 1 ) 虽然p c 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p c 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 1 熔断器式开关； 3 ) 熔断器式隔离器； 4 ) 符合i e c 9 4 7 3 隔离标准要求的隔离型低压断路器。 低压配电设计规范g b 5 0 0 5 4 9 5 第4 1 2 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。 2 2 2 转换时间要求 不同的备用电源性质，以及不同的负载情况，对a t s e 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g b t1 4 0 4 8 11 - 2 0 0 2 ，a t s e 的动作时 间有下列几种表示方法： 1 ) 触头转换时间； 2 1 转换动作时间； 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 3 ) 总动作时间； 4 ) 断电时间； 5 ) 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1 2 0 m s ，转换时间小于1 0 0 m s 是不可靠的) ，机械式a t s e 的 转换动作时间在l o o m s 至几秒。 目前生产工艺条件下，a t s e 动作时间范围大致如下表2 1 ： 表2 1a t s e 动作时间范围 断路器投切型负荷开关双投型接触器双投型 控制保护器投切 型 ( c b 级)( p c 级)( p c 级) ( c b 级) 转换动作时间1 5 3 s0 4 5 山o 1 0 3 s0 0 5 s 切换延时0 1 8 吣 0 2 5 0 s 可调0 3 0 s 可调0 3 0 s 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a t s e 总动作时问。 供配电系统设计规范g b 5 0 0 5 2 9 5 第2 0 4 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j g j t 1 6 9 2 第3 1 9 2 ( 2 ) 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1 5 j 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： 1 ) 疏散照明1 如； 2 ) 备用照明1 5 s ( 金融商品交易场所1 5 s ) ； 3 ) 安全照明o 5 s 。 ( 2 ) 消防设备( 风机，水泵) 电源转换时i 、日j 、 3 0 s ； ( 3 ) 其他重要负荷的允许中断供电时间如表2 2 ： 1 4 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 表2 2 其他重要负荷的允许中断供电时间表 允许最大断电时推荐最小辅助供电时 用电设备应急系统备用系统 间间 电梯 1 5 s l m i n 1 h 到正常电源恢复 锅炉电源 o i s i h 到正常电源恢复 过程控制电源不停电l m i n到正常电源恢复 消防报警 l s 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m s 到几小时到正常电源恢复 ， 生命维持系统m s 到几小时到正常电源恢复 通讯系统 1 0 s 到正常电源恢复 对允许中断供电时间在1 5 s 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j g j t 1 6 9 2 第6 3 1 2 ( 2 ) ( 3 ) 条，应设 置不问断电源装置。 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，a t s e 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o 5 1 s 以上。变电室母联开关的动作时间大多为2 5 s ，a t s e 总动作时间宜在 3 s 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1 5 s 。a t s e 应选用“市电发电机转换”专用型。 a t s e 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a t s e 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问，即应选用延 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 时转换型a t s e ，延时时间视负载情况确定。 a t s e 具有自投自复功能时，当常用电源恢复正常供电后，a t s e 应经延时 后，切换回常用电源。 2 2 3 系统保护特性对转换开关的要求 a t s e 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a t s e 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a t s e 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a t s e 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a t s e 在短路 条件下的接通与分断能力。表2 3 给出了a t s e 验证短路操作能力的试验的试验 电流值。 表2 3 短路实验电流表 额定工作电流i 。( 有效值m试验电流( 有效值m i 。5 1 0 0 5 0 0 0 1 0 0 i 。5 5 0 0 1 0 0 0 0 5 0 0 0 1 0 0 02 0 1 。或5 0 k a ( 选较小值) 对于p c 级a t s e ，本身不具备过载和短路保护能力，所以p c 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p c 级a t s e 前加短路保护的电器设备( 断路器或熔断器) ，则p c 级a t s e 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c b 级a t s e 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c b 级a t s e ，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c b 级与p c 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a t s e 触头的熔接，对a t s e 和其它用电设备造成损坏。 1 6 第2 章双电源控制与保护装置的设计背景及要求 2 2 4 设备选型的技术要点 从本质上说，a t s e 是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a t s e 开关设备，除完成负载在两路电源问选择、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a t s e 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a t s e 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a t s e ，并以短路电流校验a t s e 的遮断电流，且以市电的可靠性决定 a t s e 转换的频繁性。下面就在工程设计中如何正确选择和使用a t s e 需要注意 的问题作以下分析及说明。 2 2 4 。