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新型集成化ATSE的研究與應用
發布時間：2015-05-18 被瀏覽：14597 次工業與民用建筑中的重要負荷對供電電源的連續性要求, 促進了主要用于供電末端的低壓雙電源自動轉換開關電器及其成套設備(簡稱雙電源轉換開關或ATSE) 的發展。近年來, ATSE 在新技術應用、新產品開發研制、標準制訂、宣傳與推廣應用等方面都得到了很大的發展。以下對ATSE 主要的技術發展進行分析綜述后, 介紹典型集成化KB0S 型ATSE 產品的研制與應用, 并探討ATSE面臨的問題和發展趨勢。
ATSE的發展概況
發展歷史
雙電源自動轉換開關的歷史悠久, 在將電作為主要能源后, 由于對重要負載的供電存在不同電源間的轉換問題, ATSE 必然會得到應用。但由于ATSE 需求量有限, 以往并未把ATSE 作為一種獨立的或者說是某一種特定的大類產品來看待。以往的ATSE 一般都是由設計院設計、電氣成套企業或用戶直接用接觸器、繼電器、刀開關或由斷路器、機械聯鎖、控制器構成雙電源轉換系統 。
伴隨各種用戶或用電系統對提高自動化程度的需求和新技術的應用, 雙電源自動轉換開關逐漸得到發展和應用。特別是20 世紀80 年代以后, 國外公司推出的不同型式的ATSE 紛紛進入市場。我國在20 世紀90 年代中期, 針對國內市場需求, 眾多研究開發單位和生產制造企業開始專門研究開發和生產營銷ATSE , 使ATSE 得到快速發展, 經歷了以低壓電器分立元件構成ATSE , 以模擬電路應用為主的機電一體化產品, 以高性能的新型電器元件為基礎并采用以CPU 為核心的智能型專用控制器的發展歷程。
目前的ATSE 已作為大類產品獨立存在和發展, 并已有自身標準, 即國際標準IEC60947 —6 —1 : 1998 和國家標準GB/ T4048.11 —2002[2 ] 。ATSE 正是這兩項標準給出的名稱, 也就是自動轉換開關電器(設備) Automatic Transfer Switching Equipment 的英文縮寫。可以明確看出, ATSE 不同于電子技術中常用的ATS (自動轉換電源) 和UPS (不間斷電源) 。該產品標準是生產制造、設計使用、商業投保等單位應共同遵循的技術性法規文件, 其頒布與實施, 改變了ATSE 產品標準不一、產品質量良莠不齊、給設計院選用和用戶使用帶來極大不便的局面, 大大促進了ATSE 的發展。
ATSE的主要構成及其特點
從ATSE 的結構構成來看, 產品形式如下:
1. 以傳統的刀開關為基礎提高性能指標并增加雙投功能, 構成基于刀開關的ATSE。目前有三種投切方式: 第一種是最簡單的兩個位置的雙擲開關, 第二種是帶有延時的轉換方案, 第三種是閉路轉換。按主電路的極數分, 為6 極或8 極, 開關自帶機械聯鎖。通過加裝電動控制裝置, 實現自動切換功能, 并且轉換速度較快。由于這種開關的通斷能力所限, 本身不具備短路保護性能, 為此在其應用的系統中, 必須另加短路保護電器, 如斷路器、熔斷器或其組合電器。
2. 用兩臺接觸器拼裝或直接在可逆接觸器的基礎上增加控制電路附件, 構成基于接觸器的ATSE。這種ATSE 的轉換速度快, 同樣由于接觸器的通斷能力所限, 在其應用的系統中, 必須另加短路保護器件。
3 . 由兩臺斷路器組成的基于斷路器的ATSE。除兩臺斷路器外, 一般還有一臺或兩臺電動機及操作機械和控制器組成, 兩臺斷路器之間裝有機械聯鎖和電氣聯鎖雙重保護。這種ATSE 的功能因選配的控制器不同而有很大差異。借助高性能的控制器, ATSE 除了能夠對電源的欠壓、失壓、過壓、斷相、頻率等進行檢測并提供轉換功能外,還可提供負載端的短路、過載等保護功能。但這一類產品的體積大、動作速度慢。
根據ATSE 的IEC 標準和GB 標準, ATSE 可分為PC 級或CB 級兩個級別。即:
1. PC 級 能夠接通、承載, 但不用于分斷短路電流的ATSE。如上述的形式(1) 、(2) 。
2. 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。如上述的形式(3) 。
ATSE 存在的主要問題如下:
1.PC 級的ATSE 或基于接觸器的ATSE 需要另加短路保護電器, 增大了安裝面積, 使設計院在工程設計時選用的產品品種規格增加, 用戶需增加備品備件, 維護工作量增大。
2).基于斷路器的CB 級的ATSE 由于操作機構的固有動作時間長, 導致轉換時間長, 一般需數秒至十余秒, 不能滿足快速轉換的要求。加之安置面積較大, 性價比不高。
應用方式
根據電源系統的不同, 以及控制負載對電源切換方式和電源恢復后的復位方式的不同要求, ATSE 在應用中又可分為如下幾種:
1.自投自復(R)：對兩路電源(分別稱為常用電源和備用電源) 進行自動切換。正常狀態時由常用電源供電, 當常用電源出現異常時, 經已設定的延時后自動切換至備用電源; 當常用電源恢復正常后, 經已設定的延時后自動返回至常用電源。
2.自投手復(S)：對兩路電源進行自動切換, 在常用電源出現異常時, 經已設定的延時后自動切換至備用電源, 但當常用電源恢復正常后, 不能自動回復, 而是當備用電源再現異常才進行切換。
3.電網- 發電( F)：對電網和發電兩路電源進行自動切換, 發電設備通常為柴油發電機組。在電網電壓低于設定值時(一般為85 %額定電壓) , 經發電延時指令發出發電指令(以一組常開常閉觸點控制) 。當發電電壓達到85 %額定電壓時, 先從電網斷開負載電路, 經延時發出卸載指令, 卸去次要負載(以另一組常開常閉觸點控制) ,再經延時接通發電電源。當電網電壓恢復正常(達到85 %額定電壓以上) 后, 經延時將負載電路從發電電源斷開, 再經延時, 自動切換到電網供電。
新型集成化KB0S 型ATSE的研制
研制背景
新型集成化ATSE 產品開發來源于新技術發展與市場的需求。從標準來看, IEC60947 —6 標準由兩部分構成, 分別適用于兩大類電器產品, 即IEC60947 —6 —1 的自動轉換開關電器(ATSE) 和IEC60947 —6 —2 的控制與保護開關電器(CPS :Cont rol and Protective Switching Device) 。我國對應IEC947 —6 —2 的國家標準為GB14048.9 —1998 。
也就是說, ATSE 和CPS 都屬于多功能電器, 分別具有特定的控制和保護功能。后者的典型產品如國內開發成功的KB0 系列CPS , 可以將斷路器、接觸器、熱繼電器以及隔離器的主要功能融為一體, 以一種模塊化的單一結構形式的多功能集成電器為低壓配電與控制系統提供新型的理想的基礎元件。應用這種新型電器, 可減少線路中所需的元件品種、規格、數量, 從根本上解決各電器之間的協調配合問題, 克服由于采用不同考核標準的電器產品之間組合在一起使用時, 保護特性、控制特性配合不協調的現象。KB0 系列產品的技術發展和應用表明, 已經具有了ATSE 的控制與保護功能特征, 如果添加適當的對電源參數的檢測功能, 則完全可以構成新型的集成化的KB0S 型ATSE。
系統特性的協調配合與運行可靠性
從系統的構成來看, 系統中串聯的器件越少則系統的可靠性就越高。眾所周知, 當電路中出現大的故障電流時, 往往導致用戶端的電壓下降。對于靠電磁力保持的電器, 電壓的下降將影響其保持在閉合狀態的能力, 除非其電源不是取自產品本身的主觸頭上。譬如靠電磁力保持的接觸器就很可能會在此期間打開, 導致觸頭的破壞或者至少是觸頭的熔焊。接觸器產品標準規定, 進行與短路電流相關的試驗時允許操作線圈有其他單獨的外部電源供電, 而ATSE 的標準則規定控制線圈必須由相同的負載電源供電, 采用這種更加嚴酷的方法進行試驗的實際意義就在于驗證系統的協調配合特性, 確保最終用戶使用中能夠避免性能下降特別是運行可靠性方面的降低。
根據設計經驗, 對有保持閉合要求的開關電器, 機械保持力的典型設計值為20 倍的連續電流或更高值。如果系統的ATSE 為前述的形式(1)或(2) , 伴隨大電流的出現, 很有可能導致轉換開關的觸頭斷開, 毀壞系統的協調配合特性。
實際應用中, ATSE 為形式(1) 或(2) 的系統中由于必須另加短路保護電器, 構成兩組串聯的觸頭系統, 分屬不同的電器。而KB0S 將上述兩組串聯的觸頭系統合二為一, 靠一組高性能的觸頭滅弧系統同時具有了斷路器的高短路分斷能力和控制轉換電器的長壽命指標, 不存在一組觸頭進行短路電流分斷的同時, 另一組觸頭保持閉合狀態的要求, 也就從根本上避免了不同產品帶來的特性配合問題。顯而易見, 這種單一的集成化的ATSE , 能夠提高系統的運行可靠性。
新型ATSE研制及其主要模塊介紹
為提高產品的可靠性并縮小體積, 新研制的KB0S 型ATSE 的所有零部件集成在一個塑料絕緣外殼中, 以兩臺KB0 主體合二為一的形式出現。總體結構主要包括: 兩組進線接線端, 一組出線接線端, 承擔主電路的接通與分斷并提供短路保護功能的主電路接觸組, 用于轉換與自動控制的電磁傳動機構, 電源監控模塊, 控制電路和報警電路的輔助電路接觸組, 面板操作機構等。
在產品內部的兩組相對獨立的電磁傳動機構中安置雞斗米結構形式的機械聯鎖裝置。電磁傳動機構主要由線圈、鐵心、控制觸點及基座等組成, 能接受通斷操作指令, 控制主電路接觸組中的主觸頭接通或分斷主電路。
電壓繼電器的設計為模塊化、電子式方案, 包括一常開一常閉無源觸點, 并具有單相、兩相、三相不同的采電檢測方式, 分別適用于220V、380V和三相電源場合的雙電源失電、欠壓切換。由于采用電子器件, 對其進行了相關的電磁兼容( EMC)合格驗證。
一個單獨的操作機構包括旋鈕和一套傳動機構, 能接受每極主電路接觸組的短路信號和來自其他脫扣器的故障信號, 通過串聯在線圈回路的控制觸點實現對電磁傳動機構的斷開與閉合。
根據電源切換方式和復位方式的不同要求, 對ATSE 自帶的輔助觸頭接觸組進行接線, 構成所需的控制電路, 就可分別實現前述的三種轉換方式。
KB0S 主要參數
(1) 兩個外形尺寸的框架等級: 45A 框架代號為C、100A 框架代號為D。
(2) 主電路極數: 3 極、4 極。
(3 ) 短路電流整定值: 16A、32A、45A、63A、100A。
(4) 短路分斷能力等級: 經濟(C) 型35kA ,標準( Y) 型50kA , 高分斷(H) 型80kA。
(5) 過載保護整定電流范圍: 最小整定電流0.16A , 最大整定電流100A。
(6) 電壓故障檢測: 單相、兩相、三相欠壓或掉電。
KB0S 的應用
KB0S 主要應用在不允許中斷電源的一類或部分二類重要供電場所, 特別是要求轉換速度快、安裝結構緊湊的場合, 如醫院、銀行、化工、高層樓宇、郵電通信、軍事設施等。
KB0S 面臨的問題和發展趨勢
KB0S 在主電路的控制保護方面有很大的發展, 但在控制器方面還不夠完善, 需進一步開展以應用電子、CPU 為核心技術的智能化的各種功能檢測、選擇性控制、友好的人機界面、網絡化與遙控、遙信等方面的研究開發工作。同時, 還要盡快開發更大電流規格特別是200～630A 的產品, 以滿足市場需求。
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