自动转换开关电器

    上文中涉及到的标准有：

    《低压开关设备和控制设备 第5-2部分：控制电路电器和开关元件 接近开关》（GB/T 14048.10-2008）于2009年8月1日实施，代替GB/T 14048.10-1999。

    《低压开关设备和控制设备 第6-1部分：多功能电器 转换开关电器》（GB/T 14048.11-2008）于2009年8月1日实施，代替GB/T 14048.11-2002。

    另有：

    《转换开关电器（TSE）选择和使用导则》（GB/T 31142-2014）《Directives for selection and application of transfer switching equipment》于2015年4月1日实施。

    电源切换系统类产品发展大体经历了三类：接触器类、塑壳断路器类/负荷隔离开关类、一体式自动转换开关电器类。

    6.1 接触器类

    此类电源切换系统以接触器为切换执行部件，切换功能用中间继电器或逻辑控制模块组成二次回路完成控制功能，一般为非标产品，缺点是主回路接触器工作需要二次回路长期通电，容易产生温升发热、触点粘结、线圈烧毁等故障。因为是非标产品，其组成元器件较多，产品质量受元器件、制造工艺制约，故障率较高，现已逐渐被新产品代替。

    6.2 塑壳断路器类

    此类电源切换系统以塑壳式断路器为切换执行部件，切换功能用ATS自动控制单元完成，有机械和电气连锁，功能完善，操作性能好，使用寿命高，组成元器件较少，安装方便。该类属CB级转换开关电器，由两个断路器作为电流分断单元，并配备电流脱扣器 ，具备一定的保护能力，断路器的接通/分断能力比继电器高很多。

    该类产品稳态时由机械结构进行保持，由于断路器同负荷隔离开关本身的区别，在过电流状况下的应用效果不如PC级产品。

    6.3 负荷隔离开关类

    负荷隔离开关型转换开关电器是在两个负荷隔离开关的基础上加装电动操作机构、机械连锁机构、自动控制单元等一体化组装而成。电流的分断单元为负荷隔离开关，其触头灭弧系统是以分断一次电弧要求设计的，不具备电路的保护功能，这一类产品属于PC级产品，它因采用了弹簧储能、瞬时释放的加速机构，能快速接通、分断电路或进行电路的转换，产品操作性能可靠。

    6.4 一体式自动转换开关电器类

    此类电源转换系统是集开关与逻辑控制于一体，无需外加控制器，真正实现机电一体化的自动转换开关。此类电源切换系统产品的触头系统采用“单刀双掷”设计，为统一设计制造，体积小，结构简单。该产品不具备电流保护功能，属于PC级转换开关电器产品。该类产品一般转换时间比较小，开关切换驱动采用电机驱动，切换平稳可靠，操作器电机驱动只在开关切换瞬间有电流通过，稳态时无需提供工作电流，节能显著。产品无温升发热、触点粘结、线圈烧毁现象。开关带有机电联锁装置，可实现自投自复、自投不自复、失压、欠压、断相保护、手动－自动转换、延时控制等，为电源切换类主流产品。

    一、基本介绍

    自动转换开关（ATSE）的国家产品标准是2002年10月发布，2003年4月开始实施的。但在此之前的几十年里，早就有了双电源供电系统的应用。遇到双电源转换的场合，大多使用双接触器和双断路器组合的形式来实现—而且这种使用方式至今也在使用。

    每一种定型的产品都有其自身的定义、功能、作用、执行标准和典型应用，（机械）接触器的定义为：仅有一个休止位置，能接通、承载和分断正常电路条件（包括过载运行条件）下的电流的一种非手动操作的机械开关电器；其作用是远距离频繁地接通和分断主电路和大容量控制电路；产品制造标准为GB14048.4-2003。（机械的）断路器的定义为：能接通、承载以及分断正常电路条件下的电流，也能在所规定的非正常电路（例如短路）下接通、常在一定时间合分断电流的一种机械开关电器；断路器的作用就是自动切断故障线路、保护负载设备及配电线路，也可以用于补频繁地接通和断开电路以及控制电动机的启/停；产品制造标准为GB14048.2-2001。

    接触器多用于控制回路，而断路器用于保护回路，但两个接触器或两个断路器组合，在经过合理的机械/电气联锁以后，就可以完成双电源转换功能。

    用双接触器来完成双电源转换的功能，使用历史已经有几十年了，其性能的好坏这里不做评价，但有一点值得注意：组合以后的接触器只完成电源转换的功能，不再具有线路控制的功能了。如果该回路中需要远距离启动电动机等设备，依然需要再增加控制作用的接触器！

    用双断路器来完成双电源转换功能也是应用了几十年了，与双接触器所不同的是，一开始人们就赋予这两个断路器双重任务--电源转换和线路保护。

    二、ATSE的功能

    1． 基本功能—双电源转换。

    GB/T14048.11-2008标准中，转换开关被定义为：将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器；自动转换开关电器（ATSE）为：由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器组成，用于监视电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。也就是在两路供电电源间，选择一路符合标准的向负载持续供电，这就是ATSE最基本的功能。

    2． 附加功能—保护功能。

    按照GB/T14048.11-2008标准，ATSE被分为PC级和CB级两类，PC级就是只完成ATSE的基本功能-双电源转换；而CB级ATSE除了转换功能以外，还被赋予过电流（短路）保护的功能，实际上CB级ATSE就是以往用双断路器组合完成电源转换功能的一种产品明确化、定型化。

    ATSE到底选用PC级还是CB级，一直是建筑电气业内这几年争论的焦点，这将决定供配电系统是否另设保护元件而增加成本。无论是CB级ATSE还是用两个断路器组合完成双电源转换功能，在制造和使用中必须确保一点：操作机构应具有可靠的电气与机械联锁以防止同时接通正常电源与备用电源。这里所要求的电气联锁比较容易理解，但如何确定可靠的机械联锁呢？

    断路器触头结构

    按结构形式分类，断路器有框架断路器、塑壳断路器之分。无论那种形式的断路器，开关触头的结构是相同的（图三）。包括动、静触头在内的带电体，都是被封在开关内部，也就是说无法看到断路器的触头。那么双断路器是如何做机械联锁的呢？

    塑壳断路器使用一种机械驱动/联锁机构，固定塑壳断路器的扳把，保证一个断路器扳把在上（该断路器的闭合位置）、同时另一断路器的扳把在下（该断路器的断开位置），从而达到机械联锁。但实际使用中我们发现断路器的扳把不是那么可靠，不能真实的反应开关触头的位置，如果扳把和开关触头间的联锁杠杆坏掉，就有可能扳把的移动没有带动开关动触头的移动，根本做不到两断路器可靠的机械联锁。

    市场上广泛使用的框架开关及其联锁机构—钢丝簧或者钢杆，可以完成保护和电源转换功能。同样，框架断路器的动、静触头被密闭在框架中，无论用钢丝簧还是钢杆都无法触及到—即便触及到也是相当危险的！所以这种外置的刚性联锁，实际联锁的是反映开关状态的位置节点。断路器有三个位置：“ON”、“OFF”、“TRIP”，每一个位置会有一个位置节点做出反馈来。这一位置反馈可以用电信号远传----常常被用作双断路器的电气联锁，也可以通过钢杆、钢丝簧等刚性元件做位移反馈----被用作双断路器的机械联锁。但反映开关状态的位置节点和开关动触头间还有一个联锁关系，并不是直接与动触头相连，如果这一联锁关系发生了故障，位置节点就不能真实反馈开关动触头的位置所在。因此，在这位置节点上做的机械联锁，不能很可靠的保证不同时接通两路供电电源！

    如果将经常使用的双断路器转换形式，准确的用图例表示为：

    那么很多设计和用户就会察觉这种方式不是那么可靠了。所以说，双断路器的保护和转换的双重作用，实际上是牺牲了转换的安全可靠性为代价的。

    使用双断路器做电源转换时，还应注意几个问题：

    1）断路器的有效隔离问题。

    断路器按是否适合隔离分为适合隔离型（ ）和不适合隔离型（ ）两类。因为断路器是保护性元件，触头结构为快分快合形式，而且动/静触头间隙较小。因此隔离功能就是一个弱项。我们常见的配电系统如下：

    所增加的隔离开关，就是不能确定断路器的隔离功能，害怕断路器显示位置为分离状态，而开关触头实际没有分离（或隔离），人员操作、维护负载是发生触电的意外事故，因此回路中加设了隔离作用的隔离开关，以确保线路的分离。另外一种解决办法就是用含有明确隔离功能的断路器。

    双电源转换时，一定不能将两路供电电源短接在一起，因此也要求做转换用的电器开关----无论是断路器、接触器、机械开关，都要有很明确的开关触头先分离（隔离）再投入的要求。同样，我们不能确定常规断路器的触头隔离功能，因此，选择双断路器组合的电源转换，或者使用CB级的ATSE开关，应该选择有隔离功能的断路器。

    2）断路器的维护问题。

    断路器与熔断器相比，的优点就是重复使用，当短路故障排除以后，断路器就可以复位继续使用。断路器主要有两个技术指标：额定电流和短路分断/接通电流。经历过短路电流冲击以后，虽然脱扣器快速动作，保护了线路和断路器开关，但开关触头还是通过了短路电流冲击，接触面会有灼蚀，降低了开关的性能。也就是断路器在经历短路冲击以后，额定电流不发生变化，可以继续使用，但短路分断能力会降低，失去了原有的设计性能。因此，断路器也是要检修和维护。

    如果断路器作为双电源转换使用，有了固定的联锁机构，固定式、插入式断路器是无法解裂这一联锁机构而维护单个断路器的。如果需要检修或更换起保护作用的断路器，就要将两路电源在ATSE的上游全部断开，造成双回路供电全面断电。对于抽屉式断路器来说，如果开关能方便的抽出更换，那么两台之间的联锁就更加不牢固了。

    3）断路器的保护类型。

    断路器有电机型、配电型等区分，同时有过电流、过负荷、接地故障保护等类型。供电系统中，会根据负载的实际要求，选择不同类型的保护断路器。但这些特殊位置的断路器，在完成双电源转换的功能时，会出现很多弊病。例如在消防泵前端的转换开关，如果使用CB级的产品，而且断路器有过负荷保护，火灾发生时，消防泵就不能过负荷运行，否则这两个断路器都将跳脱，从而限制了消防泵的使用。

    供配电系统中如何选择断路器及其整定值，本身就是一个复杂的工作；选择断路器的同时还要考虑双电源转换的问题—正常使用情况、短路情况、过负荷情况、失压/失频情况、两路供电电源并联情况、设备联动等众多问题，这让设计者和产品制造厂商很难抉择。因此建议ATSE还是不要有保护功能为好。

    因此，我们不建议使用CB级的ATSE或者双断路器来完成转换和保护。

    3． 附加功能—隔离功能。

    GB14048.3-2002/IEC60947-3:2001是低压开关设备和控制设备-开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器的国家产品标准。谈论供配电线路的电气隔离问题，要先理解这一产品标准。因为我们是使用隔离器或者隔离开关来完成线路电气隔离的。

    这一产品标准中，先了解相关的定义：

    （机械）开关：在正常电路条件（包括规定的过载工作条件），能够接通、承载和分断电流，并在规定的非正常电路条件下（例如短路），能在规定时间内承载电流的一种机械开关电器；

    隔离器：在断开状态下能符合规定的隔离功能要求的机械开关电器；

    隔离开关：在断开状态下能符合隔离器的隔离要求的开关。

    1）ATSE与（机械）开关的对比。

    从该标准中看出，开关定义名词中并没有我们日常所提到的“负荷开关”，而我们所理解的“负荷开关”实际上就是该标准中定义的（机械）开关。也许是（机械）开关容易让人联想到“刀开关”等低档产品，所以相关的生产或销售方才创造出了“负荷开关”这一名词。

    因为产品的用途不同，所遵照的制造标准也不一样，实在不好比较ATSE和（机械）开关。这里还是围绕ATSE的实际使用中应该注意的技术参数，从三个方面对比这两种开关：1是开关的操作性能；2是开关带载动作能力；3是开关抗短路能力。

    由表一可以看出，ATSE的产品标准和（机械）开关的产品标准所规定的使用类别是有差别的，不好等同。就我们设计中最常使用的负载类别来举例，以下内容选择ATSE的AC-33以及（机械）开关的AC-22使用类别来对比相关技术指标。

    表二、验证操作性能从表二中看出，ATSE侧重于开关通电情况下的动作能力，而（机械）开关侧重于不通电情况下的动作情况，也就是主要考察开关的机械结构而不是电气性能了。在中国市场上，广泛宣扬的“上万次的转换（动作）开关”，实际上就是（机械）开关的基本要求。

    表三、验证额定接通和分断能力

    在以往的文章中曾经阐述过ATSE的额定接通和分断能力的实际意义，简单的说就是检验ATSE带负载转换的能力。显然（机械）开关带负载动作的能力，远远低于ATSE的要求！

    PC级ATSE和（机械）开关、隔离开关都不是保护性元件，因此，供电回路中发生短路情况时，这两种开关都用“额定短时耐受电流（Icw）来衡量的。开关的短路性能。

    满足GB14048.3标准的开关，其短路耐受电流不得小于12倍的额定工作电流，通电持续时间应为1s，例如100A隔离开关，额定短时耐受能力≥1200A并耐受1秒钟；GB14048.11中，要求100A ATSE开关，额定短时耐受能力≥5000A并耐受0.03秒钟。

    因为产品作用的不同，在发生短路是要求各种开关的反应也不一样。GB14048.3要求短路情况下开关的接通、承载良好，而PC级则凸现短时间承受高短路电流冲击的作用。

    通过以上几点的对比，我们得出3个结论：

    1． GB14048.11与GB14048.3是不同种电器开关的产品标准，因电器开关的作用不同，产品标准的检验条件存在很大差异；

    2． 符合GB14048.3产品标准的电器开关，不一定能符合GB14048.11产品标准；如果要让（机械）开关作为ATSE开关来使用，应该按GB14048.11的相关内容从新检验；

    3． 符合GB14048.11标准的产品，应该注意依据负载使用类别和开关是否频繁使用来选择合适的ATSE。

    2）（机械）开关与隔离开关的对比。

    （机械）开关与隔离开关所遵从的产品标准都是GB14048.3，他们的差别就在于：隔离开关除了满足（机械）开关所要求的接通、承载、分断电流以外，还具有隔离功能。因此，隔离开关还要有电器间隙和爬电距离、断开位置的隔离距离、断开位置的显示与锁定等要求，在GB14048.3和GB14048.1中都做了明确规定，也有比较严格的检验条件。

    就像使用断路器来做ATSE一样，我们希望ATSE有转换功能，也有短路保护功能，因此也就有了最为广泛的ATSE PC级与CB级的争论。同理，我们也可以希望ATSE有转换功能，同时也有隔离功能。但从这一节的阐述中我们看出：这一愿望是好的，但因为产品的作用、制造标准、检验条件有很大的差距的客观条件约束下，这一愿望很难实现！如果说有一种具有隔离功能的ATSE，那么就如同一种具有保护功能的ATSE一样，总是要牺牲ATSE本身的一些必须的功能的—例如安全可靠性。

    因此，建议ATSE不用具备隔离功能。

    三、设计中常见的ATSE应用

    如果说在设计和使用中，我们只赋予ATSE具有自动转换功能，而不用兼备保护和隔离功能，那么所有的设计就变得单纯了，所有的使用也变得简单了。

    下图是目前国内经常使用的双电源末端互投配电箱示意图：

    ATSE就担负自动转换任务，也就是选用PC级ATSE。断路器、隔离开关等电器元件桉常规进行配备和整定参数。这种应急配电箱系统有三个好处：一，断开ATSE下端的输出断路器，对末端使用的各项负载及其回路逐个进行检修；二，断开ATSE前端的断路器或隔离开关，对ATSE、应急母线、分配输出断路器本身进行检修；三，ATSE安全开机调试的保证。ATS虽说是一种开关，但ATSE则可以看作一个转换系统了，这就是为什么组成转换功能的断路器、隔离开关单价便宜，而组合在一起ATSE价格要贵出许多了。既然是系统，就要有严格的开机、调试、参数设定了。我们无法确定成套厂组装配电箱时将ATSE 的动触头放在什么位置，ATSE的控制器是否完好，开关于控制器间的连线是否牢固，手动转换机构是否灵活……因此在ATSE通电前一定要做开机检验和调试。如果ATSE前端不设线路分断/隔离的开关装置，这一项工作很难实现。

    四、结束语

    ATSE的产品标准已经颁布了近6年，但在设计使用中还是遇到很多问题，也造成了一些事故和损失。国家产品标准的不完善是其中一个原因。例如没有规定ATSE的图例，使得设计图纸中出现众多表示方式，也造成建设者、使用者的众多理解。也容易造成ATSE的作用、职能混乱。

    再就是人们的认识不够。很多人知道ATSE国家标准的编号，但主要内容和选择ATSE的主要技术指标也不清楚，因此就套用断路器、隔离开关的技术参数来要求，越发使得人们混淆断路器、隔离开关、ATSE了。还有ATSE的生产厂家，应该给设计者、使用者提供详细而真实的技术参数，同时对设计、使用者做出正确的引导，毕竟ATSE在中国还是一个发展阶段。

    5.1 选型时需特别注意的指标有：CB 级ATSE 的额定短路接通与分断能力。

    5.2 原则上ATS 自动转换开关电器不作为短路保护电器使用,只作为电源自动转换开关使用。

    5.3 ATSE 的额定电流应大于或等于其上级空气断路器的整定电流。

    5.4 根据每路电源的性质及不同用途确定投切方式：自投自复、自投不自复。

    5.5 根据每路电源的性质指定优先电源、不指定优先电源;并确定相关功能如过欠电压检测、频率检测、缺相检测、通讯接口、电气机械互锁、连续可调的延时转换等，可实现自动、远程、紧急手动控制等。

    4.1 周围空气温度：+ 40℃ ~ -5℃（UL在其它标准内有规定）。

    4.2 海拔院不超过2,000m。

    4.3大气条件：

    ①湿度。温度为+40℃时，空气的相对湿度不超过50%，在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度，例如20℃时达90%（日常环境）。

    ②污染等级：污染等级2 （家用及类似用）；

    污染等级3 （工业级）。

    工业用电器一般适用于污染等级3的环境。

    4.4 过电压类别（安装类别）：IV——电源水平（进线端），III——配电水平，II——负载水平（控制电器）。

    4.5 电磁环境：环境A （非公共电网，有较高骚扰源），环境B（公共电网，无较高骚扰源）。

    3.1 交流：

    AC-31A/B 电阻负载；

    AC-33A/B 电动机负载或含电动机、电阻负载和30%白炽灯负载的混合负载；

    AC-35A/B 放电灯负载；

    AC-36A/B 白炽灯负载。

    3.2 直流：

    DC-31A/B 电阻负载；

    DC-33A/B 电动机负载或含电动机的混合负载；

    DC-36A/B 白炽灯负载。

    注：A为频繁操作，B为不频繁操作。

    ATSE 可分为两个级别：PC 级和CB 级。

    PC级ATSE ：只完成双电源自动转换的功能，不具备短路电流分断（仅能接通、承载）的功能；

    CB级ATSE ：既完成双电源自动转换的功能，又具有短路电流保护（能接通并分断）的功能。

    1.1 转换开关电器（转换开关TSE）Transfer Switching Equipment (Transfer Switch)

    将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器。

    1.2 自动转换开关电器（ATSE） Automatic Transfer Switching Equipment (ATSE)

    由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。电气行业中简称为“双电源自动转换开关”或“双电源开关”。