鐵路低壓配電設(shè)計(jì)中ATSE的應(yīng)用

殷 茵

0 引言

自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器（Automatic Transfer Switching Equipment，簡稱ATSE）是“由一個(gè)（或幾個(gè)）轉(zhuǎn)換開關(guān)電器和其它必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路、并將一個(gè)或幾個(gè)負(fù)載電路從一個(gè)電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換至另一個(gè)電源的電器”。ATSE用于 2路電源之間帶負(fù)荷轉(zhuǎn)換，當(dāng)接通負(fù)載的常用電源偏差超過負(fù)載允許的范圍，同時(shí)備用電源正常時(shí)，則ATSE能夠在短時(shí)間內(nèi)自動(dòng)將負(fù)載從常用電源轉(zhuǎn)換至備用電源，當(dāng)常用電源恢復(fù)正常時(shí)，則自動(dòng)返回至常用電源供電。

可見，ATSE用于一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷的電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于建筑物電氣裝置設(shè)計(jì)中，隨著該技術(shù)的逐漸成熟和鐵路建設(shè)投資的增加，也逐步成為了鐵路設(shè)計(jì)中通信、消防等重要負(fù)荷的雙電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)主流。下文根據(jù)筆者幾年來在包惠線、藍(lán)煙線、玉鐵線等數(shù)條長大干線設(shè)計(jì)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，就雙電源切換裝置設(shè)計(jì)的若干問題進(jìn)行探討。

1 鐵路雙電源負(fù)荷概況

GB 50052-2009《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》3.0.2條規(guī)定“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙重電源供電，當(dāng)一電源發(fā)生故障時(shí)，另一電源不應(yīng)同時(shí)受到損壞”。3.0.7條規(guī)定“二級(jí)負(fù)荷的供電系統(tǒng)，宜由兩回線路供電”。GB50016-2006《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》11.1.5條規(guī)定“消防控制室、消防水泵房、防煙與排煙風(fēng)機(jī)房的消防用電設(shè)備及消防電梯等的供電，應(yīng)在其配電線路的最末一級(jí)配電箱處設(shè)置自動(dòng)切換裝置”。TB 10008-2006《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》中明確規(guī)定通信站設(shè)備、自動(dòng)閉塞區(qū)段及客運(yùn)專線的通信設(shè)備均屬于一級(jí)負(fù)荷，非自動(dòng)閉塞區(qū)段的通信設(shè)備以及通信、信號(hào)設(shè)備配置的空調(diào)屬于二級(jí)負(fù)荷。TB 10008-2006《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》4.1.3條規(guī)定“一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由兩路相對獨(dú)立電源分別供電至用電設(shè)備或低壓雙電源切換裝置處，并宜采用雙電源自動(dòng)切換方式”。4.1.4規(guī)定“二級(jí)負(fù)荷的消防設(shè)備、為通信信號(hào)主要設(shè)備配置的專用空調(diào)、非自動(dòng)閉塞區(qū)段的中小站信號(hào)設(shè)備和通信設(shè)備、道口信號(hào)設(shè)備等宜由兩回線路供電至用電設(shè)備或低壓雙電源切換裝置處”。

通信、信號(hào)設(shè)備與鐵路行車和安全密切相關(guān)，該類設(shè)備中斷供電在政治、經(jīng)濟(jì)上將會(huì)造成重大損失和影響，因此，該類負(fù)荷被定義為一級(jí)負(fù)荷，部分為二級(jí)負(fù)荷。由上述規(guī)范可見，一級(jí)負(fù)荷應(yīng)由雙電源供電，二級(jí)負(fù)荷宜由雙電源供電，而ATSE是實(shí)現(xiàn)雙電源切換的重要設(shè)備。因此ATSE在鐵路建設(shè)中主要應(yīng)用于信號(hào)機(jī)械室、通信機(jī)械室、通信中繼站等重要場所，ATSE的選型應(yīng)用是否合理和正確將直接關(guān)系到該類設(shè)備的安全運(yùn)行。

2 ATSE的分類及區(qū)別

2.1 ATSE的分類

按照ATSE的特性，ATSE可以分為PC級(jí)和CB級(jí)。

PC級(jí)：能夠接通、承載，但不用于分?jǐn)喽搪冯娏鞯?ATSE。PC級(jí)只能通斷用電設(shè)備的負(fù)荷電流，并耐受產(chǎn)品規(guī)定的短路電流，不能分?jǐn)喽搪冯娏鳌Ｄ壳暗腜C級(jí)ATSE分2種，一種是由隔離開關(guān)或負(fù)荷開關(guān)再加傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制器組合而成；另一種是完全重新設(shè)計(jì)的一體式PC級(jí)ATSE，該種產(chǎn)品研發(fā)周期長，成本高，但是性能優(yōu)秀，可靠性高，一級(jí)負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷宜采用該類ATSE。

CB級(jí)：配備過電流脫扣器的 ATSE，它的主觸頭能夠接通并用于分?jǐn)喽搪冯娏鳌０凑諛?biāo)準(zhǔn)定義，只要主觸頭具有分?jǐn)喽搪冯娏髂芰Φ腁TSE，就是CB級(jí)ATSE。目前市場上CB級(jí)ATSE都是采用斷路器作為開關(guān)本體。

2.2 ATSE的區(qū)別

（1）開關(guān)本體不同。CB級(jí)ATSE采用的斷路器多選擇銀鎢、銀碳化鎢材料，利于分?jǐn)嚯娀。擃愑|頭材料易氧化，備用觸頭長期暴露在外，在其表面易形成阻礙導(dǎo)電、難驅(qū)除的氧化物，當(dāng)備用觸頭一旦投入使用，觸頭溫度增高，易造成開關(guān)燒毀甚至爆炸；而PC級(jí)ATSE充分考慮了觸頭材料氧化帶來的后果。

（2）驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)不同。CB級(jí)ATSE采用電機(jī)機(jī)構(gòu)來帶動(dòng)斷路器手柄動(dòng)作，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。PC級(jí)ATSE采用勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡單。結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，出現(xiàn)故障的幾率就越高，所以PC級(jí)ATSE可靠性更高。

（3）功能不同。斷路器不承載短路耐受電流，觸頭壓力小；PC級(jí)ATSE應(yīng)承受20Ie及以上過載電流。觸頭壓力大不易被斥開，因而觸頭不易被熔焊。該特性對消防供電系統(tǒng)尤為重要。

PC級(jí)ATSE充分考慮了2路電源在轉(zhuǎn)換過程中存在電源疊加問題因素。PC級(jí)ATSE的電氣間隙、爬電距離一般是斷路器的電氣間隙、爬電距離的180%、150%標(biāo)準(zhǔn)要求，安全性更好。

3 設(shè)計(jì)中遇到的問題及解決方案

從PC級(jí)與CB級(jí)2類ATSE的分析不難得出結(jié)論：PC級(jí)ATSE的可靠性更高。既然如此，何不直接選用PC級(jí)的ATSE呢？主要是因?yàn)殍F路上的通信設(shè)備和消防設(shè)備大多為單相負(fù)荷，而PC級(jí)的ATSE目前市場上成熟的產(chǎn)品均為3級(jí)和4級(jí)的型號(hào)，如果強(qiáng)制選用PC級(jí)ATSE，就要更換自閉貫通變壓器下的供電開關(guān)及電力電纜，將單相改為三相。由此將會(huì)引起2個(gè)問題，一是在施工時(shí)要明確三相引入后選用其中具體哪相供電，以免引起變壓器三相不平衡；二是會(huì)引起投資劇增，三相電力電纜的投資遠(yuǎn)大于單相電力電纜的投資，不滿足經(jīng)濟(jì)性要求。

而目前通信設(shè)備負(fù)荷多為48 V直流設(shè)備，消防設(shè)備負(fù)荷多為24 V直流設(shè)備，雙電源切換后電源變?yōu)橹绷鞴┙o用電設(shè)備。因此設(shè)備本身有處于浮充狀態(tài)的電池，故對ATSE切換時(shí)間無要求。此外，盡管《IEC62091固定式消防泵控制器》中規(guī)定消防泵用ATSE只能夠采用PC級(jí)，但是目前就筆者所接觸的設(shè)計(jì)鐵路的消防設(shè)備幾乎不涉及消防水泵，故與該標(biāo)準(zhǔn)并無沖突。

通過上述分析，提出了以下解決方案。

單相設(shè)備（中間站通信設(shè)備、消防）選用CB級(jí)2級(jí)的ATSE，并在前端設(shè)置隔離開關(guān)，有利于日后的安全使用、維護(hù)及檢修。圖1為單相設(shè)備的雙電源切換箱系統(tǒng)圖。

三相設(shè)備（通信站設(shè)備）選用 PC級(jí) 3級(jí)的ATSE。由于原則上PC級(jí)的ATSE自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)電器不作為短路保護(hù)電器，只作為電源自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)使用，因此前端應(yīng)設(shè)置空氣斷路器保護(hù)。圖2為三相設(shè)備的雙電源切換箱系統(tǒng)圖。

關(guān)于是否斷中性線，筆者也參閱了大量的文獻(xiàn)，目前，業(yè)內(nèi)普遍接受的結(jié)論是任何接地系統(tǒng)單相電源進(jìn)線總開關(guān)應(yīng)同時(shí)斷相線和中性線，TN系統(tǒng)內(nèi)三相電源進(jìn)線總開關(guān)只斷相線，不斷中性線。首先，在三相系統(tǒng)中斷開有關(guān)相線后，中性線電流自然消失，中性線過流問題不存在；其次，三相系統(tǒng)中性線觸頭導(dǎo)電不良難以發(fā)現(xiàn)，往往成為“斷零”，導(dǎo)致單相用電設(shè)備燒毀，而單相系統(tǒng)中的“斷零”不會(huì)產(chǎn)生該危險(xiǎn)；此外，國內(nèi)有關(guān)的防電擊標(biāo)準(zhǔn)中，建筑物內(nèi)的等電位聯(lián)結(jié)都是必不可少的基本防電擊措施，所有外露導(dǎo)電部分和裝置外導(dǎo)電部分都處于同一電位，不存在電位差，檢修人員接觸中性線時(shí)不會(huì)遭受電擊，TN-S（包括TN-C-S）系統(tǒng)建筑物內(nèi)的中性線無需隔離；目前鐵路建筑物設(shè)計(jì)中均采用 TN-S（TN-C-S）系統(tǒng)，綜上所述，CB級(jí)ATSE選用2級(jí)型號(hào)，PC級(jí)ATSE選用3級(jí)型號(hào)。

圖1 單相設(shè)備的雙電源切換箱系統(tǒng)圖

圖2 三相設(shè)備的雙電源切換箱系統(tǒng)圖

4 結(jié)語

ATSE在一級(jí)、二級(jí)負(fù)荷的供電中起著重要的作用，是盡快恢復(fù)供電不可或缺的重要設(shè)備。筆者從2種ATSE的區(qū)別出發(fā)，針對鐵路運(yùn)營設(shè)備的特殊性，結(jié)合多年的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對ATSE的選擇進(jìn)行了探討。上述是在從業(yè)過程中遇到的相關(guān)問題的思考，只是筆者從設(shè)計(jì)的角度提出的看法，觀點(diǎn)難免偏頗，僅供同行參考，不妥之處，共同探討。

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