轉換開關電器在特殊場所的應用

曾 舟(泰永科技股份有限公司， 廣東 深圳 518057)

1 引言

在比較重要的場所，為了保證負載的正常供電，一般由兩路電源供電，對兩路電源的選擇，運用最多的是自動轉換開關電器(ATSE)，該開關電器由控制器部分與本體開關兩部分組成。用于市電與市電或市電與發電機兩路電源之間的轉換。主要功能是：當兩組電源設定為一主一備時，將優先使用主電源，當主電源出現故障時，例如：電源的停電、欠壓、過壓、缺相(部分產品具有對頻率的檢測，超過設定值時同樣具有轉換功能)，控制器部分能夠進行快速故障判斷，確認出現故障時對本體開關部分發出控制信號，將電源轉換至備用電源，保證給負載持續供電。當主電源正常時，控制器部分對本體開關部分發出控制信號，將電源轉換至主電源，由主電源給負載供電。當兩組電源設定為互為備用時，控制器部分將選擇任意一路電源給負載供電，只有在該電源出現故障時，控制器部分將對本體開關部分發出控制信號，將電源轉換至另一路電源。控制器部分在各個轉換過程具有延時可調、指示、報警、通信等輔助功能。產品符合國際標準IEC60947-6-1和國家標準《低壓開關設備和控制設備 第6-1部分：多功能電器 轉換開關電器》(GB/T14048.11)。一般應用于兩路電源為相同電壓、相同頻率的交流電源之間的轉換。本文所述的特殊場所的應用主要是指非相同電壓、相同頻率、相同相數的電源之間的轉換。

2 碼頭輪胎吊機上ATSE的運用

碼頭輪胎吊機原設計為自帶三相柴油同步發電機，提供輪胎吊機的所有電能，額定功率為350kW，采用三相三線制，額定線電壓為440V±5%，電流約為550A。采用此種方式，存在以下明顯缺點：1)柴油內燃發電機噪聲相當大，實際現場往往是多臺吊機同時工作，更加明顯。2)柴油內燃機尾氣污染大，造成嚴重的空氣污染。3)柴油發電成本高，發電機接近滿負荷工作時發出1kWh電，消耗柴油約為0.35～0.45L，折合約2.8～3.5RMB，柴油發電機輕載或空載時單位油耗更大，成本更高。另外，柴油發電機還有不少的維修、維護費用。如果使用地面電網電源，成本將極大的降低。

圖1 碼頭輪胎吊機電路系統圖

為解決以上問題，同時防止出現電源缺相情況發生，降低電源傳送的難度，考慮從地面配電房送直流電源給各臺輪胎吊機供電，除了可以滿足要求外，更具有以下優點：1)多臺輪胎吊機組網由地面直流電源供電，吊裝物品在下降時吊機的主電機工作在發電機狀態，可以為直流電網反饋電能，節能效果相當明顯。2)由于是多臺輪胎吊機組網，大大提高直流電網(局部網)的抗沖擊能力。因此，選擇直流電源為優先使用電源。直流電源由地面專用的三相變壓器輸出，經過全波整流后取得。三相變壓器的線電壓為440V±10%,整流后電壓為600V±10%，單臺輪胎吊機的額定電流約為580A。

ATSE本體開關的選擇。A電源(主電源)側：額定電壓600V±10%(DC)，額定電流630A。B電源(備用電源)側：額定電壓：440V±5%(AC)，額定電流630A。具體電路系統如圖1所示。

ATSE的特殊要求：

1)本體開關部分：(1)本體開關應具有獨立的交流電源輸入/輸出接口與直流電源輸入/輸出接口，交直流電源之間完全隔離。(2)直流電源供電時，直流電壓達到660V,在大電流、高電壓情況下，直流電源通斷時滅弧相當困難，應采用多極串聯的方式，為提高滅弧效果，在設計上可以考慮運用磁吹滅弧，另外對開關轉換的同步性要求極高，應對結構設計及工藝嚴格保證。

2)控制器部分：(1)為保證工作可靠，應加強控制器EMC抗干擾設計；電源端增加防浪涌器件(如壓敏電阻或放電管)，使其最低能耐受6kV的沖擊電壓；為抵抗諧波或感性負載運行時的干擾串擾到電源線上，在控制器電源輸入端加裝吸收EFT(脈沖群抗擾度)干擾的裝置(如EFT抑制器或安規電容和電感)。電源諧波還會疊加到控制器電壓采樣電路，為保證電源電壓采樣的準確性，避免誤動作，在控制器采樣電路要增加低通濾波處理，軟件設計時也要進行采樣數據的平滑處理。(2)采用數碼管顯示，顯示直觀、設置方便，抗干擾能力強。(3)具有與上位機通信的功能，方便集中控制。(4)主電源應改為直流采樣，備用電源應改為交流線電壓采樣。(5)控制器部分電源除了采用400V交流、600V直流供電外，還增加了第三路的24V直流蓄電池供電，當兩路電源均出現故障時，仍然可以保證控制器正常工作：正常指示、報警、通信。(6)本體開關部分的輔助開關與控制器的反饋線接口連接，實現閉環實時控制，本體開關轉換更加可靠。

3 在三相電源變成單相電源時轉換開關的運用

一般情況下，一個電網中用戶的三相負載占大多數，但也有單相負載，單相負載中主要是單相照明負載，各單相負載比較均勻地分配在三相電源的各相中，當用電緊張需要錯峰用電時，必須強制停止三相負載，但是又應該保證用戶單相負載，特別是單相照明負載的正常供電。這種情況下，運用轉換開關(TSE)的轉換功能，起到三相電源變成單相電源的作用，是極好的選擇。

圖2 三相變單相運用原理圖

用電緊張需要錯峰用電，轉換開關需要轉換時，由供電局監控中心遠程發出指令，傳輸至各臺轉換開關的控制器，因此控制器需要具有通訊功能，且能夠與監控中心進行實時通訊，彼此之間通訊協議需要完全匹配。這種情況下，該雙電源自動轉換開關的功能、用途已經發生了改變，不再是傳統的“當一路電源出現故障(例如：停電、欠壓、過壓、缺相、過頻率、欠頻率)后，快速自動轉換到另外一路電源(假設此電源是正常的)”。該轉換開關完全是由供電局遠程控制，按實際要求操作轉換，也就是說是人為的遠程操作、控制轉換，與電源是否有故障沒有任何關系。因此，控制器對電源的檢測只用于顯示，不進行判斷，也不根據電源是否出現故障情況對本體開關進行轉換控制。

不同區域負載使用不同的轉換開關進行控制，不同的轉換開關單相進線選擇接入不同的相線，即L1、L2、L3的其中一相，從而達到電網各相負載的平衡。三相變成單相運用原理圖(以三臺TSE分別控制三個不同區域為例)見圖2。

對TSE的特殊要求：

1)本體開關部分：使用通用的3極本體開關，無特殊要求。

2)控制器部分：(1)為保證工作可靠，應加強控制器EMC抗干擾設計；電源端增加防浪涌器件(如壓敏電阻或放電管)，使其最低能耐受6kV的沖擊電壓；為抵抗諧波或感性負載運行時的干擾串擾到電源線上，在控制器電源輸入端加裝吸收EFT(脈沖群抗擾度)干擾的裝置(如EFT抑制器或安規電容和電感)。電源諧波還會疊加到控制器電壓采樣電路，為保證電源電壓采樣的準確性，避免誤動作，在控制器采樣電路要增加低通濾波處理，軟件設計時也要進行采樣數據的平滑處理。(2)采用數碼管顯示，顯示直觀、設置方便，抗干擾能力強。(3)具有與上位機通信的功能，方便集中控制，實現轉換功能。(4)本體開關部分的輔助開關與控制器的反饋線接口連接，實現閉環實時控制，本體開關轉換更加可靠。

4 結束語

自動轉換開關電器(ATSE)在有兩路電源供應且比較重要的場所已經廣泛運用，技術成熟。在一些有特殊要求的場所，對產品進行局部的設計改進，完全可以滿足實際使用要求，并且改進、驗證周期短，經濟效益相當明顯。由于本產品已經納入國家“3C”認證產品范疇，應進行相關的補差的形式試驗測試，取得證書后方可以投入生產、使用。

[1]中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.低壓開關設備和控制設備 第6-1部分：多功能電器 轉換開關電器(GB/T 14048.11-2008)[S].北京 ：中國標準出版社,2008.

[2]翁瑞琪編.電子工程師手冊[M].北京：機械工業出版社,2006.

[3]牛新國編.電工技術常用公式與數據手冊[M].北京：總后金盾出版社,2005.