公路供配電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的應(yīng)用研究

張召軍

（河北高速公路集團(tuán)有限公司青銀分公司，石家莊 050000）

1 引言

因高速公路中一級(jí)重要負(fù)荷設(shè)施較多，為避免電源并列運(yùn)行，需在高速公路中設(shè)置轉(zhuǎn)換開關(guān)。當(dāng)前，轉(zhuǎn)換開關(guān)的問題主要有：（1）較少應(yīng)用智能型轉(zhuǎn)換開關(guān)；（2）未統(tǒng)一消防負(fù)荷終端的切換終端；（3）低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)型號(hào)選用錯(cuò)誤[1]。轉(zhuǎn)換開關(guān)作為核心設(shè)備，其質(zhì)量對(duì)公路重要機(jī)電負(fù)荷有較大影響，特別是監(jiān)控等關(guān)鍵負(fù)荷的供電可靠性，現(xiàn)已有較多高速公路出現(xiàn)因轉(zhuǎn)換開關(guān)故障而導(dǎo)致停電等安全隱患。因此，為確保高速公路運(yùn)營(yíng)安全，對(duì)其關(guān)鍵問題加以研究非常必要。

2 智能型切換開關(guān)

2.1 智能中壓轉(zhuǎn)換開關(guān)

高速公路設(shè)備負(fù)荷集中，且一級(jí)負(fù)荷較多，供電質(zhì)量要求高。在10 000 kV·A 以上容量時(shí)，低壓段母線電流達(dá)到極限，技術(shù)及投資成本升高，低壓油機(jī)并機(jī)經(jīng)濟(jì)性低，且高速公路建設(shè)多經(jīng)貧困山區(qū)，難以獲取電網(wǎng)第二電源，因此，高速公路項(xiàng)目越發(fā)傾向于使用中壓油機(jī)，即需通過中壓電源轉(zhuǎn)換的情況越發(fā)增多。

傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換設(shè)備由元件或PLC 搭接而成，通過鑰匙機(jī)械連鎖或電氣閉鎖，發(fā)動(dòng)機(jī)控制僅有啟停信號(hào)，多需手動(dòng)操作，且控制模塊由多元件組裝而成，邏輯簡(jiǎn)單，調(diào)試或測(cè)試時(shí)需按現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行調(diào)整，操作步驟不明晰。針對(duì)傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換設(shè)備的不足，人們開始逐漸應(yīng)用智能中壓轉(zhuǎn)換技術(shù)（ATSE），ATSE 工作原理如圖1 所示。

圖1 ATSE工作原理

ATSE 由成套核心元器件組成，性能表現(xiàn)較穩(wěn)定，除鑰匙機(jī)械連鎖和電氣閉鎖功能外，還具備程序閉鎖功能，且發(fā)動(dòng)機(jī)控制具備可控延時(shí)及優(yōu)先級(jí)控制等功能，可手動(dòng)切換操作也可自動(dòng)操作和遠(yuǎn)程控制，控制模塊由專用控制器組成，有固定的切換邏輯，設(shè)計(jì)及操作難度低。此外，中壓轉(zhuǎn)換開關(guān)可對(duì)負(fù)載試加投切控制，即減載和加載。在使用油機(jī)電源前，ATSE 負(fù)載順序投切功能可降低負(fù)載量，在投入油機(jī)電源后又可加載，對(duì)市電油機(jī)系統(tǒng)的獨(dú)立性以及安全性施加全面防護(hù)，避免因電氣回路故障而誤動(dòng)高壓回路等事故，智能性較高。因此，建議在難以獲取電網(wǎng)第二電源的公路供配電系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用智能中壓轉(zhuǎn)換開關(guān)[2]。ATSE 典型應(yīng)用如圖2 所示。

圖2 ATSE典型應(yīng)用

2.2 智能低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)

因電網(wǎng)發(fā)達(dá)且需考慮環(huán)保等，一線地區(qū)的公路自用變電站多從電網(wǎng)獲取兩路電源，且不設(shè)發(fā)動(dòng)機(jī)。此外，因地方電網(wǎng)無法在中壓側(cè)切換雙電源，因此，一般需使用低壓備用方案，并以單母線分段作為低壓側(cè)主接線，具體如圖3 所示。

圖3 二進(jìn)線一母聯(lián)轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的QS1 和QS2 主進(jìn)線開關(guān)以及QC 母聯(lián)開關(guān)多需手動(dòng)切換，難以滿足快速恢復(fù)供電的要求，且操作難度高[3]。而智能低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)（二進(jìn)線一母聯(lián)式）除了具備傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換方案的功能外，還具備同相轉(zhuǎn)換（配備有同相監(jiān)控器，可同步監(jiān)測(cè)兩個(gè)電源頻率差和電壓差，達(dá)到快速切換電源的效果）、延時(shí)轉(zhuǎn)換（可在短時(shí)間內(nèi)完全分開負(fù)載和兩個(gè)電源，以利于降低負(fù)載水平，減小對(duì)設(shè)備的影響）和并列轉(zhuǎn)換（可在短時(shí)間內(nèi)并列兩個(gè)電源，并將重要負(fù)載轉(zhuǎn)換至另一電源）功能[4]，且可在保證經(jīng)濟(jì)成本的前提下確保負(fù)載供電的連續(xù)性和安全性，因此，建議推廣使用智能低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)（二進(jìn)線一母聯(lián)式）。

3 消防負(fù)荷終端切換

按GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》[5]的要求，需在各類消防用電設(shè)備等的供配電線路配電箱中設(shè)置終端切換裝置。而GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]還將排煙風(fēng)機(jī)列入需設(shè)置終端雙切的范圍。但因風(fēng)機(jī)供電電纜均位于同一通道，使用雙供電回路意義較小，且該方案造價(jià)較高，因而僅有部分高速公路按此規(guī)定執(zhí)行，高速公路設(shè)計(jì)時(shí)主要仍是在消防水泵房和控制室設(shè)置終端切換。

按規(guī)范要求需在消防水泵房設(shè)計(jì)終端切換，但在JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》[7]中，消防水泵房?jī)H為三級(jí)消防負(fù)荷，兩種規(guī)定方式有不同概念。三級(jí)負(fù)荷強(qiáng)調(diào)的是外部電源可靠性，而終端切換則強(qiáng)調(diào)內(nèi)部供電可靠性，即單電源外電或雙電源外電都需使用兩條線路供電，以保障某條供電線路故障時(shí)可經(jīng)自動(dòng)切換裝置切換至另一線路，保證供電的連續(xù)性，因此，無論是何種負(fù)荷等級(jí)的消防負(fù)荷，與其終端切換的設(shè)置與否無關(guān)聯(lián)，即消防水泵房雖然僅為三級(jí)消防負(fù)荷，但仍需設(shè)置終端切換。

此外，公路項(xiàng)目部分行業(yè)并無特殊負(fù)荷，如電伴熱、消防卷簾門等，此類負(fù)荷是否需要?dú)w入消防范疇以添加終端切換并無規(guī)范明確?？紤]到對(duì)人員安全及車輛疏散等的重要性，建議在消防卷簾門設(shè)置終端切換；而考慮到經(jīng)濟(jì)性及負(fù)荷季節(jié)性等，可不在消防電伴熱中設(shè)置終端切換。

4 低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)型號(hào)

在公路供配電系統(tǒng)中，關(guān)于低壓轉(zhuǎn)換開關(guān)設(shè)備型號(hào)的選擇尚存有一定誤區(qū)，多數(shù)項(xiàng)目沒有正確選擇設(shè)備型號(hào)，有一定的安全隱患，因而必須對(duì)公路供配電設(shè)備的選型原則進(jìn)行研究。

4.1 適用標(biāo)準(zhǔn)

為進(jìn)一步確保產(chǎn)品安全，避免操作不當(dāng)引起電流短路等，建議在選型時(shí)結(jié)合GB/T 14048.3—2017《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第3 部分：開關(guān)、隔離器、隔離開關(guān)及熔斷器組合電器》[8]的要求進(jìn)行考慮，該類標(biāo)準(zhǔn)有更為嚴(yán)格的要求。

4.2 CB級(jí)和PC級(jí)的選擇

按文獻(xiàn)[8]的規(guī)定，轉(zhuǎn)換開關(guān)共有3 個(gè)級(jí)別，分別是CC級(jí)、PC 級(jí)以及CB 級(jí)。其中，CC 級(jí)是指能夠滿足GB 14048.4—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第4-1 部分：接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器機(jī)電式接觸器和電動(dòng)機(jī)起動(dòng)器（含電動(dòng)機(jī)保護(hù)器）》[9]規(guī)范要求的電器，目前已不使用；PC 級(jí)是指承載和接通但不可分離和斷開短路電流的TSE；CB 級(jí)是指可承載、分離、接通和斷開短路電流，且配置有過電流脫扣器的TSE。

而按照GB/T 21208—2007 《低壓開關(guān)設(shè)備和水泵控制器固定式消防泵驅(qū)動(dòng)器的控制器》[10]的規(guī)定，自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)應(yīng)滿足PC 級(jí)要求，且所選用的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)的操作機(jī)構(gòu)應(yīng)滿足負(fù)載電路與備用電源和主用電源連接的持續(xù)性，此處指ATSE工作位置僅有兩個(gè)。因此，消防水泵終端切換開關(guān)需采用PC級(jí)開關(guān)，原因在于PC 級(jí)產(chǎn)品可承載大于20Ie（Ie為額定電流）的過載電流，其觸頭不易斥開且難以熔焊的性能可使消防水泵供電可靠性大幅提高。

一般情況下，PC 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)需設(shè)置斷路器或熔斷器等短路保護(hù)電器。斷路器有0.3～0.4 的較高限流系數(shù)，但限制短路電流的性能較差；熔斷器有較強(qiáng)的限流性能，多用于系統(tǒng)短路電流預(yù)期較大的位置。因公路供配電系統(tǒng)變壓器容量較小且負(fù)荷單一，因此，大短路電流的出現(xiàn)概率較低，因此，建議短路保護(hù)電器采用斷路器。需強(qiáng)調(diào)的是，因消防設(shè)施供電的持續(xù)性要重要于設(shè)備的損壞，因此，應(yīng)避免在消防回路中設(shè)置短路保護(hù)器。

從GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》可知，當(dāng)消防負(fù)荷供電自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)為CB 級(jí)時(shí)，應(yīng)采用僅具備斷路器的自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)，且其保護(hù)選擇性應(yīng)配合所保護(hù)電器。因此，除水泵外的消防負(fù)荷所采用轉(zhuǎn)換開關(guān)可為CB 級(jí)，但不可設(shè)置過負(fù)荷斷電保護(hù)。

CB 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)和PC 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)分別為派生式和非派生式，因此，CB 級(jí)開關(guān)有更好的短路特性，但CB 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)有更高的轉(zhuǎn)換動(dòng)作時(shí)間。綜上所述，不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為PC 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)一定比CB 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)好，在具體設(shè)置時(shí)還需結(jié)合實(shí)際條件加以考慮。

4.3 負(fù)載類別

PC 級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)適用的負(fù)載類別見表1。因自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATSE）難以通過AC-33B 試驗(yàn)，因而部分廠家默認(rèn)提供AC-31B 負(fù)載類別，因此，若為電動(dòng)機(jī)負(fù)荷，應(yīng)注意強(qiáng)調(diào)所用轉(zhuǎn)換開關(guān)為AC-33B 負(fù)載類別。

表1 PC級(jí)轉(zhuǎn)換開關(guān)適用負(fù)載類別

4.4 極數(shù)選擇

按GB 51348—2019《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，備用發(fā)電機(jī)和正常供電電源間的電源轉(zhuǎn)換應(yīng)選用四極開關(guān)，因此，在常規(guī)發(fā)電機(jī)中應(yīng)以四極開關(guān)作為轉(zhuǎn)換開關(guān)，若不考慮剩余電流保護(hù)則可采用三極開關(guān)。

5 結(jié)語

目前，交通行業(yè)已邁入高質(zhì)量發(fā)展階段，我國(guó)交通運(yùn)輸部也出臺(tái)了一系列關(guān)于公路建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的文件要求。作為確保公路所有機(jī)電設(shè)備運(yùn)營(yíng)的關(guān)鍵，公路供配電系統(tǒng)的重要程度越發(fā)凸顯，而作為確保公路供配電系統(tǒng)可靠性的核心設(shè)備，切換開關(guān)在整個(gè)公路項(xiàng)目中有重要作用。因此，合理選取轉(zhuǎn)換開關(guān)不僅是確保安全電網(wǎng)的關(guān)鍵，也更契合公路項(xiàng)目高質(zhì)量發(fā)展的理念。