ATS转换开关的最新应用

ATS自动转换开关的最新技术与应用

前言

　　在当今高度工作化的时代下对于用电的需求和供电的稳定性日益增强，而在电力系统供电的领域中由于自动转换开关（Automatic Transfer Switches）的发明，断电已不再会对生产造成严重的危害，如医院、办公大楼、机场、捷运及高铁场站、通讯系统及军事设施等场所也同样如此。

　　为提高配电系统供电的可靠度及缩短因事故停电的电力中断时间及复电时间，在现今的配电系统中已越来越多的设计采用了控制切换「正常/紧急」电源的自动转换系统。为此，本文将介绍和探讨关于自动转换开关的最新技术与相关应用。

　　紧急转换的类型

　　（一）同步转换=零转换时间

　　在此类转换中，主要电源（例如：市电台电）和备用电源（例如：柴油发电机）可以同步转换，其条件是：

　　1、他们彼此的电压相位角必须相同

　　2、他们彼此的频率和电压幅值都必须相等

　　（二）准同步转换=150ms等级的转换时间

　　此类电力转换可用于非同步电动机的不停机恢复供电。该类转换的主要问题在于当断电时，由于电动机的残磁感应而使三相交流的频率和电压幅值减小。如果电动机恢复供电较快而又无特别保护措施的话，会因备用电源与电动机所使用的主要电源反相而导致断电。

　　（三）固定时间转换=转换时间在0.5-30秒之间

　　此类电力转换是最常用的，大多数的自动转换开关属于此类转换，主要是用于取代手动的转换操作。此类自动转换开关通常用于「正常/紧急」的电力转换。主要电源一般为低压配电网，而备用电源为另一路低压配电网或柴油发电机。

　　正常—应急的转换次序

　　转换次序（正常侧至紧急侧及返回正常侧）需要通过电压的监测来进行，如图1。

图1

正常侧电源电压失去检测和转换次序

　　主要电源侧的输出电压瞬间失去或降低是允许的。主要电源的电压检测计时器输出的动作通常可设置（0.4-10秒）的延迟时间。此外，如果备用侧电源为发电机组，那就要等发电机的电压达到要求以后（几秒钟）才能发出转换命令。

　　转换问题及注意事项

　　以下详细研究电源自动转换过程中的若干问题：

　　1.在下游侧电网出现故障

　　当转换开关的下游侧出现故障（短路、过载等）而主要电源跳脱时，建议不要进行电源的转换。在此情况下，应该根据下游电路的保护装置所发出的信号来切离自动转换开关的控制回路转换功能。

　　2.备用电源的特性

　　备用电源的特性与主要电源的特性（额定功率、短路电流等）会有很大的差异。必须详细研究并进行选择，以便保证备用电源能正常发挥功能（例如：主要电源为800kVA,380V,Icc=20kA，Icc=20kA的变压器，那么，备用发电机组紧急电源应为200kVA，Icc=1kA）。

　　3.两电源间的机械连锁

　　两电源间的机械连锁和禁止两路电源同时供电这种情况的发生需加以考虑，并且应用在所有的电路中。

　　4.转换次序的实现

　　SOCOMEC ATyS6系列自动转换开关可完全实现上述转换次序的功能要求。

　　转换开关的应用

　　要从一路电源转换到另一路电源时就需要使用转换开关，通常用「正常/紧急」来表示此一功能。

　　转换的概念主要应用于两组电源间的转换，其中一路作为主要电源而另一路则作为紧急电源或备用电源。

　　正常/紧急应用

　　大多数安装自动转换开关的场所都是为了当主要电源故障时能转换到另一路备用电源紧急供电。

　　1.电网/发电机转换

　　转换系统主要配置了紧急电源系统来保证系统安全供电。

　　在实际应用中此种形式的供电方式是为了保证系统安全供电，并且保证与故障系统隔离。

2.电网/电网转换

　　此种形式的供电系统广泛应用于照明、警报系统、烟雾侦测系统、消防系统、空气压缩机、升降机设备等。

　　其他应用

　　1.在一路电源供电下负载与备用负载间的切换

　　2.电路的短接和接地以保护设备和电气专业人员的操作安全。

　　3.三相电源相序的切换以控制马达的正反转

　　4.UPS不断电系统的旁路应用

转换类型

　　根据不同的应用需求选择不同的转换方式来实现二路电源的转换。

　　先断后通（0位）（如图2-1）

图2-1

　　从一路电源转换到第二路电源经过0位以避免电源互相重叠。

　　在0位的停顿时间是为了在转换前先释放负载剩余电压，使得其在非临界值以下。

　　负载从一路电源快速转换到另一路电源将会引起负载与电源之间大功率转换，这有可能损坏设备材料因而引起保护装置作动从而切断电源，造成损失。

　　在0位的停顿时间必须根据实际要求设定。

　　同步转换（如图2-2）

图2-2

　　主电源和紧急电源可以并联使用。

　　两路电源必须同步才可以允许转换：

　　1.两路电源的相位角一致

　　2.两路电源的频率和电压幅度相等

　　在这种情况下供电不会因转换电源而有中断的现象。

非同步转换（如图2-3）

图2-3

　　这类的转换方式典型应用于大容量的非同步电动机上。要求快速转换以限制电动机转速，并且允许不需停顿直接转换的要求。

　　转换时间通常不超过0.2秒。

　　在转换前必须检查频率和相序，确保符合转换条件。

　　在大多数应用中，SOCOMEC ATyS6系列自动转换开关专门应用于转换之间需要先断后通的转换要求。

　　电源的种类

　　电源可按下列所述加以区分：

　　1.一路电源作为优先电源（主要电源）

　　是由一个或几个变压器并联供电的一个电网。

　　2.一路紧急电源

　　电源供应设备（发电机、燃料电池、不断电设备UPS）。（图3）

图3

发电机电源的种类

　　紧急电源包括发电机是依据主要电源故障后备用电源开始提供电力，按其所需时间不同可如表1所示。

表1

　　负载的种类

　　有些负载允许电源可以短暂中断而其他负载则不允许，一般有如图4的几种负载，并分述如下：

图4

　　1.关键设备

　　如果市电中断须由UPS继续供应电力的负载，由于UPS提供电力的时间是有限的，一般由负载大小，蓄电池容量和日常维护要求决定。

　　2.次关键设备

　　市电中断后需要快速供应电力的负载（从几秒钟到数分钟）。

　　3.一般设备

　　市电中断后可以等待市电恢复供电再切换回市电上的负载。

　　电源转换顺序

　　1.在实际应用中，大多数场合在市电中断以后会发生短时间停顿的状况。

　　2.在电源切换前，计时器能够对电源中断时间和电源是否可用进行监测。电源切换时间等于不同功能计时器的计时总和。（图5）

图5

　　SOCOMEC ATyS 6系列自动转换开关已包含了当市电中断后电机的启动控制程序。

电源监控

　　正常/紧急电源的自动转换控制系统，提供了市电和备用电源的监控以确定其可用性。

　　电压监控

　　电压监控必须至少包含以下内容：（如图6）

图6

　　1.监测于使用电源的所有故障（电压不足或超限）和自动启动及转换程序。

　　2.验证备用电源是否允许转换。

　　（1）一路电源完全失去电压则表示上一级保护系统有跳脱动作或电源中断。

　　（2）电压过高或过低而超出规定范围，可能是由于在电路中无效功率过高或者是在有欠载条件时（电容性无效电力过多）无稳压系统的补偿所引起。

　　频率监控

　　在发电机供电情况下，需要针对电压频率监控以提高电源供给的品质。（如图7）

图7

　　在供电系统中，电网的频率与发电机的转速是相关联的。频率过高或过低就会显示电网的过载或欠载的有效功率是电感性或者是电容性的。此外频率的变动也可能是由调速系统故障所造成的。

　　应用等级

　　电源的功率容量，其阻抗特性和校正系统将影响电压和频率的暂态特性。

　　不同等级的电压和频率在稳态和暂态时的变化范围如表2所示。

表2

　　1.等级G1：低要求标准（例如照明负载）

　　2.等级G2：能够接受的暂态波动（例如方波）

　　3.等级G3：对于偏差和波形有严格要求

　　4.等级G4：特别严格要求

暂态情况

　　控制电路必须能够对各种稳态和暂态的情况不同给予补偿，主要针对负载的适用条件与否。

　　1.带有时间延迟的高，低限值，定义了对负载稳定供电的可用范围，过电压和欠电压的恢复值是表示电源恢复到一个新的稳定状态，并可避免任何因检测引起的设备误动作。（图8）

图8

　　2.相序监测对三相电力系统是非常重要的，特别是在电源进线电缆连接须保持相序的一致，尤其是对转动的负载最为重要。（图9）

图9

　　转换周期

　　主电源中断

　　1.转换程序的启动是先从稳定的位置开始，一般是「正常」或者是优先电源位置，如果市电故障（门限值+延迟计时器）就会自动转换到紧急电源或备用电源上。

　　2.当监测到电源中断（主要电源中断），接着控制启动紧急电源的辅助接点闭合。此时备用电源的发电机被启动，若备用电源为变压器时则不需使用。

　　3.当监测到紧急电源（门限值+延迟）为可用时，系统就开始从正常位置转换到紧急位置。

　　4.电源转换可以在0位停顿。在0位停顿的时间可以根据实际应用而调整。

　　返回主要电源的顺序

　　1.自动转换开关在紧急电源位置，并且等待主要电源恢复正常可用时，转换开关就会自动转换回主要电源。

　　2.此种转换顺序和市电中断转换到紧急电源一样。启动发电机的控制接点保持闭合直到冷却发电机的计时器结束后重返回转换开关开始启动并允许发电机安全冷机（空载运行）。

　　3.举例：电网/电网转换顺序流程图如图10。

图10

　　测试周期

　　自动转换开关需要具备以下的设备才能完成转换：

　　1.转换机构

　　2.紧急电源

　　当需要时转换设备必须有效自动运转。

　　带负载测试

　　完整的转换系统测试可以定期或者在带负载预防性维护作业时进行测试。这种测试一般称为带负载测试，它模拟了完整的转换过程。紧急电源（发电机）启动的应用，并可停止由停机计时器送出的指令。（图11）

适用标准

　　IEC60947-6-1/GB14048.11-2002标准

　　1.转换开关必须依照应用场合、电气设备的架构、负载类型和操作频率来选择。

　　2.IEC60947-6-1/GB14048.11-2002产品标准是适用于正常/紧急方式的自动转换。

　　3.此标准适用于自动转换和导电连接材料及在转换过程中负载电源被中断的转换系统。

　　4.IEC60947-6-1/GB14048.11-2002标准包含了自动转换规范的特殊要求。

　　5.此标准中规定了不同的使用种类，在不同的应用场合和电气设备将需要不同的转换顺序。

　　6.按照操作使用频率可区分为A和B级。

　　7.IEC60947-6-1/GB14048.11-2002标准同时规定了完整的转换顺序，包括计时器和门限值提供给终端用户，以满足各种设备应用的需要。

　　8.完整的应用分析对于按照实际电气需求以确定设备的类型是必需的。这对于在一个标准的正常/紧急自动转换系统上直接转换为高电感性负载或实行反向操作是有效的。

　　SOCOMEC ATyS6系列自动转换开关设备完全符合以上的规范标准。

　　ATS系统特性及功能要求

　　（一）一般特性

　　1.ATS系统基本上有3极和4极的分别，为有效缩减系统尺寸则要先依据需要被转换的电缆数量进行规划。

　　2.在实际应用中，转换系统和相关的保护系统都要通过短路电流的短时冲击耐受测试。

　　3.在运行中，开关的通电接点要在各种环境下保持动作自如，并且能够自我清洁以提高此通电接点的接触能力。

　　4.转换开关通电接点的断开与闭合必须快速动作，并且与自动驱动机构无关（通电接点的断开与闭合速度与电动及手动切换操作无关）。

　　5.系统的位置和通电接点状态应不受环境振动或供电电源的电压波动影响（系统位置的稳定状态无需电源供电=在稳定位置没有电源消耗）。

　　（二）转换系统的安全

　　1.转换系统必须整合电气及机械连锁的控制，其目的是为了避免同时接通另一路电源而造成意外事故。

　　2.转换系统必须在两路电源之间以及进线及出线端之间整合成安全断开功能。

　　3.在没有电源供电或在电气指令失效的情况下，转换系统必须可以用手动操作（在1，0或2位置皆可以）。

　　4.在手动模式下，「自动模式/手动模式」的功能选择器必须能抑制任何自动控制指令。此外还必须可有配备附钥匙的功能选择器以确保安全地进行操作模式的选择。

　　5.转换系统必须包含在0位的锁定，如果需要还必须可以在3个位置的锁定。

　　6.在进入手动操作模式时自动模式或锁定位置必须被禁止，在手动操作（操作手柄已就位）中或在锁定位置时，必须避免自动模式被启动。

　　（三）转换系统的自动控制

　　1.转换系统必须包含正常/紧急转换顺序的自动控制功能。转换系统应配备发电机控制（启动和停止操作）以便依照变压器/发电机类型应用的ATS运行。

2.在自动转换流程图中可以清楚地看到，电源正常可用状态和转换开关所在位置的指示。

　　3.转换系统应可以通过人机对话介面轻松进行参数设定。而进入参数设定程序必须通过密码的安全验证。

　　4.转换系统应可以透过本地或远端控制方式来选择优先电源（主要电源）。

　　5.在主要和备用电源中，三相供电线路的检测须保证安全监视。

　　6.需有对电压及频率量测值进行监控和显示的功能。

　　7.电压和频率的最大及最小限定值以及相关的回复值应能设定以避免任何因检测过程而触发不正常的转换。

　　8.相序监测功能应永久保证系统中两路电源的相序是正确的。

　　9.正常/紧急电源转换顺序应包含以下计时器：

　　（1）在启动主要电源中断转换顺序前，主要电源中断计时器将验证主要电源是否中断。

　　（2）在切换前，转换计时器（紧急电源可用计时器）将验证紧急电源是否稳定。

　　（3）0位计时器（停留时间）是在转换开关从1-2或2-1的转换过程中动作。这个计时器的延迟时间可以根据负载的感应电压释放曲线而调整。

　　（4）停机计时器在发电机当作备用电源的转换系统中应用。它可以确定当负载切换回主要电源以后，发电机冷却停机所需的时间。

　　10.通过确认程序应可以阻止系统再转换操作（从紧急电源转换到主要电源）。在选择从备用电源转换回主要电源时，只有透过按键或远端遥控接点信号确认才可以转换。

　　11.转换系统应便于加装通讯设备（RS485 Jbus/Modbus通讯协定），以允许远端遥控转换系统。

本文来源：https://www.2haoxitong.net/k/doc/89cff678dd88d0d232d46a15.html