合理选择与使用自动转换开关电器

1．概述
　　 自动转换开关电器简称为ATSE，是Automatic transfer switching equipment的缩写。
ATSE主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。因此，ATSE常常应用在重要用电场所，其产品可靠性尤为重要。转换一旦失败将会造成以下二种危害之一，其电源间的短路或重要负荷断电（甚至短暂停电），其后果都是严重的，这不仅仅会带来经济损失（使生产停顿、金融瘫痪），也可能造成社会问题（使生命及安全处于危险之中）。因此，工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点产品加以限制与规范。
ATSE一般由两部分组成：开关本体+控制器。而开关本体又有PC级（整体式）与CB级（断路器）之分。
PC级：能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE。
CB级：配备过电流脱扣器的ATSE，它的主触头能够接通并用于分断短路电流。
　　 控制器主要用来检测被监测电源（两路）工作状况，当被监测的电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动作指令，开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源，图1是典型ATSE应用电路。控制器与开关本体进线端相连。

 国内市场用于两路电源转换电器的产品目前有四类。第一类.是由接触器组成的ATSE；第二类.是由断路器组成的ATSE; 第三类.用电动负荷开关(符合GB14048.3标准)完成两路电源转换的产品; 第四类为PC级（一体式）ATSE。

　　 由接触器组成的ATSE产品，它的优点是价格低；缺点是线圈长期通电耗能易烧毁，产品的接通分断能力低，触头易抖动、熔焊，其产品可靠性很低，尤其是在带负荷转换时易出现爆炸性事故，这类产品在国外已被淘汰并禁止使用。为克服上述产品缺点，生产断路器企业推出了CB级ATSE，CB级ATSE是由断路器加机械连锁组成，CB级的ATSE为机械保持，触头的接通与分断能力有所提高，但又不是理想的ATSE产品（见本文第三段）。因此，市场出现了第三类产品-电动负荷开关，这类产品是由两台负荷开关组合加上电操装置组成，产品操作的可靠性又有较大提高，但触头灭弧系统是以分断一次电弧要求设计的，用在双电源电路切换，也存在不合理因素（见本文第三段）。为此，市场呼唤着理想的ATSE产品。PC级（一体式）ATSE产品综合了上述产品优点，克服了其缺点，是目前国内外市场较理想的双电源转换产品。
2．国外ATSE产品简介
2.1 PC级（一体式）ATSE
　　 以美国为代表的ATSE技术代表着当今世界PC级ATSE先进水平。因为，ATSE产品率先是在军工领域得到使用，如雷达、通讯、航天等领域，而美国在上述领域处于世界领先地位，因此，美国对ATSE产品有较高要求，他们将ATSE产品视为电源一部分，为了提高其产品可靠性，不惜采用黄金作为触头材料。因此，在产品开发、研制方面投入较大。目前美国生产ATSE产品规模较大的企业有三至四家，如ONAN、ASCO、GE-ZENITH，主要生产PC级（一体式）ATSE产品，除基本型外，还有瞬间并联型、旁路-隔离型、延时转换型等。 图2，图3分别为ONAN，ASCO产品机构及触头系统示意图。

2.2 电子式ATSE

　　 为满足不停电电源要求，国外一些大公司推出以可控硅为主的电子式ATSE，额定工作电流100A～1200A，检测、转换时间≤5ms。它主要应用在电子商务网站、计算机数据中心、半导体芯片制造业及紧急救援中心等要害部门。
3．同类产品结构分析与对比
3.1 CB级与PC级ATSE两者有以下几点区别
3.1.1 两者机构设计理念不同
CB级是由断路器组成，而断路器是以分断电弧为己任，要求机构快速脱扣。因而可能存在滑扣、再扣不可靠因素；而PC级机构不存在该方面问题。PC级产品的可靠性远高于CB级产品。
3.1.2 断路器（MCCB）一般不承受短时耐受电流，触头压力较小。当供电电路发生短路时，断路器的动触头被斥开并产生限流作用，从而分断短路电流；而PC级ATSE应承受20Ie及以上过载电流，触头压力要求较大，因而ATSE触头不易被斥开，也不易被熔焊。这一特性对消防供电系统尤为重要。
3.1.3 两路电源在转换过程中存在电源叠加问题。
PC级ATSE充分考虑了这一因素。PC级ATSE的电气间隙、爬电距离一般是断路器的电气间隙、爬电距离的180%、150%（标准要求）。因而PC级ATSE安全性更好。
3.1.4 触头材料的选择角度不同。
　　 断路器常常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧，但该类触头材料易氧化，备用触头长期暴露在外，在其表面易形成阻碍导电、难驱除的氧化物，当备用触头一但投入使用，触头温升增高易造成开关烧毁甚至爆炸；而PC级ATSE充分考虑了触头材料氧化带来的后果。
3.2 PC级ATSE与电动负荷开关区别
3.2.1 两者遵循的标准不同
PC级ATSE符合GB/T14048.11《自动转换开关电器》。
　　 电动负荷开关符合GB14048.3《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》。
3.2.2灭弧系统不同
　　 由于ATSE是在两路电源中带电（负荷）转换，因此，应考虑两路电源间相位问题。在电网电源与发电机组电源间转换时，可能出现120°相位差，所以，ATSE在做接通与分断试验时常用电源与备用电源相序不同（见图4，该图是国家标准GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》中所规定的试验线路）。在不同相序下做转换试验，开关的触头系统会出现二次电弧,因此,要求开关在接通备用电源（或常用电源）前，第一个电弧必须熄灭，且游离气体迅速排放，否则,开关内部出现短路,造成转换失败。所以，自动转换开关电器的灭弧能力要比一般低压电器开关强,这也是一台优质ATSE价格贵的原因之一。
　　 而符合GB14048.3《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》的产品（如电动负荷开关）没有该要求。

3.2.3 两者电气性能要求不同

a）两者的接通/分断能力不同。PC级ATSE在使用类别为AC-33A/B时，是在6Ie电流,1.05Ue电压条件下，接通/分断循环次数为50/12次；而负荷开关在使用类别为AC-23A/B时，在10Ie/8Ie电流，1.05Ue电压条件下，接通/分断5/3次。
b）两者的电气寿命、机械寿命也不同。根据产品标准:电流等级≤300A、使用类别为AC-33B的PC级ATSE的电气寿命是在1In/1.05Ue条件下至少操作循环1000次，机械寿命5000次；而相同电流等级、使用类别为AC-23B的负荷开关电气寿命仅在1In/1Ue条件下操作200次，机械寿命1400次。
3.2.4转换速度不同。PC级ATSE转换速度一般高于负荷开关2～3倍。
3.2.5触头系统不同。负荷开关一般为V形触头系统。V形触头的特点是，新开关时动热稳定性好一些，但经过几次开断后触头间烧损易形成接触不良现象，而且，电弧转移慢，灭电弧性能差；而PC级ATSE触头一般为拍合式，触头在接触瞬间动静触头间有一摩擦，以利于触头良好接触，拍合式触头便于电弧快速移动，有利熄灭电弧。
　　 通过上述对比可知PC级ATSE是理想的电源转换开关产品。
4．选择ATSE产品应注意的几个问题
　　 目前市场上自称ATSE产品较多。但是属于真正的ATSE产品不多。ATSE必须符合GB/T14048.11-2002《低压开关设备与控制设备 第6部分：多功能电器 第1篇：自动转换开关电器》。
　　 下面介绍选择ATSE产品应注意的几个问题。
4.1 注意产品符合什么标准。
　　 符合GB14048.3-2003《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》产品只能叫电动（或电操作）转换开关。
　　而GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》标准对产品考核较严酷，在电源间相序不同情况下，也允许直接转换。
4.2 注意产品使用场所。
CB级ATSE一般不允许在图5、图6所示的线路中使用。

例如，当一般负载1（或主消防泵）发生短路故障（过载或短路）引起Q1脱扣，因控制器仅检测ATSE进线端电源状态，不会发出动作指令，所以，ATSE不转换。此时，重要负载（或备用消防泵）处于断电状态。该供电系统没有起到安装ATSE实际作用。

　　 在美国对CB级ATSE使用也有严格限制。其中，UL1008第41.19条规定，带有过电流脱扣的转换开关，必须向用户提出“警告—如果过电流故障引起开关断开，ATSE将不会转换”警告标志 。
　　 而PC级ATSE用在混合负载供电系统或消防泵供电电路中，当一般负载发生短路故障（见图1）时，短路保护器（Qg）动作后ATSE开始转换，可以确保重要负载连续供电。
4.3 用PC级ATSE应注意以下几个问题
4.3.1 用类别选择
a．目前，我国市场上PC级ATSE有两种使用类别。一是适用于AC-33B；另一种适用于AC-31B；开关的使用类别表示其控制负载的能力。
AC-33B/A*：适用电动机混合负载。既包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载，接通与分断电流为6Ie，COSj=0.5；
AC-31B/A*：适用无感或微感负载，接通与分断电流为1.5Ie，COSj=0.8； （*B：表示不频繁操作；A：表示频繁操作。）
　　 由于ATSE较难通过AC-33B试验。因此，一些制造厂降低开关使用要求，才选择AC-31B使用类别。显而易见选择使用AC-33B的ATSE比选择使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。 
b．小容量ATSE（≤100A）通常带电动机负载（如消防泵）直接转换，最好具有AC-3指标(直接通断鼠笼型电动机), 按接通10Ie /分断8Ie /COSj=0.45要求进行考核。使用该产品更安全。
4.3.2 路保护电器选择
    PC级ATSE不具有短路保护功能，因此，需配短路保护电器。短路保护电器一般有两种，熔断器或断路器。由于熔断器限流性能好，限制短路电流能力强，它常被使用在系统出现预期短路电流大的地点处；而断路器限流性能差，额定限制短路电流能力低。不同的企业ATSE产品规定的额定限制短路电流不同，表1为RTQ1（TP1）自动转换开关电器所规定的额定限制短路电流值。

 在选择短路保护电器额定电流值时，一般的原则是短路保护电器（熔断器或断路器）与被保护电器（ATSE）额定框架电流值一致（即1:1）。

4.3.3 段式与三段式选择
　　 二段式ATSE开关主触头仅有两个工作位，即“常用电源位”与“备用电源位”，负载不会出现长期断电情况，供电可靠性高，转换动作时间快。
　　 三段式ATSE开关主触头有三个工作位，多个“零位（是指电动状态下）”，即主触头处于空挡，负载断电时间相对较长，是二段式断电时间的2-3倍。
　　 三段式的“零位”主要是用于ATSE在带高感抗或大电机负载转换时，为避免冲击电流做“暂态停留”之用；而非用于负载维修时隔离之用。维修时的隔离一定要选择隔离开关，它更安全。因为，隔离开关必须具有以下功能：
　　 ①动触头在断开位置时可锁定或可视；
　　 ②具有较高的额定冲击耐受电压（1.25倍）；
　　 ③在任何情况下，极限泄漏电流不应超过6mA。
4.4 ATSE动作时间选择
　　 衡量一台ATSE转换速度有5种动作时间（见GB/T14048.11）。ATSE应向用户至少提供一种动作时间，便于用户依据使用要求进行选择。
4.4.1 触头转换时间
　　 测定从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。
4.4.2 换动作时间
　　 测定从主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间（含机构动作时间），不包括特意引入（控制器）的延时。
4.4.3 总动作时间
　　 转换动作时间与特意引入（控制器）的延时之和。
4.4.4 返回转换时间
　　 从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时。
4.4.5 断电时间
　　 测定从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。
　　 一般用户应注重“总动作时间”或者“转换动作时间”，以满足不同配电系统使用要求。
　　 二段式PC级ATSE总动作时间一般在50～250ms；
　　 三段式PC级ATSE总动作时间一般在350～600ms；
CB级ATSE总动作时间一般在2000～3000ms；
　　 图7为GB/T14048.11-2002标准中所规定的动作时间概念形象图。

4.5 对高感抗负载转换控制应注意的问题

     ATSE一般是不允许带大电动机或高感抗负载转换。比如大电动机类负载,当其在运行中切换而电源相位又差距较大时,它将受到巨大的机械应力冲击，同时由电动机产生的反电势引起的过电流还会造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式，或自动转换开关为延时转换型, 两组动触头在转换前增加一延时，可避免在切换大电机或变压器负载时引起的冲击电流。

4.6 产品认证情况介绍
      我国从2002年5月1日起开始对低压电器产品实施3C认证，由于ATSE国家标准GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》于2002年10月发布，2003年4月才开始实施，虽然自动转换开关电器被列入第一批3C认证 目录，由于该国标迟于实施。所以，目前ATSE产品只能进行CQC认证（即自愿认证）。ATSE尚未进行3C认证。市场上自称获得3C证书的“ATSE”，实际是依据GB14048.3-2003《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》标准获得“转换开关或电动转换开关”3C证书。希望设计、使用部门注意它们的区别。

3.2.3 两者电气性能要求不同

a）两者的接通/分断能力不同。PC级ATSE在使用类别为AC-33A/B时，是在6Ie电流,1.05Ue电压条件下，接通/分断循环次数为50/12次；而负荷开关在使用类别为AC-23A/B时，在10Ie/8Ie电流，1.05Ue电压条件下，接通/分断5/3次。
b）两者的电气寿命、机械寿命也不同。根据产品标准:电流等级≤300A、使用类别为AC-33B的PC级ATSE的电气寿命是在1In/1.05Ue条件下至少操作循环1000次，机械寿命5000次；而相同电流等级、使用类别为AC-23B的负荷开关电气寿命仅在1In/1Ue条件下操作200次，机械寿命1400次。
3.2.4转换速度不同。PC级ATSE转换速度一般高于负荷开关2～3倍。
3.2.5触头系统不同。负荷开关一般为V形触头系统。V形触头的特点是，新开关时动热稳定性好一些，但经过几次开断后触头间烧损易形成接触不良现象，而且，电弧转移慢，灭电弧性能差；而PC级ATSE触头一般为拍合式，触头在接触瞬间动静触头间有一摩擦，以利于触头良好接触，拍合式触头便于电弧快速移动，有利熄灭电弧。
　　 通过上述对比可知PC级ATSE是理想的电源转换开关产品。
4．选择ATSE产品应注意的几个问题
　　 目前市场上自称ATSE产品较多。但是属于真正的ATSE产品不多。ATSE必须符合GB/T14048.11-2002《低压开关设备与控制设备 第6部分：多功能电器 第1篇：自动转换开关电器》。
　　 下面介绍选择ATSE产品应注意的几个问题。
4.1 注意产品符合什么标准。
　　 符合GB14048.3-2003《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》产品只能叫电动（或电操作）转换开关。
　　而GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》标准对产品考核较严酷，在电源间相序不同情况下，也允许直接转换。
4.2 注意产品使用场所。
CB级ATSE一般不允许在图5、图6所示的线路中使用。

   例如，当一般负载1（或主消防泵）发生短路故障（过载或短路）引起Q1脱扣，因控制器仅检测ATSE进线端电源状态，不会发出动作指令，所以，ATSE不转换。此时，重要负载（或备用消防泵）处于断电状态。该供电系统没有起到安装ATSE实际作用。

　　 在美国对CB级ATSE使用也有严格限制。其中，UL1008第41.19条规定，带有过电流脱扣的转换开关，必须向用户提出“警告—如果过电流故障引起开关断开，ATSE将不会转换”警告标志 。
　　 而PC级ATSE用在混合负载供电系统或消防泵供电电路中，当一般负载发生短路故障（见图1）时，短路保护器（Qg）动作后ATSE开始转换，可以确保重要负载连续供电。
4.3 用PC级ATSE应注意以下几个问题
4.3.1 用类别选择
a．目前，我国市场上PC级ATSE有两种使用类别。一是适用于AC-33B；另一种适用于AC-31B；开关的使用类别表示其控制负载的能力。
AC-33B/A*：适用电动机混合负载。既包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载，接通与分断电流为6Ie，COSj=0.5；
AC-31B/A*：适用无感或微感负载，接通与分断电流为1.5Ie，COSj=0.8； （*B：表示不频繁操作；A：表示频繁操作。）
　　 由于ATSE较难通过AC-33B试验。因此，一些制造厂降低开关使用要求，才选择AC-31B使用类别。显而易见选择使用AC-33B的ATSE比选择使用AC-31B的ATSE更安全、可靠。 
b．小容量ATSE（≤100A）通常带电动机负载（如消防泵）直接转换，最好具有AC-3指标(直接通断鼠笼型电动机), 按接通10Ie /分断8Ie /COSj=0.45要求进行考核。使用该产品更安全。
4.3.2 路保护电器选择
    PC级ATSE不具有短路保护功能，因此，需配短路保护电器。短路保护电器一般有两种，熔断器或断路器。由于熔断器限流性能好，限制短路电流能力强，它常被使用在系统出现预期短路电流大的地点处；而断路器限流性能差，额定限制短路电流能力低。不同的企业ATSE产品规定的额定限制短路电流不同，表1为RTQ1（TP1）自动转换开关电器所规定的额定限制短路电流值。

 在选择短路保护电器额定电流值时，一般的原则是短路保护电器（熔断器或断路器）与被保护电器（ATSE）额定框架电流值一致（即1:1）。

4.3.3 段式与三段式选择
　　 二段式ATSE开关主触头仅有两个工作位，即“常用电源位”与“备用电源位”，负载不会出现长期断电情况，供电可靠性高，转换动作时间快。
　　 三段式ATSE开关主触头有三个工作位，多个“零位（是指电动状态下）”，即主触头处于空挡，负载断电时间相对较长，是二段式断电时间的2-3倍。
　　 三段式的“零位”主要是用于ATSE在带高感抗或大电机负载转换时，为避免冲击电流做“暂态停留”之用；而非用于负载维修时隔离之用。维修时的隔离一定要选择隔离开关，它更安全。因为，隔离开关必须具有以下功能：
　　 ①动触头在断开位置时可锁定或可视；
　　 ②具有较高的额定冲击耐受电压（1.25倍）；
　　 ③在任何情况下，极限泄漏电流不应超过6mA。
4.4 ATSE动作时间选择
　　 衡量一台ATSE转换速度有5种动作时间（见GB/T14048.11）。ATSE应向用户至少提供一种动作时间，便于用户依据使用要求进行选择。
4.4.1 触头转换时间
　　 测定从第一组主触头断开常用电源起至第二组主触头闭合备用电源为止的时间。
4.4.2 换动作时间
　　 测定从主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的时间（含机构动作时间），不包括特意引入（控制器）的延时。
4.4.3 总动作时间
　　 转换动作时间与特意引入（控制器）的延时之和。
4.4.4 返回转换时间
　　 从常用电源完全恢复正常的瞬间起至一组主触头闭合常用电源的瞬间为止的时间加上特意引入的延时。
4.4.5 断电时间
　　 测定从各相电弧最终熄灭的瞬间起至主触头闭合另一个电源为止的转换过程时间，包括特意引入的延时。
　　 一般用户应注重“总动作时间”或者“转换动作时间”，以满足不同配电系统使用要求。
　　 二段式PC级ATSE总动作时间一般在50～250ms；
　　 三段式PC级ATSE总动作时间一般在350～600ms；
CB级ATSE总动作时间一般在2000～3000ms；
　　 图7为GB/T14048.11-2002标准中所规定的动作时间概念形象图。

4.5 对高感抗负载转换控制应注意的问题

     ATSE一般是不允许带大电动机或高感抗负载转换。比如大电动机类负载,当其在运行中切换而电源相位又差距较大时,它将受到巨大的机械应力冲击，同时由电动机产生的反电势引起的过电流还会造成熔断器熔断或断路器脱扣。解决方法常采用电阻吸收或减负荷方式，或自动转换开关为延时转换型, 两组动触头在转换前增加一延时，可避免在切换大电机或变压器负载时引起的冲击电流。

4.6 产品认证情况介绍
      我国从2002年5月1日起开始对低压电器产品实施3C认证，由于ATSE国家标准GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》于2002年10月发布，2003年4月才开始实施，虽然自动转换开关电器被列入第一批3C认证 目录，由于该国标迟于实施。所以，目前ATSE产品只能进行CQC认证（即自愿认证）。ATSE尚未进行3C认证。市场上自称获得3C证书的“ATSE”，实际是依据GB14048.3-2003《开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》标准获得“转换开关或电动转换开关”3C证书。希望设计、使用部门注意它们的区别。