葉 斌, 胡雪松,2, 閆 濤(.安徽鑫龍低壓電器有限公司, 安徽 蕪湖 24007;2.安徽鑫龍電器股份有限公司 技術(shù)中心, 安徽 蕪湖 24007)

CB級、PC級功能一體化自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的研究

葉 斌1, 胡雪松1,2, 閆 濤1
(1.安徽鑫龍低壓電器有限公司, 安徽 蕪湖 241007;2.安徽鑫龍電器股份有限公司 技術(shù)中心, 安徽 蕪湖 241007)

對比了CB級與PC級自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的設(shè)計原理,提出了CB級、PC級功能一體化自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器的設(shè)計方案,并探討了一些問題。指出CB級、PC級功能一體化自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器能夠提供過載、短路保護(hù),具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速度快、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn),為制造廠生產(chǎn)、設(shè)計選型及用戶使用提供方便。

CB級、PC級功能一體化自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器; 傳動機(jī)構(gòu); 過電流保護(hù); 滅弧系統(tǒng)

0 引 言

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)電器(Automation Transfer Switching Equipment,ATSE)主要用于兩路電源供電系統(tǒng),當(dāng)電源發(fā)生故障時,將負(fù)載電路從一路(常用)電源自動轉(zhuǎn)換到另一路(備用)電源。

GB/T 14048.1—2008《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 多功能電器轉(zhuǎn)換開關(guān)電器》中將ATSE按短路能力分為PC級、CB級、CC級。CC級ATSE由兩個接觸器、機(jī)械聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)組成,容易熔焊,價格低,但安全沒有保障。所以,目前使用上主要將ATSE分為CB級和PC級兩大類。

文獻(xiàn)[1]將ATSE分為PC-1型、PC-2型、PC-3型、PC-4型、CB-1型、CB-2型、CB-3型等7類典型結(jié)構(gòu)。

從使用區(qū)域上看,歐洲以CB級ATSE為主,北美、東亞以PC級ATSE為主。我國以CB級、PC級ATSE為主。

ATSE分類繁瑣,使用受地域影響,各類規(guī)格ATSE的生產(chǎn)、銷售共存,造成社會資源大量浪費(fèi),給設(shè)計院選型和用戶使用帶來不便。本文提出了CB級、PC級功能一體化ATSE設(shè)計方案。

1 CB級、PC級ATSE設(shè)計原理對比

(1) 機(jī)械設(shè)計理念不同。CB級由兩臺斷路器、操作機(jī)構(gòu)、聯(lián)鎖機(jī)構(gòu)和控制器組成,要求機(jī)構(gòu)應(yīng)快速脫扣,故斷路器的機(jī)構(gòu)存在滑扣、再扣問題。PC級ATSE由電磁鐵操動機(jī)構(gòu)和專門設(shè)計的轉(zhuǎn)換開關(guān)本體、控制器組成,不存在此類問題,其可靠性遠(yuǎn)高于CB級ATSE。

(2) 承載短時耐受電流要求有區(qū)別。普通斷路器只能承載很小的短時耐受電流,屬于A類斷路器;400 A及以上電子式斷路器設(shè)計能承載一定短時耐受電流,屬于B類斷路器;400 A以下的電子式斷路器承受的耐受電流很難達(dá)到特定要求,一般也屬于A類斷路器。斷路器主要作用:當(dāng)發(fā)生短路時,觸頭被斥開產(chǎn)生限流作用,從而分?jǐn)喽搪冯娏鳌C級ATSE應(yīng)承受20Ie及以上過載電流,承載額定短時耐受電流。

(4) 轉(zhuǎn)換速度不同。PC級ATSE采用勵磁驅(qū)動,轉(zhuǎn)換速度快,一般在300 ms以下,能用于一級重要負(fù)荷;CB級ATSE一般采用電動機(jī)作為機(jī)構(gòu),轉(zhuǎn)換速度慢,一般在1 500 ms以上,只能用于二級重要負(fù)荷。

2 CB級、PC級功能一體化ATSE設(shè)計原理

本文提出CB級、PC級功能一體化ATSE的設(shè)計方案。采用PC-3型三段式結(jié)構(gòu)專用PC級操作機(jī)構(gòu)、專用PC級勵磁驅(qū)動,利用保護(hù)型電流互感器進(jìn)行取樣,在PC級控制器上增加了過載、短路保護(hù)功能,并對通用PC級產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及滅弧系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計,具有結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速度快、分?jǐn)嗄芰Ω叩葍?yōu)點(diǎn),同時節(jié)約了大量的原材料,大大減小了產(chǎn)品體積。該設(shè)計方案使ATSE不僅具備當(dāng)電源發(fā)生異常時,將負(fù)載電路從一個(常用)電源自動轉(zhuǎn)換到另一個(備用)電源,同時對保護(hù)線路及電源設(shè)備具有過載、短路保護(hù)功能,且過載、短路保護(hù)可調(diào)(可關(guān)閉)。CB級、PC級功能一體化ATSE具有CB級和PC級ATSE的所有功能,若關(guān)閉其過載、短路保護(hù)功能,便是PC級ATSE。

3 CB級、PC級功能一體化ATSE設(shè)計方案

3.1 傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計

以2組動觸頭、3個工作位為特征的專用PC-3型ATSE的傳動結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),采用簡單可靠的直流電磁線圈作為驅(qū)動。傳動結(jié)構(gòu)中有3個線圈：① 合閘線圈,能讓ATSE工作在常用或備用電源位置;② 導(dǎo)向線圈,ATSE投入備用電源的時必須導(dǎo)向線圈、合閘線圈同時得電;③ 雙分線圈,在負(fù)載過載、短路情況下,使ATSE從常用電源或備用電源跳到中間位置。采用直流電磁線圈作為驅(qū)動能提高轉(zhuǎn)換速度,且使ATSE可靠工作,通過V型轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可靠轉(zhuǎn)換,保證兩路電源不可能同時接通。結(jié)構(gòu)中3個工作位是指常用電源位置、備用電源位置和中間位置。當(dāng)ATSE工作在常用或備用電源位置時,消防信號或過流保護(hù)信號為產(chǎn)品提供保護(hù)。對于消防信號,就是雙分位置;對于過流保護(hù)信號,就是脫扣位置,即使負(fù)載電源與兩路電源都斷開。

對專用PC-3型ATSE產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整,400 A以下采用板前接線方式,如圖1所示;對于400 A以上產(chǎn)品,采用底面安裝的板后接線方式,如圖2所示,以方便用戶安裝。

圖1 板前接線方式

圖2 板后接線分式

3.2 滅弧系統(tǒng)設(shè)計

滅弧系統(tǒng)設(shè)計包括觸頭系統(tǒng)、觸點(diǎn)材料選擇、滅弧室設(shè)計。在觸頭系統(tǒng)設(shè)計時,動觸頭采用雙刀雙擲方式,以防止電源轉(zhuǎn)換時電弧給電源帶來影響。 靜觸頭采用U形導(dǎo)電回路結(jié)構(gòu),增強(qiáng)磁場和作用在動觸頭上的電動斥力,以滿足過電流保護(hù)需求,提高ATSE產(chǎn)品限流能力。在觸點(diǎn)材料選擇上應(yīng)滿足過流保護(hù)特性要求,動觸點(diǎn)要求具有優(yōu)良的耐磨性、穩(wěn)定性、耐電弧性,觸點(diǎn)燒損少,熔焊傾向小;靜觸頭材料要求具有良好的抗熔焊性和導(dǎo)電性、低而穩(wěn)定的接觸電阻以及優(yōu)異的低溫升特性,以提高基體銀成分,使觸點(diǎn)具有良好的電導(dǎo)率而又不形成穩(wěn)定的氧化物,不會導(dǎo)致在使用過程中接觸電阻急劇升高;在滅弧室設(shè)計時,采用常用電源和備用電源滅弧完全隔離方式,防止一路電源工作時因負(fù)載短路分?jǐn)?產(chǎn)生的電弧影響到備用電源,防止電弧重?fù)舸┈F(xiàn)象。滅弧室的柵片固定板采用產(chǎn)氣材料,以提高滅弧性能。

3.3 過電流保護(hù)設(shè)計

在我國油氣儲量通報中還有一個特殊之處：在各類累計探明儲量下均列出已開發(fā)和未開發(fā)兩項。已開發(fā)也稱已動用，即建成產(chǎn)能并開始正式開采；未開發(fā)者指因種種原因?qū)⒃摬糠謨α繑R置不去動用。擱置的原因有三類：一為沒有市場需求或限產(chǎn)，這時即使進(jìn)行了初步產(chǎn)能建設(shè)也可暫不開采。此現(xiàn)象在沙特阿拉伯這類的產(chǎn)油大國常見；二類為因交通電力外輸?shù)葪l件不具備，這多見于某些新油田新油區(qū)開發(fā)早期；第三類是因?yàn)榻o出的探明可采儲量在其具體的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)條件下實(shí)際上不可采或采出所帶來明顯的虧損而難以為繼。

利用保護(hù)型電流互感器進(jìn)行取樣,在PC級控制器上加入電流采樣,實(shí)現(xiàn)過載、短路保護(hù),并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,再進(jìn)行過載、短路保護(hù)邏輯判斷。當(dāng)有過載電流時,按反時限曲線范圍內(nèi)要求的時間保護(hù)動作;當(dāng)短路電流超過額定工作電流規(guī)定的倍數(shù)時,保護(hù)動作,ATSE跳到雙分位置,若沒有超過,則繼續(xù)監(jiān)測電流顯示。當(dāng)負(fù)載發(fā)生過載、短路超過設(shè)定值時,ATSE自動跳到雙分位置,只有當(dāng)卸載或短路故障排除后,才能重新回到常用電源位置或備用電源位置。

CB級、PC級功能一體化ATSE過載、短路保護(hù)方法流程圖如圖3所示。先由互感器進(jìn)行電流采樣,通過電流微處理器A/D轉(zhuǎn)換,在控制器上顯示電流值,分別判斷顯示電流值是否大于過載和短路保護(hù)設(shè)定值,若不大于過載和短路保護(hù)設(shè)定值,則返回繼續(xù)電流采樣;若大于過載和短路保護(hù)設(shè)定值,則進(jìn)入分閘線圈動作。動作后 ATSE跳到雙分位置,直到卸載或短路故障排除后,重新手動或通過合閘按鍵(常用或備用電源合閘按鍵)將ATSE投入工作。當(dāng)過載保護(hù)關(guān)閉時,ATSE不具備過載保護(hù)功能;當(dāng)過載與過流保護(hù)都關(guān)閉時,ATSE僅對電源異常進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3 CB級、PC級功能一體化ATSE過載、短路保護(hù)方法流程圖

過電流保護(hù)結(jié)構(gòu)如圖4所示。內(nèi)置式結(jié)構(gòu)在轉(zhuǎn)換開關(guān)本體的負(fù)載接線的連接板前設(shè)計一個能夠放入保護(hù)型電流互感器的內(nèi)置空間,以滿足電流采樣。外置式結(jié)構(gòu)將保護(hù)型電流互感器串在轉(zhuǎn)換開關(guān)本體負(fù)載出線側(cè),由用戶套在電纜上,以滿足電流采樣。

4 研究問題探討

CB級、PC級功能一體化ATSE能否推廣,還需要對以下幾方面研究要點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步探討。

(1) 從產(chǎn)品機(jī)構(gòu)傳動原理上看,采用PC-3結(jié)構(gòu)方式不一定是最好的。操作機(jī)構(gòu)可考慮設(shè)計在中間,并前置接觸系統(tǒng),以保證機(jī)械傳動的對稱性,提高產(chǎn)品穩(wěn)定性。

(2) 從產(chǎn)品過電流保護(hù)設(shè)計上看,既要考慮電流采樣互感器在瞬動保護(hù)時,大電流時的飽和性影響,還要考慮ATSE與上、下級的配合特性,可考慮過電流保護(hù)特性進(jìn)行多曲線可選,以滿足配合需求。

(3) 從產(chǎn)品的過電流動作機(jī)理上看,宜改進(jìn)PC-3動作方式,減小產(chǎn)品的過電流保護(hù)動作時間,從而提高ATSE的短路分?jǐn)嘈阅堋?/p>

5 結(jié) 語

CB級、PC級功能一體化ATSE將逐步完善,在使用上實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一和通用,即ATSE能夠提供過載、短路保護(hù),具備CB級的短路分短能力和短路接通能力,具備PC級的額定短時耐受電流要求,具有PC級的快速轉(zhuǎn)換性能和機(jī)構(gòu)可靠性,從而實(shí)現(xiàn)ATSE工作可靠、選型方便、成本低、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 陸儉國,何瑞華,陳德桂,等.中國電氣工程大典第11卷 配電工程[M].北京：北京中國電力出版社,2009.

[2] 安徽鑫龍電器股份有限公司.雙電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)及其過載、短路保護(hù)方法：中國, 201110204861.8[P].2014-03-12.

[3] GB/T 14048.1—2008 低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 多功能電器轉(zhuǎn)換開關(guān)電器[S].

【編輯部聲明2】

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《現(xiàn)代建筑電氣》編輯部

Research of CB Level and PC Level Automation Transfer Switching Equipment

YE Bin1, HU Xuesong1,2, YAN Tao1

(1.Anhui Xinlong Low Voltage Apparatus Co., Ltd., Wuhu 241007, China;2.Anhui Xinlong Electrical Co., Ltd., Wuhu 241007, China)

This paper compared the design principle of CB level automation transfer switching equipment(ATSE) and PC level ATSE.A designing scheme of PC level and CB level integration function ATSE was proposed,and some problems were discussed.It is pointed out that the PC level and CB level integration function ATSE provides the overload protection and short-circuit protection,and has the advantages of simple structure,fast switching speed,convenient maintenance,etc.It can provide the convenience for manufacturer,electrical designer,and customer.

PC level and CB level integration function automation transfer switching equipment(ATSE); transmission mechanism; over-current protection; arc-quenching system

葉 斌(1979—),男,工程師,從事低壓電器研發(fā)工作。

TM 564

B

1674-8417(2015)04-0033-04

2014-12-18

胡雪松(1970—),男,高級工程師,從事低壓電器研發(fā)及管理工作。

閆 濤(1976—),男,技術(shù)員,從事低壓電器研發(fā)及管理工作。