【摘 要】現(xiàn)供配電系統(tǒng)設計中大量采用了ATSE轉(zhuǎn)換開關，我國ATSE轉(zhuǎn)換開關的生產(chǎn)研制也得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)一種新型的無負載切換型自動轉(zhuǎn)換開關實現(xiàn)了雙電源間無負載自動切換，較好的解決了轉(zhuǎn)換開關的觸頭氧化和電弧問題，大大提高了轉(zhuǎn)換設備的安全性、可靠性。
【關鍵詞】雙電源，無負載切換，自動轉(zhuǎn)換開關，可靠性，安全性
1、概述
1.1自動轉(zhuǎn)換開關電器（即雙電源切換設備）是在建筑、工廠、醫(yī)院、礦山、軍事、船舶等各個領域大量使用的一種電器設備，其作用是將用電負荷從一路電源轉(zhuǎn)換到另一路電源上，以保證供電的連續(xù)性、可靠性。
1.2根據(jù)國家標準《GB/T 14048.11-2002/IEC 60947-6-1：1998低壓開關設備和控制設備，第6部分：多功能電器，第1篇：自動轉(zhuǎn)換開關電器》，自動轉(zhuǎn)換開關電器（ATSE：automatict transfers switchinge equipment）的定義為：由一個（或幾個）轉(zhuǎn)換開關電器和其化必需的電器組成，用于監(jiān)測電源電路、并將一個或幾個負載電路從一個電源自動轉(zhuǎn)換至另一個電源的電器。
1.3其中轉(zhuǎn)換開關電器的定義為：將一個或幾個負載電路從一個電源轉(zhuǎn)換至另一個電源電器。
1.4ATSE的適用范圍為：……ATSE適用于應急供電系統(tǒng)，在轉(zhuǎn)換電源期間中斷向負載供電。
2、ATSE應用中的問題
2.1根據(jù)我國高層民用建筑設計防火規(guī)范規(guī)定：“一類高層建筑應按一級負荷供電，二類高層建筑應按二級負荷要求供電?！薄案邔咏ㄖ南揽刂剖?、消防水泵、消防電梯、防煙、排煙、風機等的供電，應在最未一級配電箱處設置自動轉(zhuǎn)換裝置”。為保證重要負載供電的連續(xù)性，雙電源自動轉(zhuǎn)換開關的應用需求已越來越大，技術性能要求也越來越高，對產(chǎn)品的合理選擇就顯行更加重要。其產(chǎn)品的技術水平、先進性和可靠性，直接影響到建筑物內(nèi)人員的生命安全和用電設備的正常使用。轉(zhuǎn)換一旦失敗將會造成多種危害，電源間的短路或重要負荷斷電、甚至短暫停電，其后果都是嚴重的。因此，現(xiàn)在工業(yè)發(fā)達國家都把自動轉(zhuǎn)換開關電器的生產(chǎn)、使用列為重點產(chǎn)品加以規(guī)范。
2.2對于雙電源自動切換開關電器（ATSE），首先要關心的是設備自身的安全可靠性，不能因設備自身的故障，而影響電源給負載供電。ATSE本身會因為控制器、機械機構(gòu)、電弧、觸頭氧化等問題會出現(xiàn)故障，有些問題現(xiàn)在可以通過技術手段或其它主法得以解決，而觸頭氧化是目前市場上的ATSE應重點解決的問題。觸頭被氧化，產(chǎn)生氧化物，接觸電阻增加，一旦投入使用，觸頭溫升增高易造成供電中斷，輕則影響生產(chǎn)和生活，重則造成重大事故。
2.3目前市場上主要有四種類型的ATSE，如雙接觸器型（CC級）、雙斷路器型（CB型）、雙負荷開關型（PC型）、單臂雙擲型等（PC級）。這些ATSE都有兩組具備分斷電弧功能的主觸頭，一組備用觸頭長期處于打開狀態(tài)。為了滿足來弧要求，接觸器、斷路器的觸頭經(jīng)常選擇銀鎢、銀碳化鎢材料配對，這有利于分斷電弧，但該類觸頭材料易氧化，備用觸頭長期暴露在外，在其表面易形成阻礙導電、難驅(qū)除的氧化物。
負荷開關型的觸頭滅弧系統(tǒng)是以分斷一次電弧的要求而設計，如觸頭材質(zhì)差，電弧轉(zhuǎn)移慢，滅弧性能差，經(jīng)過幾次開斷事觸頭間燒損易形成接觸不良形象。與雙接觸器型、雙斷路器型一樣，其備用觸頭長期暴露在外，在其表面易形成阻礙導電、難驅(qū)除的氧化物。特別是在地下室、礦井、化工環(huán)境、鹽霧環(huán)境下使用，其氧化問題尤為突出。
單臂雙擲型為了理想的滅弧效果和解決觸頭氧化問題，有的不惜采用純銀甚至黃金做觸頭。黃金觸頭滅弧性能較好，不會氧化，但這還需要切換速度快，才能保證滅弧效果。對于人工手動操作時，由于人員在力量、速度上的差異，不能保證開關迅速完成分斷閉合動作，有載轉(zhuǎn)換時有電弧，會出現(xiàn)觸頭銀點消耗、熔焊、粘連等情況。其故障和事故也時有發(fā)生。另外由于采用貴金屬做觸頭，其價格比較貴。
ATSE按行業(yè)規(guī)范要求，定期三個月要求通電半小時，以便除觸頭氧化層。ATSE不是一個頻繁操作的設備，由于長時間不用，大家對它的維護保養(yǎng)不會太重視，很少想到維護保養(yǎng)它。真正能做到維護保養(yǎng)的用戶真是少之又少。一旦要使用ATSE，不能保證正常工作，影響重要負載供電，后果相當嚴重。在如此情況下，如何徹底解決ATSE轉(zhuǎn)換電弧和備用觸頭氧化問題提到了產(chǎn)品研發(fā)議程。
3、無負載切換的特點
3.1現(xiàn)市場正在推出一種雙電源無負載自動切換開關電器CATSN，其在無負載電流、無電弧下進行切換動作，并且觸頭無氧化。CATSN由一臺轉(zhuǎn)換開關、機械機構(gòu)、控制器加一臺斷路器或負荷開關組成。其切換方式很有特點，是先讓斷路器或負荷開關斷開負載電路，再讓雙投轉(zhuǎn)換開關在無負載情況下進行電源切換，切換完成后再合上斷路器或負荷開關。這種無負載狀態(tài)下的切換，因雙投開關是在空載下轉(zhuǎn)換，無電流通過，也就不會有電弧產(chǎn)生，沒有了電弧，觸頭就不會被燒蝕。切換觸頭是在無弧、涂油、密封的狀態(tài)下，不會被氧化。另外觸頭上涂抹了導電潤滑脂，而且轉(zhuǎn)換開關外殼全密封，使轉(zhuǎn)換觸頭與外界環(huán)境完全密閉，這樣觸頭即使在惡劣環(huán)境中也沒有氧化的問題。
CATSN的切換功能如下圖所示：
這種方式最大的特點就是不再有觸頭氧化和侵蝕的問題。分合負載電流功能的電器（斷路器、負荷開關、接觸器等）一直處于閉合工作狀態(tài)；轉(zhuǎn)換刀開關動作時，因為在完全處于無負載、無電流、無電弧的情況下，可以與外界隔離密封，外界氧氣和腐蝕性所體無法作用其上；另外轉(zhuǎn)換刀開關觸頭上可以涂抹導電潤滑脂，一則可以大大減小觸頭電阻，二則對各組觸頭更加徹底的保護。
第二個特點實際上是由第一個特點帶來的好處，就是大大地減小了設備的維護工作量，設備的使用壽命午到了極好的保證。在這種方式下，設備的維護工作內(nèi)容只剩下定期檢查控制器，不再有定期讓備用觸頭通電工作一段時間，不會因不能長期堅持不懈地做這項工作而影響設備的壽命。
第三個特點就是增加了轉(zhuǎn)換過程安全性。無負載切換雖然增加了轉(zhuǎn)換的步驟，但卻能強制性地限制了最小轉(zhuǎn)換時間，避免了轉(zhuǎn)換時間過快，電弧沒有完全熄滅引起的兩路電源間的短路；另外轉(zhuǎn)換刀開關在完全無弧情況下轉(zhuǎn)換，無疑大大增強了完全性。但轉(zhuǎn)換動作的增加無疑會延長轉(zhuǎn)換動作的時間，目前CATSN系列的轉(zhuǎn)換時間在1S至4S的范圍內(nèi)，除不能滿足停電轉(zhuǎn)換時間小于1S的場所的供電外，可滿足大多數(shù)場合的轉(zhuǎn)換時間要求。（一般電源轉(zhuǎn)換時間小于1S的有特別要求的場合，在設備與雙電源切換之間都配備有UPS、EPS設備，其轉(zhuǎn)換時間為毫秒級）
第四個特點是可以進行多回路的轉(zhuǎn)換。理論上只要有足夠的尺寸保證各回路觸頭間的電氣安全間隙和爬電距離要求，在一臺設備上可以轉(zhuǎn)換的回路數(shù)是很多的，但這個特點在通常情況下沒有太大的實際作用。
CATSN系列無負載轉(zhuǎn)換方式自動轉(zhuǎn)換開關電器產(chǎn)品外型與雙斷路器型基本一致，只是將其中的一臺斷路器替換成了一臺轉(zhuǎn)換開關；它根據(jù)選用斷路器或負荷開關而分成CB或PC級；單電機驅(qū)動；電氣機械雙重互鎖，機械互鎖保證設備只能按正常順序操作，任何不安全的情況，都被機械限制。
CATSN的產(chǎn)品已經(jīng)通過了中國質(zhì)量檢測中心3C的產(chǎn)品檢測。在經(jīng)受了多次短路故障電流后，CATSN的轉(zhuǎn)換頭無任何損傷痕跡、導電潤滑脂完好如初；6000次循環(huán)操作后，轉(zhuǎn)換觸頭表面的導電潤滑脂層依然如故。
CATSN沒有觸頭氧化問題，就不需要定期對觸頭進行維護保養(yǎng)。CATSN能保證設備無弧、無氧化安全正常運行，又減小了維護人員的工作量。
3.2需要特別指明提這種方式從電氣線路的角度上來說，并不是一種新東西，在配電系統(tǒng)一直有這種手動操作方式，特別是在高壓配電系統(tǒng)中（斷路器與隔離開關的操作）。CATSN只不過將這種方式應用到ATSE上，并進一步增加了互鎖、密封、導電保護油脂層等安全防護措施。
3.3CATSN實現(xiàn)了電源間無負載自動切換，無需再擔心觸頭氧化和電弧問題，大大提高了切換設備的安全性、可靠性，同時也提高了整個用電系統(tǒng)的安全性、可靠性。
3.4無負載（無電?。┣袚Q方式與現(xiàn)各種帶負載切換方式性能比較表
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無負載切換方式
轉(zhuǎn)換刀開關+斷路器或負荷開關 |
帶負載切換方式 |
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雙斷路器型 |
雙負荷
開關型 |
單臂雙擲型 |
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觸頭氧化及被環(huán)境侵蝕問題 |
因電源轉(zhuǎn)換觸點無滅弧要求，所以觸點可以涂抹導電潤滑油脂，并與外界環(huán)境隔離，基本解決觸頭氧化及被其它環(huán)境條件腐蝕問題； |
長期處于打開狀態(tài)的備用觸頭，因有滅弧要求，存在易氧化等問題；氧化情況嚴重時，會引起開關發(fā)熱燒毀。 |
同雙斷路器型 |
除用黃金等貴重金屬做觸頭外，普通型式同雙斷路器型 |
同雙斷路器型 |
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設備運行維護工作量 |
定期檢測控制器及機械操作，但無備用電源觸頭破除氧化層要求。 |
定期還需讓備用電源觸頭工作一段時間，破除觸頭氧化層。 |
同雙斷路器型 |
除用黃金等貴重金屬做觸頭外，普通型式同雙斷路器型 |
同雙斷路器型 |
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電源之間的電氣安全 |
轉(zhuǎn)換刀開關使電源間無物理性短路可能+無負載切換使電源間無電弧性短路可能 |
防止兩路電源間物理性連接短路的機械互鎖 |
同雙斷路器型 |
單臂雙擲型使電源間無物理連接可能，但在電弧消除不好的情況下，會引起電源間的電弧性短路 |
同雙斷路器型 |
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成本 |
因為只用一臺斷路器或負荷開關，電源轉(zhuǎn)換開關無滅弧和同步等高要求，故其有較低的構(gòu)成成本 |
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單臺設備轉(zhuǎn)換路數(shù) |
2、3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
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轉(zhuǎn)換動力方式 |
電機 |
電機 |
電機 |
電磁力 |
電磁力 |
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最小轉(zhuǎn)換動作時間 |
1S~4S |
1S~3S |
0.4~4S |
0.1~0.4S |
0.1~0.4S |
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開關級別 |
CB、PC |
CB |
PC |
PC |
PC |
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外型與體積 |
同雙斷路器型 |
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重量 |
同雙斷路器型 |
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