铁路低压配电设计中ATSE的应用

殷 茵

0 引言

自动转换开关电器（Automatic Transfer Switching Equipment，简称ATSE）是“由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路、并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器”。ATSE用于 2路电源之间带负荷转换，当接通负载的常用电源偏差超过负载允许的范围，同时备用电源正常时，则ATSE能够在短时间内自动将负载从常用电源转换至备用电源，当常用电源恢复正常时，则自动返回至常用电源供电。

可见，ATSE用于一级、二级负荷的电源自动转换，广泛应用于建筑物电气装置设计中，随着该技术的逐渐成熟和铁路建设投资的增加，也逐步成为了铁路设计中通信、消防等重要负荷的双电源自动转换装置的设计主流。下文根据笔者几年来在包惠线、蓝烟线、玉铁线等数条长大干线设计实践经验，就双电源切换装置设计的若干问题进行探讨。

1 铁路双电源负荷概况

GB 50052-2009《供配电系统设计规范》3.0.2条规定“一级负荷应由双重电源供电，当一电源发生故障时，另一电源不应同时受到损坏”。3.0.7条规定“二级负荷的供电系统，宜由两回线路供电”。GB50016-2006《建筑设计防火规范》11.1.5条规定“消防控制室、消防水泵房、防烟与排烟风机房的消防用电设备及消防电梯等的供电，应在其配电线路的最末一级配电箱处设置自动切换装置”。TB 10008-2006《铁路电力设计规范》中明确规定通信站设备、自动闭塞区段及客运专线的通信设备均属于一级负荷，非自动闭塞区段的通信设备以及通信、信号设备配置的空调属于二级负荷。TB 10008-2006《铁路电力设计规范》4.1.3条规定“一级负荷应由两路相对独立电源分别供电至用电设备或低压双电源切换装置处，并宜采用双电源自动切换方式”。4.1.4规定“二级负荷的消防设备、为通信信号主要设备配置的专用空调、非自动闭塞区段的中小站信号设备和通信设备、道口信号设备等宜由两回线路供电至用电设备或低压双电源切换装置处”。

通信、信号设备与铁路行车和安全密切相关，该类设备中断供电在政治、经济上将会造成重大损失和影响，因此，该类负荷被定义为一级负荷，部分为二级负荷。由上述规范可见，一级负荷应由双电源供电，二级负荷宜由双电源供电，而ATSE是实现双电源切换的重要设备。因此ATSE在铁路建设中主要应用于信号机械室、通信机械室、通信中继站等重要场所，ATSE的选型应用是否合理和正确将直接关系到该类设备的安全运行。

2 ATSE的分类及区别

2.1 ATSE的分类

按照ATSE的特性，ATSE可以分为PC级和CB级。

PC级：能够接通、承载，但不用于分断短路电流的 ATSE。PC级只能通断用电设备的负荷电流，并耐受产品规定的短路电流，不能分断短路电流。目前的PC级ATSE分2种，一种是由隔离开关或负荷开关再加传动机构和控制器组合而成；另一种是完全重新设计的一体式PC级ATSE，该种产品研发周期长，成本高，但是性能优秀，可靠性高，一级负荷中的特别重要负荷宜采用该类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。按照标准定义，只要主触头具有分断短路电流能力的ATSE，就是CB级ATSE。目前市场上CB级ATSE都是采用断路器作为开关本体。

2.2 ATSE的区别

（1）开关本体不同。CB级ATSE采用的断路器多选择银钨、银碳化钨材料，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，当备用触头一旦投入使用，触头温度增高，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。

（2）驱动机构不同。CB级ATSE采用电机机构来带动断路器手柄动作，结构复杂。PC级ATSE采用励磁驱动，结构简单。结构越复杂，出现故障的几率就越高，所以PC级ATSE可靠性更高。

（3）功能不同。断路器不承载短路耐受电流，触头压力小；PC级ATSE应承受20Ie及以上过载电流。触头压力大不易被斥开，因而触头不易被熔焊。该特性对消防供电系统尤为重要。

PC级ATSE充分考虑了2路电源在转换过程中存在电源叠加问题因素。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，安全性更好。

3 设计中遇到的问题及解决方案

从PC级与CB级2类ATSE的分析不难得出结论：PC级ATSE的可靠性更高。既然如此，何不直接选用PC级的ATSE呢？主要是因为铁路上的通信设备和消防设备大多为单相负荷，而PC级的ATSE目前市场上成熟的产品均为3级和4级的型号，如果强制选用PC级ATSE，就要更换自闭贯通变压器下的供电开关及电力电缆，将单相改为三相。由此将会引起2个问题，一是在施工时要明确三相引入后选用其中具体哪相供电，以免引起变压器三相不平衡；二是会引起投资剧增，三相电力电缆的投资远大于单相电力电缆的投资，不满足经济性要求。

而目前通信设备负荷多为48 V直流设备，消防设备负荷多为24 V直流设备，双电源切换后电源变为直流供给用电设备。因此设备本身有处于浮充状态的电池，故对ATSE切换时间无要求。此外，尽管《IEC62091固定式消防泵控制器》中规定消防泵用ATSE只能够采用PC级，但是目前就笔者所接触的设计铁路的消防设备几乎不涉及消防水泵，故与该标准并无冲突。

通过上述分析，提出了以下解决方案。

单相设备（中间站通信设备、消防）选用CB级2级的ATSE，并在前端设置隔离开关，有利于日后的安全使用、维护及检修。图1为单相设备的双电源切换箱系统图。

三相设备（通信站设备）选用 PC级 3级的ATSE。由于原则上PC级的ATSE自动转换开关电器不作为短路保护电器，只作为电源自动转换开关使用，因此前端应设置空气断路器保护。图2为三相设备的双电源切换箱系统图。

关于是否断中性线，笔者也参阅了大量的文献，目前，业内普遍接受的结论是任何接地系统单相电源进线总开关应同时断相线和中性线，TN系统内三相电源进线总开关只断相线，不断中性线。首先，在三相系统中断开有关相线后，中性线电流自然消失，中性线过流问题不存在；其次，三相系统中性线触头导电不良难以发现，往往成为“断零”，导致单相用电设备烧毁，而单相系统中的“断零”不会产生该危险；此外，国内有关的防电击标准中，建筑物内的等电位联结都是必不可少的基本防电击措施，所有外露导电部分和装置外导电部分都处于同一电位，不存在电位差，检修人员接触中性线时不会遭受电击，TN-S（包括TN-C-S）系统建筑物内的中性线无需隔离；目前铁路建筑物设计中均采用 TN-S（TN-C-S）系统，综上所述，CB级ATSE选用2级型号，PC级ATSE选用3级型号。

图1 单相设备的双电源切换箱系统图

图2 三相设备的双电源切换箱系统图

4 结语

ATSE在一级、二级负荷的供电中起着重要的作用，是尽快恢复供电不可或缺的重要设备。笔者从2种ATSE的区别出发，针对铁路运营设备的特殊性，结合多年的设计经验，对ATSE的选择进行了探讨。上述是在从业过程中遇到的相关问题的思考，只是笔者从设计的角度提出的看法，观点难免偏颇，仅供同行参考，不妥之处，共同探讨。

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[3]王厚余.四极开关应慎用[J].工程建设与设计，2000，（1）：20-22.