电源端多电源转换应用方案探讨

顾怡文， 管瑞良

(常熟开关制造有限公司，常熟215500)

0 引言

随着信息技术的飞速发展和智能电网建设的深入推进，现代工业、建筑、通讯、金融、医疗及消防等领域对一、二级负荷中的供电电源系统的连续性、可靠性提出了越来越高的要求。 同时供电系统也呈现多样性和复杂性，一方面为了保证供电的连续性，避免因电力系统故障而造成停机，很多场合除采用常规的“一主一备”双电源供电方式外，越来越多地采用两电源母线分段、三电源一主二备、三电源母线分段等多形式的供电方式；另一方面为了保证供电的可靠性，避免电源间短路，要求电源转换开关之间具有机械和(或)电气联锁；而在一些特定的场合(如电厂、数据中心、工业等领域)又提出了两路电源的并联转换，实现不停电转换的要求。常熟开关制造有限公司自1998 年推出第一个自动转换开关产品CQ 系列以来，通过发挥低压电器领域的技术优势和不断自主创新，开发了完整的自动电源转换产品系列，为各类电源转换提供完整解决方案。 本文围绕多电源转换的接线形式、多电源转换要求以及供电系统架构和功能等，结合常熟开关的CA1W、CAP2 等系列自动转换开关电器产品展开应用方案探讨。

1 多电源转换形式

根据JGJ 16-2008《民用建筑电气设计规范》(以下简称“《民规》”)中配变电所0.4kV 系统母线宜采用单母线或单母线分段接线形式，结合《工业与民用供配电设计手册(第四版)》中配(变)电站低压常用接线方式，以及笔者在工作中经常遇到的其他接线方式，汇总常见多电源转接线换形式如表1 所示。

常见多电源转换接线形式 表1

2 多电源转换要求

2.1 功能性要求

根据《民规》相关条款，明确了开关类型、工作模式以及投切延时等功能性要求，具体为:对电压为0.4kV(低压系统)开关设备要求为变压器低压侧总线电源开关应采用断路器，低压母线联络开关当采用自动投切方式时应采用低压断路器。 对低压母线联络开关自动投切要求应满足“自投自复”、“自投手复”、“自投停用”三种状态要求，且自投时要有一定延时。 另外从配电系统运维来讲，除了进线电源故障时和进线电源恢复后的自动转换外，还需要考虑正常检修时的转换操作功能。

2.2 安全性要求

根据《民规》相关条款，明确了电源转换故障闭锁、电气联锁以及机械联锁等安全性要求，具体为:对低压母线联络开关自动投切要求当电源断路器因过载或短路故障而分闸时不允许母联断路器自动合闸，且电源断路器与母线联络断路器之间应有电气联锁功能，对自备电源接入配变电所相同电压等级的配电系统时接入开关与供电电源网络之间应有机械联锁要求，防止并网运行。 结合标准要求来看，配电系统主回路具有清晰的层级和物理隔离是实现电源转换安全可靠的基础。

2.3 及时性要求

根据GB/T 31142-2014《转换开关电器(TSE)选择和使用导则》，典型负载允许的最大断电时间见表2。 无论采用哪种电源转换接线形式，当电力系统发生故障导致主工作电源被断开后，为保证电网正常供电，备用电源都应能尽快投入运行，使本来因失去工作电源而断电的负载恢复供电。 从低压配电系统电源进线端来看，应考虑满足1.5s 的要求，但即使是15s 的要求，由人工手动转换也是无法保证的，因此自动转换是电源端转换的首选方式。

典型负载允许的最大断电时间 表2

3 多电源转换应用方案

常熟开关是国内最早开发自动转换开关产品的公司之一。 经过23 年的发展，已形成了7 大产品系列，分别为CB 级的CA1 系列、CA1B 系列、CA1W系列自动转换开关电器，PC 级的CAP1 系列、CAP2系列、CAP3 系列自动转换开关电器以及零中断型的CTE1H 系列，全面满足各类电源自动转换要求。电源端大容量转换方面，在原有基于万能式断路器和双电源控制器的FZZ、FLZ 自动电源转换系统多年可靠运行基础上，根据市场需求对其按照GB/T 14048.11《低压开关设备和控制设备 第6-1 部分:多功能电器 转换开关电器》进行整体认证，使得CA1W 系列成为国产品牌中第一个获得CCC 认证的电源端自动转换开关电器。 同时根据市场和技术发展需要，相继推出了CAP2 系列和CAP3 系列大容量PC 级自动转换开关电器，为电源端自动转换提供完整解决方案。

3.1 基于CA1W 的应用方案

CA1W 系列自动转换开关电器主要由自动转换控制器、转接器、执行断路器和配套电缆等构成。控制器一般采用微处理器作为控制核心，集成时间继电器和中间继电器功能，替代分立元件和PLC 方案，大大简化外围线路，同时可拓展通信功能，方便实现“四遥”，提高系统智能化程度。 以两进线一母联智能自动转换为例进行说明，如图1 所示，进线电源状况经转接器集线中转后送至控制器，控制器对两路进线三相电源的电压、频率、相位等进行检测，同时采集断路器的合分状态，当进线电源发生失压、缺相、欠压、过压等故障时根据设定的模式实现两路电源间的自动转换。 自动转换工作过程按先分后合进行控制，具有电气联锁，同时还配备合闸按钮锁避免手动误操作，多重联锁防止两路电源短路，确保供电安全性。 如果断路器因过载或短路跳闸，则控制器闭锁转换功能，只有待运维人员排除故障复位后才重新按设定的工作模式工作，满足标准故障闭锁要求。

图1 CA1W 示意图(两进线一母联)

除了进线电源故障时和进线电源恢复后的自动转换，CA1W 还具有强制转换模式，可用于正常检修时的“一键顺控”转换。 配电室正常运行时，为实现配电室检修时倒闸操作自动化，提供“一键顺控”的控制方式，对每一张顺控操作票进行建立数学模型，并将模型通过逻辑编程集成在控制器内，倒闸操作时只需通过控制器面板旋钮选择所需的操作票对应的状态，即可执行全部电源切换操作，自动实现多路电源间的一键顺控转换，整个过程无须人工操作，可以大大提高操作效率，减少误操作的风险。 一键顺控可实现非并联转换(联锁转换)和并联转换(闭合转换实现检修调电不停电)。 非并联转换过程中开关先分后合，并联转换过程中开关先合后分。 当两路电源不存在永久相角差，具备在线合环条件的场合，控制器实时检测两路电源的电压、频率、相位，在满足并联条件的情况下自动追踪同相位时刻进行并联转换，在并联完成后立即断开断路器，缩短合环时间，整个合环过程不超过100ms，实现转换过程负载不停电。

CA1W 配置相应的控制器和断路器时，可应用于一主一备、两进线一母联、一主二备三种接线方式，满足电源进线故障时的自投自复或自投不自复(自投手复)自动转换、正常检修时的一键顺控转换，主要应用见表3。 对于表1 中序6、序8 的发电机单独用于应急母线段方案，可由独立的两进线一母联方案和一主一备方案分别实现。 非并联转换转换型具有电气联锁，可选机械联锁，采用CW3 断路器作为执行开关，完全满足《民规》中自动投切方式时的开关要求、电气联锁要求以及机械联锁要求。 同时产品整体符合国标GB/T 14048.11，通过CCC 认证和电磁兼容考核，相比分立元件方案、PLC方案或自动控制器方案无整体考核或仅部分考核的情况，CA1W 具有更全面的考核，系统可靠性得到保证，确保现场使用稳定可靠。

CA1W 主要应用一览表 表3

3.2 基于CA1W 和CAP2(或CAP3)组合的应用方案

针对表1 中序号7、9 的两进线一母联一发电、两进线一母联两发电的发电机可供I、II 段母线接线系统，可采用CA1W 和CAP2(或CAP3)自动转换开关电器组合应用，满足自动转换和一键顺控转换要求，同时可解决三台以上开关接线方案无法实现机械联锁的问题。 图2 所示的采用一套CA1W(两进线一母联)和一台CAP2 自动转换开关，可实现两进线一母联一发电自动转换，并满足发电电源和市电间的联锁要求；以及一套CA1W(两进线一母联)和两台CAP2 自动转换开关实现两进线一母联两发电自动转换，并满足联锁要求。 得益于CAP2 和CA1W 配套断路器CW3 的小型化以及CW3 的双重参数整定功能，可将CAP2 和进线断路器配置于一台进线柜内，既实现了市电和发电间的电源转换，又能满足标准要求的进线侧采用断路器的要求，同时也能满足断路器对变压器和发电机分别采用不同保护参数的要求。 上述方案使得市电与市电的转换和市电与发电机电源的转换在主回路中具有明显的层级和物理隔离，供电系统架构清晰可靠，系统可靠性得到极大保证。

3.3 基于CA1W 特殊组合的应用方案

城市配网对较大型用户会采用三进线两母联供电，低压供电系统由变压器低压侧三路进线外加二组母联组成三段低压母线供电模式，对应表1 中序10、序11。 该运行模式最多只允许三台断路器处于合闸状态，且任意一台母联断路器和与其相连接的两台进线断路器三者不能同时处于合闸状态，联锁关系相对复杂，一般采用手动转换方案，配10 锁7 钥匙按钮锁的机械联锁。 如果采用电气联锁，可采用如图3 所示联锁线路方案，由于断路器一般不会集中布置，因此线路相对复杂。

图2 CA1W 和CAP2 组合应用示意图

图3 三进线两母联电气联锁方案

当特定情况下需要实现自动转换时，可采用两套CA1W 自动转换开关电器特殊组合应用。 如图4所示，1-CA1W 由QS1、QS2、QS4、WTT3 控制器及转接器组成一套两进线一母联自动转换，2-CA1W 由QS3、QS5、WTT3 控制器及转接器组成另一套特殊的两进线一母联自动转换，2-CA1W 只控制3＃进线和第二母联断路器，另一个进线开关取消，但其转接器对2＃电源进行采样，用于电源监测。 两个控制器均采集五个断路器的状态，且两控制器之间通过信号线进行控制协调。 断路器合闸线圈回路按图3 配置电气联锁，确保满足联锁要求。

图4 CA1W 特殊组合应用示意图

4 结束语

本文从常见多电源转换接线形式出发，结合相关国家标准要求，探讨了低压配电系统电源端多电源转换的功能性、安全性和及时性等要求，并以常熟开关制造有限公司的自动转换开关电器为例探讨了基于自动转换开关电器及其组合应用实现电源端多电源转换的应用方案。 从满足一、二级负荷供电连续性、可靠性及配电系统智能化来看，常熟开关的自动转换产品应用方案完全满足电源端多电源转换应用要求，是低压配电系统电源端多电源转换的理想应用方案。