自动转换开关综述

＊曾耀传

（福建省特种设备检验研究院 福建 350008）

随着我国经济实力的飞速发展，对电力供应的连续性需求逐步上升，如不能满足一些重要场所的连续用电需求将会造成严重后果，比如医院突然停电不仅会造成较大的损失，同时还可能延误病人的最佳救护时间，造成意外。此外机场、核电站、军事设施以及一些大型生产线等对于电力需求庞大的场所在停止供电后会出现巨大损失[1]。所以为了满足这些重要用电场所的连续性供电需求，我国的电力供应系统也在不断完善。一般采用主、备两路独立电源供电模式来保证供电连续性，所以当主电路电源出现问题时，我们需要用自动转换开关电器（ATSE）来完成主、备两路独立电源的自动切换以保证供电的持续。

ATSE是Auto Transform System Equipment的缩写，主要用于需要连续供电的场合，其至少有两路电源，工作时一路电源与负载连接，当该路电源出现故障不能供电时，可以自动断开，并把负载连接到另一路电源上，从而实现稳定连续的供电。经济水平提高的同时也使得用电需求不断上升，而且还是持续稳定的电力需求。因此，市场上对ATSE的需求正在逐年增加。

1.ATSE的结构

ATSE由两部分构成：开关本体和控制器。开关本体是ATSE的核心，为机械部分，执行控制器发出的切换命令，完成主、备电源之间的切换操作。ATSE类型不同，开关本体差别较大，主要由接触器、断路器、负荷开关等设备组成[2]。控制器的功能则是检测主、备两路电源的接通状态，属于电子部分，当控制器检测到某一路电源接通异常时，就会给主体部分发出主、备电源切换指令。驱动机构接收到信号带动操作机构完成触头的切换，保证供电持续性。

2.ATSE分类

ATSE的两个主要组成部分是控制器和开关本体，其中控制器的主要功能在于监测两路电源的连接情况，当某一路供电电源出现问题时。控制器便会给主体部分发出切换指令，当开关本体接收到来自控制器的指令后就会切换到另外一路电源，保证供电的连续。而开关本体又分为两种，第一种是有整体式的PC级、第二种是带有断路器的CB级。PC级：具有接通电源，承载负荷的功能，但不可用于分断短路电流。PC级自动转换开关主要特点是转换动作快，转换只需0.1-0.2s，其次，就是体积小，不需要太多安装空间，除此之外，PC级ATSE没有过电流脱扣器，尤其适用于消防泵这些场所的应用。CB级：与PC级不同，这种ATSE上面配带有过电流脱扣器，CB级ATSE的主触头同时具有接通电流和断开电流的的功能。CB级自动转换开关也有缺点，比如其切换时间较长，转换需1-5s，但因其用两台断路器，各有各的电弧熄灭措施，不会形成两电源短路故障，所以CB级ATSE一般均带有过压、欠压、缺相、相序、切换延时、返回延时等动作阀值设定。我国市场目前存在的四种双路电流转换产品，分别是接触器、断路器、电动负荷开关、PC级（一体式）ATSE。

相比于国外而言，我国的ATSE研发较晚，在21世纪之前，我国主要依赖西方国家生产的ATSE产品，到了21世纪，在改革开放政策以及经济全球化的催化下，本土ATSE企业迅速发展起来，为了ATSE企业生产标准化，国家质检总局在2002年颁布了GB/T 14048.11－2002《低压开关设备和控制设备第6部分：多功能电器自动转换开关电器》国家标准，并在2016年对该标准进行了更新，使其成为3C认证的技术法规。

目前市面上占比最高的ATSE产品类型当属PC级，大约占据了70%的市场，并且还在朝着更高的市场占比发展，ATSE市场份额占比第二高的当属CB级，大约占据了28%，但目前处于持续缓慢下降趋势，CC级已很难在市场上见到，生产CC级的企业也逐渐面临重组或者产品更新换代的局面。因此，未来的ATSE主流产品类型极大可能是PC级的，尤其是一体式的专用型PC级ATSE将占据绝大部分两路电源转换开关市场。

3.国内外发展现状

ATSE的发展可以粗略的分为三个阶段。首先是基于双接触器模式的ATSE，其主要是通过两台接触器搭接的方式实现电源的切换。由于使用的接触器不具短路保护功能，因此该阶段主要是以CC级ATSE为主。深圳强电通科技公司的QTS1系列就是以交流接触器作为主触头的产品[3]。还有一种类似的产品是双继电器模式，但是由于使用寿命短，现在基本被淘汰了。其次是双断路器加机械连锁模式的ATSE，因为具有短路保护能力，因此属于CB级产品，所以使用范围较广。最后是成套一体机的ATSE，这是现在比较多见的一种集成化程度较高的ATSE，其主要采用特定的电磁或电机驱动，外加设定的控制系统实现触头的自动切换功能。由于具有特定的操动机构，因而一体式的ATSE具有较高的可靠性。但是由于带有保护特性的ATSE设计较困难，因而一体式的ATSE主要属于保护性不强的PC级产品。

(1)国内发展现状

我国企业从20世纪90年代开始，天津低压电器厂首先研制生产了具有自主知识产权的ATSE，其产品主要是基于两台断路器再加机械连锁装置设计而成。随后，上海欧雅斯电气有限公司研发了各种型号的ATSE，典型代表为QYQ1系列整体式ATSE，其具有CB级和PC级的功能，通过对触头材料方面的深入研究和创新，转换时间缩短至约60ms，该时间比PC级一体式ATST略小[4]。上海华通开关厂研发的SQ30Z具有机械连锁和电气联锁的双重保护，另外还有远程调试与通信功能[5]。广东顺开电气集团研发了一种具有独特转换方式的操动机构，从而实现断路器的通断功能[6]。杭州之江开关有限公司研发的HSQ6属于PC级ATSE，该产品不会有同时通电的现象发生，而且转换时间也较短[7]。浙江天正智能电器有限公司研发的THQ1-63，通过对操动机构的优化设计，使操动机构的稳定性得到了大幅提升[8]。深圳泰永科技股份有限公司研发的TBBQ12，采用控制系统与开关本体完全分离的模式，大幅减小了电磁干扰和机械振动的影响[9]。

我国一些科研院所和高校也对ATSE进行了一系列的研究工作。王舜尧[1]设计了一款具有智能化功能的控制器，该控制器具有强制工作、间歇工作、自动工作和停止工作共4种工作模式，并可调整欠压上下限值和切换延时时间。李强[10]基于单片机，实现了上位PC机与智能ATSE之间通信的功能。一些研究还分析了转换开关控制系统的工作原理，利用单片机对电源状况进行实时监控，并设计出相应的控制电路，从而提高准确率和灵敏度[11-12]。另外，王兴利针对ATSE结构复杂、体积大和功能少等问题，优化开发了一种小型ATSE[13]。

(2)国外发展现状

国际上，美国偏向于研究可靠性能好和响应速度快的ATSE，所以产品属于PC级一体式的ATSE。其中美国的阿斯卡（ASCO）公司，在1920年就开发了第一代一体式切换开关，如今ASCO公司研制生产的ATSE，占据了美国近6成的市场。美国的通用电气（GE）和康明斯（CMI）等公司也是ATSE研发生产的主要企业。与美国不同的是，一些欧洲国家，如法国、瑞士等研发生产的ATSE，更加注重产品的短路保护功能，因此主要属于CB级，主要以法国的溯高美（SOCOMEC）、施耐德（SCHNEIDER ELECTRIC）和瑞士的阿西布朗勃法瑞（ABB）生产的产品为代表。

4.ATSE的应用

自动转换开关的应用越来越广，尤其是在石油化工行业、煤矿行业、建筑行业、消防安全、机场码头以及医疗等重要行业。

石化工业规模发展得越来越大，一般情况下不允许出现断续生产的情况，所以对于连续供电要求极高，一旦供电中止，会造成很大的经济损失甚至爆炸或引起火灾。如若条件过于苛刻，比如在深海或者沙漠等极端地段进行石化生产时，电力难免出现问题，但是至少要确保生产装置能够平稳进入停工状态，防止因电力突然断开而出现的生产意外，如火灾、爆炸等事故，否则企业将承受巨大经济损失；对于民用建筑，当建筑层数达到一定时，有关于消防类用电的要求在最末一级配电箱处设置自动切换装置。对于消防电源，可靠性要求很高，消防负荷国标要求必须使用PC级ATSE[14]；由于PC级ATSE的稳定性以及安全性，一般将其用于医院，办公楼等公共建筑的配电转换；信号塔等通讯设备，大型服务器等也首选PC级ATSE[15]。

在煤矿行业中，由于环境较恶劣，光线、温度以及湿度等条件较差，ATSE控制机构中的电子元件性能容易受到影响，导致参数偏移和线路信号偏差等问题，降低ATSE在使用过程中的可靠性[16]。如果环境有较大的湿度，在使用过程中自动转换开关的控制器以及外部区域容易出现凝露的现象，这样容易产生短路甚至烧坏的风险。所以一些使用环境比较恶劣的场合对ATSE控制机构的可靠性提出了较高的要求，可以通过使用有效的预防措施对其关键电子元件进行防护，从而确保ATSE在使用过程中的稳定性和有效性[17]。

不同的使用环境中对ATSE的要求有所不同，对于消防、化工、医院等供电连续性要求高的场合，对ATSE的切换速度提出了较高的要求，像煤矿这些环境条件差的场合，必须对电子元件进行必要的防护措施。所以，选择合适的ATSE至关重要。

5.如何选择ATSE

经济的快速发展所带来的影响有好也有坏，好处在于经济的发展使得国民生活水平上升，不好之处则是现代生活和工业用电的需求越来越大，如若缺少电力供应会影响大部分人的生产生活，所以现在要求双路供电的场合越来越多，因此，有需求就会有市场，生产厂家也在增多，但不同的生产厂家生产的产品类型和质量又有所区别，所以在选择ATSE时应注意以下问题：

(1)工作方式

ATSE的工作方式分为自投自复和自投不自复两种，自投自复式ATSE的控制器一直保持着对常用电源和备用电源的监控，一旦常用电源发生故障，备用电源状态正常时，控制器会发出信号给开关本体，完成常用电源到备用电源的切换，常用电源故障解除时，控制器将新的信号发送给开关本体，这时开关本体再将备用电源切换回主电源。自投不自复又包括互为备用和自投手复，互为备指的是主电源与备用电源没有主次之分，只有当某一路电源出现故障时才会切换到另外一路电源，否则一直使用未出故障电源，即使当原故障电源恢复也不自动切换回主电源。自投手复指的是当电源切换到备用电源时一直保持稳定不变，只能通过手动将其恢复到主电源[18]。

用户在选择ATSE时，选择哪种工作方式也十分重要，自投自复是常用电源正常时，返回常用电源，适用于常用电源为电网备用电源由发电机提供的模式，但是发电机成本太高，所以当主电源恢复正常时，依然使用电网是更加节省的选择。然而当两路都是电网供电时，选择互为备用的工作方式，因为每发生一次转换负载就会停一次电，选择自投不自复的工作方式可以使负载少停一次电。自投手复的方式一般适用于电梯、广播等负荷[19,20]。

(2)ATSE转换动作时间

目前市场上最为流行PC级和CB级两类双电源开关，CB级ATSE的切换速度慢，总动作时间一般在2000-3000ms，PC级ATSE有两位式（两段式）和三位式（三段式），二位式开关主触头仅有常用电源和备用电源两个工作位，切换速度较快，总动作时间一般为350-600ms，三位式触头有常用电源、备用电源及零位三个工作位，零位是主触头处于空挡，便于用户维修，三位式ATSE的切换速度较慢，总动作时间一般为2000-3000ms[21-22]。

如若对转换时间有特殊需求的可以选择使用二位式PC级自动转换开关，比如医院、超级市场、证券交易中心等，就要求转换时间尽可能短。至于对转换时间没有特殊要求的或者要求不严格的场合可以使用其他级别ATSE，如CB级。例如，在已经配备了UPS的机房中使用的ATSE可以选择CB级，因为UPS本身可以维持供电10min以上，这种情况属于对转换动作时间要求不严格的状态，所以此时选用CB级ATSE可以有效降低投入。另外对于负载电路中感性负载比较多，转换时分断和接通电流大，快速切换反而对负载不利时，也应选择CB级ATSE。

6.结语

自动转换开关作为一种重要的低压配电产品，它的稳定性及可靠性对于供电的连续性至关重要。ATSE的发明对于电力系统的发展起到了至关重要的作用，保障了很多重要场合供电的连续性，提高了生产的稳定性，然而要使ATSE更加广泛的应用于生产生活中，还面临着很多的问题，比如提高触头切换速度、快速灭弧、减小装置体积等。对于我国自动转换开关电器的研究机构和生产制造企业，还需要进一步的优化ATSE结构，以制造出大批高质量的自动转换开关电器。这些问题的研究解决需要各行各业相关企事业以及人员的协同配合。通过不断优化ATSE结构，最终生产出安全高效的装置。