CB级、PC级功能一体化自动转换开关电器的研究

2015-03-22胡雪松安徽鑫龙低压电器有限公司安徽芜湖24007安徽鑫龙电器股份有限公司技术中心安徽芜湖24007

现代建筑电气 2015年4期

叶斌, 胡雪松,2, 闫涛(.安徽鑫龙低压电器有限公司, 安徽芜湖 24007;2.安徽鑫龙电器股份有限公司技术中心, 安徽芜湖 24007)

叶斌1, 胡雪松1,2, 闫涛1
(1.安徽鑫龙低压电器有限公司, 安徽芜湖 241007;2.安徽鑫龙电器股份有限公司技术中心, 安徽芜湖 241007)

对比了CB级与PC级自动转换开关电器的设计原理,提出了CB级、PC级功能一体化自动转换开关电器的设计方案,并探讨了一些问题。指出CB级、PC级功能一体化自动转换开关电器能够提供过载、短路保护,具有结构简单、转换速度快、维护方便等优点,为制造厂生产、设计选型及用户使用提供方便。

CB级、PC级功能一体化自动转换开关电器; 传动机构; 过电流保护; 灭弧系统

0 引言

自动转换开关电器(Automation Transfer Switching Equipment,ATSE)主要用于两路电源供电系统,当电源发生故障时,将负载电路从一路(常用)电源自动转换到另一路(备用)电源。

GB/T 14048.1—2008《低压开关设备和控制设备多功能电器转换开关电器》中将ATSE按短路能力分为PC级、CB级、CC级。CC级ATSE由两个接触器、机械联锁机构组成,容易熔焊,价格低,但安全没有保障。所以,目前使用上主要将ATSE分为CB级和PC级两大类。

文献[1]将ATSE分为PC-1型、PC-2型、PC-3型、PC-4型、CB-1型、CB-2型、CB-3型等7类典型结构。

从使用区域上看,欧洲以CB级ATSE为主,北美、东亚以PC级ATSE为主。我国以CB级、PC级ATSE为主。

ATSE分类繁琐,使用受地域影响,各类规格ATSE的生产、销售共存,造成社会资源大量浪费,给设计院选型和用户使用带来不便。本文提出了CB级、PC级功能一体化ATSE设计方案。

1 CB级、PC级ATSE设计原理对比

(1) 机械设计理念不同。CB级由两台断路器、操作机构、联锁机构和控制器组成,要求机构应快速脱扣,故断路器的机构存在滑扣、再扣问题。PC级ATSE由电磁铁操动机构和专门设计的转换开关本体、控制器组成,不存在此类问题,其可靠性远高于CB级ATSE。

(2) 承载短时耐受电流要求有区别。普通断路器只能承载很小的短时耐受电流,属于A类断路器;400 A及以上电子式断路器设计能承载一定短时耐受电流,属于B类断路器;400 A以下的电子式断路器承受的耐受电流很难达到特定要求,一般也属于A类断路器。断路器主要作用:当发生短路时,触头被斥开产生限流作用,从而分断短路电流。PC级ATSE应承受20Ie及以上过载电流,承载额定短时耐受电流。

(4) 转换速度不同。PC级ATSE采用励磁驱动,转换速度快,一般在300 ms以下,能用于一级重要负荷;CB级ATSE一般采用电动机作为机构,转换速度慢,一般在1 500 ms以上,只能用于二级重要负荷。

2 CB级、PC级功能一体化ATSE设计原理

本文提出CB级、PC级功能一体化ATSE的设计方案。采用PC-3型三段式结构专用PC级操作机构、专用PC级励磁驱动,利用保护型电流互感器进行取样,在PC级控制器上增加了过载、短路保护功能,并对通用PC级产品结构及灭弧系统进行了重新设计,具有结构简单、转换速度快、分断能力高等优点,同时节约了大量的原材料,大大减小了产品体积。该设计方案使ATSE不仅具备当电源发生异常时,将负载电路从一个(常用)电源自动转换到另一个(备用)电源,同时对保护线路及电源设备具有过载、短路保护功能,且过载、短路保护可调(可关闭)。CB级、PC级功能一体化ATSE具有CB级和PC级ATSE的所有功能,若关闭其过载、短路保护功能,便是PC级ATSE。

3 CB级、PC级功能一体化ATSE设计方案

3.1 传动结构设计

以2组动触头、3个工作位为特征的专用PC-3型ATSE的传动结构为基础,采用简单可靠的直流电磁线圈作为驱动。传动结构中有3个线圈：① 合闸线圈,能让ATSE工作在常用或备用电源位置;② 导向线圈,ATSE投入备用电源的时必须导向线圈、合闸线圈同时得电;③ 双分线圈,在负载过载、短路情况下,使ATSE从常用电源或备用电源跳到中间位置。采用直流电磁线圈作为驱动能提高转换速度,且使ATSE可靠工作,通过V型转换结构实现可靠转换,保证两路电源不可能同时接通。结构中3个工作位是指常用电源位置、备用电源位置和中间位置。当ATSE工作在常用或备用电源位置时,消防信号或过流保护信号为产品提供保护。对于消防信号,就是双分位置;对于过流保护信号,就是脱扣位置,即使负载电源与两路电源都断开。

对专用PC-3型ATSE产品的结构进行调整,400 A以下采用板前接线方式,如图1所示;对于400 A以上产品,采用底面安装的板后接线方式,如图2所示,以方便用户安装。

图1 板前接线方式

图2 板后接线分式

3.2 灭弧系统设计

灭弧系统设计包括触头系统、触点材料选择、灭弧室设计。在触头系统设计时,动触头采用双刀双掷方式,以防止电源转换时电弧给电源带来影响。静触头采用U形导电回路结构,增强磁场和作用在动触头上的电动斥力,以满足过电流保护需求,提高ATSE产品限流能力。在触点材料选择上应满足过流保护特性要求,动触点要求具有优良的耐磨性、稳定性、耐电弧性,触点烧损少,熔焊倾向小;静触头材料要求具有良好的抗熔焊性和导电性、低而稳定的接触电阻以及优异的低温升特性,以提高基体银成分,使触点具有良好的电导率而又不形成稳定的氧化物,不会导致在使用过程中接触电阻急剧升高;在灭弧室设计时,采用常用电源和备用电源灭弧完全隔离方式,防止一路电源工作时因负载短路分断,产生的电弧影响到备用电源,防止电弧重击穿现象。灭弧室的栅片固定板采用产气材料,以提高灭弧性能。

3.3 过电流保护设计

在我国油气储量通报中还有一个特殊之处：在各类累计探明储量下均列出已开发和未开发两项。已开发也称已动用，即建成产能并开始正式开采；未开发者指因种种原因将该部分储量搁置不去动用。搁置的原因有三类：一为没有市场需求或限产，这时即使进行了初步产能建设也可暂不开采。此现象在沙特阿拉伯这类的产油大国常见；二类为因交通电力外输等条件不具备，这多见于某些新油田新油区开发早期；第三类是因为给出的探明可采储量在其具体的技术、经济条件下实际上不可采或采出所带来明显的亏损而难以为继。

利用保护型电流互感器进行取样,在PC级控制器上加入电流采样,实现过载、短路保护,并进行A/D转换,再进行过载、短路保护逻辑判断。当有过载电流时,按反时限曲线范围内要求的时间保护动作;当短路电流超过额定工作电流规定的倍数时,保护动作,ATSE跳到双分位置,若没有超过,则继续监测电流显示。当负载发生过载、短路超过设定值时,ATSE自动跳到双分位置,只有当卸载或短路故障排除后,才能重新回到常用电源位置或备用电源位置。

CB级、PC级功能一体化ATSE过载、短路保护方法流程图如图3所示。先由互感器进行电流采样,通过电流微处理器A/D转换,在控制器上显示电流值,分别判断显示电流值是否大于过载和短路保护设定值,若不大于过载和短路保护设定值,则返回继续电流采样;若大于过载和短路保护设定值,则进入分闸线圈动作。动作后 ATSE跳到双分位置,直到卸载或短路故障排除后,重新手动或通过合闸按键(常用或备用电源合闸按键)将ATSE投入工作。当过载保护关闭时,ATSE不具备过载保护功能;当过载与过流保护都关闭时,ATSE仅对电源异常进行转换。

图3 CB级、PC级功能一体化ATSE过载、短路保护方法流程图

过电流保护结构如图4所示。内置式结构在转换开关本体的负载接线的连接板前设计一个能够放入保护型电流互感器的内置空间,以满足电流采样。外置式结构将保护型电流互感器串在转换开关本体负载出线侧,由用户套在电缆上,以满足电流采样。

4 研究问题探讨

CB级、PC级功能一体化ATSE能否推广,还需要对以下几方面研究要点进行进一步探讨。

(1) 从产品机构传动原理上看,采用PC-3结构方式不一定是最好的。操作机构可考虑设计在中间,并前置接触系统,以保证机械传动的对称性,提高产品稳定性。

(2) 从产品过电流保护设计上看,既要考虑电流采样互感器在瞬动保护时,大电流时的饱和性影响,还要考虑ATSE与上、下级的配合特性,可考虑过电流保护特性进行多曲线可选,以满足配合需求。

(3) 从产品的过电流动作机理上看,宜改进PC-3动作方式,减小产品的过电流保护动作时间,从而提高ATSE的短路分断性能。

5 结语

CB级、PC级功能一体化ATSE将逐步完善,在使用上实现统一和通用,即ATSE能够提供过载、短路保护,具备CB级的短路分短能力和短路接通能力,具备PC级的额定短时耐受电流要求,具有PC级的快速转换性能和机构可靠性,从而实现ATSE工作可靠、选型方便、成本低、维护方便等优点。

[1] 陆俭国,何瑞华,陈德桂,等.中国电气工程大典第11卷配电工程[M].北京：北京中国电力出版社,2009.

[2] 安徽鑫龙电器股份有限公司.双电源自动转换开关及其过载、短路保护方法：中国, 201110204861.8[P].2014-03-12.

[3] GB/T 14048.1—2008 低压开关设备和控制设备多功能电器转换开关电器[S].

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《现代建筑电气》编辑部

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