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电源转换开关电器在配电系统的应用

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方案描述

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摘要】电源转换开关电器(TSE)在电力配电系统中的应用直接关系到安全、可靠、连续平稳供电的质量。用户应根据不同类型的负荷,合理选用不同类型控制转换及结构方式的TSE,才能更经济,更有效地达到安全、可靠连续供电的要求。电力系统的安全可靠运行对保证国民经济的稳定发展和人民生活水平的不断提高有着越来越重要的意义。电力系统一旦发生事故,将会给人们的生产和生活带来不可估量的损失。尤其在用电供需矛盾突出的情况下,突发停电事故较多,许多企事业单位为维持正常供电,不得不在停电时采用备用电源(例如备用电网、发电机组、蓄电池组逆变(EPS)等)来供电。采用电源转换开关电器(TSE)就能使工业、通讯、金融、交通、建筑、消防、军事等领域的供配电在电源电压或频率出现非正常的偏差时,实现两路电源间的转换,从而达到安全、可靠地连续供电。


【来源】上海电器科学研究所(集团)有限公司(200063) 陈陪国


【关键词】配电系统TSE分类合理选用
1.引言
社会经济的发展、科学技术的进步以及人们生活质量的改善,促使人们对电能的需求及依赖性增强。进而提出安全稳定供电的要求。电力系统的安全可靠运行对保证国民经济的稳定发展和人民生活水平的不断提高有着越来越重要的意义。电力系统一旦发生事故,将会给人们的生产和生活带来不可估量的损失。尤其在用电供需矛盾突出的情况下,突发停电事故较多,许多企事业单位为维持正常供电,不得不在停电时采用备用电源(例如备用电网、发电机组、蓄电池组逆变(EPS)等)来供电。采用电源转换开关电器(TSE)就能使工业、通讯、金融、交通、建筑、消防、军事等领域的供配电在电源电压或频率出现非正常的偏差时,实现两路电源间的转换,从而达到安全、可靠地连续供电。
2.建筑设计规范对用电负荷的要求
按照GB50052-1995《供配电系统设计规范》的规定:电力负荷应根据对供电可靠性的要求及中断供电在政治上、经济上所造成损失或影响的程度进行分级。在我国一般将电力负荷分成三类
>> I类负荷:突然停电将造成人身死亡危险,或重大设备损坏且难以修复,或带来重大经济损失者,属I类负荷。I类负荷有两种情况:第一种绝对不允许停电,如冶金工厂的炼钢炉等;第二种允许停电一分钟或几分钟,如化纤厂的聚合电加热器等,化纤厂停电时间超过3min,喷丝头中熔体将凝结且难以修复。I类负荷至少应有两个电源。按不同要求选装相应的电源转换开关电器。


>>  II类负荷:突然停电将产生大量废品,或发生重大设备损坏,但采取适当措施能避免者,属II类负荷。II类负荷最好有两个独立电源。按要求选装相应的电源转换开关电器。


>> III类负荷:上述以外的用电设备,均属III类负荷。允许停电。例如,非成批或非流水线生产的以及手工生产的车间等,如遇停电,允许经过一段时间后恢复供电。
由此可见,I类及II类用电负荷应采用两路及两路以上电源供电。这一要求在我国建筑设计规范中明确规定,特别对高层建筑的消防供电,要求在末端一级安装自动转换开关电器。实际上,某些企业产值较高,即使属于III类负荷,也有采用二个电源供电,否则,停电一天的损失远大于增加电源的投资。

对于I类负荷供电的建筑允许中断供电的时间许多设计院在其设计规范(2)中也有明确规定(见表1)。
  表1I类负荷供电的建筑允许最大的中断供电时间

负荷情况

最大允许中断供电时间

电子计算机及其外部设备电源、通信系统等

A

4ms

B

200ms

C

1.5s

消防应急照明

消防疏散及备用照明

5s

消防安全照明

250ms

医疗设备

0.15级(极短时间)

150ms

0.5级(短时间)

500ms

15级(中等时间)

1.5s

其他(长时间)

1.5s

I类负荷供电的建筑物,采用自备发电设备作备用电源时

30s

非消防应急照明

疏散及一般备用照明

15s

金融、商业、交易场所备用照明

1.5s

安全照明

0.5s


  表1数据表明只要选装的双电源自动转换开关电器的总动作时间(从主电源被监测到偏差的瞬间起至主触头闭合备用电源为止的转换动作时间与特意的人为延时(若有的话)之和)不超过表中规定值,即便对I类负荷也可以按照不同的负荷情况选装不通类型的自动转换开关电器来满足正常供电的要求。而对其他负荷也可选装其他转换开关电器来满足正常供电要求。
  3.转换开关电器(TSE)的分类及典型用途
  转换开关电器(TSE)是指将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的电器。目前按其短路能力及控制转换方式的不同,可分为几种类型并满足不同用途的要求。
  3.1转换开关电器的分类:
  正在修订的国标GB14048.11-200X《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》(IEC60947-6-12005MOD)将代替GB/T14048.11-2002。其分类增加了按控制转换方式及按结构设计分。
  a)按短路能力分:
  ——CB级:配备过电流脱扣器的TSE,其主触头能够接通并能分断短路电流。例如断路器用于CB级。
  ——PC级:能够接通和承载,但不用于分断短路电流的TSE。例如开关电器及满足试验要求的接触器用于PC级。
  ——CC级:能够接通和承载,但不用于分断短路电流的TSE。主要由满足低压机电式接触器和电动机起动器要求的电器构成。
  b)按控制转换方式分:
  ——手动操作转换开关电器(MTSE):即由人工操作的转换开关电器。
  ——遥控操作转换开关电器(RTSE):可以选择本地进行操作。
  ——自动转换开关电器(ATSE):由一个(或几个)转换开关电器和其他必需的电器组成,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。
  c)按结构设计分:
  ——主体转换开关电器:例上述三种。
  ——派生转换开关电器:其主体部分电器满足GB14048系列标准要求的TSE.例如由二台断路器或接触器为主体和其他必需电器组成的ATSE
  3.2转换开关电器(TSE)的典型用途
  TSE一般可在一个或几个额定工作电压下用于各种负载的供电电源转换。由于各种负载不同,其额定接通与分断能力的要求也有所不同。IEC60947-6-120052.0版)《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》及正在修订的国家标准GB14048.11按其不同用途规定了相应的使用类别,详见表2
  表2各种典型不同用途的使用类别

电流性质

使用类别

典型用途

交流

AC-31

无感或微感负载

*AC-32

阻性和感性的混合负责,包括中度过载

*AC-33i

系统总负荷包含笼型电动机及阻性负载

AC-33

电动机负载或包含电动机、电阻负载和30%以下白炽灯负载的混合负载

AC-35

放电灯负载

AC-36

白炽灯负载

直流

DC-31

电阻负载

DC-33

电动机负载或包含电动机的混合负载

DC-36

白炽灯负载

*IEC60947-6-12005标准新增内容


  对应于上述各种使用类别的额定接通与分断条件见表3。其中AC-32AC-33i是按目前实际使用情况新增加的使用类别。
  表3对应于各种使用类别的接通与分断能力验证条件

电流

性质

使用类别

接通与分断能力验证试验条件

I/Ie

U/Ue

cosφ

通电时间

交流

AC-31

1.5

1.05

0.80

0.05s

AC-32

3.0

1.05

0.65

AC-33i

6.0

1.05

0.50

AC-33

10

1.05

a

AC-35

3.0

1.05

0.50

AC-36

15 b

1.05

b

直流

L/R ms

DC-31

1.5

1.05

无规定

0.05s

  由上述两表可见,由于转换电路中的负载性质的差异,电源转换开关电器在电路转换中接通与分断的电流值最低为1.5Ie,较高的达(3.06.0Ie(交流)或4.0Ie(直流)。对于特殊场合(例如医院手术室)照明用的白炽灯负载,其接通电流可高达15Ie。因而不同的TSE在操作时均应可靠、安全地完成上述性能要求的转换。
  4.不同TSE产品结构特点
  4.1CB级转换开关电器
  CB级转换开关电器配备过电流脱扣器,并能由主触头接通和分断短路电流,因而其设计上均采用断路器结构作为其主体。最常见的是采用相互机械联锁的两台断路器组成MTSE。若加装电动操作机构及相应监测电源电路的控制器即可组成ATSE。若控制器具有智能通信功能,就可以成为RTSE。在应用中选用恰当,就无需另外增加短路保护装置。该类产品使用可靠与否完全取决于断路器本身的可靠性及两台之间机械联锁的可靠性。目前制造商又开发并推出了大容量双投断路器结构的CB级转换开关。连接出线端的动触头在分别连接两个进线端的两个静触头之间转换接通或断开,提高了转换速度,缩短了转换时间。由于结构上省去了机械联锁,其可靠性也有所提高。这对用作主馈电开关来说是较为重要的。对于中、小容量的CB级转换开关电器用于二级以下乃至末级馈电较多,对可靠性的要求低于主馈电开关,要求价格便宜一些,并且电动机负载居多,因而常常选用两台断路器(例MCCB)组成的方案。
  4.2PC级转换开关电器
  PC级转换开关电器能够接通和承载但不能分断短路电流。其设计上一般采用双投开关电器结构作为其主体为多数。因其无需另加机械联锁,提高了可靠性。因其价格低而深受欢迎。同样通过加装电动操作机构及相应监测电源电路的控制器可由MTSE变成ATSE。若控制器具有智能通信功能,也可成为RTSE
  众所周知,TSE的操作程序由两个转换过程组成:如果常用电源被监测到出现偏差时,则将负载从常用电源转换至备用电源;如果常用电源恢复正常时,则将负载返回转换到常用电源。转换时可有预定的延时或无延时,并可处于一个断开位置。
  上述的操作程序仅表明:TSE在两个电源之间的转换。在实际使用中,有等电位转换,也可以有异电位转换。显然后者考核更为严酷。上述的国标GB/T14048.11IEC60947-6-1标准规定的试验线路见图1、图2


  1试验线路图1(验证三级)


  图2试验线路图2(验证二级)


  注:以上电路图仅表示电气条件,不一定表示机械条件
  由图可见,试验考核TSE的额定接通分断能力的线路是异电位转换。也就是说,连接负载端的转换触头在接通备用电源端(或常用电源端)触头之前,应确保先可靠分断常用电源端(或备用电源端)触头。否则,在实际使用中会引起两个电源短路,产生环流而引发损坏电源设备,其后果相当严重。而在试验中则造成TSE触头持续燃弧而使TSE烧坏。因此TSE触头灭弧系统的熄弧能力就决定了其典型用途,即有的只能接通分断1.5Ie,而熄弧能力高的则可达(610Ie(交流)或4Ie(直流)。特别是白炽灯负载,虽然仅分断Ie,由于需接通15Ie,若接通时触头产生弹跳也会引发电弧短路而烧损设备及TSE。虽然,在这方面CB级的触头灭弧系统结构虽则较复杂,但更容易满足上述要求。
  PC级的转换开关电器也可以采用接触器结构作为其主体。可以由两台接触器加装机械联锁组成,也可以设计成可转换两路电源的双投接触器。但是需要满足PC级的试验要求(例如承载额定短时耐受电流及额定限制短路电流试验等)。同样加装上述附件也可以使其由MTSE变成ATSERTSE。使用中,必需串接短路保护电器作为配电线路及其TSE本身的短路保护。
  4.3CC级转换开关电器
  CC级转换开关电器能够接通和承载短路电流,但不能分断短路电流。因此使用中,必需串接短路保护电器作为配电线路及TSE本身的短路保护。其结构主体主要由满足机电式接触器和电动机起动器要求的电器构成,在进行额定限制短路电流试验时受短路电流冲击后,主触头允许熔焊(满足GB14048.4要求的“2”型协调配合——即在短路条件下不应对人及设备引起危害,并且能持续使用)。由此可见,其供电负载大多数为电动机。
  5TSE在不同使用场合下的合理选择
  5.1按使用场合最大允许中断供电时间来选择不同控制转换方式的TSE
  从前述三类负荷的要求来看,多数对转换时间很短的要求不多,II类负荷只需有两个独立电源,允许在几分钟乃至几十分钟内转换至备用电源,一般采用自动转换开关电器来转换电源。尤其是III类负荷,允许停电后经过几十分钟乃至几小时后恢复供电都可以,因此可以选择较为便宜的手动操作转换开关电器(负载级)或者自动转换开关电器(负载级或馈电级)。此情况较多,可节省不少投资。既使对I类负荷,要求停电时间较短,从表1要求来看,最短的为4ms~500ms,最长的可达30s。选用自动转换开关电器能满足要求,但前者一般选用转换时间很短的双投型转换开关电器(见表4)较经济实用。其他场合采用单投组合的CB级自动转换开关电器较合适。尤其对容量小的场合,更为经济。
  表4各企业产品功能比较

制造单位

产品型号

转换电源

转换方式

电源故障

转换时间/s

结构特征

分类

电网—电网

电网—发电机

自投

自复

自投

不自复

手动

智能

控制

失压

欠电压

频率

缺相

上海电器股份有限公司人民电器厂

RMQ1RMT1

2

单投

CB

宁波奇乐电器实业总公司

QTP

0.1

双投

PC

苏州燎原电器制造有限公司

LQH1

0.23

双投

PC

上海万松电气设备有限公司

RWM

2

单投

CB

苏州未来电器公司

FDQ2

2.2

单投

CB

TCL国际电工(无锡)有限公司

TIQ1

2

单投

CB

施耐德万高(天津)电气设备有限公司

WATS

1.5-3

单投

CB

施耐德电气公司

两台或三台MTACB断路器和自动控制器组合

0.2

单投

CB

上海欧斯雅电气有限公司

OYQ1

0.06

双投

CB


  注:CB级的断路器除MCCB外,也可以是ACB
  对于无人值班的集中控制方式,则可采用遥控操作转换开关电器,按预先编制设定的程序进行智能控制,以达到最佳的连续可靠供电。
  5.2按转换电路需承担的短路能力来选择不同级别的TSE

3 CB级供电电路


  在低压输配电系统中,随供电变压器及发电机电源的容量大小及离电源远近距离的大小不同要求TSE承担的短路能力大小也不同。从经济的角度来看,一般选择CBTSE,发生短路时断路器有短路保护,而且对各种典型的不同用途的使用类别基本上都能满足。若采用CB级的ATSE,就能自动进行转换。但是选用一般的CBATSE有一个缺陷,如图3电路中,若负载A处发生短路引起Q1Q3同时短路跳闸,由于Q1进线端常用电源正常有电,因而不转换电路,使负载B(例消防泵)无电,影响正常供电。对此种情况,大多采用PC级的ATSE串接熔断器式隔离开关(或隔离开关熔断器组)作短路保护方式(见图4)。若负载A处发生短路引起Q3跳闸,Q1熔断时,PCATSE进线端失电而自动转换至备用电源,使负载B得到供电保证。这就是有些使用场合不采用CBATSE的原因。

4 PC级供电电路


  比较上述两种电路,不难可见,若图3Q1(或Q2)与下级Q3Q4采用故障选择性保护跳闸方式,就能确保Q3跳闸后,Q1就不会跳闸而确保供电。尤其是带智能控制器的断路器更能做到这一点,因而避免了上述缺陷。若在ATSE出线端发生故障,PCATSE在上端Q1熔断器熔断后转换至备用电源,接着又使Q2熔断器熔断,造成二次短路故障,而CBATSEQ1分断后不转换,从而避免了二次短路故障。这对供电电源设备的安全是至关重要的。
  由此可见,对于容量较大的电源(如变压器或发电机例)例,选用带选择性保护的双投CBATSE较合适,既经济又可靠安全。对容量中小的中间馈电级或负载级可选用PC级或单投CBATSE,特别对消防泵负载应选用双投PCATSE较适宜。对转换要求一般的负载(例水泵)则采用CCATSE更适宜,既实用又经济。
  6.结语
  电力配电系统安全、可靠、连续供电对企事业单位正常运转及人们生活正常开展至关重要。具有备用电源的场合如何合理选用各种电源转换开关电器尤为人们关注。虽然按负荷类别不同,可选用不同控制转换方式及结构方式的TSE来满足应用要求,但是对于低压总电源侧的TSE应该首选带选择性保护的双投CBATSE,使供电电路既能在故障时及时转换电源,又能在发生短路故障时得到及时切断故障电路。真正达到安全、可靠、连续供电的要求。
  参考文献
  1.工厂与高层建筑供电机械工业出版社徐玉琦编著
  2GB50045-2005《高层民用建筑设计防火规范》
  GB50016-2006《建筑设计防火规范》

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