工业与民用建筑中的重要负荷对供电电源的连续性要求, 促进了主要用于供电末端的低压双电源自动转换开关电器及其成套设备(简称双电源转换开关或ATSE) 的发展。近年来, ATSE 在新技术应用、新产品开发研制、标准制订、宣传与推广应用等方面都得到了很大的发展。以下对ATSE 主要的技术发展进行分析综述后, 介绍典型集成化KB0S 型ATSE 产品的研制与应用, 并探讨ATSE面临的问题和发展趋势。

ATSE的发展概况

发展历史

　　双电源自动转换开关的历史悠久, 在将电作为主要能源后, 由于对重要负载的供电存在不同电源间的转换问题, ATSE 必然会得到应用。但由于ATSE 需求量有限, 以往并未把ATSE 作为一种独立的或者说是某一种特定的大类产品来看待。以往的ATSE 一般都是由设计院设计、电气成套企业或用户直接用接触器、继电器、刀开关或由断路器、机械联锁、控制器构成双电源转换系统 。

　　伴随各种用户或用电系统对提高自动化程度的需求和新技术的应用, 双电源自动转换开关逐渐得到发展和应用。特别是20 世纪80 年代以后, 国外公司推出的不同型式的ATSE 纷纷进入市场。我国在20 世纪90 年代中期, 针对国内市场需求, 众多研究开发单位和生产制造企业开始专门研究开发和生产营销ATSE , 使ATSE 得到快速发展, 经历了以低压电器分立元件构成ATSE , 以模拟电路应用为主的机电一体化产品, 以高性能的新型电器元件为基础并采用以CPU 为核心的智能型专用控制器的发展历程。

　　目前的ATSE 已作为大类产品独立存在和发展, 并已有自身标准, 即国际标准IEC60947 —6 —1 : 1998 和国家标准GB/ T4048.11 —2002[2 ] 。ATSE 正是这两项标准给出的名称, 也就是自动转换开关电器(设备) Automatic Transfer Switching Equipment 的英文缩写。可以明确看出, ATSE 不同于电子技术中常用的ATS (自动转换电源) 和UPS (不间断电源) 。该产品标准是生产制造、设计使用、商业投保等单位应共同遵循的技术性法规文件, 其颁布与实施, 改变了ATSE 产品标准不一、产品质量良莠不齐、给设计院选用和用户使用带来极大不便的局面, 大大促进了ATSE 的发展。

ATSE的主要构成及其特点

　　从ATSE 的结构构成来看, 产品形式如下:
1. 以传统的刀开关为基础提高性能指标并增加双投功能, 构成基于刀开关的ATSE。目前有三种投切方式: 第一种是最简单的两个位置的双掷开关, 第二种是带有延时的转换方案, 第三种是闭路转换。按主电路的极数分, 为6 极或8 极, 开关自带机械联锁。通过加装电动控制装置, 实现自动切换功能, 并且转换速度较快。由于这种开关的通断能力所限, 本身不具备短路保护性能, 为此在其应用的系统中, 必须另加短路保护电器, 如断路器、熔断器或其组合电器。
2. 用两台接触器拼装或直接在可逆接触器的基础上增加控制电路附件, 构成基于接触器的ATSE。这种ATSE 的转换速度快, 同样由于接触器的通断能力所限, 在其应用的系统中, 必须另加短路保护器件。
3 . 由两台断路器组成的基于断路器的ATSE。除两台断路器外, 一般还有一台或两台电动机及操作机械和控制器组成, 两台断路器之间装有机械联锁和电气联锁双重保护。这种ATSE 的功能因选配的控制器不同而有很大差异。借助高性能的控制器, ATSE 除了能够对电源的欠压、失压、过压、断相、频率等进行检测并提供转换功能外,还可提供负载端的短路、过载等保护功能。但这一类产品的体积大、动作速度慢。

根据ATSE 的IEC 标准和GB 标准, ATSE 可分为PC 级或CB 级两个级别。即:
1. PC 级　能够接通、承载, 但不用于分断短路电流的ATSE。如上述的形式(1) 、(2) 。
2. 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。如上述的形式(3) 。

　　ATSE 存在的主要问题如下:
　　1.PC 级的ATSE 或基于接触器的ATSE 需要另加短路保护电器, 增大了安装面积, 使设计院在工程设计时选用的产品品种规格增加, 用户需增加备品备件, 维护工作量增大。
2).基于断路器的CB 级的ATSE 由于操作机构的固有动作时间长, 导致转换时间长, 一般需数秒至十余秒, 不能满足快速转换的要求。加之安置面积较大, 性价比不高。

　　应用方式
　　根据电源系统的不同, 以及控制负载对电源切换方式和电源恢复后的复位方式的不同要求, ATSE 在应用中又可分为如下几种:
1.自投自复(R)：对两路电源(分别称为常用电源和备用电源) 进行自动切换。正常状态时由常用电源供电, 当常用电源出现异常时, 经已设定的延时后自动切换至备用电源; 当常用电源恢复正常后, 经已设定的延时后自动返回至常用电源。
2.自投手复(S)：对两路电源进行自动切换, 在常用电源出现异常时, 经已设定的延时后自动切换至备用电源, 但当常用电源恢复正常后, 不能自动回复, 而是当备用电源再现异常才进行切换。　　
3.电网- 发电( F)：对电网和发电两路电源进行自动切换, 发电设备通常为柴油发电机组。在电网电压低于设定值时(一般为85 %额定电压) , 经发电延时指令发出发电指令(以一组常开常闭触点控制) 。当发电电压达到85 %额定电压时, 先从电网断开负载电路, 经延时发出卸载指令, 卸去次要负载(以另一组常开常闭触点控制) ,再经延时接通发电电源。当电网电压恢复正常(达到85 %额定电压以上) 后, 经延时将负载电路从发电电源断开, 再经延时, 自动切换到电网供电。

新型集成化KB0S 型ATSE的研制

　　 研制背景
　　新型集成化ATSE 产品开发来源于新技术发展与市场的需求。从标准来看, IEC60947 —6 标准由两部分构成, 分别适用于两大类电器产品, 即IEC60947 —6 —1 的自动转换开关电器(ATSE) 和IEC60947 —6 —2 的控制与保护开关电器(CPS :Cont rol and Protective Switching Device) 。我国对应IEC947 —6 —2 的国家标准为GB14048.9 —1998 。
也就是说, ATSE 和CPS 都属于多功能电器, 分别具有特定的控制和保护功能。后者的典型产品如国内开发成功的KB0 系列CPS , 可以将断路器、接触器、热继电器以及隔离器的主要功能融为一体, 以一种模块化的单一结构形式的多功能集成电器为低压配电与控制系统提供新型的理想的基础元件。应用这种新型电器, 可减少线路中所需的元件品种、规格、数量, 从根本上解决各电器之间的协调配合问题, 克服由于采用不同考核标准的电器产品之间组合在一起使用时, 保护特性、控制特性配合不协调的现象。KB0 系列产品的技术发展和应用表明, 已经具有了ATSE 的控制与保护功能特征, 如果添加适当的对电源参数的检测功能, 则完全可以构成新型的集成化的KB0S 型ATSE。

　　系统特性的协调配合与运行可靠性　　
从系统的构成来看, 系统中串联的器件越少则系统的可靠性就越高。众所周知, 当电路中出现大的故障电流时, 往往导致用户端的电压下降。对于靠电磁力保持的电器, 电压的下降将影响其保持在闭合状态的能力, 除非其电源不是取自产品本身的主触头上。譬如靠电磁力保持的接触器就很可能会在此期间打开, 导致触头的破坏或者至少是触头的熔焊。接触器产品标准规定, 进行与短路电流相关的试验时允许操作线圈有其他单独的外部电源供电, 而ATSE 的标准则规定控制线圈必须由相同的负载电源供电, 采用这种更加严酷的方法进行试验的实际意义就在于验证系统的协调配合特性, 确保最终用户使用中能够避免性能下降特别是运行可靠性方面的降低。　　
根据设计经验, 对有保持闭合要求的开关电器, 机械保持力的典型设计值为20 倍的连续电流或更高值。如果系统的ATSE 为前述的形式(1)或(2) , 伴随大电流的出现, 很有可能导致转换开关的触头断开, 毁坏系统的协调配合特性。
实际应用中, ATSE 为形式(1) 或(2) 的系统中由于必须另加短路保护电器, 构成两组串联的触头系统, 分属不同的电器。而KB0S 将上述两组串联的触头系统合二为一, 靠一组高性能的触头灭弧系统同时具有了断路器的高短路分断能力和控制转换电器的长寿命指标, 不存在一组触头进行短路电流分断的同时, 另一组触头保持闭合状态的要求, 也就从根本上避免了不同产品带来的特性配合问题。显而易见, 这种单一的集成化的ATSE , 能够提高系统的运行可靠性。

新型ATSE研制及其主要模块介绍

　为提高产品的可靠性并缩小体积, 新研制的KB0S 型ATSE 的所有零部件集成在一个塑料绝缘外壳中, 以两台KB0 主体合二为一的形式出现。总体结构主要包括: 两组进线接线端, 一组出线接线端, 承担主电路的接通与分断并提供短路保护功能的主电路接触组, 用于转换与自动控制的电磁传动机构, 电源监控模块, 控制电路和报警电路的辅助电路接触组, 面板操作机构等。
在产品内部的两组相对独立的电磁传动机构中安置鸡斗米结构形式的机械联锁装置。电磁传动机构主要由线圈、铁心、控制触点及基座等组成, 能接受通断操作指令, 控制主电路接触组中的主触头接通或分断主电路。
电压继电器的设计为模块化、电子式方案, 包括一常开一常闭无源触点, 并具有单相、两相、三相不同的采电检测方式, 分别适用于220V、380V和三相电源场合的双电源失电、欠压切换。由于采用电子器件, 对其进行了相关的电磁兼容( EMC)合格验证。
一个单独的操作机构包括旋钮和一套传动机构, 能接受每极主电路接触组的短路信号和来自其他脱扣器的故障信号, 通过串联在线圈回路的控制触点实现对电磁传动机构的断开与闭合。
根据电源切换方式和复位方式的不同要求, 对ATSE 自带的辅助触头接触组进行接线, 构成所需的控制电路, 就可分别实现前述的三种转换方式。　　　　

　　KB0S 主要参数
　　(1) 两个外形尺寸的框架等级: 45A 框架代号为C、100A 框架代号为D。
(2) 主电路极数: 3 极、4 极。
(3 ) 短路电流整定值: 16A、32A、45A、63A、100A。
(4) 短路分断能力等级: 经济(C) 型35kA ,标准( Y) 型50kA , 高分断(H) 型80kA。
(5) 过载保护整定电流范围: 最小整定电流0.16A , 最大整定电流100A。
(6) 电压故障检测: 单相、两相、三相欠压或掉电。

KB0S 的应用

　　KB0S 主要应用在不允许中断电源的一类或部分二类重要供电场所, 特别是要求转换速度快、安装结构紧凑的场合, 如医院、银行、化工、高层楼宇、邮电通信、军事设施等。　 　　

KB0S 面临的问题和发展趋势

　　KB0S 在主电路的控制保护方面有很大的发展, 但在控制器方面还不够完善, 需进一步开展以应用电子、CPU 为核心技术的智能化的各种功能检测、选择性控制、友好的人机界面、网络化与遥控、遥信等方面的研究开发工作。同时, 还要尽快开发更大电流规格特别是200～630A 的产品, 以满足市场需求。