自动电源转换开关电器(ATSE)综述

自动电源转换开关电器（ATSE）综述

An overview of Automatic Transfer Switching Equipment（ATSE）

[摘要]自动电源转换开关电器(ATSE) 作为保障连续可靠供电的一种电气开关设备，已得到广泛应用。本文详细阐述了ATSE的定义、发展现状、分类、结构形式等，并比较分析各类型ATSE的特点及其应用的技术要求。在设计、使用中更合理的选用双电源自动转换装置，保证供电的可靠性。

[Abstract] As a electric switch equipment for guaranteeing of a continuous and reliable power supply, Automatic Transfer Switching Equipment(ATSE) has been used widely. This paper describes the definition, development status, classification and structure of the ATSE. Furthermore, the characteristics of various types of ATSE and application of technical requirements are analyzed comparatively. More rational ATSE used in project are very important for the reliability of electricity supply.

[关键词]自动转换开关电器；发展；现状；应用

[Key Words] Automatic Transfer Switching Equipment; Development; Status; Application

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0 引言

随着电力事业的发展，电力质量日益受到人们的重视。而供电的连续性是电力质量中一个重要的方面，对于一些重要的用电部门如医院、机场、大型生产线、发电厂、银行、高层建筑、军事设施等重要场所[1]，一旦失电会造成巨大损失。保证供电连续性，通常的解决办法是给供电对象提供主、备两路的电源。由此推动了转换开关电器ATSE的发展。ATSE（Automatic transfer switching equipment的缩写）是自动转换开关电器的简称，即由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于检测电源电路，并将一个或多个负载电路从一个电源自动转换到另一个电源的电器。随着工业的发展、自动化程度的普及、人们对电源可靠性的要求越来越迫切，由此双电源转换开关的重要性日益提高。ATSE已成为低压配电系统中一个不可缺少的重要组成部分。

1 ATSE的现状

双电源自动转换开关的历史悠久，在将电能作为主要能源后，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。自动转换开关电器（ATSE）早在100年前在美国就得到应用，UL1008(1903)是世界上最早的一部有关ATSE产品标准[2]。国际电工委员会（IEC）于19年6月发布了第一版《自动转换开关电器》标准（IEC60947.6.1）。目前，国外ATSE有3大代表产品：以法国为代表的欧式组合式（断路器式、刀开关式）产品、以日韩为代表的励磁隔离（负荷）型产品、以美国为代表的一体式转换开关型产品。从产品的技术参数、产品性能及机构等方面对比,美国的ATSE产品引领着当今世界的潮流（如美国ASCO产品）[3,4]。

我国自动转换开关电器的研制和生产在20世纪90年代初还处于空白状态，也无国家标准。国内许多需双电源切换场所不得不采用普通接触器作为投切电器或采用手动双投刀开关、两只塑壳开关及断路器联合使用达到双电源转换这一目的。这种产品可靠性、安全性存在较大隐患。90年代中期，针对国内市场急需高性能、高可靠自动转换开关的现状，日本、法国、德国、美国等国外的自动转换开

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关电器先后进入中国市场，在一定程度上满足了我国市场的需求[5]。

目前国内生产ATSE产品的企业约几十家，但由于其产品性能及产品质量不一，给设计、使用部门选用造成一定困难，也由于对ATSE使用和选用不当，给国家财产造成一定损失。为了规范自动转换开关电器（ATSE）产品的生产与选用，国家质检总局于2002年12月颁布了GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》（等同IEC60947.6.1-1998）国家标准，2003年4月1日实施[6]。该标准是生产制造、设计使用、商业投保等单位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、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。

2 ATSE的组成

ATSE一般由开关本体和控制器两部分组成。开关本体接在主电路上作为ATSE的执行机构，不同类型的ATSE本体差别较大，一般由接触器、断路器、负荷开关等设备组成，是ATSE的核心[7] 。其具有电气上和机械上的可靠联锁，以防常用电源与备用电源同时接通。本体的性能取决于主触头的结构、材料、动静触头连接方式、触头压力、同步性、超程、动触头开启速度、灭弧方式等， ATSE的电气性能基本取决于此。图1为自动电源转换开关典型应用示意图。

ATSE控制器用来检测被监测电源（两路）工作状况，有两种形式:一种是由传统的电磁式继电器构成；另一种是数字化智能产品。后者具有性能好、参数可调及精度高、可靠性高和使用方便等优点，因此得到较为广泛的应用。智能化控制器工作原理为：在单片机中存储判断电路信号正常或异常的标准值，将采集的信号与之进行比较，当被监测的电源发生故障（如任意一相断相、欠压、失压或频率出现偏差）时，控制器发出动指令，开关本体则带着负载从一个电源自动转换至另一个电源[8,9]。

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备用电源主电源输入开关本体控制信号双电源转换开关机械连锁输入检测MCU反馈检测负载1负载2负载n

监视器

图1 自动转换开关典型应用 图2 双电源转换开关控制器的原理框图 双电源自动转换器是具有自动检测自身故障、自动测量、自动控制、自动调节与远方控制中心通信功能的智能电器设备。其装置的智能性通常需要以下几个部分来联合实现：输入检测部分，信号处理与控制部分（MCU），反馈检测，执行部分和电源部分。双电源自动转换器的原理框图如图2。

由图2可见，输入检测部分在自动电源转换器中起着重要的作用。双电源自动转换控制器根据传感器输入的检测信号情况进行动作，因此传感器应该将智能电器所需要的信号变换成信号处理单元所能够识别的电信号。信号处理与控制部分主要由微处理器及软件组成，是自动转换器的关键技术。它能够存储判断信息，控制执行机构的动作，又可以对检测部分送来的数据进行监测。控制执行机构是按照系统切换负载的要求来执行动作，是转换器实现对用电设备进行控制和保护的主要形式之一[10]。

自动电源转换开关的发展包括控制器和开关本体部分的发展。控制器的发展集数字化、智能化、网络化于一身，具有可编程、自动测量、数字通讯等功能。当今ATSE控制器的智能化发展对于处理单元的实际设计、制造中有多种选择。如Microchip公司的基于精简指令集（RISC）的PIC系列单片机PIC18F65J10，它具有低电压、低功耗及易于使用等特点，并且PIC系列之间的无缝产品移植路径为嵌入式控制设计提供了完全的向上兼容性。采用Samsung公司的S3C44BOX作为微处理器，在高性能、低代码规模、低功耗和小的硅片 尺寸方面取得良好的平衡。减少了系统电路中除处理器以外的元器件配置，从而最小化系统的成本。采用ATMEL公司的C51系列单片机作为微处理器，大大提

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高了转换电压和时间精度，还具有设置方便、应用范围广等优点，提供了一种灵活性高且价格低廉的选择[11]。ATSE本体应具备很高的抗冲击电流能力，可频繁转换，具有可靠的机械连锁。双电源转换开关发展融合了现代材料、机电、测量、控制和微机技术。产品不断更新换代，技术性能不断提升，促进双电源转换开关向大容量、高分断方向发展。当前国际上双电源转换开关的发展趋势是:小体积、大容量、短路分断能力高，结构模块化、操作安全可靠、产品性能智能化等。

开关本体决定ATSE的电气特性，控制器决定ATSE的转换特性。一个技术先进、可靠性高的ATSE必须在开关本体部分和控制器部分都达到相应的水平，任一部分的不足，都是整个ATSE的缺陷。

3 ATSE的分类及比较

3.1. 根据有无短路电流分断能力分类

IEC60947.6.1标准对自动转换器分类的描述为：按自动转换器有无短路电流分断能力（short-circuit capability）将其分为PC级和CB级，二者的差别主要在于本体。

PC级ATSE采用接触器或负荷开关作主开关，能够接通、承载线路负载，不能分断短路电流。CB级ATSE采用带有电动操作机构的塑壳式断路器（或万能式断路器）作主开关，既能接通、承载线路负载，又能够接通、分断短路电流。

PC级具有结构简单、自身连锁、转换速度快（可达50ms）、可频繁操作等优点，并且可承受20Ie

及以上短路电流，触头压力大不易被斥开，触头不易被熔焊。CB级动作较慢（2000-3000ms左右），出现非电源故障（如过载、短路）时会自动切断电源，供电可靠性不高。因此PC级ATSE具有更广泛的发展空间，但是CB级接线简单，相对于PC级不需要加装限流设备，适合对电源转换时间要求不高的场合[12,13]。

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CB级ATSE的可靠性不一定完全低于PC级。一款由上海汉萨·欧雅斯电气有限公司推出的OYQ1一体化自动转换开关就具有较高的可靠性。OYQ1系列自动转换开关是一种以双电源转换为目的而专门设计的转换开关电器，其外形采用一体化设计，与一般的PC级ATSE相似，很好地解决了转换时间（毫秒级）、触头压力等问题。可见ATSE的可靠性并不取决于是PC型还是CB型，而是取决于该ATSE是不是采用专门设计的一体化结构。合理的设计、简单的结构、快速的动作、良好的触头材料才是ATSE可靠性的重要保证[14]。

3.2. 根据触头工位分类

ATSE按工位可以分为二位式和三位式见图3。二位式ATSE开关主触头仅有两个工作位（也称二段式），即“常用电源位”与“备用电源位”，负载不会出现长期断电情况，供电可靠性高，转换动作时间快。三位式ATSE开关主触头有三个工作位（也称三段式），多一个“零位”。主触头可处于空挡，即主触头由“常用电源位”转到“零位”，再由“零位”转到“备用电源位”[15]。

电源主电源备用电源零位正常备用正常备用M~负载1M~负载2M~负载1M~负载2两位式三位式

（a）（b）

图3 两位式和三位式结构图 图4 负载转换应用

由图3可以看出，三位式的ATSE在两个电源切换之间有一个零位，可以较长时间切断对电源的供电，这一点有时很有用处。当两个电源切换时，电网存在电压闪变或电源瞬态波动，如果ATSE不能有效地躲过电压闪变或瞬态波动，会造成ATSE的误动作。特别是当电源质量不高（如应急发电机

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供电系统），ATSE应有适当的延时。另外在带高感抗或大电动机负载转换时，会产生较强的冲击电流，为易熄灭电弧和避免冲击电流，使ATSE经零位转换。三位式ATSE还有一个用途，当发生火灾而需要切除非消防类的重要负荷时可以使用三位式ATSE。三位式ATSE控制器可以自动将ATSE切换到零位，以达到切断电源的目的。

相对于三位式ATSE，二位式ATSE转换动作时间快， 二位式PC级ATSE总动作时间一般在50-250ms；三位式PC级ATSE总动作时间一般在350-600ms [16]。对于允许中断动作时间较短的负荷的供电更适合使用二位式ATSE。

3.3 根据结构形式分类

接触器式ATSE，用两台交流接触器和一些联锁装置搭接而成。断路器式ATSE，用两台断路器和外在的机械联锁装置组合而成。负荷开关式ATSE，用两台负荷开关和一套内置的联锁机构组合而成。双投式ATSE，用电磁力驱动、内置的机械结构保持状态，单刀双投一体化的转换开关等。

负荷开关和接触器双投型的ATSE都属于PC级，本体只能作为自动转换开关使用，不具备过载和短路以及其他保护功能[17]。断路器和控制保护器投切型的ATSE都属于CB级，本体作为自动转换开关使用外，还具备过载、短路以及其他保护功能，从而实现对负载的两段或三段及其他保护功能。

3.4 根据不同电源系统及电源切换和复位方式分类

电网-电网间自投自复。适用于两路市电主、备用系统，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。

电网-电网间自投手复。适用于两路市电主、备用系统，在常用电源出现异常时，经已设定的延时

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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，直到备用电源出现异常时，控制器根据事先设置的延时时间发出指令，将开关自动切换至主供电源侧 [18]。

电网-发电电源间自投自复。适用于市电为主供电源，发电设备为备用电源，发电设备通常为柴油发电机组。用于电网—发电机转换时有起、停发电机的信号输出，只能自投自复。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。当发电电压达到85%额定电压时，先从电网断开负载电路，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，自动切换到电网供电。

4 ATSE的应用

作为双电源自动转换使用的ATSE开关设备，除了完成负载在两路电源间的选择和转换功能外，还必须考虑供电回路中的种种复杂情况（如短路电流的冲击、过负荷、设备频繁操作等），所以ATSE本身还必须具有自我保护能力和适用性。在实际工程设计中，对ATSE的选择应从技术角度出发，充分考虑供电系统的配电方式、转换时间及负载使用性质等实际要求。供电要求苛刻的场所应使用高可靠性的ATSE，并以短路电流校验ATSE的遮断电流，以市电的可靠性决定ATSE转换的频繁性。ATSE针对不同的电流性质及不同负载性质，具有不同的使用类别，其控制负载的能力，直接影响到转换的可靠性和安全性。在ATSE设计选型时，需根据具体情况选择。

4.1. 双电源放射供电情况ATSE的应用

消防负荷容量大且比较集中时，需要在低压配电室的母线上直接放射做双电源转换，或因电源进线后需要直接做双电源转换的场合，如消防水泵房等，这类转换方案宜选用PC级的ATSE，而不宜选用CB级的ATSE，以避免因其本体故障而影响电源的转换，造成重大损失，若需要加装保护电器时可另外选择。

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4.2. 市电与发电机转换情况ATSE的应用

市电与发电机组电源转换时，应采用三位式的ATSE。因为当正常电源发生一相断相时，ATSE应切断电源，将ATSE置于零位，待发电机稳定送电一定时间后，再置于发电机位置。转换一般都在低压配电室的母线上集中装设，以便于使用和维护，由于发电机组输出柜已装保护电器，这类转换方案宜选用P C级ATSE[19]。

4.3. 按时间转换ATSE的应用

ATSE转换时间对于电力系统的影响很关键，每一次转换都是一个断电过程，会对系统产生一些影响。不同的负载和电源状况，对转换时间有不同的要求。有“中断”的转换设备为防止电力设备（如大功率电动机）断电即起动可能造成机械损伤或对设备产生冲击时，可选用带有延时型ATSE，这种ATSE适用于电动机、变频器、整流器负载及特殊的医疗设备负载。

无“中断”的转换设备为减少在电源转换过程中的瞬间断电对高强度气体放电光源等，而不能连续照明所带来的不便和损失，可选用瞬间闭路式转换开关。ATSE一般是不允许带大型电动机或高感抗负载转换。如大电动机类负载在运行中切换，电源相位差较大时将受到巨大的机械应力。

4.4负载转换和双电源及两路设备转换的应用

如图4-(a)所示对于关键的电气设备，如消防泵、消防排烟机、防火卷帘门等消防设备，需要有两套设备[20]。如果一套设备发生故障，可通过ATSE自动转换至另一正常设备而继续工作。

图4-(b)所示需用两台ATSE，一台用于一主一备双路电源的自动转换，另一台对一主一备的设备进行自动投入使用。这个方案在目前应用较为广泛，它同时考虑了电源和设备，对确保关键用途设备的正常运行提供了保证。

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4.5 ATSE极数的选择及应用

通常ATSE有二极、三极和四极之分。根据配电系统的不同，可以选择不同的开关极数。一般单相电路采用二极ATSE，三相电路中两套系统中性线(零线)有共同的接地点(零线地线短接点)，选择三极的ATSE，对于两个输入电源来自于不同的接地系统，则应采用四极ATSE。带剩余电流保护的双电源转换开关也应采用四极型开关。采用四极ATSE可以实现三相电路带中性线的转换，目的是保证两个系统运行中做到完全隔离。从维护的角度看，四极的ATSE优于三极的ATSE。对于后者，如果常用电源离线维修，备用发电机运行向重要的负载供电，备用发电机仍然依靠常用电源的地线作为接地保护，中性线没有被断开，三极ATSE供电方式就存在一个严重的安全问题。

5 结语

自动电源转换开关设备（ATSE）作为一种重要的低压配电产品，它的可靠性对重要负荷的供电非常重要。本文分析了ATSE的发展情况，比较不同类型设备的特点及应用，对设计、使用部门的选择具有一定的指导作用。

ATSE应用在我国尚属初级阶段，对电源转换过程中的暂态特性还不清晰，关于电源转换时对设备的影响研究较少。目前还有许多技术问题需要进一步探讨和解决，产品质量也需要进一步完善与提高。

参考文献

[1] 王舜尧，姚建军，王汝文．一种多功能双电源转换智能控制器[J]．低压电器，2002，(4)：29-31

[2] 曲德刚．自动转换开关电器(ATSE)的选择与应用[J]．低压电器，2003，(1)：56—58. [3] 周国良．当前双电源转换开关的现状及发展．江苏电器，2000，(2)：4-7 [4] 李为良．浅谈ATSE选型及存在的误区[J]．低压电器，2009，(3) ：56-58

147

[5] 曲德刚，焦孟．国内外ATSE标准主要内容的对比与分析[J]．建筑电气，2006，(5)：17--21 [6] GB/T 14048．11-2002低压开关设备和控制设备第6部分：多功能电器第一篇：自动转换开关电器[S]．

[7] 张正红．浅谈自动转换开关[J]．电气制造，2008，(1)：40-41

[8] 李雨，丁鸿杰，齐从谦．双供电系统实时监控和自动切换装置的研制[J]．工业仪表与自动化装置，2003，(5)：58--61

[9] 曲德刚，徐建兵．合理选择与使用自动转换开关电器(ATSE)[J]．建筑电气，2005，(1)：4-8

[10] 蔡志远，谢涌泉，马少华等．智能化集成低压电器[J]．低压电器，2003，(5)：29-32

[11] Feng Ansong，Xie Di，Ge Xiaoyu．The design of ATSE controller based on MCU．Control & Measurement[J]． n 4，237-9， April 2007

[12] 钟玲，钟建国．双电源自动转换开关电器ATSE的选择与应用[J] ．陕西建筑，2009，167：13

[13] 陈德桂，耿英三．开关电器的智能操作[J]．电工技术杂志，2001，(4)：26-29

[14] 高小平．兼具PC型特性的CB型自动转换开关[J] ．低压电器 ，2008，(14)：55-56

[15] 骆庭勇．浅谈自动转换开关电器ATSE的电气设计[J]．山西建筑，2009，35，(4)：225-226

[16] 郭剑平．自动转换开关电器(ATSE)设计标准及运用[J]．河北建筑工程学院学报，2006，24，(4)：114-118

148

[17] 金璞．自动转换开关应用中的几个问题[J]．工业科技，2008，37，(1：20-21

[18] 胡景泰．新型集成化ATSE的研究[J]．电工技术杂志，2003，(11)：25—28

[19] 任红，罗杰.双电源转换开关电器的选择与应用[J]，电气应用，2005

[20] 王丽娟．浅谈PC级ATSE的应用[J]．电气传动自动化，2006，28(2)：16-17

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