自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的應(yīng)用分析

李夕揚(yáng)

廣州中浩控制技術(shù)有限公司 廣東 廣州 510000

引言

變電站是供電重要場所，其站用系統(tǒng)是變電站可靠、穩(wěn)定、安全運(yùn)行重要的保障。因此，為了確保站用系統(tǒng)能持續(xù)、可靠運(yùn)行，需對裝置電源、控制電源等重要的負(fù)荷采取一定措施，確保可連續(xù)供電。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）是常見開關(guān)設(shè)備之一，可對兩路電源進(jìn)行自動轉(zhuǎn)換，在實(shí)現(xiàn)開關(guān)持續(xù)運(yùn)行的基礎(chǔ)上，保證系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性?；诖耍芯孔詣愚D(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的應(yīng)用，對提高站用系統(tǒng)可靠性有著重要意義。

1 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）概述

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）多用在緊急供電的系統(tǒng)中，可自動、靈活轉(zhuǎn)換供電電源，保證重要負(fù)荷可穩(wěn)定、持續(xù)運(yùn)行。當(dāng)ATS有故障時(shí)，往往會導(dǎo)致重要負(fù)荷出現(xiàn)斷電、電源短路等問題，最終造成嚴(yán)重社會問題、經(jīng)濟(jì)損失。故此，研究ATS已是機(jī)械制造相關(guān)領(lǐng)域重點(diǎn)研究的對象之一。我國對ATS、相關(guān)電器研究可追溯到90年代的中期。就早期研究而言，因缺乏完善技術(shù)支撐，而使得ATS研究存在巨大瓶頸，無法保障其運(yùn)行的安全性、可靠性，安全隱患較大，極易引發(fā)供電安全事故。在科技持續(xù)發(fā)展的背景下，我國對ATS研究逐漸趨向深入化方向發(fā)展，關(guān)于ATS的產(chǎn)品也日趨多元化，雖然在技術(shù)方面有了很大進(jìn)步，但如何更有效地應(yīng)用到變電站中，保障站電系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行，仍是研究重點(diǎn)方向之一。

2 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）工作原理及類型

2.1 工作原理

自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）組成結(jié)構(gòu)包括控制器、操作機(jī)構(gòu)和開關(guān)主體3個(gè)部分。在運(yùn)行時(shí)，控制器負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)監(jiān)測兩路的電源狀態(tài)，當(dāng)工作電源回路電壓不穩(wěn)、斷相或者異常時(shí)，控制器會發(fā)出相應(yīng)動作指令，之后由操作機(jī)構(gòu)對開關(guān)本體控制操作手柄進(jìn)行操作，以實(shí)現(xiàn)備用電源自動投切目標(biāo)，支負(fù)荷端正常供電，進(jìn)而保證電力系統(tǒng)可正常運(yùn)行、穩(wěn)定工作。

2.2 類型

2.2.1 根據(jù)能否分?jǐn)喽搪冯娏鬟M(jìn)行分類。ATS按能否分?jǐn)喽搪冯娏鞣譃镻C級、CB級，開關(guān)本體是兩者主要差異。其中，PC級的主開關(guān)為負(fù)荷開關(guān)或者接觸器，可實(shí)現(xiàn)線路負(fù)載接通和承載的目標(biāo)，無法對短路電流進(jìn)行分?jǐn)?。同時(shí)，PC級的結(jié)構(gòu)相對簡單，轉(zhuǎn)換的速度可至50ms，能實(shí)現(xiàn)頻繁操作且具備自身連鎖等優(yōu)勢，還可承載20I以上的電流，不易斥開和熔焊，有較大的觸頭壓力；CB級的主開關(guān)為塑殼斷路器或者萬能斷路器，既可實(shí)現(xiàn)線路負(fù)載接通和承載的目標(biāo)，也能實(shí)現(xiàn)短路電流接通和分?jǐn)嗟哪繕?biāo)。然而，CB級的動作相對較慢，當(dāng)非電源性故障出現(xiàn)時(shí)，CB級會自動切斷供電的電源，可靠性較低?？梢?，相較CB級，PC級發(fā)展空間更為廣泛。不過，CB級的接線方式較簡單，無須加載限流的設(shè)備，更適用于電源轉(zhuǎn)換要求不高場所[1]。

2.2.2 根據(jù)工位進(jìn)行分類。按照工位劃分，ATS包括兩位式、三位式。其中，兩位式主觸頭的工作位只有兩個(gè)，即常用位、備用位。而三位式主觸頭的工作位有三個(gè)，較兩位式多零位，可由常用位轉(zhuǎn)至零位，之后由零位轉(zhuǎn)至備用位。兩位式轉(zhuǎn)換的動作較快，兩位式的PC級動作總時(shí)間一般為50～250ms，三位式的PC級一般為350～600ms。當(dāng)火災(zāi)發(fā)生需對非消防負(fù)荷進(jìn)行切除時(shí)，可應(yīng)用三位式，可實(shí)現(xiàn)較長時(shí)間對電源供由切斷的目標(biāo)。

3 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的接線方式

3.1 個(gè)體負(fù)荷ATS接線

應(yīng)用明備的方式，在負(fù)荷端裝設(shè)ATS。由于電源首端有斷路器，可起到保護(hù)短路的功能，因此可選擇PC級結(jié)構(gòu)的整體開關(guān)，無須配置控制器，以達(dá)到節(jié)約成本的目標(biāo)。

3.2 兩個(gè)站用電源ATS接線

應(yīng)用備用的方式，1＃和2＃變壓器各自供應(yīng)一段母線負(fù)荷，并兼作剩余一段負(fù)荷備用的電源，即兩用互備的模式。在負(fù)荷屏上裝設(shè)ATS，共裝設(shè)兩套，可選擇PC級、CB級的ATS。在電源的進(jìn)線處，需設(shè)置斷開點(diǎn)刀開關(guān)，為后續(xù)檢修提供便利。若選擇PC級ATS，進(jìn)線處還需設(shè)置保護(hù)短路的電器。

3.3 三個(gè)站用電源ATS接線

可應(yīng)用明備或者暗備的方式。在負(fù)荷屏上裝設(shè)ATS，共裝設(shè)兩套。正常狀態(tài)下，1＃、2＃和3＃分別供Ⅰ段、Ⅱ段、 Ⅲ段的母線負(fù)荷。Ⅰ段和Ⅲ段的暗備用負(fù)荷可選擇2＃的站用電源，Ⅱ段則僅接入一般的負(fù)荷。若Ⅱ段未接入負(fù)荷時(shí)，Ⅰ段和Ⅲ段的明備用負(fù)荷選擇2＃的站用電源[2]。

3.4 兩個(gè)直流電源ATS接線

為了提高供電安全可靠性，重要變電站蓄電池往往會設(shè)置兩組，各組負(fù)責(zé)一段母線直流負(fù)荷供應(yīng)。然而，在緊急狀況下，倘若其中一組蓄電池有故障，也極易造成嚴(yán)重?fù)p失。故此，可選擇暗備用的方式裝設(shè)ATS，由于PC級結(jié)構(gòu)整體的開關(guān)動作具備較好的連鎖性、加快的速度，故此可選擇PC級。

4 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）在變電站中的應(yīng)用

4.1 變電站的站用系統(tǒng)特點(diǎn)

220kV的變電站可將主變壓器的低壓側(cè)作為引入點(diǎn)，接入容量相同、分列運(yùn)行、互為備用的兩臺變壓器，按照計(jì)算負(fù)荷來選擇適宜變壓器。當(dāng)主變壓器只有1臺時(shí)，可從所外的電源引接其中的一臺變壓器。就330～500kV的變電站而言，當(dāng)其主變壓器是兩臺或以上時(shí)，可將主變壓器的低壓側(cè)作為引入點(diǎn)，引接兩臺以上變壓器，且裝設(shè)一臺備用的變壓器，可引接所外的可靠電源。同時(shí)，各臺變壓器容量應(yīng)考慮主變壓器冷卻用電的負(fù)荷，且備用的變壓器容量需與變壓器最大容量一樣。當(dāng)初期主變壓器僅有一臺時(shí)，除引接的一臺變壓器之外，還需設(shè)置從所外的可靠電源接入的變壓器一臺。所用電的低壓系統(tǒng)選擇三相四線方式，系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式為直接式。所用電的母線選擇單母線，兩段相鄰母線可配置斷路器，但需確保可分列運(yùn)行供電[3]。若某一變壓器突然退出時(shí)，備用的變壓器可自動切換到失電母線，從而繼續(xù)進(jìn)行供電。一典型變電站所用電的負(fù)荷特性可如表1所示。

表1 變電站所用電的負(fù)荷特性

用電負(fù)荷需選擇配電屏進(jìn)行直配式供電，重要負(fù)荷需采用雙回路進(jìn)行供電。就330～500kV的變電站內(nèi)通信樓及控制樓，可在考慮負(fù)荷需求的基礎(chǔ)上，設(shè)置專用的配電屏供樓內(nèi)電。隔離開關(guān)、斷路器可根據(jù)配置劃分區(qū)域，在兩段母線下列采取雙回路的供電模式，即各個(gè)區(qū)域設(shè)置不同環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，在環(huán)網(wǎng)的中間實(shí)現(xiàn)開環(huán)運(yùn)行目標(biāo)。

4.2 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）提高用電供電的可靠性

傳統(tǒng)變電站380V的電源系統(tǒng)往往是人為操作的，當(dāng)1#進(jìn)入381的開關(guān)向負(fù)載進(jìn)行供電時(shí)，2#只能在382的分位作為負(fù)載后備的電源。倘若某一原因?qū)е?#消失、381開關(guān)跳開，會使得380V的母線失壓，而導(dǎo)致全部負(fù)載失電，最終經(jīng)光信號、聲信號報(bào)給監(jiān)控臺人員。當(dāng)核對了381分閘的位置后，可通過閉合382開關(guān)，實(shí)現(xiàn)380V的電源恢復(fù)目標(biāo)，這種模式所歷經(jīng)時(shí)間較長，因此已逐步被母聯(lián)開關(guān)取代。在正常運(yùn)行時(shí)，380的母聯(lián)開關(guān)位于分閘的位置，1#負(fù)載I段的母線，2#負(fù)載Ⅱ段，兩者可實(shí)現(xiàn)分列運(yùn)行目標(biāo)。倘若1#或者2#有故障時(shí)，母聯(lián)開關(guān)可在判斷0V母線電壓、合閘條件的基礎(chǔ)上，閉合380的開關(guān)，負(fù)載另一母線，從而形成電源帶負(fù)載運(yùn)行的情況。變電所在自動投入電源裝備時(shí)需滿足下述要求：第一，確保工作電源斷路器為斷開狀態(tài)，母線電壓為0，備用電源的電壓正常；第二，自動投入時(shí)動作應(yīng)延時(shí)，且僅允許一次；第三，若母線有故障，則不應(yīng)再起動自動投入的裝置；第四，在手動斷開電源的情況下，不再起動裝置；第五，當(dāng)電源恢復(fù)正常供電之后，應(yīng)選擇人工復(fù)歸的方式切換回路；第六，在做出自動投入的動作后，需發(fā)出預(yù)告的信號。

4.3 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（ATS）選用注意事項(xiàng)

4.3.1 選擇ATS的結(jié)構(gòu)形式。在不同應(yīng)用場合，PC級、CB級特點(diǎn)各有不同，因此需根據(jù)實(shí)際情況選擇適宜的結(jié)構(gòu)形式。首先，當(dāng)雙電源供電呈放射式、所需消防負(fù)荷比較集中且容量大時(shí)，需在低壓的配電室母線直接進(jìn)行放射，以此作為電源轉(zhuǎn)換的位置，則應(yīng)選擇PC級，以防本體故障對電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)生影響，而造成嚴(yán)重?fù)p失。倘若需加裝保護(hù)性電器，可額外選擇。其次，當(dāng)發(fā)電機(jī)組和市電進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，可選擇三位式。因?yàn)檎ｋ娫丛诎l(fā)生斷相時(shí)，要求ATS能在切斷電源的同時(shí)，歸回零位，當(dāng)發(fā)電機(jī)能持續(xù)一定時(shí)間的穩(wěn)定送電后再回歸發(fā)電機(jī)的位置。一般而言，ATS集中裝設(shè)在低壓的配電室母線，以便使用、維護(hù)。最后，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換自動切斷的電源、帶高感抗的負(fù)載時(shí)，應(yīng)選擇三位式的PC級或者OYQ1專業(yè)的CB級。一般而言，ATS不具備高感抗的負(fù)載轉(zhuǎn)換功能，因?yàn)閮陕冯娫丛谙辔徊畋容^大的時(shí)候進(jìn)行切換，會使得電動機(jī)獲取到巨大動力，因此產(chǎn)生反電勢過電流會引起短路器的脫扣，極為不可靠，因此不能選擇傳統(tǒng)且未進(jìn)行特殊處理ATS。

4.3.2 選擇ATS的轉(zhuǎn)換時(shí)間。ATS的轉(zhuǎn)換時(shí)間對電力系統(tǒng)有很大影響，轉(zhuǎn)換的過程是斷電、送電的方式，對系統(tǒng)有較大的沖擊力。若轉(zhuǎn)換設(shè)備有中斷，可選擇帶延時(shí)的ATS，以防設(shè)備斷電而損傷機(jī)械或沖擊設(shè)備，這種帶延時(shí)的ATS可用于變頻器、電動機(jī)、特殊醫(yī)療設(shè)備、整流器等負(fù)載中。若轉(zhuǎn)換設(shè)備無中斷，可選擇瞬間閉路的ATS，以降低電源轉(zhuǎn)換中瞬間斷電時(shí)的損失。總之，ATS的轉(zhuǎn)換時(shí)間需與負(fù)荷允許最大時(shí)間相符，且能配合供配電機(jī)電保護(hù)的時(shí)間，以防連續(xù)進(jìn)行切換。在供大容量負(fù)荷的電動機(jī)時(shí)，需對轉(zhuǎn)換時(shí)間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，通過先斷后合方式保障切換的安全性和可靠性。

5 結(jié)束語

總而言之，在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的背景下，ATS發(fā)展必將趨于機(jī)電智能型、一體化方向，且自動轉(zhuǎn)換的速度會更快、安全性會更強(qiáng)、自動程度會更高。目前，ATS在變電站中的應(yīng)用仍處在起步階段，尚有很多技術(shù)問題等待進(jìn)一步研究、解決。因此，相關(guān)人員應(yīng)加大對ATS應(yīng)用到變電站中的研究力度，不斷完善、提升其應(yīng)用技術(shù)，保證重要負(fù)荷可持續(xù)、穩(wěn)定供電，促進(jìn)變電站安全運(yùn)行。