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工业电气|转换开关电器在特殊场所的应用

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在比较重要的场所,为了保证负载的正常供电,一般由两路电源供电,对两路电源的选择,运用最多的是自动转换开关电器(ATSE),该开关电器由控制器部分与本体开关两部分组成。用于市电与市电或市电与发电机两路电源之间的转换。主要功能是:当两组电源设定为一主一备时,将优先使用主电源,当主电源出现故障时,例如:电源的停电、欠压、过压、缺相(部分产品具有对频率的检测,超过设定值时同样具有转换功能),控制器部分能够进行快速故障判断,确认出现故障时对本体开关部分发出控制信号,将电源转换至备用电源,保证给负载持续供电。当主电源正常时,控制器部分对本体开关部分发出控制信号,将电源转换至主电源,由主电源给负载供电。当两组电源设定为互为备用时,控制器部分将选择任意一路电源给负载供电,只有在该电源出现故障时,控制器部分将对本体开关部分发出控制信号,将电源转换至另一路电源。控制器部分在各个转换过程具有延时可调、指示、报警、通信等辅助功能。产品符合国际标准IEC60947-6-1和国家标准《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》(GB/T14048.11)。一般应用于两路电源为相同电压、相同频率的交流电源之间的转换。本文所述的特殊场所的应用主要是指非相同电压、相同频率、相同相数的电源之间的转换。

1、码头轮胎吊机上ATSE的运用

码头轮胎吊机原设计为自带三相柴油同步发电机,提供轮胎吊机的所有电能,额定功率为350kW,采用三相三线制,额定线电压为440V±5%,电流约为550A。采用此种方式,存在以下明显缺点:1)柴油内燃发电机噪声相当大,实际现场往往是多台吊机同时工作,更加明显。2)柴油内燃机尾气污染大,造成严重的空气污染。3)柴油发电成本高,发电机接近满负荷工作时发出1kWh电,消耗柴油约为0.35~0.45L,折合约2.8~3.5RMB,柴油发电机轻载或空载时单位油耗更大,成本更高。另外,柴油发电机还有不少的维修、维护费用。如果使用地面电网电源,成本将极大的降低。

为解决以上问题,同时防止出现电源缺相情况发生,降低电源传送的难度,考虑从地面配电房送直流电源给各台轮胎吊机供电,除了可以满足要求外,更具有以下优点:1)多台轮胎吊机组网由地面直流电源供电,吊装物品在下降时吊机的主电机工作在发电机状态,可以为直流电网反馈电能,节能效果相当明显。2)由于是多台轮胎吊机组网,大大提高直流电网(局部网)的抗冲击能力。因此,选择直流电源为优先使用电源。直流电源由地面专用的三相变压器输出,经过全波整流后取得。三相变压器的线电压为440V±10%,整流后电压为600V±10% ,单台轮胎吊机的额定电流约为580A。

ATSE本体开关的选择。A电源(主电源)侧:额定电压600V±10%(DC) ,额定电流630A。B电源(备用电源)侧:额定电压:440V±5%(AC),额定电流630A。具体电路系统如图1所示。

工业电气|转换开关电器在特殊场所的应用

图1 码头轮胎吊机电路系统图

ATSE的特殊要求:

1)本体开关部分:

(1)本体开关应具有独立的交流电源输入/输出接口与直流电源输入/输出接口,交直流电源之间完全隔离。

(2)直流电源供电时,直流电压达到660V,在大电流、高电压情况下,直流电源通断时灭弧相当困难,应采用多极串联的方式,为提高灭弧效果,在设计上可以考虑运用磁吹灭弧,另外对开关转换的同步性要求极高,应对结构设计及工艺严格保证。

2)控制器部分:

(1)为保证工作可靠,应加强控制器EMC抗干扰设计;电源端增加防浪涌器件(如压敏电阻或放电管),使其最低能耐受6kV的冲击电压;为抵抗谐波或感性负载运行时的干扰串扰到电源线上,在控制器电源输入端加装吸收EFT(脉冲群抗扰度)干扰的装置(如EFT抑制器或安规电容和电感)。电源谐波还会叠加到控制器电压采样电路,为保证电源电压采样的准确性,避免误动作,在控制器采样电路要增加低通滤波处理,软件设计时也要进行采样数据的平滑处理。

(2)采用数码管显示,显示直观、设置方便,抗干扰能力强。

(3)具有与上位机通信的功能,方便集中控制。

(4)主电源应改为直流采样,备用电源应改为交流线电压采样。

(5)控制器部分电源除了采用400V交流、600V直流供电外,还增加了第三路的24V直流蓄电池供电,当两路电源均出现故障时,仍然可以保证控制器正常工作:正常指示、报警、通信。

(6)本体开关部分的辅助开关与控制器的反馈线接口连接,实现闭环实时控制,本体开关转换更加可靠。

2、在三相电源变成单相电源时转换开关的运用

一般情况下,一个电网中用户的三相负载占大多数,但也有单相负载,单相负载中主要是单相照明负载,各单相负载比较均匀地分配在三相电源的各相中,当用电紧张需要错峰用电时,必须强制停止三相负载,但是又应该保证用户单相负载,特别是单相照明负载的正常供电。这种情况下,运用转换开关(TSE)的转换功能,起到三相电源变成单相电源的作用,是极好的选择。

用电紧张需要错峰用电,转换开关需要转换时,由供电局监控中心远程发出指令,传输至各台转换开关的控制器,因此控制器需要具有通讯功能,且能够与监控中心进行实时通讯,彼此之间通讯协议需要完全匹配。这种情况下,该双电源自动转换开关的功能、用途已经发生了改变,不再是传统的“当一路电源出现故障(例如:停电、欠压、过压、缺相、过频率、欠频率)后,快速自动转换到另外一路电源(假设此电源是正常的)”。该转换开关完全是由供电局远程控制,按实际要求操作转换,也就是说是人为的远程操作、控制转换,与电源是否有故障没有任何关系。因此,控制器对电源的检测只用于显示,不进行判断,也不根据电源是否出现故障情况对本体开关进行转换控制。

不同区域负载使用不同的转换开关进行控制,不同的转换开关单相进线选择接入不同的相线,即L1、L2、L3的其中一相,从而达到电网各相负载的平衡。三相变成单相运用原理图(以三台TSE分别控制三个不同区域为例)见图2。

工业电气|转换开关电器在特殊场所的应用

图2 三相变单相运用原理图

对TSE的特殊要求:

1)本体开关部分:使用通用的3极本体开关,无特殊要求。

2)控制器部分:

(1)为保证工作可靠,应加强控制器EMC抗干扰设计;电源端增加防浪涌器件(如压敏电阻或放电管),使其最低能耐受6kV的冲击电压;为抵抗谐波或感性负载运行时的干扰串扰到电源线上,在控制器电源输入端加装吸收EFT(脉冲群抗扰度)干扰的装置(如EFT抑制器或安规电容和电感)。电源谐波还会叠加到控制器电压采样电路,为保证电源电压采样的准确性,避免误动作,在控制器采样电路要增加低通滤波处理,软件设计时也要进行采样数据的平滑处理。

(2)采用数码管显示,显示直观、设置方便,抗干扰能力强。

(3)具有与上位机通信的功能,方便集中控制,实现转换功能。

(4)本体开关部分的辅助开关与控制器的反馈线接口连接,实现闭环实时控制,本体开关转换更加可靠。

3、文章总结

自动转换开关电器(ATSE)在有两路电源供应且比较重要的场所已经广泛运用,技术成熟。在一些有特殊要求的场所,对产品进行局部的设计改进,完全可以满足实际使用要求,并且改进、验证周期短,经济效益相当明显。由于本产品已经纳入国家“3C”认证产品范畴,应进行相关的补差的形式试验测试,取得证书后方可以投入生产、使用。

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