摘要：自動轉換開關電器（ATSE）在我國已經得到廣泛的應用，中國建筑學會建筑電氣分會在北京舉辦技術交流會，專門探討ATSE的設計和選用，會議的主題就是“簡單、可靠、安全是ATSE設計、選用的關鍵”，這一觀念得到與會專家的一致認同。可靠性是ATSE設計、選擇最主要的依據，成為會議最重要的結論之一。但是，什么樣的ATSE才是高可靠性的ATSE，是一個懸而未決的問題，許多設計師還不了解如何判斷ATSE的可靠性，如何比較不同結構ATSE的可靠性。本文給出一些建議供參考。 關鍵詞：ATSE 標準 可靠性 1. 概述： ATSE作為保證重要負載連續供電的開關電器，GB 、IEC、UL都制定了相應的規范和標準（IEC 60947-6-1于2005年8月已經發布第二版）。因為ATSE只在電源出現故障才轉換，是不經常工作的開關，所以，不被一些用戶重視，甚至認為只要具備轉換功能就可以使用。另一方面，ATSE產品還處于發展的初期階段，各種解決方案都在應用，也影響客戶的選擇。實際上，作為一個決定能否保證負載電源連續供應的開關，可靠性的要求應該高于其它低壓開關（沒有電源，一切用電設備都沒有意義）。仔細研究ATSE標準，也可以發現ATSE的可靠性要求是很高的。所以，選擇ATSE，出發點不是能否使用，而應該是：（1）符合標準；（2）更加安全可靠。本文分析各種解決方案的可靠性，供業內人士參考。 2. 關于符合標準： （1）一種開關只有首先符合ATSE標準，才能稱為ATSE，由于ATSE還沒有進行CCC認證，所以，目前能夠證明開關符合ATSE標準的唯一依據是獲得CQC認證（按照GB/14048.11產品標準）。沒有通過按照ATSE標準要求進行試驗并證明達到（超過）標準要求的產品，不能夠稱為是ATSE，也無所謂ATSE的可靠性問題，本文討論的是具有CQC認證的ATSE。 （2）按照標準，PC級和CB級ATSE的型式試驗要求是不同的，所發的CQC證書也是不同的，不能混淆，不能替代。 （3）按照標準規定（標準A.3條），如果接觸器和斷路器經過試驗，符合有關產品標準要求，且試驗條件的嚴酷程度不低于ATSE標準規定時，可不加特殊改進用作ATSE的主觸頭開關電器。所以，如果要利用接觸器、斷路器作為ATSE的主觸頭開關電器，必須證明符合該項規定要求。 （4）從概念講，只要開關的主觸頭能夠分斷短路電流，就是CB級ATSE，但目前市場上供應的CB級ATSE，都是采用斷路器作ATSE主觸頭開關，所以本文討論的CB級ATSE是基于斷路器作為主觸頭開關的ATSE。 （5）從概念講，接觸器組成的ATSE是PC級ATSE，但由于用接觸器組成的ATSE都是成套廠自行組裝，目前沒有標準產品，公布通過CQC認證的產品，也沒有基于接觸器結構的ATSE。所以，基于接觸器的解決方案，無法證明是否符合ATSE標準。 特別提示： 所有開關都具有接通、分斷、承載的基本功能（斷路器還具有過載和短路脫扣獨有功能），之所以分為接觸器、斷路器、隔離開關、ATSE幾種類別并用不同的標準給予詳細規定，就是因為各種開關的接通和分斷條件不同，在線路中所起的作用不同。ATSE不僅象其它開關一樣，具有接通、分斷和承載能力，還具有電源檢測、自動轉換功能，所以，不能夠象其它開關一樣，只看ATSE的額定電流和級數（大多數圖紙只標注這兩項指標），還要看其控制器的功能并了解其可靠性。 3. ATSE的轉換能力： ATSE的轉換能力由電源故障檢測能力、轉換能力、分斷和接通能力三部分構成。 電源故障檢測能力：取決于控制器能否具有電源故障的檢測功能，標準規定最低的要求是檢測一相或者多相斷相，至于其它電源故障（例如頻率變化、電壓波動、波型失真等）是否需要檢測，要根據負載對電源質量的需求而定。這是ATSE獨有的功能，用戶需要仔細了解廠商提供的產品說明。 轉換能力：取決于ATSE轉換機構的可靠性，從驅動機構到觸頭分斷接通的整個機構。標準是通過操作循環次數來反映。以100A電流等級為例，標準規定機械、電氣壽命為6000次。盡管ATSE不是經常動作的開關（可能是動作頻率最低的開關），但其壽命要求遠高于負荷開關標準（2000次）和MCB（4000次），從側面反映對ATSE的可靠性要求高于負荷開關。 接通與分斷能力：各種開關都有接通與分斷能力，各種開關之間的差別，在于在什么條件下、什么時候分斷（接通）。標準是用使用類別來反映接通和分斷能力的。ATSE是在電源出現故障（CB級還包括短路）時分斷故障電源并自動接通備用電源，由于電源故障發生的時間和故障類型的不確定性，所以無法預知ATSE轉換時的電流特性。理論上講，ATSE可能在任何狀態下分斷電流，這一點不同于其它開關電器，我們可以預知分斷和接通時的電流狀況。所以要從最“嚴酷”的狀態考慮ATSE的接通和分斷條件（例如電機剛剛啟動時分斷或者接通）。IEC60947－6-1標準將AC－33的接通和分斷電流從原來的6Ie提高到10Ie，也反映這個觀點。 4. ATSE的分類： 無論什么型式的ATSE，從結構看，都是由三部分構成：開關本體（或者稱為主觸頭系統）；傳動機構（包括驅動機構和傳動機構）；控制器。因為不同解決方案最大的區別在于開關本體，所以可以按照不同開關本體將ATSE分為以下四類： 以接觸器為開關本體的ATSE：由兩個接觸器，一個機械連鎖機構，一個控制電路組成 以斷路器為開關本體的CB級ATSE：由兩個斷路器，一個或者兩個減速電機為驅動力的操作機構，一個機械自鎖，一個控制電路（控制器）組成 以隔離（負荷）開關為本體的PC級ATSE：由兩個隔離（負荷）開關，一個減速電機為驅動力的操作機構，一個控制電路（控制器）組成 開關本體重新設計的PC級ATSE：由一個（或者兩個）動觸頭，兩個靜觸頭和相應的滅弧機構組成主觸頭開關，以勵磁為驅動力的操作機構，一個控制器組成 5. ATSE可靠性分析 關于ATSE的可靠性，有許多需要澄清的觀念： 錯誤觀念：我們使用某種開關作為ATSE的本體，使用時間已經五年多，沒有發生任何問題，所以說這種結構的開關作為ATSE的本體是可靠的。 正確認識：ATSE的可靠性，不能夠從使用多久來衡量，而要看在各種電源故障下能否可靠轉換。如果從未發生電源故障，就是使用十年，也不能夠證明是可靠的ATSE。 錯誤觀念：ATSE的動作次數極少，標準6000次的壽命要求無實際意義。 正確認識：這是一個非常普遍的錯誤觀念，不能以實際可能工作次數很少為理由，降低對ATSE可靠性的要求。標準對操作次數的規定，就是對可靠性的要求，盡管ATSE是極少工作的開關，但IEC規定了6000次（300A以下）的操作循環次數。可靠工作的次數越多，可靠性越高。 錯誤觀念：ATSE使用類別AC－33要求接通和分斷電流為6Ie，要求太高，可以低一些. 正確認識：這個觀點是假定ATSE在最正常的狀態分斷電流，實際上，ATSE轉換時的電流狀態無法預測（不同于斷路器、接觸器和負荷開關可以預測分斷與接通電流）。從安全的角度，必需按照最“嚴酷”的條件考慮（比如正好在電機啟動或者堵轉時發生電源故障等）。IEC 60947-6-1標準，將該項指標由1998版的6Ie增加到2005版的10Ie，也反映這個觀點 不完全正確觀點：只要質量好，可靠性就高。可靠性和質量是不同的概念，質量好可靠性就高只能是針對同樣的結構，不同結構就不能比較（質量很高的飛機，可靠性也低于一般質量的自行車）。可靠性必須是之完成同一種功能，按照同一種標準來比較才有意義。 ATSE的可靠性，由本體可靠性，傳動機構可靠性和控制器可靠性構成，可以簡單理解為： ATSE可靠性＝本體可靠性×傳動機構可靠性×控制器可靠性 ATSE可靠性判別依據： （1）可靠性只能在同一個標準（試驗條件）下進行對比才有意義； （2）電氣可靠性主要由開關本體決定，電氣可靠性遵循：導電性能好的觸頭材料，可靠性高于導電性能較差的觸頭材料（銀合金可靠性高于銅合金）；觸頭壓力越大大，可靠性越高；觸頭分離速度快可靠性高于觸頭分類速度慢；有專門滅弧機構的可靠性高于沒有專門的滅弧機構。 （3）機構可靠性遵循：結構越簡單，可靠性越高的原則。以此原則，PC級ATSE的可靠性高于CB級ATSE。許多行業人員不理解這一點，實際上，換一種說法，就是，同一家公司的斷路器，其可靠性一定低于其隔離開關，就是這個道理。 （4）能夠經受嚴酷條件試驗的產品，可靠性高于僅通過較好條件試驗的產品。所以，工業級開關可以要在民用環境，而家電類開關，不可以用在工業環境（可靠性沒有保障）。MCCB的可靠性高于MCB。MCB不能夠用于ATSE。 （5）能夠通過嚴酷電氣試驗條件的開關，可靠性高于僅能夠通過較低電氣試驗條件的開關。所以，通過AC－33使用類別的開關，可靠性高于僅通過AC－31使用類別的開關。通過AC－33A的開關，可靠性高于僅通過AC－33B的開關。 （6）其它條件一致，機械和電氣壽命長的開關，可靠性高于壽命短的開關。例如，按照斷路器標準規定，125A電氣壽命為1000次，機械壽命為7000次即達到要求，但ABB的S1系列斷路器，電氣壽命達到8000次，機械壽命達到25000次，遠遠高于標準要求，表明其可靠性更高。 ATSE的可靠性分析，應該按照保證ATSE功能的實現為前提，結合上述可靠性判別依據，進行分析。 ATSE的核心功能是保證負載電源的連續供應，這個核心功能要求開關具備： 只要電源沒有故障，就保證電源供應，不允許自動切斷電源。 如果電源出現故障，在最嚴酷的條件下，保證轉換到備用電源。 我們可以通過如何保證這兩個功能，來分析各種解決方案的可靠性。 5.1 只要電源沒有故障，就保證電源供應，不允許自動切斷電源 這項功能要求ATSE具備（1）不能夠不經控制器的指揮而自動切斷電源；（2）不能夠因為過電流而輕易損壞（也就是需要很高的耐受電流沖擊能力，標準用Icw和額定限制短路電流表示） 采用接觸器：存在電壓的波動、線圈老化、燒毀等故障，不經控制器而自行分斷電路的可能性；耐受過載電流沖擊能力差（標準允許觸頭過載燒毀），作為ATSE的本體，可靠性很差。 采用斷路器：過載脫扣切斷電源供應顯然不是ATSE所需要的，所以首先必需明確，必需采用沒有過載保護功能的斷路器作為ATSE本體。短路保護，盡管不屬于電源故障，但卻是規范規定必需切斷電源的范疇。 采用隔離（負荷）開關：只要控制器不發出指令，任何時候不會自行分斷電路，如果采用插入式觸頭接觸方式，還可以獲得很高的Icw，是各種結構中這項指標最有保證的。 完全重新設計本體：只要控制器不發出指令，任何時候不會自行分斷電路，因為采用拍合式，接觸方式，要獲得很高的Icw，必需增加觸頭的彈簧壓力，結構上有一定的難度。 5.2 如果電源發生故障，在最嚴酷的條件下，保證轉換到備用電源 這項指標，考核的是（1）ATSE的接通與分斷能力；（2）驅動操作機構的可靠性。 采用接觸器：接通與分斷能力，能夠達到10Ie的水平，機械和電氣壽命也遠高于ATSE的要求，驅動和操作機構是各種方案中最簡單、可靠性最高的方案。 采用斷路器：斷路器的接通和分斷能力，因為機構的原因（觸頭分類速度最快，滅弧效果好），是各種開關中最高的。從驅動操作機構看，斷路器方案是各種方案中最復雜的方案（一個MCB構成的單電操CB級ATSE，有超過88個復雜的運動部件，一個部件出現故障，就會導致整個ATSE不能正常工作），所以其結構可靠性最低。另一方面，斷路器必需首先保證可靠的分斷（否則就不是CB級ATSE了），按照ATSE標準（第A.3條），只有符合GB14048.2，同時試驗條件的嚴酷程度不低于ATSE標準要求的斷路器才能夠用作ATSE的本體，所以，必需采用MCCB作為ATSE的本體開關，不能夠采用不符合GB14048系列的MCB。MCCB的機械和電氣壽命，能夠滿足ATSE的標準要求。 采用隔離（負荷）開關：接通和分斷能力取決于選用的本體開關和傳動機構。從隔離（負荷）開關的使用功能來講，其核心功能是：“徹底分斷電流，保證用電設備安全維護”，不是接通和斷開負載電路。盡管從標準看，負荷開關也能夠做到10Ie接通和分斷能力（使用類別為AC－23），但這種開關是帶儲能機構，開關的觸頭、滅弧也有特別的設計。目前，采用負荷開關作為ATSE本體的世界領先企業，2006-2007年產品樣本顯示，其能夠通過ATSE標準（GB14048.11）的使用類別是AC－31B，能夠提供的最大電流等級是1600A。也許是因為成本或者結構原因，導致直接采用負荷開關作為ATSE的本體，難以達到AC－33的使用類別要求。因為實際ATSE使用的負載，大多數是電動機負載，需要AC－33使用類別的ATSE。所以，如何突破使用類別的限制，是采用隔離（負荷）開關為本體的解決方案最為迫切的任務。另外，直接采用隔離開關為ATSE本體的另外一個需要解決的問題是開關本體的可靠性。以100A為例，達到隔離開關標準（GB14048.3）的隔離開關，機械電氣壽命是2000次，僅有ATSE的1/3（6000次），機械電氣壽命是可靠性的重要指標。插入式的觸頭連接方式，是隔離開關普遍采用的方式，盡管可以獲得較高（超過ATSE標準要求）的Icw，但這種結構非常不利于分斷電流，也不利于機械電氣壽命（磨損嚴重），所以通常只能用于AC－31使用類別，并作為隔離開關（機械電氣壽命要求低）的解決方案。 完全重新設計的ATSE：因為本體是重新設計，觸頭的材料、壓力、分離速度、滅弧等決定開關接通和分斷能力的重要因素都自行考慮。從獲得CQC的產品看，這類產品的使用類別均達到AC－33B的要求。從驅動操作機構看，重新設計的ATSE，采用勵磁驅動，勵磁驅動是最簡單可靠的驅動機構，可靠性高于采用減速電機。按照泰永科技的研發經驗，泰永TBBQ3這樣的結構，可以從25A做到5000A。也證明了驅動操作機構的高可靠性。 綜上所述，每一種解決方案，從可靠性的方面講，都有其優勢的地方，每一種方案，精心設計、制造都可以達到一定的可靠性，全面平衡各項指標，可以得出下列結論： 1. 從保證接通狀態的可靠性來講（即只要電源沒有故障，就確保電源的連續供應）。采用插入式觸頭連接方式的隔離開關可靠性最高。其次是重新設計的ATSE（觸頭壓力大于斷路器和接觸器）。和斷路器，接觸器最差。 2. 從轉換可靠性來講，最好的是接觸器，其次是重新設計的ATSE，斷路器最差（結構最復雜）。 3. 從接通和分斷能力講，斷路器最好，重新設計的ATSE其次，負荷開關方案最差（很難達到AC－33使用類別要求） [B]結論： 1. 接觸器作為ATSE的本體開關，是最早的解決方案，具有價格低的優勢。但因為需要持續通電保持，同時耐受沖擊電流能力較弱，作為ATSE的主觸頭開關電器，可靠性很低。另外，沒有專門廠商制造，沒有第三方認證，作為可靠性要求極高的ATSE，接觸器已經逐漸退出市場。 2. 采用斷路器作為ATSE的本體，是目前CB級ATSE唯一的解決方案。斷路器的規格多種多樣，按照標準規定，最低必須采用MCCB，作為電動機保護時，還必須選擇電動機保護性的MCCB否則，CB級ATSE的可靠性將得不到保證。因為結構最復雜，所以，CB級ATSE轉換機構的可靠性低于PC級ATSE（用在ATSE中的斷路器，除了必須具備斷路器的短路保護功能，還必須在機構操作下可靠性分斷和接通，難度大于一個普通的斷路器）. 3. PC級ATSE，機構可靠性較高，電氣可靠性取決于觸頭材料、壓力、分離速度和滅弧方式。從目前市場供應的產品看，采用負荷開關作為ATSE本體世界領先企業的使用類別為AC－31B。這是負荷開關作為ATSE本體需要解決的問題。重新設計的ATSE，可靠性取決于設計制造水平。需要從產品的零部件設計、制造和認證、試驗等方面進行評估。 4. 泰永科技PC級ATSE，3200A以下均通過CQC認證，使用類別全部是AC－33B。100A以下產品還通過了AC－33A的試驗，是目前國內經試驗驗證可靠性最高的產品之一。[/B]