STS在民航供电系统中的应用

陈智敏

摘 要：文章深入分析了静态转换开关STS（Static Transfer Switch）的原理和特点，阐述了STS对于重要负载持续不间断供电的重要性，并介绍了STS在民航供电系统中的应用。

关键词：供电；STS；不间断切换

中图分类号：TM73 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）08-0058-02

民航空中交通管制关系到飞行安全和运行安全，所以从指挥调度到雷达无线的设备都不允许有半点差错，这也对设备供电的可靠性提出了极高的要求，因为哪怕1 s的停机也会给带来无法估量的损失，严重时甚至会对飞行安全造成严重的影响，因此，必须保证365×24 h连续不断的、稳定可靠的运行。

静态转换开关STS是实现两个独立电源间的快速转换的无触点电子式开关装置，其最高转换时间可以达到5 ms，为数字设备、控制设备或其它对电源供电连续性要求极高的用电设备提供供电保障，当一路电源超限或断电后，迅速地切换至另一路电源，保证设备运行及数据安全。STS是实现所谓“分布式供电”方案的有利工具，可以大大提高机房供电系统的可靠性。

1 STS的定义

STS为电源二选一自动切换系统，正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。

STS采用先断后通（BreakbeforeMake）的切换方式，主备电源之间不会产生冲击电流，可以实现不同输入电源之间的不间断切换，为单电源负载提供双母线供电，如：非并联UPS系统的n+1冗余、不同容量UPS系统的n+1冗余、不同型号UPS系统的n+1冗余、不同市电的冗余、市电与发电机的冗余。

2 STS的工作原理

2.1 STS的组成

STS静态电源切换开关主要由智能控制板，高速可控硅（SCR），断路器构成。其中最核心的部件就是SCR。SCR是由硅半导体组成，因为半导体同时具有绝缘体和电导体的特性，在天然条件下，硅由温度不同可以变为导体或者绝缘体，通过给SCR以很低的电压就可以将其变为导体。

SCR实质上就像一个阀门，它只允许电流在一个方向流动，要打开或者闭合SCR，需要在SCR门极上施加低电压，这样可以使电流从阳极流到阴极，但是当交流电正弦波穿过0点时，SCR阀门将关闭，此时SCR停止导电，直到收到新的阀门信号，故需要将两个SCR反向连接以保证导通整个正弦波周期。

STS智能控制板用以发送门极电压信号。

2.2 STS的工作原理

STS可通过控制板设定两路UPS任意一路输入电源为主用电源，另一路为备用电源。只有在主用电源故障或手动复位的情况下，STS才会自动在8 ms内从主用电源切换到备用电源。

STS的两路静态开关是严格互锁，STS内还装有手动旁路开关，在STS需要检修时，可以手动地将输入电源切换到旁路开关。进行手动转换时可保證输出不间断。

正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。当主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，当主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。

当STS感应的负载电流超过预先设定的过流值时，表示有冲击电流或者过载，这时即使主电源电压超出正常的电压范围，STS也不发生转换。在负载电流恢复到正常值时，过流抑制模式自动复位，STS恢复到正常的工作模式。

在备用电源电压处于正常的电压范围内，且备用电源与主电源间的相位差处于允许的范围内。

STS可以手动地在两路电源之间进行切换。为了保证负载电源供给不中断，在负载连接的电源中断时，STS将自动在8 ms内转换到另一路电源。

紧急转换优先任何转换或者抑制。为了确保正确运行，STS不停地监视SCR的状态。

在负载电源的SCR发生短路时，STS将自动告警提示，并迅速打开另一路电源的隔离开关。在另一路SCR发生短路时，STS自动告警提示，并迅速打开这一路电源的隔离开关。

在有SCR开路时，STS将自动告警，切换打开先前的隔离开关。所有的开路和短路告警都将被锁定，要求系统进行维修并复位到原来的正常工作状态。

STS装有互锁的维修旁路开关，STS可以通过旁路开关不间断地切换到任一路输入电源，以便于维修。在维修时，STS的输入、输出和旁路的电源接线端子都应被隔离，以便在系统处于旁路时，安全维护STS内的任何组件。

3 STS在民航供电系统中的应用及故障处理

3.1 STS在民航供电系统中的应用

之前介绍的STS为小型STS，事实上在民航电力中，STS的应用分为大型STS（StaticTransferSystem，自动切换系统）和小型STS（StaticTransferSwitch），两者在体积上天差地别，但是原理大致相同。大型STS作为PPC的前级输入，可在两个交流输入源之间实现小于1/4个周波的切换，与静态切换开关一样都是先断后通，同样支持手动和自动切换，和小型STS不同的是，大型STS拥有lcd屏幕可供操作和监控，可以获取输入和输出的重要参数，你可以在屏幕上操作两个源之间的切换，只需要密码确认后就能进行操作。如果出现当前供电源失效或系统检测到了可控硅故障，为保证供电的连续性，只要另一路源正常，无论两路源之间的相位差是否在同步窗口范围内，STS都会立即切换到另一路源供电，这称为紧急切换。同时拥有隔离变压器可以解决不同系统的零线问题，就容量而言，小到63 A，100 A，大到800 A，1 000 A，而且大型STS也配备了维修旁路，方便用户维修和维护。

民航管制中心供电系统如图1所示，引入了两路市电进线，两路电源各带一部分负载，当一路市电故障时可将负载通过联络柜切换到另一路市电供电，同时当两路市电均故障时有三台1 140 kW的柴油发电机作为应急电源。

对于特别重要的工艺负荷，为了保证不间断和高质量的电源供应，配备了两套不间断电源系统UPS包括后备电池，通过小型STS实现在双电源之间的不间断切换向负载供电。

抽出控制板如图2所示，为了提高供电的可靠性，在每个席位中分别安装一个小型16-20A的STS，STS两路电源分别由两路UPS分别送至PPC精密配电柜，再送至STS，从STS送至用户负载侧。

民航管制中心所使用的STS大致有两种，即带有旁路维修功能的STS和不带有旁路维修功能的STS。

图2中的STS是带有旁路维修功能的，如不带旁路功能则只需去掉CB3回路和CB4回路。維修旁路的功能本文将在STS故障分析中提到。

综上所述，大型STS和小型STS被应用于不同的机房设备和环境中，大型STS应用于配电柜前级，为配电柜提供两路输入源不间断的切换，而小型STS则被用于单个模块或者小型区域的供电前级使用，确保了高可靠性的冗余度。

3.2 STS故障分析

在STS的使用过程中也会发生故障，大致可分为两类：STS本体模块故障或者设备端短路导致STS故障其中发生频率较高的设备端短路导致STS的故障，碰到此类故障，分析处理步骤如下：

①一般碰到短路故障，由于STS具有诊断功能，检测到线路中有短路的话不会进行切换，所以找出短路设备或者脱线板将其换下。

②如该系统无法备份，需立即上电，可将STS控制板抽出，（控制板和旁路开关之间没有联系，即使抽出控制板，旁路开关依旧可以动作）切换至旁路供电。

③如系统有备份，可先启用备份系统，将故障STS换下，抽出控制板如图2所示，设备如果短路，控制板的快速熔断丝灵敏度极高，熔丝在焊点的作用下会迅速熔断，以保护半导体等过载能力很低的整流元件，将熔断丝更换后STS可重新使用，如果STS仍然故障，可能控制板发生故障，则需要更换整个控制板或者更换整个STS。

④大型STS发生过控制屏黑屏故障导致无法操作的故障，由于没有了控制屏幕显示，无法迅速判断STS是否仍然正常工作，两路输入源是否正常，也无法通过控制屏进行操作，这时候需要打开STS仓门，肉眼透过两个扁长方形监视仓可以看到里面绿灯是否点亮，点亮则说明该路源正常，同时也可以判断STS工作在哪一路，只要获取这些重要信息，就可以手动进行操作将STS切换至旁路，将与屏幕连接的控制板拆下检查，可换上新的屏幕检查是否为屏幕损坏或者换上新的控制板检查是否为控制板的问题，需要注意的是操作要仔细，防止损坏控制板，最好带上静电手套。如果遇到屏幕参数不准确或者误报警的情况可以请厂方通过软件，输入相应的命令重新调整参数设置及复位。

3.3 STS的维护

对于小型STS，日常维护可以定期做切换测试，检查STS能否正常切换。尤其是切换小开关时间久了弹簧会变得不灵活或者损坏导致STS无法手动操作。

对于大型STS，日常维护除了定期做切换操作，还需要检查风扇是否正常工作，这也是相当重要的，如果风扇停止工作会使得STS内温度升高，从而影响元器件的工作和寿命，严重的情况甚至会引起设备损坏和短路，检查风扇的方法很简单，只要手放在出风口就行，看手有没有感觉到风。

一般STS都会有两个风扇，一个主用，一个备用，同时定期对风扇和防尘隔板进行清洗，STS内部可以用吹风机进行除灰。每年用红外线温感测试器对STS内的元器件进行检测，检查内部电容，线缆等有无发热现象，这样可以预防短路或者电容漏液等情况的发生。

4 结 语

STS的应用实现了不同电源之间不间断的切换，从而为民航的供电提供了充足的冗余度，增强了设备的可靠性，如果要充分发挥其效果，还需要合理的配置，科学的维护，正确的操作，同时对STS的构造原理有深刻的理解。在民航电力中，有部分地区设备由于经费等原因（STS的成本是非常高昂的）仍然是单STS供电或者甚至是没有STS，一旦STS出现故障，就会影响设备的正常运行，如果改成双STS供电，将提供更大的设备冗余度，提高安全可靠性，这也是STS在民航应用中将来的发展方向和配置趋势。

当然，许多地区受制于资金，环境，空间等因素，对于STS的配置也应因地制宜，分步实施，逐步完善，有计划的推进STS在民航供电系统中的发展。

参考文献：

[1] 吴健.UPS双母线一体化配电解决方案[J].电源技术应用，2004，（9）.