自动转换开关（ATS）在变电站中的应用分析

李夕扬

广州中浩控制技术有限公司 广东 广州 510000

引言

变电站是供电重要场所，其站用系统是变电站可靠、稳定、安全运行重要的保障。因此，为了确保站用系统能持续、可靠运行，需对装置电源、控制电源等重要的负荷采取一定措施，确保可连续供电。自动转换开关（ATS）是常见开关设备之一，可对两路电源进行自动转换，在实现开关持续运行的基础上，保证系统运行的稳定性。基于此，研究自动转换开关（ATS）在变电站中的应用，对提高站用系统可靠性有着重要意义。

1 自动转换开关（ATS）概述

自动转换开关（ATS）多用在紧急供电的系统中，可自动、灵活转换供电电源，保证重要负荷可稳定、持续运行。当ATS有故障时，往往会导致重要负荷出现断电、电源短路等问题，最终造成严重社会问题、经济损失。故此，研究ATS已是机械制造相关领域重点研究的对象之一。我国对ATS、相关电器研究可追溯到90年代的中期。就早期研究而言，因缺乏完善技术支撑，而使得ATS研究存在巨大瓶颈，无法保障其运行的安全性、可靠性，安全隐患较大，极易引发供电安全事故。在科技持续发展的背景下，我国对ATS研究逐渐趋向深入化方向发展，关于ATS的产品也日趋多元化，虽然在技术方面有了很大进步，但如何更有效地应用到变电站中，保障站电系统持续运行，仍是研究重点方向之一。

2 自动转换开关（ATS）工作原理及类型

2.1 工作原理

自动转换开关（ATS）组成结构包括控制器、操作机构和开关主体3个部分。在运行时，控制器负责实时监测两路的电源状态，当工作电源回路电压不稳、断相或者异常时，控制器会发出相应动作指令，之后由操作机构对开关本体控制操作手柄进行操作，以实现备用电源自动投切目标，支负荷端正常供电，进而保证电力系统可正常运行、稳定工作。

2.2 类型

2.2.1 根据能否分断短路电流进行分类。ATS按能否分断短路电流分为PC级、CB级，开关本体是两者主要差异。其中，PC级的主开关为负荷开关或者接触器，可实现线路负载接通和承载的目标，无法对短路电流进行分断。同时，PC级的结构相对简单，转换的速度可至50ms，能实现频繁操作且具备自身连锁等优势，还可承载20I以上的电流，不易斥开和熔焊，有较大的触头压力；CB级的主开关为塑壳断路器或者万能断路器，既可实现线路负载接通和承载的目标，也能实现短路电流接通和分断的目标。然而，CB级的动作相对较慢，当非电源性故障出现时，CB级会自动切断供电的电源，可靠性较低。可见，相较CB级，PC级发展空间更为广泛。不过，CB级的接线方式较简单，无须加载限流的设备，更适用于电源转换要求不高场所[1]。

2.2.2 根据工位进行分类。按照工位划分，ATS包括两位式、三位式。其中，两位式主触头的工作位只有两个，即常用位、备用位。而三位式主触头的工作位有三个，较两位式多零位，可由常用位转至零位，之后由零位转至备用位。两位式转换的动作较快，两位式的PC级动作总时间一般为50～250ms，三位式的PC级一般为350～600ms。当火灾发生需对非消防负荷进行切除时，可应用三位式，可实现较长时间对电源供由切断的目标。

3 自动转换开关（ATS）在变电站中的接线方式

3.1 个体负荷ATS接线

应用明备的方式，在负荷端装设ATS。由于电源首端有断路器，可起到保护短路的功能，因此可选择PC级结构的整体开关，无须配置控制器，以达到节约成本的目标。

3.2 两个站用电源ATS接线

应用备用的方式，1＃和2＃变压器各自供应一段母线负荷，并兼作剩余一段负荷备用的电源，即两用互备的模式。在负荷屏上装设ATS，共装设两套，可选择PC级、CB级的ATS。在电源的进线处，需设置断开点刀开关，为后续检修提供便利。若选择PC级ATS，进线处还需设置保护短路的电器。

3.3 三个站用电源ATS接线

可应用明备或者暗备的方式。在负荷屏上装设ATS，共装设两套。正常状态下，1＃、2＃和3＃分别供Ⅰ段、Ⅱ段、 Ⅲ段的母线负荷。Ⅰ段和Ⅲ段的暗备用负荷可选择2＃的站用电源，Ⅱ段则仅接入一般的负荷。若Ⅱ段未接入负荷时，Ⅰ段和Ⅲ段的明备用负荷选择2＃的站用电源[2]。

3.4 两个直流电源ATS接线

为了提高供电安全可靠性，重要变电站蓄电池往往会设置两组，各组负责一段母线直流负荷供应。然而，在紧急状况下，倘若其中一组蓄电池有故障，也极易造成严重损失。故此，可选择暗备用的方式装设ATS，由于PC级结构整体的开关动作具备较好的连锁性、加快的速度，故此可选择PC级。

4 自动转换开关（ATS）在变电站中的应用

4.1 变电站的站用系统特点

220kV的变电站可将主变压器的低压侧作为引入点，接入容量相同、分列运行、互为备用的两台变压器，按照计算负荷来选择适宜变压器。当主变压器只有1台时，可从所外的电源引接其中的一台变压器。就330～500kV的变电站而言，当其主变压器是两台或以上时，可将主变压器的低压侧作为引入点，引接两台以上变压器，且装设一台备用的变压器，可引接所外的可靠电源。同时，各台变压器容量应考虑主变压器冷却用电的负荷，且备用的变压器容量需与变压器最大容量一样。当初期主变压器仅有一台时，除引接的一台变压器之外，还需设置从所外的可靠电源接入的变压器一台。所用电的低压系统选择三相四线方式，系统中性点接地方式为直接式。所用电的母线选择单母线，两段相邻母线可配置断路器，但需确保可分列运行供电[3]。若某一变压器突然退出时，备用的变压器可自动切换到失电母线，从而继续进行供电。一典型变电站所用电的负荷特性可如表1所示。

表1 变电站所用电的负荷特性

用电负荷需选择配电屏进行直配式供电，重要负荷需采用双回路进行供电。就330～500kV的变电站内通信楼及控制楼，可在考虑负荷需求的基础上，设置专用的配电屏供楼内电。隔离开关、断路器可根据配置划分区域，在两段母线下列采取双回路的供电模式，即各个区域设置不同环形网络，在环网的中间实现开环运行目标。

4.2 自动转换开关（ATS）提高用电供电的可靠性

传统变电站380V的电源系统往往是人为操作的，当1#进入381的开关向负载进行供电时，2#只能在382的分位作为负载后备的电源。倘若某一原因导致1#消失、381开关跳开，会使得380V的母线失压，而导致全部负载失电，最终经光信号、声信号报给监控台人员。当核对了381分闸的位置后，可通过闭合382开关，实现380V的电源恢复目标，这种模式所历经时间较长，因此已逐步被母联开关取代。在正常运行时，380的母联开关位于分闸的位置，1#负载I段的母线，2#负载Ⅱ段，两者可实现分列运行目标。倘若1#或者2#有故障时，母联开关可在判断0V母线电压、合闸条件的基础上，闭合380的开关，负载另一母线，从而形成电源带负载运行的情况。变电所在自动投入电源装备时需满足下述要求：第一，确保工作电源断路器为断开状态，母线电压为0，备用电源的电压正常；第二，自动投入时动作应延时，且仅允许一次；第三，若母线有故障，则不应再起动自动投入的装置；第四，在手动断开电源的情况下，不再起动装置；第五，当电源恢复正常供电之后，应选择人工复归的方式切换回路；第六，在做出自动投入的动作后，需发出预告的信号。

4.3 自动转换开关（ATS）选用注意事项

4.3.1 选择ATS的结构形式。在不同应用场合，PC级、CB级特点各有不同，因此需根据实际情况选择适宜的结构形式。首先，当双电源供电呈放射式、所需消防负荷比较集中且容量大时，需在低压的配电室母线直接进行放射，以此作为电源转换的位置，则应选择PC级，以防本体故障对电源转换产生影响，而造成严重损失。倘若需加装保护性电器，可额外选择。其次，当发电机组和市电进行转换时，可选择三位式。因为正常电源在发生断相时，要求ATS能在切断电源的同时，归回零位，当发电机能持续一定时间的稳定送电后再回归发电机的位置。一般而言，ATS集中装设在低压的配电室母线，以便使用、维护。最后，当需要转换自动切断的电源、带高感抗的负载时，应选择三位式的PC级或者OYQ1专业的CB级。一般而言，ATS不具备高感抗的负载转换功能，因为两路电源在相位差比较大的时候进行切换，会使得电动机获取到巨大动力，因此产生反电势过电流会引起短路器的脱扣，极为不可靠，因此不能选择传统且未进行特殊处理ATS。

4.3.2 选择ATS的转换时间。ATS的转换时间对电力系统有很大影响，转换的过程是断电、送电的方式，对系统有较大的冲击力。若转换设备有中断，可选择带延时的ATS，以防设备断电而损伤机械或冲击设备，这种带延时的ATS可用于变频器、电动机、特殊医疗设备、整流器等负载中。若转换设备无中断，可选择瞬间闭路的ATS，以降低电源转换中瞬间断电时的损失。总之，ATS的转换时间需与负荷允许最大时间相符，且能配合供配电机电保护的时间，以防连续进行切换。在供大容量负荷的电动机时，需对转换时间进行适当调整，通过先断后合方式保障切换的安全性和可靠性。

5 结束语

总而言之，在科学技术不断发展的背景下，ATS发展必将趋于机电智能型、一体化方向，且自动转换的速度会更快、安全性会更强、自动程度会更高。目前，ATS在变电站中的应用仍处在起步阶段，尚有很多技术问题等待进一步研究、解决。因此，相关人员应加大对ATS应用到变电站中的研究力度，不断完善、提升其应用技术，保证重要负荷可持续、稳定供电，促进变电站安全运行。