公路供配电系统转换开关的应用研究

张召军

（河北高速公路集团有限公司青银分公司，石家庄 050000）

1 引言

因高速公路中一级重要负荷设施较多，为避免电源并列运行，需在高速公路中设置转换开关。当前，转换开关的问题主要有：（1）较少应用智能型转换开关；（2）未统一消防负荷终端的切换终端；（3）低压转换开关型号选用错误[1]。转换开关作为核心设备，其质量对公路重要机电负荷有较大影响，特别是监控等关键负荷的供电可靠性，现已有较多高速公路出现因转换开关故障而导致停电等安全隐患。因此，为确保高速公路运营安全，对其关键问题加以研究非常必要。

2 智能型切换开关

2.1 智能中压转换开关

高速公路设备负荷集中，且一级负荷较多，供电质量要求高。在10 000 kV·A 以上容量时，低压段母线电流达到极限，技术及投资成本升高，低压油机并机经济性低，且高速公路建设多经贫困山区，难以获取电网第二电源，因此，高速公路项目越发倾向于使用中压油机，即需通过中压电源转换的情况越发增多。

传统转换设备由元件或PLC 搭接而成，通过钥匙机械连锁或电气闭锁，发动机控制仅有启停信号，多需手动操作，且控制模块由多元件组装而成，逻辑简单，调试或测试时需按现场情况进行调整，操作步骤不明晰。针对传统转换设备的不足，人们开始逐渐应用智能中压转换技术（ATSE），ATSE 工作原理如图1 所示。

图1 ATSE工作原理

ATSE 由成套核心元器件组成，性能表现较稳定，除钥匙机械连锁和电气闭锁功能外，还具备程序闭锁功能，且发动机控制具备可控延时及优先级控制等功能，可手动切换操作也可自动操作和远程控制，控制模块由专用控制器组成，有固定的切换逻辑，设计及操作难度低。此外，中压转换开关可对负载试加投切控制，即减载和加载。在使用油机电源前，ATSE 负载顺序投切功能可降低负载量，在投入油机电源后又可加载，对市电油机系统的独立性以及安全性施加全面防护，避免因电气回路故障而误动高压回路等事故，智能性较高。因此，建议在难以获取电网第二电源的公路供配电系统中广泛应用智能中压转换开关[2]。ATSE 典型应用如图2 所示。

图2 ATSE典型应用

2.2 智能低压转换开关

因电网发达且需考虑环保等，一线地区的公路自用变电站多从电网获取两路电源，且不设发动机。此外，因地方电网无法在中压侧切换双电源，因此，一般需使用低压备用方案，并以单母线分段作为低压侧主接线，具体如图3 所示。

图3 二进线一母联转换开关系统

传统的QS1 和QS2 主进线开关以及QC 母联开关多需手动切换，难以满足快速恢复供电的要求，且操作难度高[3]。而智能低压转换开关（二进线一母联式）除了具备传统转换方案的功能外，还具备同相转换（配备有同相监控器，可同步监测两个电源频率差和电压差，达到快速切换电源的效果）、延时转换（可在短时间内完全分开负载和两个电源，以利于降低负载水平，减小对设备的影响）和并列转换（可在短时间内并列两个电源，并将重要负载转换至另一电源）功能[4]，且可在保证经济成本的前提下确保负载供电的连续性和安全性，因此，建议推广使用智能低压转换开关（二进线一母联式）。

3 消防负荷终端切换

按GB 50016—2014《建筑设计防火规范》[5]的要求，需在各类消防用电设备等的供配电线路配电箱中设置终端切换装置。而GB 51348—2019《民用建筑电气设计规范》[6]还将排烟风机列入需设置终端双切的范围。但因风机供电电缆均位于同一通道，使用双供电回路意义较小，且该方案造价较高，因而仅有部分高速公路按此规定执行，高速公路设计时主要仍是在消防水泵房和控制室设置终端切换。

按规范要求需在消防水泵房设计终端切换，但在JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技术规范》[7]中，消防水泵房仅为三级消防负荷，两种规定方式有不同概念。三级负荷强调的是外部电源可靠性，而终端切换则强调内部供电可靠性，即单电源外电或双电源外电都需使用两条线路供电，以保障某条供电线路故障时可经自动切换装置切换至另一线路，保证供电的连续性，因此，无论是何种负荷等级的消防负荷，与其终端切换的设置与否无关联，即消防水泵房虽然仅为三级消防负荷，但仍需设置终端切换。

此外，公路项目部分行业并无特殊负荷，如电伴热、消防卷帘门等，此类负荷是否需要归入消防范畴以添加终端切换并无规范明确。考虑到对人员安全及车辆疏散等的重要性，建议在消防卷帘门设置终端切换；而考虑到经济性及负荷季节性等，可不在消防电伴热中设置终端切换。

4 低压转换开关型号

在公路供配电系统中，关于低压转换开关设备型号的选择尚存有一定误区，多数项目没有正确选择设备型号，有一定的安全隐患，因而必须对公路供配电设备的选型原则进行研究。

4.1 适用标准

为进一步确保产品安全，避免操作不当引起电流短路等，建议在选型时结合GB/T 14048.3—2017《低压开关设备和控制设备 第3 部分：开关、隔离器、隔离开关及熔断器组合电器》[8]的要求进行考虑，该类标准有更为严格的要求。

4.2 CB级和PC级的选择

按文献[8]的规定，转换开关共有3 个级别，分别是CC级、PC 级以及CB 级。其中，CC 级是指能够满足GB 14048.4—2020《低压开关设备和控制设备 第4-1 部分：接触器和电动机起动器机电式接触器和电动机起动器（含电动机保护器）》[9]规范要求的电器，目前已不使用；PC 级是指承载和接通但不可分离和断开短路电流的TSE；CB 级是指可承载、分离、接通和断开短路电流，且配置有过电流脱扣器的TSE。

而按照GB/T 21208—2007 《低压开关设备和水泵控制器固定式消防泵驱动器的控制器》[10]的规定，自动转换开关应满足PC 级要求，且所选用的自动转换开关的操作机构应满足负载电路与备用电源和主用电源连接的持续性，此处指ATSE工作位置仅有两个。因此，消防水泵终端切换开关需采用PC级开关，原因在于PC 级产品可承载大于20Ie（Ie为额定电流）的过载电流，其触头不易斥开且难以熔焊的性能可使消防水泵供电可靠性大幅提高。

一般情况下，PC 级转换开关需设置断路器或熔断器等短路保护电器。断路器有0.3～0.4 的较高限流系数，但限制短路电流的性能较差；熔断器有较强的限流性能，多用于系统短路电流预期较大的位置。因公路供配电系统变压器容量较小且负荷单一，因此，大短路电流的出现概率较低，因此，建议短路保护电器采用断路器。需强调的是，因消防设施供电的持续性要重要于设备的损坏，因此，应避免在消防回路中设置短路保护器。

从GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》可知，当消防负荷供电自动转换开关为CB 级时，应采用仅具备断路器的自动转换开关，且其保护选择性应配合所保护电器。因此，除水泵外的消防负荷所采用转换开关可为CB 级，但不可设置过负荷断电保护。

CB 级转换开关和PC 级转换开关分别为派生式和非派生式，因此，CB 级开关有更好的短路特性，但CB 级转换开关有更高的转换动作时间。综上所述，不能简单地认为PC 级转换开关一定比CB 级转换开关好，在具体设置时还需结合实际条件加以考虑。

4.3 负载类别

PC 级转换开关适用的负载类别见表1。因自动转换开关（ATSE）难以通过AC-33B 试验，因而部分厂家默认提供AC-31B 负载类别，因此，若为电动机负荷，应注意强调所用转换开关为AC-33B 负载类别。

表1 PC级转换开关适用负载类别

4.4 极数选择

按GB 51348—2019《民用建筑电气设计标准》的要求，备用发电机和正常供电电源间的电源转换应选用四极开关，因此，在常规发电机中应以四极开关作为转换开关，若不考虑剩余电流保护则可采用三极开关。

5 结语

目前，交通行业已迈入高质量发展阶段，我国交通运输部也出台了一系列关于公路建设高质量发展的文件要求。作为确保公路所有机电设备运营的关键，公路供配电系统的重要程度越发凸显，而作为确保公路供配电系统可靠性的核心设备，切换开关在整个公路项目中有重要作用。因此，合理选取转换开关不仅是确保安全电网的关键，也更契合公路项目高质量发展的理念。