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专家论点:中建院李炳华先生-自动转换开关电器ATSE可靠性分析 

《自动转换开关电器ATSE可靠性分析》

作者：中国建筑设计研究院总工程师 李炳华先生（100044）

摘要: 本文剖析了CB级ATSE和PC级ATSE的内部结构和工作原理，分析了ATSE的可靠性，并用ATSE返修率验证其可靠性。从中得出PC级ATSE的可靠性高于CB级ATSE，双电动操作机构的CB级ATSE可靠性高于单电动操作机构的CB级ATSE。

关键词:自动转换开关电器ATSE CB级 PC级 可靠性 返修率

Abstract:The construction and principle of ATSE will be anatomized in order to analyze the reliability of ATSE in this thesis. And the reliability will be validated by studying ratio of repairing ATSE. The conclusion will be given, that is, the reliability of Class PC is better than Class CB’s, Class CB with two motors is better than one motor’s.

Keywords:ATSE  Class CB  Class PC  Reliability  Ratio of repairing ATSE

1.概述:

ATSE学名自动转换开关电器，英文名称：Automatic Transfer Switching Equipment，ATSE是其英文名称的缩写。根据GB/T14048.11-2002《自动转换开关电器》的定义，ATSE是由一个（或几个）转换开关电器和其它必需的电器组成，用于监测电源电路，并将一个或几个负载电路从一个电源自动转换至另一个电源的电器。ATSE可分为PC级和CB级，PC级ATSE能够接通、承载、但不用于分断短路电流的ATSE，CB级ATSE配备过电流脱扣器的ATSE,它的主触头能够接通并用于分断短路电流。如何正确选用ATSE？许多专家发表了不少文章说明自己的观点。笔者经过长时间的研究，从分析ATSE可靠性入手，给读者从另一角度认识ATSE，以便正确、合理选用ATSE。

请读者倍加注意：使用ATSE的负荷都是重要负荷，至少是二级负荷。因此，分析ATSE的可靠性十分必要。

2. CB级ATSE的特点:

2.1 单电动操作机构CB级ATSE的结构特点:

2.1.1  结构及工作原理:

  图1为单电动操作机构CB级的ATSE，它通常由二个断路器、一个操作电动机、减速齿轮、连杆机构、操作推属器件组成。

单电动操作机构CB级ATSE的工作原理如下：首先闭合常用电源,检测电路8检测到常用电源参数正常，电动机2（在板的背面）转动,带动齿轮运动。一般电动机转速在1500转/分钟以上,经减速齿轮3（在板的背面）转速变为约15转/分钟。齿轮带动连杆机构4旋转,致使一个推杆5推动一个断路器1手柄10至"合"位置,另一个推杆推动另一个断路器手柄至"分"位置。当断路器手柄到位时，微动开关6动作，断开电动机控制回路，电动机停止。机械锁扣件7保证两个断路器不能同时合闸。

电源切换时,电动机反向旋转,带动机械各部件也向相反方向运动,断路器手柄在推杆的作用下做相反操作,即原来合闸的断路器变为分闸,分闸的断路器变为合闸,从而完成双电源的切换。

2.1.2 故障类型:

1.机械偏差造成操作卡死:

单电动操作机构的CB级ATSE有很复杂的机械系统，机械部件较多，机械之间的连接和定位会因长时间使用而出现变形、松动，久而久之，机械系统偏差越来越大，结果造成断路器合闸、分闸不到位，更有甚者机械系统卡死。 

图2 为机械故障之一，由于机械系统的偏差，推杆从断路器操作手柄中脱开，即使断路器质量很好，但就ATSE而言，图中所示的ATSE不能可靠工作，ATSE的可靠性远低于断路器。

2.电动机及减速齿轮损坏比例较高:

正如前面所述，机械系统的偏差造成微动开关的损坏或微动开关因不到位而不动作，结果电动机的控制回路不能正常断电，该停止的时候电动机不能停止，而出现电动机过载或堵转现象，如果过载或堵转时间较长，电动机会缩短寿命，严重情况下电动机会被烧毁。

这种情况下，减速齿轮也要承受巨大能量，同样其寿命将大打折扣，严重时齿轮损坏也就不足为怪。

3.电器件损坏:

ATSE内的电动机过载或堵转会产生另一恶果，保护、控制电动机的电子器件会因此而损坏。常见的问题有继电器烧毁、熔断器烧坏等。这类问题占ATSE损坏的比例较高，仅排在电动机损坏、齿轮故障之后，位于第三高故障率。

2.2 双电动操作机构CB级ATSE的结构特点

2.2.1  结构及工作原理

图3所示为双电动操作机构的CB级ATSE，从结构上看，它比单电动操作机构要简单的多，有两个断路器1、两个电动机操作机构2、一个控制器3、一个机械锁扣件4组成。

锁扣件可以保证只有一个断路器处于合闸的位置，但可保证两个断路器均在分闸位置。

2.2.2 故障分析

简单的结构造就了双电动操作机构CB级ATSE的高可靠性。表1汇总了国内多家厂家CB级ATSE返修情况，从另一个侧面验证了双电动操作机构的CB级ATSE可靠性要高于单电动操作机构的CB级ATSE。

表中返修数量不包括退货的数量，故障比例为某类故障的ATSE数与总故障数之比，返修率为返修的ATSE数与该时期ATSE销售数量之比。由此可见，单电动操作机构的CB级ATSE返修率是双电动操作机构的1.95倍，可靠性高低一目了然。

表1 CB级ATSE故障分类

2.3 CB级ATSE固有的特点 CB级ATSE固有的特点就是具有短路保护，它实现了双电源切换和短路保护两个功能，减少了连接点。因此，在欧洲CB级ATSE被广泛使用。据介绍，额定电流在630A以上的ATSE，欧洲只采用CB级；630A以下的ATSE约60％使用CB级，40％使用PC级；ATSE没有100A以下的产品。 

CB级ATSE除了具有上述优点外，还存在许多不足。 

①由断路器构成的CB级ATSE有滑扣的危险。 图4所示断路器的内部结构，低压断路器由触头、灭弧装置、操作机构和保护装置等组成。在断路器中静触头和动触头被用来实现电路接通或分断，断路器操动机构包括传动机构和脱扣机构两大部分，传动机构有手动传动、杠杆传动、电磁铁传动、电动机传动。从上面可知，CB级的ATSE断路器用电动方式操作断路器的手柄，手柄处于“合闸”位置时，有时动触头和静触头不能有效的闭合，这种现象叫做断路器滑扣。滑扣将导致电路不能正常接通。

②由断路器构成的CB级ATSE存在无选择性保护现象，停电面积扩大，不能满足重要负荷供电要求。

图5所示，当支路A点发生短路故障，由于保护选择性较难满足要求，断路器Q1和ATSE均跳闸。此时电源正常供电，没有出现电源偏差，ATSE不切换。因此，故障回路被切除的同时，本箱（柜）内其它非故障支路也停电，停电范围被扩大。要知道，这些负荷都是重要负荷，双电源没有给这些负荷带来更高的供电可靠性。

3 PC级ATSE的特点

3.1 结构特点和工作原理

图6为二段式ATSE的结构，转轴4带动动触头3转动，当动触头与上面的静触头闭合时，接通上面的电源；相反，当动触头与下面的静触头闭合时，下面的电源被接通。可以很容易的看出，这种ATSE结构非常简单，可靠性十分高，两个电源只能接通一个，机械结构保证了双电源的连锁关系，同时控制器还配有电气连锁。

具有零位的三段式ATSE结构也比较简单，可靠性不必怀疑，读者可以放心使用。

3.2 故障类型

根据调查，图6、7所示的PC级ATSE机械故障比率极低，在销售的34378台ATSE中，因机械故障而返修的仅7台，返修率，约为万分之二；因控制器故障而返修的为43台，返修率为千分之一点二五；因其它原因而返修的4台，返修率为万分之一点二，总的返修率不足千分之一点六。返修率只有双电动操作机构CB级ATSE的43％，不足单电动操作机构CB级ATSE的四分之一。机械结构的优势是PC级ATSE高可靠性的根本保证，如果在控制器元器件的选择、线路优化等方面下功夫，PC级ATSE可靠性还可进一步提高。

4 结论

综上所述，我们可以得出以下结论：

结论1：一体化结构PC级ATSE的可靠性高于CB级ATSE。

一体化结构指的是专门设计的、结构上是整体的ATSE，它对应由分立元器件组成的ATSE，后者分立元器件之间的过多连接造成其可靠性比一体化结构的ATSE要低。图6二段式和图7三段式ATSE属于一体化结构的PC级ATSE。

在北美洲，ATSE只有PC级，不采用可靠性相对较低的CB级ATSE。

结论2：双电动操作机构的CB级ATSE的可靠性高于单电动操作机构的CB级ATSE。

在欧洲，CB级ATSE约99％采用双电动操作机构的CB级ATSE，它由断路器、电动操作机构、机械——电气连锁装置、控制器等组成。

中国ATSE标准等效了IEC标准，PC级和CB级都可采用，国家标准都容许它们存在，只要符合GB/T 14048.11-2002即可使用。PC级和CB级能够在IEC共存，是欧洲与美洲妥协的结果，希望读者根据可靠性合理、科学的选择ATSE