摘要：随着医疗技术的不断发展，对用电可靠性提出更高要求。例如，应急电源与市电电源之间必须正确装设切换装置和可靠的连锁装置，确保在任何情况下均无法向电网倒送电。本文系统阐述柴油发电机组作为备用电源的改造要求、市电与柴发连接的改造方案对比及安全切换的关键技术，为医院等重要负荷供电的应急电源系统改造提供技术指导。
一、改造要求
1. 供电可靠性要求与自备电源的必要性
民用建筑和工业建筑的供电电源都与市政电源的供电系统密切相关。当供电局市政电源只能提供一路10 kV工作电源时（一般的公共建筑、民用建筑、中小型工厂，供电局只提供开闭所10 kV电压等级一回电源线），不能提供第二回备用电源的情况下，就不能满足一类建筑一级负荷应由双重电源供电的要求。此时，自备应急电源成为满足供电可靠性要求的唯一技术途径。
（1）自备电源的选择原则
当一类建筑的一级负荷及其它重要负荷需要自备电源时，柴油发电机组、EPS（应急电源装置）和UPS（不间断电源）均可作为备选方案，但各有适用条件：
● 负荷较大、负荷分布较为分散，且允许停电时间在15 s以上时，快速启动柴油发电机组是最为优良的备用应急电源方案。柴油发电机组容量大、供电时间长、运行成本适中，适用于医院、数据中心、大型公共建筑等场所。
● 当负荷较小或负荷较集中时，可选用EPS作为备用电源。EPS无机械运动部件，切换时间短（毫秒级），但容量有限（一般单台不超过几百千瓦），持续供电时间受蓄电池容量限制。
● 对于不允许有任何供电中断的特别重要负荷（如手术室、ICU监护设备等），应采用UPS+柴油发电机组的组合方案——UPS承担市电中断初期的瞬态供电，柴油发电机组作为长时后备电源。
（2）柴油发电机组作为首选备用电源的原因
一类建筑的一级负荷及特别重要的负荷和二类建筑的二级负荷，被广大设计师们作为首选，优先选用自备应急快速启动柴油发电机组作为备用电源，主要基于以下原因：
● 容量范围宽，单机功率可从数十千瓦至数兆瓦，可满足不同规模建筑的需求；
● 启动速度快，应急快速启动机组可在15秒内完成启动、建压和带载，满足消防规范对备用电源的切换时间要求；
● 供电时间长，只要燃油充足，可持续供电数十小时甚至更长；
● 技术成熟，安装灵活，既可作为固定式电站，也可采用移动式车载机组；
● 不依赖外界条件（如燃气管道、供水系统等），独立性强。
2. 柴油发电机组的经济选型原则
作为第三电源的柴油发电机，从经济实用角度考虑，可选用国产中档产品，但必须符合国家、地方、行业标准。选型时需注意以下原则：
（1）功率匹配原则
根据柴油发电机专用低压配电屏所有负荷功率（419 kW）应小于发电机组功率20%的原则，发电机组额定功率应满足：
即发电机组额定功率至少应为503 kW，建议选用500～550 kW等级发电机组。功率裕量的目的在于：
● 适应未来负荷增长的需要，避免短期再次增容改造；
● 满足电动机启动时对发电机的瞬态冲击需求；
● 避免发电机组长期在100%额定功率下运行，留出10%～20%的备用功率裕量，有利于延长机组使用寿命。
（2）设备选型的合规性要求
自备柴油发电机组的选择应满足以下合规性要求：
● 符合GB/T 2820《往复式内燃机驱动的交流发电机组》系列国家标准；
● 满足当地环保部门对噪声和排放的限值要求；
● 满足消防规范对应急电源的启动时间和供电可靠性的要求；
● 发电机组应具备自动启动、自动切换和自动停机功能，并配备完善的保护装置（低油压、高水温、超速、过电流等）。
3. 市电与柴发切换的电气安全规范
当市电与发电机组电源转换时，首先应考虑到发电机组的特殊性，确认市电断电后发电机组启动，待发电机组电源各项指标达到稳定后才能输出，并且有互锁装置。切换过程的核心技术要求包括：
（1）切换时序控制要求
市电至发电机切换的标准时序为：
● 市电失压检测延时：一般设定为0.5～3秒（防止电网瞬时波动误启动）；
● 发电机组启动指令发出：确认市电失压后立即启动；
● 发电机组建压及稳定等待：约5～10秒；
● 切换指令发出：确认电压、频率稳定后合闸；
● 全部切换完成时间：从市电失压至发电机带载，总时间不超过30秒（消防负荷要求）或15秒（快速启动型）。
（2）四极ATSE切换装置的应用要求
根据IEC 465第15条和电业局有关文件规定，正常供电电源与备用发电机之间在不同的接地系统中的转换开关应用四极ATSE型（相线和零线同时切换），且发电机接地电阻不大于10 Ω。四极ATSE的应用必要性在于：
● 不同接地系统（如TN-S与TT系统）之间切换时，中性线必须同步切换，否则两个系统的中性线将通过共用零线形成电气连接，造成接地保护失效；
● 当市电侧中性线因故障或检修断开时，发电机侧的中性线电位可能通过共用零线窜入市电系统，造成倒送电或人身触电事故；
● 四极ATSE同时断开相线和中性线，确保两个电源系统完全隔离，杜绝倒送电路径。
（3）倒送电的危害与防范原则
倒送电是指备用发电机向市电电网反向送电的现象，其主要危害包括：
● 危及电网检修人员的人身安全，构成严重的安全事故隐患；
● 可能损坏市电侧设备，造成停电事故扩大；
● 违反电力法规要求，可能导致法律和赔偿责任。
● 防范倒送电的基本原则：
● 采用具备机械和电气双重联锁的切换装置；
● 市电与发电机电源之间必须装设可靠的机械联锁和电气联锁；
● 不同接地系统转换时必须采用四极ATSE，实现零线隔离；
● 定期进行切换试验，验证联锁装置的可靠性。
4. 现有系统的安全隐患
原有发电机专用配电屏电源与市电的转换于2018年1月份正式投入使用，发电机电源和市电转换是末端转换，就是通过两台交流接触器和一些联锁装置搭接而成实现转换的，属接触器式ATS型，市电零线和发电机零线共用，存在倒送电的安全隐患。接触器式ATS存在以下固有缺陷：
● 接触器线圈长期通电易发热老化，可能造成触点粘连或线圈烧毁；
● 机械联锁装置长期运行后可能磨损，存在两路电源同时接通的潜在风险；
● 零线共用无法实现不同接地系统的隔离，存在倒送电和中性线电位转移隐患；
● 接触器式ATS不具备故障指示和状态记忆功能，故障排查困难。
因此，对现有切换装置进行改造升级，采用断路器式四极ATSE，是消除安全隐患、提高供电可靠性的必要措施。
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图1 柴油发电机ATS转换系统电路图 |
图2 柴发双电源切换装置电路图 |
二、柴发与市电连接的改造方案
针对现有的安全隐患，提出了三种改造方案，分别从技术可行性、施工影响和安全性角度进行对比分析：
1. 方案一：末端智能双电源转换开关改造
现在的末端转换用的是智能双电源转换开关，即断路器式ATSE型，是用两台断路器和外在的机械联锁装置组合而成的。断路器选用四极的，转换时可切断零线，符合IEC 465标准要求，有效防止倒送电。
（1）方案特点：采用四极断路器式ATSE，零线与相线同步切换，满足不同接地系统的切换要求，杜绝倒送电隐患。
（2）主要缺点：末端转换点多，改造繁琐，需要逐层、逐区域更换转换开关，施工周期长。由于医院不能长时间停电，此方案在实施过程中会影响正常工作，改造难度大，故不予考虑。
2. 方案二：发电机专用配电屏母线桥引入改造
从变压器低压侧用母线桥引一路电源给发电机专用低压配电屏发电机受电柜供电，使用断路器式ATSE型自动双电源转换开关来实现转换。原主供线路由母线桥引至各层强电间使用，现主供线路与发电机备用线路共用。
（1）方案特点：利用母线桥引入市电电源至发电机配电屏，在源头实现双电源切换，减少末端改造工作量。
（2）主要问题：此方案会出现“小马拉大车”现象——发电机供电电缆按应急负荷设计，长期带载运行负荷增加时，主供线路的容量需求超过发电机供电电缆的载流量，存在电缆过载发热甚至火灾的安全隐患。此方案增加了系统运行风险，也不宜采用。
3. 方案三：低压侧主断路器四极改造
将两台变压器低压侧8#、17#受电柜和发电机18#受电柜的三极断路器改为四极万能式断路器，型号为NA1-2000型。
（1）技术特点：
① 四极断路器可实现N线隔离，在市电与发电机电源切换时同时切断相线和中性线，彻底杜绝倒送电隐患，满足IEC 465标准要求。
② 此断路器外挂欠压延时控制器，当供电线路欠压或失压时分断断路器来保护受电设备可能受到的损坏，或用来自动分断供电系统中的失压线路和晃电。因为医院的办公电脑、医疗设备等若出现晃电“死机”现象就会发生，既影响工作效率，也给患者带来不便。
③ 欠压延时控制器的延时功能可避免瞬时电压波动导致的误跳闸，当电压在延时时间内恢复时，断路器保持合闸状态，有效抵抗电网晃电，保障医疗设备连续运行。
（2）方案优势：此方案停电时间短（仅需更换三台断路器，单台更换时间约1～2小时），改造时间短，可分段施工，减少对医院正常工作的影响。能提高用电可靠性和系统安全性，避免不必要的停电。四极断路器的应用从源头解决了零线隔离和倒送电问题，是符合规范要求的最佳方案。
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图3 双电源自动转换柜 |
图4 双电源自动转换开关 |
三、安全切换的技术要点分析
1. 倒送电的危害与防范
倒送电是指备用发电机向市电电网反向送电的现象。当发电机与市电切换时，若零线未同步切换，或联锁装置失效，发电机电源可能通过共用零线或错误接线窜入市电侧。倒送电的危害包括：
（1）危及电网检修人员的人身安全——市电线路被认为已停电，但实际仍由发电机供电；
（2）损坏市电侧设备——发电机电压与电网电压不匹配可能造成设备损坏；
（3）违反电力法规要求，造成停电事故扩大。
2. 四极ATSE的应用必要性
根据IEC 60364和GB/T 14048.11标准，当备用电源与市电采用不同接地系统（如TN-S与TT系统）时，或当接地系统不兼容时，转换开关必须采用四极型，实现中性线的同步切换。四极ATSE在市电与发电机之间切换时，同时断开或接通三根相线和一根中性线，确保两个电源系统完全隔离，杜绝倒送电路径。
3. 欠压延时保护在医疗场所的应用价值
医疗场所对供电连续性要求极高，即使是毫秒级的晃电也可能导致精密医疗设备重启或数据丢失。NA1-2000型断路器的欠压延时控制器可在电压短暂跌落时保持断路器不脱扣，待电压恢复后继续供电，有效避免了因电网瞬时波动造成的非计划停电。该功能对手术室、ICU、影像中心等关键医疗场所尤为重要。
总结
综上所述，柴油发电机组作为医院等重要负荷的备用电源，其与市电的切换装置必须符合国家和电力行业有关规程、规范和标准的要求，采用四极ATSE实现相线和零线的同步切换，杜绝倒送电隐患。在三种改造方案中，将低压侧主断路器和发电机受电柜断路器改为四极万能式断路器的方案（方案三）具有停电时间短、改造周期短、不增加系统运行负担等优势，是最优选择。此外，外挂欠压延时控制器的应用可有效抵抗电网晃电，保障医疗设备连续运行。改造完成后，应按照国家和电力行业有关规程、规范和标准的要求，对发电机组定期进行安全检查、预防性试验、启机试验和切换装置的切换试验，以确保其始终处于良好运行状态，并有书面记录；制订发电机运行操作、维护管理的规程制度和应急处置预案，并定期进行应急演练，确保在紧急情况下备用电源系统能够可靠投入运行。
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