重康动力（深圳）有限公司

摘要： 针对市电中断或异常时重要用电设备面临停机、损坏和数据丢失风险的问题，本文围绕市电与柴油发电机双回路供电的自动切换技术展开研究。文章从设计思路、实现方案和器件选型三个层面进行系统论述，提出以ATS开关为核心、配合保护继电器与柴发机组控制器构建自动切换系统的技术路线。设计遵循市电故障自动切换、市电恢复自动回切、器件配置优化和手动自动互锁等原则，并对智能控制器方案与继电器组合方案进行对比分析，确定继电器组合方案更适合老旧配电柜改造。器件选型部分详细阐述了ATS开关、断相与相序保护继电器、时间继电器、小型通用继电器、熔断器及智能浮充电源的选型依据与技术参数，并通过电瓶待机时间估算论证了加装浮充电源的必要性。该方案能够实现市电与发电机的快速可靠切换，保障企业重要设备连续供电。

 

一、双电源（ATS）设计思路

 

1. 设计原则

（1）市电故障自动切换

市电断电、缺相、电压不平衡、相序错误时自动切换发电机供电。这是双电源切换系统最基本的功能要求，确保在市电异常时能够及时切换到备用电源，保障用电设备连续运行。

（2）市电恢复自动回切

市电正常后自动切换至市电，延时关闭发电机。回切过程应确保市电稳定后再进行切换，避免因市电短暂恢复又中断而造成频繁切换。发电机在切换后应经过冷却延时再关闭，以保护发电机。

（3）器件配置优化

因配电柜空间一般有限，因此需要器件最少、功能最优、价格便宜、体积较小。在满足功能要求的前提下，尽量减少配套设备数量，降低改造成本，提高切换系统运行的可靠性。

（4）手动自动互锁

自动切换装置故障时，手动能快速切换，自动手动切换互锁。这一原则确保了在自动切换系统出现故障时，运维人员能够通过手动方式快速切换电源，保障供电连续性。

（5）器件选型要求

器件应选用知名厂家，如施耐德、ABB等。知名厂家的产品在可靠性、使用寿命和售后服务方面更有保障，能够降低长期运维成本。

2. 框图工作原理

（1）市电监测功能

工作原理如图2所示。市电监测主要实现对市电电压实时监测，当市电故障时能给发电机自带柴发机组控制器发出启动信号，并驱动切换装置切换。市电监测是自动切换系统的触发环节，其准确性和可靠性直接影响整个系统的性能。

（2）切换装置功能

市电与发电机相互切换由切换装置完成，用户现有配电设备和发电机都具备相应短路、过载等保护功能。同时考虑投入成本、安装空间等主要因素，切换装置不考虑断路器形式，只在ATS（PC级）开关中选择。

（3）直流充电电源

直流充电电源主要给柴发机组控制器待机供电和发电机电瓶充电。市电监测和切换装置是否需要直流供电，待实施方案确定和器件选型后，根据需要再定。直流充电电源的可靠性直接影响柴发机组控制器的待机供电和电瓶寿命。

（4）现有设备利用

从用户现有供配电设备实际情况出发，最大限度利用现有设备，减少配套设备数量，降低改造成本，提高切换系统运行的可靠性。继续使用英国深海柴发机组控制器，由柴发机组控制器监控发电机的运行。应尽量选用控制电压为AC220V/380V的切换开关，如必须选用直流控制电源，应选用控制电压等级为DC24V的切换开关，由发电机电瓶直接供电，避免另配直流稳压电源而增加配套设备。

 

 

图1  ATS转换开关安装位置示意图

图2  双电源自动切换系统方框图

 

二、双电源（ATS）实现方案

 

1. 方案一：智能控制器方案

（1）系统组成

方案一由ATS智能控制器、ATS开关和柴发机组控制器组成自动切换系统。ATS智能控制器是系统的核心控制单元，负责监测市电和发电两路电源的电压状态，并根据预设逻辑控制ATS开关的切换动作。柴发机组控制器负责监控发电机的运行状态，包括启动、运行、停机和保护等功能。

（2）市电监测功能

ATS智能控制器可精确监测市电、发电两路三相/单相电压，对出现的电压异常、断电、过压、欠压、缺相、相序做出准确判断。监测范围覆盖电压幅值、频率、相位等多个参数，能够全面反映电源的质量状况。

（3）切换控制逻辑

经延时后控制ATS开关切换，发出发电机延时启动信号。延时设置可避免因市电瞬时波动而造成的误切换，提高系统的稳定性。切换逻辑可根据用户需求进行设定，满足不同应用场景的要求。

（4）市电优先功能

可设定市电优先功能，即市电恢复正常后自动切换回市电供电，发电机经冷却延时后关闭。市电优先功能是保障供电经济性的重要措施，因为市电通常比发电机供电成本更低。

（5）计算机接口模块

同时具有计算机接口模块，可实现计算机编程控制。通过计算机接口，运维人员可以远程监控系统运行状态、修改控制参数、查看历史记录，提高运维效率。

（6）方案特点

其特点是能对市电及发电电压异常全面精准监测，ATS开关切换方式可人为设定，可满足多种切换要求，适应性广，能实现计算机编程控制。该方案功能完善，适用于对切换系统要求较高的场合。

（7）存在的不足

但改造成本较高，占地面积大，安装调试难度大。对于配电设备陈旧、空间有限的用户来说，方案一的实施难度和成本都较高。此外，智能控制器的维护需要专业技术人员，增加了运维成本。

2. 方案二：继电器组合方案

（1）系统组成

方案二由ATS开关及保护继电器、时间继电器等和柴发机组控制器组成自动切换系统。该方案以柴发机组控制器为核心，配合保护继电器和时间继电器实现自动切换功能，结构简单，易于实现。

（2）市电监测功能

保护继电器能够监测市电三相/单相电压，对断电、缺相、相序、三相不平衡等做出准确判断，发出发电机启动信号。保护继电器的动作时间可调，能够有效避开瞬时电压波动造成的误动作。

（3）发电机启动控制

经柴发机组控制器延时后启动发电机。柴发机组控制器根据接收到的启动信号，按照预设的启动程序控制发电机启动，包括预热、起动、升速、建压等过程。启动延时设置可确保市电故障判断的准确性。

（4）切换控制逻辑

发电机启动后，时间继电器控制ATS开关延时切换至发电机。延时切换的目的是等待发电机输出电压稳定后再进行负载切换，避免因电压波动造成设备损坏。切换时间可根据发电机的启动特性和负载要求进行设定。

（5）市电恢复回切

当市电恢复，直接切换至市电，具备市电优先功能。回切后，发电机运行由柴发机组控制器监控，经冷却延时后关闭发电机。冷却延时是保护发电机的重要措施，能够避免发电机因突然停机而造成过热损坏。

（6）发电机运行监控

发电机运行由柴发机组控制器监控，包括电压、电流、频率、功率、温度、油压等参数的监测，以及过载、短路、超速、低油压等保护功能。柴发机组控制器是发电机安全运行的重要保障。

（7）方案优势

具有老旧低压配电柜改造成本低、安装调试简单、占用空间小，最主要是能利用现有设备等特点。该方案充分利用用户现有的柴发机组控制器和配电设备，只需增加少量继电器和ATS开关即可实现自动切换功能，改造成本低，实施周期短。

（8）方案比较与选择

通过比较，方案二接近方案一的控制切换功能，但结构简单，易于实现，方便维护，且造价低廉，方案二更适合于用户配电设备陈旧现状。对于大多数老旧配电柜改造项目，方案二是更为经济实用的选择。

3. 两种方案的对比分析

（1）功能对比

方案一采用智能控制器，功能更加完善，可实现计算机编程控制和远程监控；方案二采用继电器组合，功能相对简单，但能够满足基本的自动切换要求。两种方案在核心功能上基本一致，均能实现市电故障自动切换、市电恢复自动回切和发电机延时关闭。

（2）成本对比

方案一的智能控制器和配套设备成本较高，改造成本大；方案二利用现有柴发机组控制器，只需增加少量继电器和ATS开关，改造成本低。对于预算有限的项目，方案二具有明显优势。

（3）安装调试对比

方案一的智能控制器需要专业技术人员进行编程和调试，安装调试难度大；方案二的继电器组合接线简单，调试方便，普通电工即可完成安装调试。

（4）维护对比

方案一的智能控制器维护需要专业技术人员，备件成本高；方案二的继电器组合维护简单，备件通用性强，维护成本低。

（5）适用场景对比

方案一适用于对切换系统要求较高、预算充足的新建项目；方案二适用于配电设备陈旧、预算有限、空间受限的老旧配电柜改造项目。用户应根据自身实际情况选择合适的方案。

 

图3  双电源转换开关（ATS）接线端子示意图

图4  柴油发电机组控制器操作系统界面图

 

三、双电源（ATS）器件选型

 

1. ATS开关选型

（1）容量确定

举例某用户现有电力变压器容量160kVA，最大电流230A，发电机容量130kVA，最大电流188A。从可靠性和电气寿命等方面考虑，ATS开关容量应适当放大，初步确定为300A。容量适当放大能够提高ATS开关的可靠性，延长使用寿命，同时为未来负载增长留出余量。

（2）产品选择

选择ATS开关时，联系到了3家专业生产厂家，主要从可靠性、使用寿命、切换功能、接通分断能力、额定电流、电压等方面考虑，最终选择了SYK1-300A型ATS开关。此开关采用双列负荷式触头、横拉式机构、微电机预储能以及微电子控制技术，基本实现零飞弧，可带载切换。机械操作带手动功能，可靠性高，使用寿命10000次以上。

（3）主要电气性能参数

SYK1-300A型ATS开关主要电气性能参数如下：额定发热电流300A，额定绝缘电压750V，额定冲击耐受电压8kV，额定工作电压440VAC，额定工作电流300A，额定接通能力10Ie，额定分断能力8Ie，额定限时短路电流100kA，转换时间≤3.5s，控制电源电压220VAC。这些参数能够满足该用户配电系统的切换要求。

表1    SYK1-300A型ATS开关主要电气性能参数

 

 

2. 继电器及熔断器选型

（1）断相与相序保护继电器

为实现市电监测功能，选用XJ3-C型断相与相序保护继电器，作线路的断相、相序、三相电压不平衡故障状态的保护控制作用。其主要参数为：工作电压交流三相380VAC 50Hz允许波动±10%，触点数量1常开1常闭，触点容量250VAC 5A，断相与相序保护动作时间≤2s，三相电压不对称度≥8%～13%动作时间≤5s，电寿命1×10⁵次，机械寿命1×10⁵次，功耗≤3W，安装方式导轨式。

表2    XJ3-G型断相与相序保护继电器主要参数及技术性能

 

 

 

（2）时间继电器

根据柴油发电机启动后需要有几十秒的稳定运行时间，故选用JSZ3A-B型时间继电器能满足延时切换的要求。其主要参数为：延时方式通电延时，延时时间0~60s，延时精度≤10%，工作电压380VAC，触点容量5A，触点数量延时二转换，安装方式导轨式。

表3    JSZ3A-B型时间继电器技术参数

 

 

（3）小型通用继电器

此设计电路需要扩展触头数量和触头容量，所以选用小型通用继电器HH53P，其工作电压220VAC，触头容量5A，触头数量3常开、3常闭，安装方式为导轨式。

（4）熔断器

选用RT28N-32型熔断器可满足二次回路的保护功能，安装方式为导轨式。

3. 直流充电电源选型

（1）待机供电需求分析

在市电、发电手动切换运行期间，发电机只在市电停电或定期试机等需要启动运行时，由电瓶提供启动电力，手动启动发电机运行。平时电瓶处于开路状态。电瓶的充电主要是定期（2~3个月）由40A脉冲式充电器进行一次6~8小时的补充电，使电瓶达到满电状态。在市电、发电自动切换升级改造后，柴发机组控制器需采用自动模式，发电机将长期处于备用待机状态。

（2）待机时间估算

柴发机组控制器直接由2只12V、105Ah原配电瓶串联24VDC供电，能否满足长期待机要求，需要进行估算。柴发机组控制器待机电流取最大值140mA，风帆6-QA-105电瓶自放电电流取20mA。24小时电瓶放电容量为：

$$\begin{array}{cc}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span><span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">I</span>}}_{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">24</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span><span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0.14</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">+</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">0.02</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">24</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3.84</span>}\text{<span style="font-size: 14px;">Ah</span>}& \text{<span style="font-size: 14px;">(公式1)</span>}\end{array}$$

电瓶充电间隔时间为：

$$\begin{array}{cc}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">T</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\mu </span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">C</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">Q</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\frac{<span\; style="font-size:\; 14px;">(</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">1</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">-</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">70</span>}\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">\%</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">)</span><span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">105</span>}<span\; style="font-size:\; 14px;">\times </span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">2</span>}}{\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">3.84</span>}}<span\; style="font-size:\; 14px;">=</span>\mathrm{<span\; style="font-size:\; 14px;">16.4</span>}\text{<span style="font-size: 14px;">天</span>}& \text{<span style="font-size: 14px;">(公式2)</span>}\end{array}$$

式中，Q为24小时电瓶放电容量；T为电瓶充电间隔时间；μ为电瓶容量下限保持率，当电瓶放电到一定容量时，会造成发电机无法启动，出于安全考虑取保守值70%；C为电瓶额定容量。

（3）浮充器的必要性

通过计算可以看出，由电瓶直接供电给柴发机组控制器16.4天后，电瓶已达到启动发电机所需容量的下限，必须要进行一次充电。这样频繁充电造成电瓶容量快速降低，加之长期小电流持续放电，会造成电瓶板极活性降低、硬化等现象，严重缩短电瓶使用寿命，给发电机正常工作埋下隐患，因此必须加装电瓶浮充器。

（4）智能浮充电源选型

BCC6B智能浮充电源是专为发电机组后备电池24V铅酸电池设计，采用电池管理IC新技术进行三段式智能充电，具有恒流快充、均流充、涓流浮充，延长电池使用寿命，避免电解溶液的分层和硫化，是传统浮充电源的升级换代产品。其主要技术参数为：输入电压165VAC~275VAC，适用电池24V，输出电流6A，输出电压27.6VDC（可调），电压稳定度≤0.5%，输出稳定度≤1%，无故障时间MTBF≥50000h。

表4    BCC6B智能浮充器技术参数

 

 

总结

市电与柴油发电机双回路供电自动切换系统是保障企业重要设备连续供电的关键设施。本文从设计思路、实现方案和器件选型三个方面进行了系统论述。设计上遵循市电故障自动切换、市电恢复自动回切、器件配置优化、手动自动互锁等原则。方案一采用ATS智能控制器，功能完善但成本较高；方案二采用ATS开关配合保护继电器、时间继电器和柴发机组控制器，结构简单、成本低廉、易于维护，更适合配电设备陈旧的老旧配电柜改造。器件选型方面，ATS开关容量应适当放大，断相与相序保护继电器、时间继电器、小型通用继电器和熔断器均选用导轨式安装产品。电瓶待机供电时间估算表明，必须加装智能浮充电源以延长电瓶使用寿命。该方案能够确保市电中断时快速切换至发电机供电，保障电力系统连续工作。

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