【摘 要】现供配电系统设计中大量采用了ATSE转换开关，我国ATSE转换开关的生产研制也得到了快速的发展，现一种新型的无负载切换型自动转换开关实现了双电源间无负载自动切换，较好的解决了转换开关的触头氧化和电弧问题，大大提高了转换设备的安全性、可靠性。
【关键词】双电源，无负载切换，自动转换开关，可靠性，安全性
1、概述
1.1自动转换开关电器（即双电源切换设备）是在建筑、工厂、医院、矿山、军事、船舶等各个领域大量使用的一种电器设备，其作用是将用电负荷从一路电源转换到另一路电源上，以保证供电的连续性、可靠性。
1.2根据国家标准《GB/T 14048.11-2002/IEC 60947-6-1：1998低压开关设备和控制设备，第6部分：多功能电器，第1篇：自动转换开关电器》，自动转换开关电器（ATSE：automatict transfers switchinge equipment）的定义为：由一个（或几个）转换开关电器和其化必需的电器组成，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。
1.3其中转换开关电器的定义为：将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源电器。
1.4ATSE的适用范围为：……ATSE适用于应急供电系统，在转换电源期间中断向负载供电。
2、ATSE应用中的问题
2.1根据我国高层民用建筑设计防火规范规定：“一类高层建筑应按一级负荷供电，二类高层建筑应按二级负荷要求供电。”“高层建筑的消防控制室、消防水泵、消防电梯、防烟、排烟、风机等的供电，应在最未一级配电箱处设置自动转换装置”。为保证重要负载供电的连续性，双电源自动转换开关的应用需求已越来越大，技术性能要求也越来越高，对产品的合理选择就显行更加重要。其产品的技术水平、先进性和可靠性，直接影响到建筑物内人员的生命安全和用电设备的正常使用。转换一旦失败将会造成多种危害，电源间的短路或重要负荷断电、甚至短暂停电，其后果都是严重的。因此，现在工业发达国家都把自动转换开关电器的生产、使用列为重点产品加以规范。
2.2对于双电源自动切换开关电器（ATSE），首先要关心的是设备自身的安全可靠性，不能因设备自身的故障，而影响电源给负载供电。ATSE本身会因为控制器、机械机构、电弧、触头氧化等问题会出现故障，有些问题现在可以通过技术手段或其它主法得以解决，而触头氧化是目前市场上的ATSE应重点解决的问题。触头被氧化，产生氧化物，接触电阻增加，一旦投入使用，触头温升增高易造成供电中断，轻则影响生产和生活，重则造成重大事故。
2.3目前市场上主要有四种类型的ATSE，如双接触器型（CC级）、双断路器型（CB型）、双负荷开关型（PC型）、单臂双掷型等（PC级）。这些ATSE都有两组具备分断电弧功能的主触头，一组备用触头长期处于打开状态。为了满足来弧要求，接触器、断路器的触头经常选择银钨、银碳化钨材料配对，这有利于分断电弧，但该类触头材料易氧化，备用触头长期暴露在外，在其表面易形成阻碍导电、难驱除的氧化物。
负荷开关型的触头灭弧系统是以分断一次电弧的要求而设计，如触头材质差，电弧转移慢，灭弧性能差，经过几次开断事触头间烧损易形成接触不良形象。与双接触器型、双断路器型一样，其备用触头长期暴露在外，在其表面易形成阻碍导电、难驱除的氧化物。特别是在地下室、矿井、化工环境、盐雾环境下使用，其氧化问题尤为突出。
单臂双掷型为了理想的灭弧效果和解决触头氧化问题，有的不惜采用纯银甚至黄金做触头。黄金触头灭弧性能较好，不会氧化，但这还需要切换速度快，才能保证灭弧效果。对于人工手动操作时，由于人员在力量、速度上的差异，不能保证开关迅速完成分断闭合动作，有载转换时有电弧，会出现触头银点消耗、熔焊、粘连等情况。其故障和事故也时有发生。另外由于采用贵金属做触头，其价格比较贵。
ATSE按行业规范要求，定期三个月要求通电半小时，以便除触头氧化层。ATSE不是一个频繁操作的设备，由于长时间不用，大家对它的维护保养不会太重视，很少想到维护保养它。真正能做到维护保养的用户真是少之又少。一旦要使用ATSE，不能保证正常工作，影响重要负载供电，后果相当严重。在如此情况下，如何彻底解决ATSE转换电弧和备用触头氧化问题提到了产品研发议程。
3、无负载切换的特点
3.1现市场正在推出一种双电源无负载自动切换开关电器CATSN，其在无负载电流、无电弧下进行切换动作，并且触头无氧化。CATSN由一台转换开关、机械机构、控制器加一台断路器或负荷开关组成。其切换方式很有特点，是先让断路器或负荷开关断开负载电路，再让双投转换开关在无负载情况下进行电源切换，切换完成后再合上断路器或负荷开关。这种无负载状态下的切换，因双投开关是在空载下转换，无电流通过，也就不会有电弧产生，没有了电弧，触头就不会被烧蚀。切换触头是在无弧、涂油、密封的状态下，不会被氧化。另外触头上涂抹了导电润滑脂，而且转换开关外壳全密封，使转换触头与外界环境完全密闭，这样触头即使在恶劣环境中也没有氧化的问题。
CATSN的切换功能如下图所示：
这种方式最大的特点就是不再有触头氧化和侵蚀的问题。分合负载电流功能的电器（断路器、负荷开关、接触器等）一直处于闭合工作状态；转换刀开关动作时，因为在完全处于无负载、无电流、无电弧的情况下，可以与外界隔离密封，外界氧气和腐蚀性所体无法作用其上；另外转换刀开关触头上可以涂抹导电润滑脂，一则可以大大减小触头电阻，二则对各组触头更加彻底的保护。
第二个特点实际上是由第一个特点带来的好处，就是大大地减小了设备的维护工作量，设备的使用寿命午到了极好的保证。在这种方式下，设备的维护工作内容只剩下定期检查控制器，不再有定期让备用触头通电工作一段时间，不会因不能长期坚持不懈地做这项工作而影响设备的寿命。
第三个特点就是增加了转换过程安全性。无负载切换虽然增加了转换的步骤，但却能强制性地限制了最小转换时间，避免了转换时间过快，电弧没有完全熄灭引起的两路电源间的短路；另外转换刀开关在完全无弧情况下转换，无疑大大增强了完全性。但转换动作的增加无疑会延长转换动作的时间，目前CATSN系列的转换时间在1S至4S的范围内，除不能满足停电转换时间小于1S的场所的供电外，可满足大多数场合的转换时间要求。（一般电源转换时间小于1S的有特别要求的场合，在设备与双电源切换之间都配备有UPS、EPS设备，其转换时间为毫秒级）
第四个特点是可以进行多回路的转换。理论上只要有足够的尺寸保证各回路触头间的电气安全间隙和爬电距离要求，在一台设备上可以转换的回路数是很多的，但这个特点在通常情况下没有太大的实际作用。
CATSN系列无负载转换方式自动转换开关电器产品外型与双断路器型基本一致，只是将其中的一台断路器替换成了一台转换开关；它根据选用断路器或负荷开关而分成CB或PC级；单电机驱动；电气机械双重互锁，机械互锁保证设备只能按正常顺序操作，任何不安全的情况，都被机械限制。
CATSN的产品已经通过了中国质量检测中心3C的产品检测。在经受了多次短路故障电流后，CATSN的转换头无任何损伤痕迹、导电润滑脂完好如初；6000次循环操作后，转换触头表面的导电润滑脂层依然如故。
CATSN没有触头氧化问题，就不需要定期对触头进行维护保养。CATSN能保证设备无弧、无氧化安全正常运行，又减小了维护人员的工作量。
3.2需要特别指明提这种方式从电气线路的角度上来说，并不是一种新东西，在配电系统一直有这种手动操作方式，特别是在高压配电系统中（断路器与隔离开关的操作）。CATSN只不过将这种方式应用到ATSE上，并进一步增加了互锁、密封、导电保护油脂层等安全防护措施。
3.3CATSN实现了电源间无负载自动切换，无需再担心触头氧化和电弧问题，大大提高了切换设备的安全性、可靠性，同时也提高了整个用电系统的安全性、可靠性。
3.4无负载（无电弧）切换方式与现各种带负载切换方式性能比较表
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无负载切换方式
转换刀开关+断路器或负荷开关 |
带负载切换方式 |
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双断路器型 |
双负荷
开关型 |
单臂双掷型 |
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触头氧化及被环境侵蚀问题 |
因电源转换触点无灭弧要求，所以触点可以涂抹导电润滑油脂，并与外界环境隔离，基本解决触头氧化及被其它环境条件腐蚀问题； |
长期处于打开状态的备用触头，因有灭弧要求，存在易氧化等问题；氧化情况严重时，会引起开关发热烧毁。 |
同双断路器型 |
除用黄金等贵重金属做触头外，普通型式同双断路器型 |
同双断路器型 |
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设备运行维护工作量 |
定期检测控制器及机械操作，但无备用电源触头破除氧化层要求。 |
定期还需让备用电源触头工作一段时间，破除触头氧化层。 |
同双断路器型 |
除用黄金等贵重金属做触头外，普通型式同双断路器型 |
同双断路器型 |
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电源之间的电气安全 |
转换刀开关使电源间无物理性短路可能+无负载切换使电源间无电弧性短路可能 |
防止两路电源间物理性连接短路的机械互锁 |
同双断路器型 |
单臂双掷型使电源间无物理连接可能，但在电弧消除不好的情况下，会引起电源间的电弧性短路 |
同双断路器型 |
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成本 |
因为只用一台断路器或负荷开关，电源转换开关无灭弧和同步等高要求，故其有较低的构成成本 |
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单台设备转换路数 |
2、3 |
2 |
2 |
2 |
2 |
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转换动力方式 |
电机 |
电机 |
电机 |
电磁力 |
电磁力 |
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最小转换动作时间 |
1S~4S |
1S~3S |
0.4~4S |
0.1~0.4S |
0.1~0.4S |
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开关级别 |
CB、PC |
CB |
PC |
PC |
PC |
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外型与体积 |
同双断路器型 |
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重量 |
同双断路器型 |
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