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摘要通过对各层次电源自动转换的关联性分析， 指出其常被忽视的配合问题并提出解决措施， 以期引起人们对此问题的重视。
关键词 电源转换 层次 持续性断电 非持续性断电 延时
在当今的民用建筑中， 电源自动转换技术的应用已相当普遍。在实际工程中， 有些技术人员往往仅关注单个环节的转换， 不同层次的电源转换之间存在的关联和配合问题却常被忽视， 这样就有可能存在误动作隐患， 对系统转换产生不利影响。本文将就此问题进行探讨。
1 系统形式
图1 ~ 3 为常见的三种系统形式。三种系统都包含从中压到末级配电各层次的电源转换， 其区别在于中压供电方案的不同， 即中压电源为一用一备、两用互备、两用一备。为简单起见， 本文只讨论针对重要负荷供电的自动转换的情况， 不讨论手动操作及重复故障的情况。
2 电源转换层次及运行概述
对民用建筑而言， 一般具有以下全部或其中几个层次的电源转换： ① 中压电源转换， 即图1 及图3 形式的转换或图2 形式的母联操作； ② 不同变压器低压系统之间的转换， 即低压母联操作； ③ 自备应急发电机与市电的转换； ④重要负荷双回路电源的末级切换。
2． 1 第1 层次
中压电源为一用一备或两用一备时， 可采用标准的中压备用自投装置。电源为两用互备时， 则与低压系统母联操作程序类似， 转换在两路进线及母联3 个开关之间进行， 正常情况下母联处于分断状态， 两电源分列运行， 母联与两进线开关之间须分别设有电气、机械联锁， 3 个开关在任何情况下均不得同时闭合。
2． 2 第2 层次
《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16 - 2008）4． 4． 12条明确规定： “低压母联断路器自投时应有一定的延时， 当电源主断路器因过载或短路分闸时， 母联断路器不得自动合闸。” 可以采用任一侧电源断电和其主开关分断信号作为母联操作的必要条件， 其操作过程应该为： 一侧电源开关失压脱扣→ 卸载三级负荷→母联闭合→ 恢复断电母线上的一、二级负荷供电； 自复过程： 断电电源恢复→ 分断母联→ 闭合电源进线开关→恢复全部负荷供电。
2． 3 第3 层次
自备应急发电机与市电的转换， 通常采用ATSE即双电源自动转换装置， 转换过程为： 两段低压母线同时断电→ 发出信号启动发电机→ ATSE 转换至发电机电源向应急母线段供电； 自复过程： 市电恢复→ATSE 转换至市电供电→ 发电机延时停机。此层转换可选用带有发电机控制信号的ATSE， 该系统通常被作为低压配电的一部分设置在低压配电室。
2． 4 第4 层次
末级配电箱处的转换， 通常采用末端型ATSE，转换动作取决于两路电源的状态。
3 各层次转换关联分析
通过对各种断电情形下的逐层分析来探讨各转换层次之间的关联性， 从而对转换层次作出正确选择。
3． 1 第1 层次
如果图1 系统中的中压母线M 断电， 则原因有两种情况： 其一为主供电源断电， 此时主供电源开关会因失压而跳闸， 备用电源自动投入即恢复供电，第1 层次电源转换完成， 此转换过程会造成下行各层的非持续性断电； 其二为母线故障， 电源开关作保护性跳闸， 此时第1 层次转换不得进行， 整个市电系统将持续断电。
如果图2 系统中的某一段中压母线断电， 则原因亦有两种情况： 其一为某一中压电源断电， 此时相应电源进线开关会因失压跳闸， 母联闭合即恢复供电，第1 层次电源转换完成， 此转换过程会造成M1或M2下行各层的非持续性断电； 其二为某段中压母线故障， 相应电源开关作保护性跳闸， 此时不得进行母联操作， 该母线段的出线将持续断电。故障发生在M1或M2段母线， 对第1、2 层次的影响呈对称性相同，但对第3 层次而言， M1段故障不会使C 电源断电，M2段故障则会导致C 电源非持续性断电。图3 系统中， 如某一侧主供电源断电， 则中压备用电源3A3自动投入于该侧母线， 此转换过程会造成该侧母线下行各层的非持续性断电； 如果某段母线故障， 则备用电源不得投入， 该母线段的出线将持续断电。对下行各层次转换的影响与图2 系统相同。
3． 2 第2 层次
首先第1 层次任何一种断电情况发生时， 都会导致第2 层次QF1、QF2处一侧或两侧电源持续或非持续性断电。如果是双侧持续性断电， 如图1 系统M母线故障的情况， 则第2 层次转换已无意义， 只有启动发电机并通过第3 层次转换向重要负荷供电； 如果是单侧或双侧非持续性断电， 则通过第1 层次的转换在短时间内即可恢复， 此时第2 层次转换无需进行，如图1 系统之主供中压电源断电的情况， 或图2 系统之某一中压电源断电的情况、或图3 系统之某一中压主供电源断电的情况； 如果是单侧持续性断电， 需实施第2 层次转换， 即低压母联操作， 如图2 或图3 系统中某一段中压母线故障的情况。
三种系统形式中， 任何1 台变压器故障， 亦会造成第2 层次对应一侧的低压电源持续性断电， 需实施第2 层次转换。如果某一段低压母线发生故障， 此时对应的电源进线主开关已作保护性跳闸， 第2 层次转换不得进行， 该段母线的出线将持续断电， 这将导致第3 层次或第4 层次的转换。反言之， 如果某段低压母线单独持续性断电， 则原因应该是其自身故障。
3． 3 第3 层次
通常我们都会把第3 层次转换及应急母线L E设在低压配电室， C 电源通过断路器或熔断器直接接于L 2母线段， 所以C 与L 2的有无电状态是一致的。对于L 2即C 电源非持续断电的情况， 第3 层次转换无需进行； 如果图1 系统中的M 母线故障则L1、L 2将同时持续断电， 因而必须启动发电机并实施第3 层次转换；如果发生L1母线单独持续性断电， 则第3 层次转换不动作， 而直接由第4 层次转换动作。如果发生L 2母线单独持续性断电， 则存在两种情况： ① L E下有单电源负荷， 则应启动发电机并实施第3 层次转换。此时发电机控制信号应取自第3 层ATSE； ② L E下无单电源负荷， 因此时D 电源正常，第3 层次转换则可不动作， 但此时若启动发电机并作第3 层次转换， 从而保持L E带电， 对供电可靠性说更为有利， 对发电机来说此时的空载运行虽非必要， 但权当作为一次维护性运行， 对保持发电机的良好状态是有利的。此时发电机控制信号可取自两段低压母线的电源状态信号， 亦可取自第3 层ATSE。
3． 4 第4 层次
任何一种导致L 1母线持续断电的情况发生， 都会直接导致第4 层次即末级转换动作。末级转换的动作条件， 通常都是只考虑其两路电源的状况而不考虑与其他层次的关联， 这样有可能出现“来回倒闸” 的现象： 假设QF1电源发生断电， 末级ATSE 可立即将电源转换至D′， 而第2 层低压母联在延时后动作， 使L 1母线电源恢复， 此时末级ATSE 又会“自复”， 在短时间内完成了一轮不一定必要的“自投、自复” 过程， 在QF1电源恢复时这样的过程又会重复。由于末级转换的负荷单一且容量一般较小， 转换操作不会造成不良后果， 且对保持负荷供电有利， 合格的ATSE 也具有足够的电气和机械寿命承受这些转换动作， 所以笔者个人认为可允许末级转换此类动作存在， 既可以忽略末级转换的配合性， 也使问题简化。
3． 5 转换层次的选择性
从以上的分析可以看出， 各层次电源转换不是孤立的， 不同的断电原因、断电所处层次的不同， 对转换的层次选择和要求则不同。不同的转换层次之间存在着相互关联， 这些关联要求相互之间应有必要的配合， 应该有先后顺序， 否则将存在误动作隐患。第1 ~ 3 层次正确的转换选择见下表。
4 解决措施
按照规范规定， 当市电中断供电时， 发电机组应能自动启动（对自动系统而言）， 并在30 s 内向负荷供电。笔者认为， 这个30 s 时间不应孤立地理解为对发电机动作的时间要求， 而应该理解为重要负荷允许中断供电的时间。为解决此问题， 如果在各层次、各电源点之间相互接取电源状态信号， 则显然是复杂而不可取的。简单而有效的办法是对各层次的转换依次设定合理的延时， 令后一层次动作躲过前一层次转换所需的时间，并考虑一定的时间余量， 这样即可避免后一层次的误动作。第1 层次的电源转换或中压母联操作延时应相对最短； 第2 层次低压母联动作延时应适当滞后于第1 层次的动作时间； 发电机的启动可比第2 层次转换略为滞后； 第3 层次转换动作延时应适当滞后于发电机的启动时间， 即须考虑发电机启动过程所需的时间。对最长的延时即第3 层次转换延时应掌握在28 ~ 29 s 以内， 剩余的1 ~ 2 s 是考虑末级转换所需的时间。比如可将第1 层次转换、第2 层次转换、发电机启动、第3 层次转换的动作延时依次整定为4 s、8 s、10 s、25 s。计时起点即为各自主电源断电之时， 整定时长即为判定是否持续性断电的界限。通过1 ~ 3 层次转换动作时间上的配合， 可以有效地排除非持续性断电引起的误动作。只要设定了上述的延时， 同时也解决了“自复”过程的关联性影响。由上表可以看出， 在各种情形下1 ~ 3 层中最多只有一层转换动作， 因为上层的“自复” 只会造成下层的非持续性断电， 设定了配合延时则下层不会动作， 所以“自复” 时不会影响其它层。对母线或变压器故障的情况， 在故障排除后若采取手控自动复位， 对下层的影响与“自复” 相同， 若采取完全手动复位操作， 操作间隔时间超过所设定的延时时， 则会导致下层转换误动作。
5 结束语
电源转换的上下级配合问题固然存在， 由于第1 ~ 3 层的转换影响面广， 转换容量大， 配合性误动作虽不会对系统造成明显损害， 但也会有不利影响，更会损耗设备的使用寿命， 应该引起足够重视。通过简单的动作延时配合设定， 即可使此类误动作得以避免。在各层次的转换设备及其控制器选择上， 应选用技术成熟、功能齐备、延时可调的专用标准化定型产品， 建议选用微电脑控制器。这样可使系统更加完善， 运行更加可靠。
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关键词 电源转换 层次 持续性断电 非持续性断电 延时
在当今的民用建筑中， 电源自动转换技术的应用已相当普遍。在实际工程中， 有些技术人员往往仅关注单个环节的转换， 不同层次的电源转换之间存在的关联和配合问题却常被忽视， 这样就有可能存在误动作隐患， 对系统转换产生不利影响。本文将就此问题进行探讨。
1 系统形式
图1 ~ 3 为常见的三种系统形式。三种系统都包含从中压到末级配电各层次的电源转换， 其区别在于中压供电方案的不同， 即中压电源为一用一备、两用互备、两用一备。为简单起见， 本文只讨论针对重要负荷供电的自动转换的情况， 不讨论手动操作及重复故障的情况。
2 电源转换层次及运行概述
对民用建筑而言， 一般具有以下全部或其中几个层次的电源转换： ① 中压电源转换， 即图1 及图3 形式的转换或图2 形式的母联操作； ② 不同变压器低压系统之间的转换， 即低压母联操作； ③ 自备应急发电机与市电的转换； ④重要负荷双回路电源的末级切换。
2． 1 第1 层次
中压电源为一用一备或两用一备时， 可采用标准的中压备用自投装置。电源为两用互备时， 则与低压系统母联操作程序类似， 转换在两路进线及母联3 个开关之间进行， 正常情况下母联处于分断状态， 两电源分列运行， 母联与两进线开关之间须分别设有电气、机械联锁， 3 个开关在任何情况下均不得同时闭合。
2． 2 第2 层次
《民用建筑电气设计规范》（JGJ 16 - 2008）4． 4． 12条明确规定： “低压母联断路器自投时应有一定的延时， 当电源主断路器因过载或短路分闸时， 母联断路器不得自动合闸。” 可以采用任一侧电源断电和其主开关分断信号作为母联操作的必要条件， 其操作过程应该为： 一侧电源开关失压脱扣→ 卸载三级负荷→母联闭合→ 恢复断电母线上的一、二级负荷供电； 自复过程： 断电电源恢复→ 分断母联→ 闭合电源进线开关→恢复全部负荷供电。
2． 3 第3 层次
自备应急发电机与市电的转换， 通常采用ATSE即双电源自动转换装置， 转换过程为： 两段低压母线同时断电→ 发出信号启动发电机→ ATSE 转换至发电机电源向应急母线段供电； 自复过程： 市电恢复→ATSE 转换至市电供电→ 发电机延时停机。此层转换可选用带有发电机控制信号的ATSE， 该系统通常被作为低压配电的一部分设置在低压配电室。
2． 4 第4 层次
末级配电箱处的转换， 通常采用末端型ATSE，转换动作取决于两路电源的状态。
3 各层次转换关联分析
通过对各种断电情形下的逐层分析来探讨各转换层次之间的关联性， 从而对转换层次作出正确选择。
3． 1 第1 层次
如果图1 系统中的中压母线M 断电， 则原因有两种情况： 其一为主供电源断电， 此时主供电源开关会因失压而跳闸， 备用电源自动投入即恢复供电，第1 层次电源转换完成， 此转换过程会造成下行各层的非持续性断电； 其二为母线故障， 电源开关作保护性跳闸， 此时第1 层次转换不得进行， 整个市电系统将持续断电。
如果图2 系统中的某一段中压母线断电， 则原因亦有两种情况： 其一为某一中压电源断电， 此时相应电源进线开关会因失压跳闸， 母联闭合即恢复供电，第1 层次电源转换完成， 此转换过程会造成M1或M2下行各层的非持续性断电； 其二为某段中压母线故障， 相应电源开关作保护性跳闸， 此时不得进行母联操作， 该母线段的出线将持续断电。故障发生在M1或M2段母线， 对第1、2 层次的影响呈对称性相同，但对第3 层次而言， M1段故障不会使C 电源断电，M2段故障则会导致C 电源非持续性断电。图3 系统中， 如某一侧主供电源断电， 则中压备用电源3A3自动投入于该侧母线， 此转换过程会造成该侧母线下行各层的非持续性断电； 如果某段母线故障， 则备用电源不得投入， 该母线段的出线将持续断电。对下行各层次转换的影响与图2 系统相同。
3． 2 第2 层次
首先第1 层次任何一种断电情况发生时， 都会导致第2 层次QF1、QF2处一侧或两侧电源持续或非持续性断电。如果是双侧持续性断电， 如图1 系统M母线故障的情况， 则第2 层次转换已无意义， 只有启动发电机并通过第3 层次转换向重要负荷供电； 如果是单侧或双侧非持续性断电， 则通过第1 层次的转换在短时间内即可恢复， 此时第2 层次转换无需进行，如图1 系统之主供中压电源断电的情况， 或图2 系统之某一中压电源断电的情况、或图3 系统之某一中压主供电源断电的情况； 如果是单侧持续性断电， 需实施第2 层次转换， 即低压母联操作， 如图2 或图3 系统中某一段中压母线故障的情况。
三种系统形式中， 任何1 台变压器故障， 亦会造成第2 层次对应一侧的低压电源持续性断电， 需实施第2 层次转换。如果某一段低压母线发生故障， 此时对应的电源进线主开关已作保护性跳闸， 第2 层次转换不得进行， 该段母线的出线将持续断电， 这将导致第3 层次或第4 层次的转换。反言之， 如果某段低压母线单独持续性断电， 则原因应该是其自身故障。
3． 3 第3 层次
通常我们都会把第3 层次转换及应急母线L E设在低压配电室， C 电源通过断路器或熔断器直接接于L 2母线段， 所以C 与L 2的有无电状态是一致的。对于L 2即C 电源非持续断电的情况， 第3 层次转换无需进行； 如果图1 系统中的M 母线故障则L1、L 2将同时持续断电， 因而必须启动发电机并实施第3 层次转换；如果发生L1母线单独持续性断电， 则第3 层次转换不动作， 而直接由第4 层次转换动作。如果发生L 2母线单独持续性断电， 则存在两种情况： ① L E下有单电源负荷， 则应启动发电机并实施第3 层次转换。此时发电机控制信号应取自第3 层ATSE； ② L E下无单电源负荷， 因此时D 电源正常，第3 层次转换则可不动作， 但此时若启动发电机并作第3 层次转换， 从而保持L E带电， 对供电可靠性说更为有利， 对发电机来说此时的空载运行虽非必要， 但权当作为一次维护性运行， 对保持发电机的良好状态是有利的。此时发电机控制信号可取自两段低压母线的电源状态信号， 亦可取自第3 层ATSE。
3． 4 第4 层次
任何一种导致L 1母线持续断电的情况发生， 都会直接导致第4 层次即末级转换动作。末级转换的动作条件， 通常都是只考虑其两路电源的状况而不考虑与其他层次的关联， 这样有可能出现“来回倒闸” 的现象： 假设QF1电源发生断电， 末级ATSE 可立即将电源转换至D′， 而第2 层低压母联在延时后动作， 使L 1母线电源恢复， 此时末级ATSE 又会“自复”， 在短时间内完成了一轮不一定必要的“自投、自复” 过程， 在QF1电源恢复时这样的过程又会重复。由于末级转换的负荷单一且容量一般较小， 转换操作不会造成不良后果， 且对保持负荷供电有利， 合格的ATSE 也具有足够的电气和机械寿命承受这些转换动作， 所以笔者个人认为可允许末级转换此类动作存在， 既可以忽略末级转换的配合性， 也使问题简化。
3． 5 转换层次的选择性
从以上的分析可以看出， 各层次电源转换不是孤立的， 不同的断电原因、断电所处层次的不同， 对转换的层次选择和要求则不同。不同的转换层次之间存在着相互关联， 这些关联要求相互之间应有必要的配合， 应该有先后顺序， 否则将存在误动作隐患。第1 ~ 3 层次正确的转换选择见下表。
4 解决措施
按照规范规定， 当市电中断供电时， 发电机组应能自动启动（对自动系统而言）， 并在30 s 内向负荷供电。笔者认为， 这个30 s 时间不应孤立地理解为对发电机动作的时间要求， 而应该理解为重要负荷允许中断供电的时间。为解决此问题， 如果在各层次、各电源点之间相互接取电源状态信号， 则显然是复杂而不可取的。简单而有效的办法是对各层次的转换依次设定合理的延时， 令后一层次动作躲过前一层次转换所需的时间，并考虑一定的时间余量， 这样即可避免后一层次的误动作。第1 层次的电源转换或中压母联操作延时应相对最短； 第2 层次低压母联动作延时应适当滞后于第1 层次的动作时间； 发电机的启动可比第2 层次转换略为滞后； 第3 层次转换动作延时应适当滞后于发电机的启动时间， 即须考虑发电机启动过程所需的时间。对最长的延时即第3 层次转换延时应掌握在28 ~ 29 s 以内， 剩余的1 ~ 2 s 是考虑末级转换所需的时间。比如可将第1 层次转换、第2 层次转换、发电机启动、第3 层次转换的动作延时依次整定为4 s、8 s、10 s、25 s。计时起点即为各自主电源断电之时， 整定时长即为判定是否持续性断电的界限。通过1 ~ 3 层次转换动作时间上的配合， 可以有效地排除非持续性断电引起的误动作。只要设定了上述的延时， 同时也解决了“自复”过程的关联性影响。由上表可以看出， 在各种情形下1 ~ 3 层中最多只有一层转换动作， 因为上层的“自复” 只会造成下层的非持续性断电， 设定了配合延时则下层不会动作， 所以“自复” 时不会影响其它层。对母线或变压器故障的情况， 在故障排除后若采取手控自动复位， 对下层的影响与“自复” 相同， 若采取完全手动复位操作， 操作间隔时间超过所设定的延时时， 则会导致下层转换误动作。
5 结束语
电源转换的上下级配合问题固然存在， 由于第1 ~ 3 层的转换影响面广， 转换容量大， 配合性误动作虽不会对系统造成明显损害， 但也会有不利影响，更会损耗设备的使用寿命， 应该引起足够重视。通过简单的动作延时配合设定， 即可使此类误动作得以避免。在各层次的转换设备及其控制器选择上， 应选用技术成熟、功能齐备、延时可调的专用标准化定型产品， 建议选用微电脑控制器。这样可使系统更加完善， 运行更加可靠。