公路供配電系統轉換開關的應用研究

張召軍

（河北高速公路集團有限公司青銀分公司，石家莊 050000）

1 引言

因高速公路中一級重要負荷設施較多，為避免電源并列運行，需在高速公路中設置轉換開關。當前，轉換開關的問題主要有：（1）較少應用智能型轉換開關；（2）未統一消防負荷終端的切換終端；（3）低壓轉換開關型號選用錯誤[1]。轉換開關作為核心設備，其質量對公路重要機電負荷有較大影響，特別是監控等關鍵負荷的供電可靠性，現已有較多高速公路出現因轉換開關故障而導致停電等安全隱患。因此，為確保高速公路運營安全，對其關鍵問題加以研究非常必要。

2 智能型切換開關

2.1 智能中壓轉換開關

高速公路設備負荷集中，且一級負荷較多，供電質量要求高。在10 000 kV·A 以上容量時，低壓段母線電流達到極限，技術及投資成本升高，低壓油機并機經濟性低，且高速公路建設多經貧困山區，難以獲取電網第二電源，因此，高速公路項目越發傾向于使用中壓油機，即需通過中壓電源轉換的情況越發增多。

傳統轉換設備由元件或PLC 搭接而成，通過鑰匙機械連鎖或電氣閉鎖，發動機控制僅有啟停信號，多需手動操作，且控制模塊由多元件組裝而成，邏輯簡單，調試或測試時需按現場情況進行調整，操作步驟不明晰。針對傳統轉換設備的不足，人們開始逐漸應用智能中壓轉換技術（ATSE），ATSE 工作原理如圖1 所示。

圖1 ATSE工作原理

ATSE 由成套核心元器件組成，性能表現較穩定，除鑰匙機械連鎖和電氣閉鎖功能外，還具備程序閉鎖功能，且發動機控制具備可控延時及優先級控制等功能，可手動切換操作也可自動操作和遠程控制，控制模塊由專用控制器組成，有固定的切換邏輯，設計及操作難度低。此外，中壓轉換開關可對負載試加投切控制，即減載和加載。在使用油機電源前，ATSE 負載順序投切功能可降低負載量，在投入油機電源后又可加載，對市電油機系統的獨立性以及安全性施加全面防護，避免因電氣回路故障而誤動高壓回路等事故，智能性較高。因此，建議在難以獲取電網第二電源的公路供配電系統中廣泛應用智能中壓轉換開關[2]。ATSE 典型應用如圖2 所示。

圖2 ATSE典型應用

2.2 智能低壓轉換開關

因電網發達且需考慮環保等，一線地區的公路自用變電站多從電網獲取兩路電源，且不設發動機。此外，因地方電網無法在中壓側切換雙電源，因此，一般需使用低壓備用方案，并以單母線分段作為低壓側主接線，具體如圖3 所示。

圖3 二進線一母聯轉換開關系統

傳統的QS1 和QS2 主進線開關以及QC 母聯開關多需手動切換，難以滿足快速恢復供電的要求，且操作難度高[3]。而智能低壓轉換開關（二進線一母聯式）除了具備傳統轉換方案的功能外，還具備同相轉換（配備有同相監控器，可同步監測兩個電源頻率差和電壓差，達到快速切換電源的效果）、延時轉換（可在短時間內完全分開負載和兩個電源，以利于降低負載水平，減小對設備的影響）和并列轉換（可在短時間內并列兩個電源，并將重要負載轉換至另一電源）功能[4]，且可在保證經濟成本的前提下確保負載供電的連續性和安全性，因此，建議推廣使用智能低壓轉換開關（二進線一母聯式）。

3 消防負荷終端切換

按GB 50016—2014《建筑設計防火規范》[5]的要求，需在各類消防用電設備等的供配電線路配電箱中設置終端切換裝置。而GB 51348—2019《民用建筑電氣設計規范》[6]還將排煙風機列入需設置終端雙切的范圍。但因風機供電電纜均位于同一通道，使用雙供電回路意義較小，且該方案造價較高，因而僅有部分高速公路按此規定執行，高速公路設計時主要仍是在消防水泵房和控制室設置終端切換。

按規范要求需在消防水泵房設計終端切換，但在JTG/T 3660—2020《公路隧道施工技術規范》[7]中，消防水泵房僅為三級消防負荷，兩種規定方式有不同概念。三級負荷強調的是外部電源可靠性，而終端切換則強調內部供電可靠性，即單電源外電或雙電源外電都需使用兩條線路供電，以保障某條供電線路故障時可經自動切換裝置切換至另一線路，保證供電的連續性，因此，無論是何種負荷等級的消防負荷，與其終端切換的設置與否無關聯，即消防水泵房雖然僅為三級消防負荷，但仍需設置終端切換。

此外，公路項目部分行業并無特殊負荷，如電伴熱、消防卷簾門等，此類負荷是否需要歸入消防范疇以添加終端切換并無規范明確?？紤]到對人員安全及車輛疏散等的重要性，建議在消防卷簾門設置終端切換；而考慮到經濟性及負荷季節性等，可不在消防電伴熱中設置終端切換。

4 低壓轉換開關型號

在公路供配電系統中，關于低壓轉換開關設備型號的選擇尚存有一定誤區，多數項目沒有正確選擇設備型號，有一定的安全隱患，因而必須對公路供配電設備的選型原則進行研究。

4.1 適用標準

為進一步確保產品安全，避免操作不當引起電流短路等，建議在選型時結合GB/T 14048.3—2017《低壓開關設備和控制設備 第3 部分：開關、隔離器、隔離開關及熔斷器組合電器》[8]的要求進行考慮，該類標準有更為嚴格的要求。

4.2 CB級和PC級的選擇

按文獻[8]的規定，轉換開關共有3 個級別，分別是CC級、PC 級以及CB 級。其中，CC 級是指能夠滿足GB 14048.4—2020《低壓開關設備和控制設備 第4-1 部分：接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器（含電動機保護器）》[9]規范要求的電器，目前已不使用；PC 級是指承載和接通但不可分離和斷開短路電流的TSE；CB 級是指可承載、分離、接通和斷開短路電流，且配置有過電流脫扣器的TSE。

而按照GB/T 21208—2007 《低壓開關設備和水泵控制器固定式消防泵驅動器的控制器》[10]的規定，自動轉換開關應滿足PC 級要求，且所選用的自動轉換開關的操作機構應滿足負載電路與備用電源和主用電源連接的持續性，此處指ATSE工作位置僅有兩個。因此，消防水泵終端切換開關需采用PC級開關，原因在于PC 級產品可承載大于20Ie（Ie為額定電流）的過載電流，其觸頭不易斥開且難以熔焊的性能可使消防水泵供電可靠性大幅提高。

一般情況下，PC 級轉換開關需設置斷路器或熔斷器等短路保護電器。斷路器有0.3～0.4 的較高限流系數，但限制短路電流的性能較差；熔斷器有較強的限流性能，多用于系統短路電流預期較大的位置。因公路供配電系統變壓器容量較小且負荷單一，因此，大短路電流的出現概率較低，因此，建議短路保護電器采用斷路器。需強調的是，因消防設施供電的持續性要重要于設備的損壞，因此，應避免在消防回路中設置短路保護器。

從GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》可知，當消防負荷供電自動轉換開關為CB 級時，應采用僅具備斷路器的自動轉換開關，且其保護選擇性應配合所保護電器。因此，除水泵外的消防負荷所采用轉換開關可為CB 級，但不可設置過負荷斷電保護。

CB 級轉換開關和PC 級轉換開關分別為派生式和非派生式，因此，CB 級開關有更好的短路特性，但CB 級轉換開關有更高的轉換動作時間。綜上所述，不能簡單地認為PC 級轉換開關一定比CB 級轉換開關好，在具體設置時還需結合實際條件加以考慮。

4.3 負載類別

PC 級轉換開關適用的負載類別見表1。因自動轉換開關（ATSE）難以通過AC-33B 試驗，因而部分廠家默認提供AC-31B 負載類別，因此，若為電動機負荷，應注意強調所用轉換開關為AC-33B 負載類別。

表1 PC級轉換開關適用負載類別

4.4 極數選擇

按GB 51348—2019《民用建筑電氣設計標準》的要求，備用發電機和正常供電電源間的電源轉換應選用四極開關，因此，在常規發電機中應以四極開關作為轉換開關，若不考慮剩余電流保護則可采用三極開關。

5 結語

目前，交通行業已邁入高質量發展階段，我國交通運輸部也出臺了一系列關于公路建設高質量發展的文件要求。作為確保公路所有機電設備運營的關鍵，公路供配電系統的重要程度越發凸顯，而作為確保公路供配電系統可靠性的核心設備，切換開關在整個公路項目中有重要作用。因此，合理選取轉換開關不僅是確保安全電網的關鍵，也更契合公路項目高質量發展的理念。