摘要：自动转换开关电器（ATSE）在我国已经得到广泛的应用，中国建筑学会建筑电气分会在北京举办技术交流会，专门探讨ATSE的设计和选用，会议的主题就是“简单、可靠、安全是ATSE设计、选用的关键”，这一观念得到与会专家的一致认同。可靠性是ATSE设计、选择最主要的依据，成为会议最重要的结论之一。但是，什么样的ATSE才是高可靠性的ATSE，是一个悬而未决的问题，许多设计师还不了解如何判断ATSE的可靠性，如何比较不同结构ATSE的可靠性。本文给出一些建议供参考。

关键词：ATSE  标准  可靠性

一、概述：

ATSE作为保证重要负载连续供电的开关电器，GB 、IEC、UL都制定了相应的规范和标准（IEC 60947-6-1于2005年8月已经发布第二版）。因为ATSE只在电源出现故障才转换，是不经常工作的开关，所以，不被一些用户重视，甚至认为只要具备转换功能就可以使用。另一方面，ATSE产品还处于发展的初期阶段，各种解决方案都在应用，也影响客户的选择。实际上，作为一个决定能否保证负载电源连续供应的开关，可靠性的要求应该高于其它低压开关（没有电源，一切用电设备都没有意义）。仔细研究ATSE标准，也可以发现ATSE的可靠性要求是很高的。所以，选择ATSE，出发点不是能否使用，而应该是：（1）符合标准；（2）更加安全可靠。本文分析各种解决方案的可靠性，供业内人士参考

二、关于符合标准：

1．一种开关只有首先符合ATSE标准，才能称为ATSE，由于ATSE还没有进行CCC认证，所以，目前能够证明开关符合ATSE标准的唯一依据是获得CQC认证（按照GB/14048.11产品标准）。没有通过按照ATSE标准要求进行试验并证明达到（超过）标准要求的产品，不能够称为是ATSE，也无所谓ATSE的可靠性问题，本文讨论的是具有CQC认证的ATSE。

2．按照标准，PC级和CB级ATSE的型式试验要求是不同的，所发的CQC证书也是不同的，不能混淆，不能替代。

3．按照标准规定（标准A.3条），如果接触器和断路器经过试验，符合有关产品标准要求，且试验条件的严酷程度不低于ATSE标准规定时，可不加特殊改进用作ATSE的主触头开关电器。所以，如果要利用接触器、断路器作为ATSE的主触头开关电器，必须证明符合该项规定要求。

4．从概念讲，只要开关的主触头能够分断短路电流，就是CB级ATSE，但目前市场上供应的CB级ATSE，都是采用断路器作ATSE主触头开关，所以本文讨论的CB级ATSE是基于断路器作为主触头开关的ATSE。

5．从概念讲，接触器组成的ATSE是PC级ATSE，但由于用接触器组成的ATSE都是成套厂自行组装，目前没有标准产品，公布通过CQC认证的产品，也没有基于接触器结构的ATSE。所以，基于接触器的解决方案，无法证明是否符合ATSE标准。

特别提示：

所有开关都具有接通、分断、承载的基本功能（断路器还具有过载和短路脱扣独有功能），之所以分为接触器、断路器、隔离开关、ATSE几种类别并用不同的标准给予详细规定，就是因为各种开关的接通和分断条件不同，在线路中所起的作用不同。ATSE不仅象其它开关一样，具有接通、分断和承载能力，还具有电源检测、自动转换功能，所以，不能够象其它开关一样，只看ATSE的额定电流和级数（大多数图纸只标注这两项指标），还要看其控制器的功能并了解其可靠性。

三、ATSE的转换能力：

ATSE的转换能力由电源故障检测能力、转换能力、分断和接通能力三部分构成。

1．电源故障检测能力：取决于控制器能否具有电源故障的检测功能，标准规定最低的要求是检测一相或者多相断相，至于其它电源故障（例如频率变化、电压波动、波型失真等）是否需要检测，要根据负载对电源质量的需求而定。这是ATSE独有的功能，用户需要仔细了解厂商提供的产品说明。

2．转换能力：取决于ATSE转换机构的可靠性，从驱动机构到触头分断接通的整个机构。标准是通过操作循环次数来反映。以100A电流等级为例，标准规定机械、电气寿命为6000次。尽管ATSE不是经常动作的开关（可能是动作频率最低的开关），但其寿命要求远高于负荷开关标准（2000次）和MCB（4000次），从侧面反映对ATSE的可靠性要求高于负荷开关。

3．接通与分断能力：各种开关都有接通与分断能力，各种开关之间的差别，在于在什么条件下、什么时候分断（接通）。标准是用使用类别来反映接通和分断能力的。ATSE是在电源出现故障（CB级还包括短路）时分断故障电源并自动接通备用电源，由于电源故障发生的时间和故障类型的不确定性，所以无法预知ATSE转换时的电流特性。理论上讲，ATSE可能在任何状态下分断电流，这一点不同于其它开关电器，我们可以预知分断和接通时的电流状况。所以要从最“严酷”的状态考虑ATSE的接通和分断条件（例如电机刚刚启动时分断或者接通）。IEC60947－6-1标准将AC－33的接通和分断电流从原来的6Ie提高到10Ie，也反映这个观点。

四、ATSE的分类：

无论什么型式的ATSE，从结构看，都是由三部分构成：开关本体（或者称为主触头系统）；传动机构（包括驱动机构和传动机构）；控制器。因为不同解决方案最大的区别在于开关本体，所以可以按照不同开关本体将ATSE分为以下四类：

l以接触器为开关本体的ATSE：由两个接触器，一个机械连锁机构，一个控制电路组成

l以断路器为开关本体的CB级ATSE：由两个断路器，一个或者两个减速电机为驱动力的操作机构，一个机械自锁，一个控制电路（控制器）组成

l以隔离（负荷）开关为本体的PC级ATSE：由两个隔离（负荷）开关，一个减速电机为驱动力的操作机构，一个控制电路（控制器）组成

l开关本体重新设计的PC级ATSE：由一个（或者两个）动触头，两个静触头和相应的灭弧机构组成主触头开关，以励磁为驱动力的操作机构，一个控制器组成。

五、 ATSE可靠性分析

关于ATSE的可靠性，有许多需要澄清的观念：

l错误观念：我们使用某种开关作为ATSE的本体，使用时间已经五年多，没有发生任何问题，所以说这种结构的开关作为ATSE的本体是可靠的。

l正确认识：ATSE的可靠性，不能够从使用多久来衡量，而要看在各种电源故障下能否可靠转换。如果从未发生电源故障，就是使用十年，也不能够证明是可靠的ATSE。

l错误观念：ATSE的动作次数极少，标准6000次的寿命要求无实际意义。

l正确认识：这是一个非常普遍的错误观念，不能以实际可能工作次数很少为理由，降低对ATSE可靠性的要求。标准对操作次数的规定，就是对可靠性的要求，尽管ATSE是极少工作的开关，但IEC规定了6000次（300A以下）的操作循环次数。可靠工作的次数越多，可靠性越高。

l错误观念：ATSE使用类别AC－33要求接通和分断电流为6Ie，要求太高，可以低一些.

l正确认识：这个观点是假定ATSE在最正常的状态分断电流，实际上，ATSE转换时的电流状态无法预测（不同于断路器、接触器和负荷开关可以预测分断与接通电流）。从安全的角度，必需按照最“严酷”的条件考虑（比如正好在电机启动或者堵转时发生电源故障等）。IEC  60947-6-1标准，将该项指标由1998版的6Ie增加到2005版的10Ie，也反映这个观点

l不完全正确观点：只要质量好，可靠性就高。可靠性和质量是不同的概念，质量好可靠性就高只能是针对同样的结构，不同结构就不能比较（质量很高的飞机，可靠性也低于一般质量的自行车）。可靠性必须是之完成同一种功能，按照同一种标准来比较才有意义。

ATSE的可靠性，由本体可靠性，传动机构可靠性和控制器可靠性构成，可以简单理解为：

ATSE可靠性＝本体可靠性×传动机构可靠性×控制器可靠性

ATSE可靠性判别依据：

（1）可靠性只能在同一个标准（试验条件）下进行对比才有意义；

（2）电气可靠性主要由开关本体决定，电气可靠性遵循：导电性能好的触头材料，可靠性高于导电性能较差的触头材料（银合金可靠性高于铜合金）；触头压力越大大，可靠性越高；触头分离速度快可靠性高于触头分类速度慢；有专门灭弧机构的可靠性高于没有专门的灭弧机构。

（3）机构可靠性遵循：结构越简单，可靠性越高的原则。以此原则，PC级ATSE的可靠性高于CB级ATSE。许多行业人员不理解这一点，实际上，换一种说法，就是，同一家公司的断路器，其可靠性一定低于其隔离开关，就是这个道理。

（4）能够经受严酷条件试验的产品，可靠性高于仅通过较好条件试验的产品。所以，工业级开关可以要在民用环境，而家电类开关，不可以用在工业环境（可靠性没有保障）。MCCB的可靠性高于MCB。MCB不能够用于ATSE。

（5）能够通过严酷电气试验条件的开关，可靠性高于仅能够通过较低电气试验条件的开关。所以，通过AC－33使用类别的开关，可靠性高于仅通过AC－31使用类别的开关。通过AC－33A的开关，可靠性高于仅通过AC－33B的开关。

（6）其它条件一致，机械和电气寿命长的开关，可靠性高于寿命短的开关。例如，按照断路器标准规定，125A电气寿命为1000次，机械寿命为7000次即达到要求，但ABB的S1系列断路器，电气寿命达到8000次，机械寿命达到25000次，远远高于标准要求，表明其可靠性更高。

ATSE的可靠性分析，应该按照保证ATSE功能的实现为前提，结合上述可靠性判别依据，进行分析。

ATSE的核心功能是保证负载电源的连续供应，这个核心功能要求开关具备：

l只要电源没有故障，就保证电源供应，不允许自动切断电源

l如果电源出现故障，在最严酷的条件下，保证转换到备用电源

我们可以通过如何保证这两个功能，来分析各种解决方案的可靠性

5.1  只要电源没有故障，就保证电源供应，不允许自动切断电源

       这项功能要求ATSE具备（1）不能够不经控制器的指挥而自动切断电源；（2）不能够因为过电流而轻易损坏（也就是需要很高的耐受电流冲击能力，标准用Icw和额定限制短路电流表示）

l采用接触器：存在电压的波动、线圈老化、烧毁等故障，不经控制器而自行分断电路的可能性；耐受过载电流冲击能力差（标准允许触头过载烧毁），作为ATSE的本体，可靠性很差。

l采用断路器：过载脱扣切断电源供应显然不是ATSE所需要的，所以首先必需明确，必需采用没有过载保护功能的断路器作为ATSE本体。短路保护，尽管不属于电源故障，但却是规范规定必需切断电源的范畴。

l采用隔离（负荷）开关：只要控制器不发出指令，任何时候不会自行分断电路，如果采用插入式触头接触方式，还可以获得很高的Icw，是各种结构中这项指标最有保证的。

l完全重新设计本体：只要控制器不发出指令，任何时候不会自行分断电路，因为采用拍合式，接触方式，要获得很高的Icw，必需增加触头的弹簧压力，结构上有一定的难度。

5.2如果电源发生故障，在最严酷的条件下，保证转换到备用电源

这项指标，考核的是（1）ATSE的接通与分断能力；（2）驱动操作机构的可靠性。

l采用接触器：接通与分断能力，能够达到10Ie的水平，机械和电气寿命也远高于ATSE的要求，驱动和操作机构是各种方案中最简单、可靠性最高的方案。

l采用断路器：断路器的接通和分断能力，因为机构的原因（触头分类速度最快，灭弧效果好），是各种开关中最高的。从驱动操作机构看，断路器方案是各种方案中最复杂的方案（一个MCB构成的单电操CB级ATSE，有超过88个复杂的运动部件，一个部件出现故障，就会导致整个ATSE不能正常工作），所以其结构可靠性最低。另一方面，断路器必需首先保证可靠的分断（否则就不是CB级ATSE了），按照ATSE标准（第A.3条），只有符合GB14048.2，同时试验条件的严酷程度不低于ATSE标准要求的断路器才能够用作ATSE的本体，所以，必需采用MCCB作为ATSE的本体开关，不能够采用不符合GB14048系列的MCB。MCCB的机械和电气寿命，能够满足ATSE的标准要求。

l采用隔离（负荷）开关：接通和分断能力取决于选用的本体开关和传动机构。从隔离（负荷）开关的使用功能来讲，其核心功能是：“彻底分断电流，保证用电设备安全维护”，不是接通和断开负载电路。尽管从标准看，负荷开关也能够做到10Ie接通和分断能力（使用类别为AC－23），但这种开关是带储能机构，开关的触头、灭弧也有特别的设计。目前，采用负荷开关作为ATSE本体的世界领先企业，2006-2007年产品样本显示，其能够通过ATSE标准（GB14048.11）的使用类别是AC－31B，能够提供的最大电流等级是1600A。也许是因为成本或者结构原因，导致直接采用负荷开关作为ATSE的本体，难以达到AC－33的使用类别要求。因为实际ATSE使用的负载，大多数是电动机负载，需要AC－33使用类别的ATSE。所以，如何突破使用类别的限制，是采用隔离（负荷）开关为本体的解决方案最为迫切的任务。另外，直接采用隔离开关为ATSE本体的另外一个需要解决的问题是开关本体的可靠性。以100A为例，达到隔离开关标准（GB14048.3）的隔离开关，机械电气寿命是2000次，仅有ATSE的1/3（6000次），机械电气寿命是可靠性的重要指标。插入式的触头连接方式，是隔离开关普遍采用的方式，尽管可以获得较高（超过ATSE标准要求）的Icw，但这种结构非常不利于分断电流，也不利于机械电气寿命（磨损严重），所以通常只能用于AC－31使用类别，并作为隔离开关（机械电气寿命要求低）的解决方案。

l完全重新设计的ATSE：因为本体是重新设计，触头的材料、压力、分离速度、灭弧等决定开关接通和分断能力的重要因素都自行考虑。从获得CQC的产品看，这类产品的使用类别均达到AC－33B的要求。从驱动操作机构看，重新设计的ATSE，采用励磁驱动，励磁驱动是最简单可靠的驱动机构，可靠性高于采用减速电机。按照泰永科技的研发经验，泰永TBBQ3这样的结构，可以从25A做到5000A。也证明了驱动操作机构的高可靠性。 

综上所述，每一种解决方案，从可靠性的方面讲，都有其优势的地方，每一种方案，精心设计、制造都可以达到一定的可靠性，全面平衡各项指标，可以得出下列结论：

1.从保证接通状态的可靠性来讲（即只要电源没有故障，就确保电源的连续供应）。采用插入式触头连接方式的隔离开关可靠性最高。其次是重新设计的ATSE（触头压力大于断路器和接触器）。和断路器，接触器最差。

2.从转换可靠性来讲，最好的是接触器，其次是重新设计的ATSE，断路器最差（结构最复杂）。

3.从接通和分断能力讲，断路器最好，重新设计的ATSE其次，负荷开关方案最差（很难达到AC－33使用类别要求）

结论：

1.接触器作为ATSE的本体开关，是最早的解决方案，具有价格低的优势。但因为需要持续通电保持，同时耐受冲击电流能力较弱，作为ATSE的主触头开关电器，可靠性很低。另外，没有专门厂商制造，没有第三方认证，作为可靠性要求极高的ATSE，接触器已经逐渐退出市场。

2.采用断路器作为ATSE的本体，是目前CB级ATSE唯一的解决方案。断路器的规格多种多样，按照标准规定，最低必须采用MCCB，作为电动机保护时，还必须选择电动机保护性的MCCB否则，CB级ATSE的可靠性将得不到保证。因为结构最复杂，所以，CB级ATSE转换机构的可靠性低于PC级ATSE（用在ATSE中的断路器，除了必须具备断路器的短路保护功能，还必须在机构操作下可靠性分断和接通，难度大于一个普通的断路器）.

3. PC级ATSE，机构可靠性较高，电气可靠性取决于触头材料、压力、分离速度和灭弧方式。从目前市场供应的产品看，采用负荷开关作为ATSE本体世界领先企业的使用类别为AC－31B。这是负荷开关作为ATSE本体需要解决的问题。重新设计的ATSE，可靠性取决于设计制造水平。需要从产品的零部件设计、制造和认证、试验等方面进行评估。