陳智敏

摘 要：文章深入分析了靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS（Static Transfer Switch）的原理和特點(diǎn)，闡述了STS對于重要負(fù)載持續(xù)不間斷供電的重要性，并介紹了STS在民航供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：供電；STS；不間斷切換

中圖分類號：TM73 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）08-0058-02

民航空中交通管制關(guān)系到飛行安全和運(yùn)行安全，所以從指揮調(diào)度到雷達(dá)無線的設(shè)備都不允許有半點(diǎn)差錯，這也對設(shè)備供電的可靠性提出了極高的要求，因?yàn)槟呐? s的停機(jī)也會給帶來無法估量的損失，嚴(yán)重時甚至?xí)︼w行安全造成嚴(yán)重的影響，因此，必須保證365×24 h連續(xù)不斷的、穩(wěn)定可靠的運(yùn)行。

靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)STS是實(shí)現(xiàn)兩個獨(dú)立電源間的快速轉(zhuǎn)換的無觸點(diǎn)電子式開關(guān)裝置，其最高轉(zhuǎn)換時間可以達(dá)到5 ms，為數(shù)字設(shè)備、控制設(shè)備或其它對電源供電連續(xù)性要求極高的用電設(shè)備提供供電保障，當(dāng)一路電源超限或斷電后，迅速地切換至另一路電源，保證設(shè)備運(yùn)行及數(shù)據(jù)安全。STS是實(shí)現(xiàn)所謂“分布式供電”方案的有利工具，可以大大提高機(jī)房供電系統(tǒng)的可靠性。

1 STS的定義

STS為電源二選一自動切換系統(tǒng)，正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。在主電源發(fā)生故障時，負(fù)載自動切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動切換到主電源。

STS采用先斷后通（BreakbeforeMake）的切換方式，主備電源之間不會產(chǎn)生沖擊電流，可以實(shí)現(xiàn)不同輸入電源之間的不間斷切換，為單電源負(fù)載提供雙母線供電，如：非并聯(lián)UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同容量UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同型號UPS系統(tǒng)的n+1冗余、不同市電的冗余、市電與發(fā)電機(jī)的冗余。

2 STS的工作原理

2.1 STS的組成

STS靜態(tài)電源切換開關(guān)主要由智能控制板，高速可控硅（SCR），斷路器構(gòu)成。其中最核心的部件就是SCR。SCR是由硅半導(dǎo)體組成，因?yàn)榘雽?dǎo)體同時具有絕緣體和電導(dǎo)體的特性，在天然條件下，硅由溫度不同可以變?yōu)閷?dǎo)體或者絕緣體，通過給SCR以很低的電壓就可以將其變?yōu)閷?dǎo)體。

SCR實(shí)質(zhì)上就像一個閥門，它只允許電流在一個方向流動，要打開或者閉合SCR，需要在SCR門極上施加低電壓，這樣可以使電流從陽極流到陰極，但是當(dāng)交流電正弦波穿過0點(diǎn)時，SCR閥門將關(guān)閉，此時SCR停止導(dǎo)電，直到收到新的閥門信號，故需要將兩個SCR反向連接以保證導(dǎo)通整個正弦波周期。

STS智能控制板用以發(fā)送門極電壓信號。

2.2 STS的工作原理

STS可通過控制板設(shè)定兩路UPS任意一路輸入電源為主用電源，另一路為備用電源。只有在主用電源故障或手動復(fù)位的情況下，STS才會自動在8 ms內(nèi)從主用電源切換到備用電源。

STS的兩路靜態(tài)開關(guān)是嚴(yán)格互鎖，STS內(nèi)還裝有手動旁路開關(guān)，在STS需要檢修時，可以手動地將輸入電源切換到旁路開關(guān)。進(jìn)行手動轉(zhuǎn)換時可保證輸出不間斷。

正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源。當(dāng)主電源發(fā)生故障時，負(fù)載自動切換到備用電源，當(dāng)主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動切換到主電源。

當(dāng)STS感應(yīng)的負(fù)載電流超過預(yù)先設(shè)定的過流值時，表示有沖擊電流或者過載，這時即使主電源電壓超出正常的電壓范圍，STS也不發(fā)生轉(zhuǎn)換。在負(fù)載電流恢復(fù)到正常值時，過流抑制模式自動復(fù)位，STS恢復(fù)到正常的工作模式。

在備用電源電壓處于正常的電壓范圍內(nèi)，且備用電源與主電源間的相位差處于允許的范圍內(nèi)。

STS可以手動地在兩路電源之間進(jìn)行切換。為了保證負(fù)載電源供給不中斷，在負(fù)載連接的電源中斷時，STS將自動在8 ms內(nèi)轉(zhuǎn)換到另一路電源。

緊急轉(zhuǎn)換優(yōu)先任何轉(zhuǎn)換或者抑制。為了確保正確運(yùn)行，STS不停地監(jiān)視SCR的狀態(tài)。

在負(fù)載電源的SCR發(fā)生短路時，STS將自動告警提示，并迅速打開另一路電源的隔離開關(guān)。在另一路SCR發(fā)生短路時，STS自動告警提示，并迅速打開這一路電源的隔離開關(guān)。

在有SCR開路時，STS將自動告警，切換打開先前的隔離開關(guān)。所有的開路和短路告警都將被鎖定，要求系統(tǒng)進(jìn)行維修并復(fù)位到原來的正常工作狀態(tài)。

STS裝有互鎖的維修旁路開關(guān)，STS可以通過旁路開關(guān)不間斷地切換到任一路輸入電源，以便于維修。在維修時，STS的輸入、輸出和旁路的電源接線端子都應(yīng)被隔離，以便在系統(tǒng)處于旁路時，安全維護(hù)STS內(nèi)的任何組件。

3 STS在民航供電系統(tǒng)中的應(yīng)用及故障處理

3.1 STS在民航供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

之前介紹的STS為小型STS，事實(shí)上在民航電力中，STS的應(yīng)用分為大型STS（StaticTransferSystem，自動切換系統(tǒng)）和小型STS（StaticTransferSwitch），兩者在體積上天差地別，但是原理大致相同。大型STS作為PPC的前級輸入，可在兩個交流輸入源之間實(shí)現(xiàn)小于1/4個周波的切換，與靜態(tài)切換開關(guān)一樣都是先斷后通，同樣支持手動和自動切換，和小型STS不同的是，大型STS擁有l(wèi)cd屏幕可供操作和監(jiān)控，可以獲取輸入和輸出的重要參數(shù)，你可以在屏幕上操作兩個源之間的切換，只需要密碼確認(rèn)后就能進(jìn)行操作。如果出現(xiàn)當(dāng)前供電源失效或系統(tǒng)檢測到了可控硅故障，為保證供電的連續(xù)性，只要另一路源正常，無論兩路源之間的相位差是否在同步窗口范圍內(nèi)，STS都會立即切換到另一路源供電，這稱為緊急切換。同時擁有隔離變壓器可以解決不同系統(tǒng)的零線問題，就容量而言，小到63 A，100 A，大到800 A，1 000 A，而且大型STS也配備了維修旁路，方便用戶維修和維護(hù)。

民航管制中心供電系統(tǒng)如圖1所示，引入了兩路市電進(jìn)線，兩路電源各帶一部分負(fù)載，當(dāng)一路市電故障時可將負(fù)載通過聯(lián)絡(luò)柜切換到另一路市電供電，同時當(dāng)兩路市電均故障時有三臺1 140 kW的柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急電源。

對于特別重要的工藝負(fù)荷，為了保證不間斷和高質(zhì)量的電源供應(yīng)，配備了兩套不間斷電源系統(tǒng)UPS包括后備電池，通過小型STS實(shí)現(xiàn)在雙電源之間的不間斷切換向負(fù)載供電。

抽出控制板如圖2所示，為了提高供電的可靠性，在每個席位中分別安裝一個小型16-20A的STS，STS兩路電源分別由兩路UPS分別送至PPC精密配電柜，再送至STS，從STS送至用戶負(fù)載側(cè)。

民航管制中心所使用的STS大致有兩種，即帶有旁路維修功能的STS和不帶有旁路維修功能的STS。

圖2中的STS是帶有旁路維修功能的，如不帶旁路功能則只需去掉CB3回路和CB4回路。維修旁路的功能本文將在STS故障分析中提到。

綜上所述，大型STS和小型STS被應(yīng)用于不同的機(jī)房設(shè)備和環(huán)境中，大型STS應(yīng)用于配電柜前級，為配電柜提供兩路輸入源不間斷的切換，而小型STS則被用于單個模塊或者小型區(qū)域的供電前級使用，確保了高可靠性的冗余度。

3.2 STS故障分析

在STS的使用過程中也會發(fā)生故障，大致可分為兩類：STS本體模塊故障或者設(shè)備端短路導(dǎo)致STS故障其中發(fā)生頻率較高的設(shè)備端短路導(dǎo)致STS的故障，碰到此類故障，分析處理步驟如下：

①一般碰到短路故障，由于STS具有診斷功能，檢測到線路中有短路的話不會進(jìn)行切換，所以找出短路設(shè)備或者脫線板將其換下。

②如該系統(tǒng)無法備份，需立即上電，可將STS控制板抽出，（控制板和旁路開關(guān)之間沒有聯(lián)系，即使抽出控制板，旁路開關(guān)依舊可以動作）切換至旁路供電。

③如系統(tǒng)有備份，可先啟用備份系統(tǒng)，將故障STS換下，抽出控制板如圖2所示，設(shè)備如果短路，控制板的快速熔斷絲靈敏度極高，熔絲在焊點(diǎn)的作用下會迅速熔斷，以保護(hù)半導(dǎo)體等過載能力很低的整流元件，將熔斷絲更換后STS可重新使用，如果STS仍然故障，可能控制板發(fā)生故障，則需要更換整個控制板或者更換整個STS。

④大型STS發(fā)生過控制屏黑屏故障導(dǎo)致無法操作的故障，由于沒有了控制屏幕顯示，無法迅速判斷STS是否仍然正常工作，兩路輸入源是否正常，也無法通過控制屏進(jìn)行操作，這時候需要打開STS倉門，肉眼透過兩個扁長方形監(jiān)視倉可以看到里面綠燈是否點(diǎn)亮，點(diǎn)亮則說明該路源正常，同時也可以判斷STS工作在哪一路，只要獲取這些重要信息，就可以手動進(jìn)行操作將STS切換至旁路，將與屏幕連接的控制板拆下檢查，可換上新的屏幕檢查是否為屏幕損壞或者換上新的控制板檢查是否為控制板的問題，需要注意的是操作要仔細(xì)，防止損壞控制板，最好帶上靜電手套。如果遇到屏幕參數(shù)不準(zhǔn)確或者誤報警的情況可以請廠方通過軟件，輸入相應(yīng)的命令重新調(diào)整參數(shù)設(shè)置及復(fù)位。

3.3 STS的維護(hù)

對于小型STS，日常維護(hù)可以定期做切換測試，檢查STS能否正常切換。尤其是切換小開關(guān)時間久了彈簧會變得不靈活或者損壞導(dǎo)致STS無法手動操作。

對于大型STS，日常維護(hù)除了定期做切換操作，還需要檢查風(fēng)扇是否正常工作，這也是相當(dāng)重要的，如果風(fēng)扇停止工作會使得STS內(nèi)溫度升高，從而影響元器件的工作和壽命，嚴(yán)重的情況甚至?xí)鹪O(shè)備損壞和短路，檢查風(fēng)扇的方法很簡單，只要手放在出風(fēng)口就行，看手有沒有感覺到風(fēng)。

一般STS都會有兩個風(fēng)扇，一個主用，一個備用，同時定期對風(fēng)扇和防塵隔板進(jìn)行清洗，STS內(nèi)部可以用吹風(fēng)機(jī)進(jìn)行除灰。每年用紅外線溫感測試器對STS內(nèi)的元器件進(jìn)行檢測，檢查內(nèi)部電容，線纜等有無發(fā)熱現(xiàn)象，這樣可以預(yù)防短路或者電容漏液等情況的發(fā)生。

4 結(jié) 語

STS的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了不同電源之間不間斷的切換，從而為民航的供電提供了充足的冗余度，增強(qiáng)了設(shè)備的可靠性，如果要充分發(fā)揮其效果，還需要合理的配置，科學(xué)的維護(hù)，正確的操作，同時對STS的構(gòu)造原理有深刻的理解。在民航電力中，有部分地區(qū)設(shè)備由于經(jīng)費(fèi)等原因（STS的成本是非常高昂的）仍然是單STS供電或者甚至是沒有STS，一旦STS出現(xiàn)故障，就會影響設(shè)備的正常運(yùn)行，如果改成雙STS供電，將提供更大的設(shè)備冗余度，提高安全可靠性，這也是STS在民航應(yīng)用中將來的發(fā)展方向和配置趨勢。

當(dāng)然，許多地區(qū)受制于資金，環(huán)境，空間等因素，對于STS的配置也應(yīng)因地制宜，分步實(shí)施，逐步完善，有計劃的推進(jìn)STS在民航供電系統(tǒng)中的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1] 吳健.UPS雙母線一體化配電解決方案[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2004，（9）.