後備發電機與ATSE自動切換是如何運作的?

ATSE 是自動轉換開關設備,負責在市電與後備發電機之間轉移負載,但它本身不發電,亦無法消除發電機啟動的空窗期。本頁說明切換的動作次序、兩類結構的分別、負載分級的做法,以及香港大廈環境下的協調與測試要點。

ATSE 是什麼:切換動作本身的設備

ATSE 是自動轉換開關設備(Automatic Transfer Switching Equipment)的簡稱,作用是在兩個電源之間自動轉移負載:正常時由市電供電,市電失壓或異常時把負載轉往後備電源,市電恢復後再轉回。國際電工委員會的 IEC 60947-6-1(Low-voltage switchgear and controlgear – Multiple function equipment – Transfer switching equipment)就是針對這類設備的產品標準。

要注意 ATSE 本身並不發電,它只負責「由哪一路供電」這個決定與動作。後備電力來自發電機組,而發電機需要時間啟動、暖機及穩定輸出,這段空窗期並非 ATSE 可以消除。因此大廈的後備電力設計實際由三部分組成:發電機提供能量、ATSE 負責切換、對不能斷電的負載則另設不間斷電源作橋接。本頁集中討論切換這一環,發電機與不間斷電源如何配合,可參考本站的發電機與UPS如何配合使用?

切換過程的動作次序

  1. 偵測異常——控制器持續監測常用電源的電壓及頻率,確認異常並非瞬時擾動後才判定失電。
  2. 發出啟動指令——向發電機組送出啟動訊號,機組開始啟動及暖機。
  3. 等待電源就緒——控制器確認發電機輸出的電壓及頻率進入可接受範圍,才視為可用電源。
  4. 斷開常用電源——先確實斷開市電側,避免兩個電源同時接上同一線路。
  5. 接通後備電源——把負載轉至發電機側,完成轉移。
  6. 市電恢復後回切——確認市電穩定持續一段時間後才回切,避免電壓反覆時來回切換。
  7. 發電機冷卻停機——負載轉回市電後,機組按設定運行一段時間降溫再停機。

第四步的先斷後合是安全設計的核心:兩路電源不可同時接通,否則會造成回流,危及線路及在場人員。第六步的延遲回切則是實務要點,缺少延遲會令設備在電壓不穩期間反覆承受切換衝擊。

兩類結構:PC 級與 CB 級

比較項目PC 級(由轉換開關構成)CB 級(由斷路器構成)
基本元件專用轉換開關本體兩台互相連鎖的斷路器
主要功能轉移負載轉移負載,並具備斷路器的保護功能
短路保護一般依賴上游保護裝置本身具備過流及短路保護
體積相對緊湊較大,需較多櫃內空間
常見用途末端及分區配電的電源轉移主配電層面、需要整合保護的場合

選型不是比較哪一類較好,而是看該處是否需要在同一設備內兼具保護功能,以及配電系統上游的保護配置如何安排。這屬電力設計範圍,須由具資格的電力工程人員按整體配電方案決定。

三個常被忽略的設計細節

① 空窗期無法消除

發電機需要時間啟動及穩定,切換前的一段時間負載仍然斷電。凡不容許斷電的設備,必須另設不間斷電源橋接,而非依賴切換速度。

② 回切延遲與冷卻停機

市電恢復即刻回切,會在電壓反覆時造成來回切換;機組未經降溫即停機亦影響壽命。兩項延遲時間應在控制器內明確設定。

③ 充電負載計入總量

市電中斷後不間斷電源會轉為電池供電,恢復供電時同時大量充電,這部分負載須在發電機容量計算中一併考慮。

三項的共同點是:問題不出在設備規格,而出在整體時序與負載清單。設計階段應把每一路負載屬於哪一級(可斷電、短暫可斷、完全不可斷)逐一列明。

負載分級:決定哪些線路接上後備電源

後備電源容量有限,不可能覆蓋整幢樓宇的全部用電。因此設計的第一步是分級:消防及生命安全相關設施屬必須維持的類別,屋宇署的《提供消防裝置及設備與抗火結構之最低限度之防火裝置守則》對消防裝置及設備的供電有相應要求;其次是保安、通訊及機房等業務關鍵負載;最後是一般照明及舒適用電。

對弱電系統而言,這代表要在方案階段明確提出需求:閉路電視錄影主機、門禁控制器、警報主機及網絡設備若需要在停電期間持續運作,其電源必須來自接上後備電源的線路,並在該線路上另設不間斷電源覆蓋切換空窗期。若只把設備接在普通插座,停電時即使大廈發電機已運作,該線路仍可能不在後備範圍之內。

香港大廈的實際情況

香港的商業大廈及大型住宅多在地面層或地庫設置柴油發電機及主配電房,機房位置受限於通風、排氣及儲油安排。租戶或弱電承辦商通常無法改動主配電設計,能做的是確認機櫃所在的電力來源屬哪一級,並在需要時申請由後備電源線路供電。這項確認應在報價階段完成,而非設備安裝後才發現線路不在後備範圍。

電力工程本身受《電力條例》規管,機電工程署的《電力(線路)規例工作守則》對線路裝置有明確要求,相關施工須由註冊電業承辦商及具相應資格的電業工程人員負責。弱電承辦商可提出負載需求及位置,但配電盤改動、線路加設及接駁屬電力工程範圍,兩者應在工程協調會議上劃清界線。

測試安排是另一個本地實務重點。大廈後備電力系統需要定期帶載測試,測試期間會出現短暫斷電,機房及弱電設備若無不間斷電源覆蓋便會重啟。因此物業管理在安排測試前應通知租戶,弱電承辦商亦應確認設備的電池狀態足以承受測試。相關電池老化問題可參考本站的UPS 電池更換周期

權威資料依據

本文核對資料:IEC 60947-6-1(Low-voltage switchgear and controlgear – Transfer switching equipment)Wikipedia: Transfer switch機電工程署《電力(線路)規例工作守則》(Code of Practice for the Electricity (Wiring) Regulations)屋宇署《提供消防裝置及設備與抗火結構之最低限度之防火裝置守則》(Code of Practice for Fire Safety in Buildings 2011)

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常見問題

有了 ATSE 及發電機,機房是否仍需要不間斷電源?
仍然需要。ATSE 只負責決定由哪一路供電並執行轉移動作,它本身不發電,亦無法消除發電機啟動、暖機及穩定輸出所需的時間。在這段空窗期內負載是斷電的,伺服器、錄影主機及網絡設備會關機或重啟。因此凡屬不容許斷電的負載,都必須另設不間斷電源作橋接,讓設備在發電機就緒前持續運作,之後再由發電機承擔長時間供電。
為何切換時必須先斷開市電才接通發電機?
為了避免兩個電源同時接上同一線路造成回流。若市電與發電機同時接通,發電機的電力可能反送至市電線路,對線路設備及在場工作人員構成危險。因此轉換開關設備的設計包含機械或電氣連鎖,確保先確實斷開一側才接通另一側。這項先斷後合的安排屬安全設計核心,IEC 60947-6-1 就是針對這類轉換開關設備的產品標準。
市電恢復後為何不立即把負載切回市電?
因為市電剛恢復時電壓可能仍不穩定,甚至再次中斷。若控制器一偵測到電壓便立即回切,遇上電壓反覆的情況會造成來回切換,令設備反覆承受衝擊。實務上會設定一段確認時間,市電穩定持續該段時間後才回切。同樣道理,發電機在負載轉回市電後亦應按設定運行一段時間降溫再停機,避免高溫下急停影響機組壽命。
弱電設備要在停電時繼續運作,應在什麼階段提出?
應在方案及報價階段。閉路電視錄影主機、門禁控制器、警報主機及網絡交換機若需在停電期間運作,其電源必須來自已接上後備電源的線路,並在該線路上另設不間斷電源覆蓋切換空窗期。若只把設備接在普通插座,停電時即使大廈發電機已運作,該線路仍可能不屬後備範圍。這項確認要在施工前完成,因為事後改動涉及配電盤及線路加設,屬電力工程範圍。
大廈定期測試後備電力系統時,弱電設備會受影響嗎?
會。帶載測試期間會出現短暫斷電,未有不間斷電源覆蓋的設備會重啟,錄影亦會中斷。因此物業管理在安排測試前應通知租戶,弱電承辦商則應確認設備電池狀態足以承受測試——電池容量會隨使用年期下降,實際可支撐時間可能遠短於原設計值。建議把測試日期納入維護記錄,並在測試後檢查各系統是否全部正常恢復,包括錄影是否連續。

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