（中国民用航空西南地区空中交通管理局 四川成都 610202）
摘要：近年来随着航班量的不断增长，民航空管系统快速发展，空管设备数量逐年增长。而空管设备机房内的各类通导、气象设备承担着向管制员提供指挥航班起降和飞行的各类雷达、传输、气象数据及信息，此类设备可瞬间供电中断时间小于20ms。为保障管制席位和空管设备的不间断运行，提升单电源设备供电的冗余可靠性，静态切换开关（Static Transfer Switch，STS）在空管供电系统中的重要性不言而喻。本文首先对STS的工作原理进行阐述，重点介绍其器件SCR原理、输入电源切换、互锁机制等，接着结合民航西南空管局航管小区的供配电配置对STS静态转换开关在空管供电系统中的应用进行详述。
关键词：静态转换开关；工作原理；应用
1 引言
静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）是指在两路电源供电系统之间切换的开关电子设备，主要用于两路电源供电切换，为电源二选一自动切换系统。STS在两路交流电源构成的双总线供电系统中承担着检测、切换的核心任务。正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源。在主电源发生故障时，负载自动并迅速切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载自动切换回主电源[1]。通常情况下，静态转换开关可在小于8ms的时间内将电源自动切换到一个稳定的备用电源，不会造成IT类负载断电。即使在极端条件下，如180度的相位差，STS的检测和自动切换时间要比许多其它开关的速度快10倍。所以STS既对负载可靠供电，同时又能保证在不同相切换时的安全性。STS采用先断后通（Break before Make）的切换方式，一路电源出现故障，STS可以继续由另一路可用电源向设备供电。一旦出现短路，STS将确保故障不会延伸影响到备用电源，从而保证继续向设备供电，适合用于UPS与UPS，UPS与发电机，UPS与市电，市电与市电等任意两路电源的不断电转换[2]。因其快速负载切换的特性，STS应用于要求极高供电可靠性的高端不间断供电领域，如计算机中心，互联网数据中心、电信、金融数据中心及工业过程控制中心等，利用快速的负载切换功能保证设备能够在主电源发生故障时保障不间断运行，给设备提供稳定的、高质量的交流供电。
2.STS工作原理
2.1 STS组成
STS的主回路主要由输入开关、输出开关、旁路维修开关以及由可控硅（SCR）构成的静态切换开关组成。STS的核心电子器件是可控硅（SCR），下面详细阐述一下可控硅的工作原理，从而可论述STS的工作原理。
2.2SCR原理
可控硅（Silicon Controlled Rectifier）简称SCR，由硅半导体材料制成，是三端四层半导体开关器件，一般由两晶闸管反向连接而成，具有体积小、效率高、稳定性好、寿命长等优点。
当交流电（AC）正弦波穿过零点时，SCR的阀门会自动关闭，此时，SCR处于阻断状态，当收到新的门极电压信号时，SCR再次导通。在任何情况下，SCR都不允许有反向电流从阴极流向阳极，故需要将两个SCR反向连接，如图4所示，以保证导通整个正弦波。STS的两路输入电源均通过开关直接连接到SCR中，SCR的控制部分控制SCR的导通与关断，从而确保在统一时刻下，只有一路电源能够接通SCR组并输出为用电设备供电。
STS具有手动切换、自动切换和紧急切换三种电源转换模式。日常运行时是自动切换模式，当优选源发生异常，而备选源正常，并且两路电源之间的相位差在设定的同步窗口范围内，则STS自动切换到备选源供电。STS自动切换到备选源供电后，如果优选源又恢复正常并持续一定时间，且两路电源之间的相位差在设定的同步窗口范围内，STS会再次回切到优选源供电。如果两路电源的相位差不在设定的同步窗口范围内，则STS会自动延迟至两路电源的相位差进入同步窗口范围时才执行自动回切。手动切换则是指用户直接在用电设备端或者通过远程转换控制软件对STS的SCR控制部分进行控制，实现输入电源的切换以及负载与切换电源的连接[2]。紧急切换是指如果出现当前电源失效或系统检测到了SCR故障，为保证供电的连续性，只要另一路源正常，无论两路源之间的相位差是否在同步窗口范围内，STS都会立即切换到另一路源供电。
STS的两组SCR采用互锁机制，当某一路输入电源发生故障时，STS在切换电源之前会先在短时间内切断一组SCR再接入另一组SCR，这种先关断后导通的模式一方面可以保证STS的两路输入电源之间不会因为同时连通而产生合环回流，对电路产生冲击电流，另一方面STS的切换与连接速度非常快，所有关断与导通都控制在8ms以内完成，可保证用电负载的不间断运行 [2]。同时，为了尽可能减少用电负载受到电源切换而带来的电压波动，通常会对主备电源切换时间点加以严格选择，考虑到每相电流过零点时刻的电流值为0，通常会选择每相电流过零点时刻作为电源切换时间点[3]。
3.STS在航管楼供电系统中的应用及常见故障分析
3.1 STS在航管楼供电系统中的应用
民航空管设备机房内的各类通导、气象设备承担着向管制员提供指挥航班起降和飞行的各类雷达、传输、气象数据及信息，此类设备可瞬间供电中断时间小于20ms。为保障管制席位和空管设备的不间断运行，提升单电源设备供电的冗余可靠性，STS静态切换开关在航管楼供电系统中是重要的一环。下面以成都进近管制中心航管小区的供电系统为例，阐述STS在航管楼供电系统中的应用。
3.2 STS常见故障分析
为了降低STS故障给用电负载不间断运行带来的影响，需要维修人员能够在最短的时间内排查出导致STS故障的原因，从而有针对性地对STS故障进行处理与修复。以下是比较常见的STS故障：
（1）输入电源故障
当STS指示灯没亮，电源1路和2路均无输入，需要检查电源是否正常输入以及电压是否正常，若是电源输入不正常则可归结为输入电源出现故障，如果电压发生中断或者变化幅度较大则可归结为输入电源供电不稳定。
（2）控制板故障
如果出现STS输出中断现象且输出回路正常，可以考虑是控制板出现故障，可以给STS增加了一块冗余控制板，一旦主控制板出现故障，备用控制板能继续发送准确无误的门信号，确保STS输出正常。
（3）风扇故障
用热成像仪检测STS时，如果发现其温度较高，则可能为STS风扇故障导致STS无法散热。打开STS柜门可看到STS有两个风扇一主一备，若风扇停转，则需要更换故障风扇，因为其可能会造成STS过热，影响元器件的使用寿命从而造成更加严重的后果。
（4）SCR开路故障
当一路电源失电，SCR开路故障会导致STS无法切换从而造成后端负载掉电，影响用户使用。所以在日常维护中应定期切换STS两路电源，确保切换功能正常。如果SCR开路故障，应当及时更换SCR板件。
4 结论
STS的运用对于空管设备这类一级负荷中特别重要的负荷来说尤为重要，所以在空管供电系统中需要合理的运用和配置STS。STS设备发生故障会对空管设备带来影响，因此，需要故障维修人员对STS的故障及时分析与排查，在最短的时间内排除、解决故障。
参考文献：
[1]陈智敏.STS在民航供电系统中的应用[J].企业技术开发，2015（08）：58-59.
[2]张旭明.STS工作原理及典型故障分析[J].广播电视信息，2012（04）：93-95.
[3]刘永洁.UPS和静态转换开关配合在冶金钢铁系统中的应用[J].四川冶金，2010，32（05）：67-69.
[4]吕智.STS静态转换开关在海外石油工程中的应用[J].广东化工，2014，41（06）：153-154.
论文作者:吴可
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/3
标签：电源论文; 故障论文; 设备论文; 负载论文; 两路论文; 相位差论文; 静态论文; 《电力设备》2019年第2期论文;