БЛОК ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЯ И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ
SWITCHBOX AND RESPECTIVE SWITCHING METHOD

Область техники
Изобретение относится к блоку переключателя, в частности к блоку переключателя, также способному надежно выполнять операции переключения в критических условиях, таких как падение или отсутствие напряжения в силовой сети из-за коротких замыканий или сбоев на предприятии и т.д. Блок переключателя согласно изобретению позволяет эффективно защитить устройства конечного пользователя или электрические приборы/аппараты, которые функционально подключены к нему. Такой блок переключателя, в частности, подходит для использования в панелях или распределительных щитах среднего напряжения или других приборах среднего напряжения.
Предшествующий уровень техники
Для целей настоящего приложения термин среднее напряжение относится к приложениям в диапазоне между 1 кВ и несколькими десятками кВ.
Панель среднего напряжения, как известно, содержит контактор для размыкания/замыкания электрической цепи, причем контактор, приводимый в действие электромагнитным приводом, в частности соленоидным приводом. Панель содержит батарею конденсаторов, которая заряжается от внешнего основного источника питания и которая аккумулирует электроэнергию, которая используется для приведения в действие электромагнитного привода. Панель включает в себя электронную плату, которая питается от внешнего основного источника питания. Электронная плата работает для того, чтобы обеспечить возможность зарядки батареи конденсаторов внешним основным источником питания и управления электрическим разрядом электроэнергии от батареи конденсаторов на электромагнитный привод, когда этого требует оператор.
Недостаток известных панелей среднего напряжения, обсуждаемых выше, обусловлен ограничениями их использования и функционирования в критических ситуациях. В частности, в случае отсутствия внешнего основного питания из-за, например, коротких замыканий или сбоев на промышленном предприятии, в котором установлена панель, на электронную плату не подается электроэнергия от внешней силовой сети; как следствие, электронная плата не в состоянии приводить в действие контактор, чтобы разомкнуть электрическую цепь. Поэтому, любое находящееся далее электрическое устройство, функционально подключенное к панели, остается подключенным к последней, будучи не изолированным от электрической цепи. В результате, целостность таких находящихся далее устройств или других устройств, подключенных к панели, сохраняется ненадежно, и может нежелательно и непоправимо быть подвергнута опасности возможными причиняющими ущерб событиями, которые влияют на панель или всю систему, в которую панель включена.
Краткое изложение существа изобретения
Задача изобретения состоит в улучшении известных панелей среднего напряжения.
Другой задачей изобретения является обеспечение блока переключателя, который может быть ассоциирован с панелью среднего напряжения, который может надежно работать и в критических условиях, например, в случае отсутствия или падения напряжения внешнего основного источника питания из-за, например, короткого замыкания или сбоя на предприятии, к которому подключен блок переключателя.
В первом аспекте изобретения обеспечен блок переключателя по п. 1 формулы изобретения.
Во втором аспекте изобретения обеспечен способ для переключения электрической цепи, как определено в прилагаемых соответствующих пунктах формулы изобретения.
Благодаря изобретению можно использовать накопленную энергию оптимальным образом, и операция аварийного переключения, если требуется, обеспечивается, даже если внешнее основное питание отсутствует.
В частности, как будет более понятно из описания, блок переключателя сконфигурирован так, чтобы иметь возможность непрерывно контролировать основной источник питания и входить в режим низкого потребления, когда детектировано отсутствие основного питания. Если команда на размыкание имеет место, когда отсутствует внешний источник питания, или когда напряжение внешнего основного источника питания ниже заданного порога (то есть ниже, чем допустимое рабочее значение), блок переключателя временно вновь активирует только периферийные устройства или компоненты, связанные с ним, которые необходимы для выполнения команды на размыкание.
Дополнительные характеристики и преимущества изобретения будут следовать из описания и из обусловленных пунктов формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает принципиальную электрическую блок-схему варианта осуществления блока переключателя согласно изобретению;
Фиг. 2 изображает принципиальную электрическую блок-схему другого варианта осуществления блока переключателя изобретения;
Фиг. 3 изображает блок-схему алгоритма, показывающую этапы работы блока переключателя изобретения;
Фиг. 4 изображает схему поведения блока переключателя согласно изобретению.
Описание предпочтительных вариантов осуществления изобретения
На Фиг. 1 показан блок 1 переключателя для размыкания/замыкания соответствующей электрической цепи, схематично обозначенной ссылочной позицией 100.
Блок 1 переключателя может использоваться, не ограничивающим образом, в панелях среднего напряжения, или распределительных щитах, или коммутационном устройстве, или применительно к другими аппаратам или устройствам среднего напряжения; в свою очередь, цепь 100 может быть, например, но не ограничиваясь, частью энергосистемы, нагрузкой и т.д.
Блок 1 переключателя содержит изолированный источник 2 питания, который может подключаться к внешней линии электропередачи/питающей сети 3, от которой принимается электроэнергия для работы в нормальных условиях.
Блок 1 переключателя включает в себя устройство 4 переключения тока для размыкания/замыкания электрической цепи. В частности, устройство переключения содержит, предпочтительно, контактор 4 среднего напряжения. Например, контактор может быть так называемым "V-Contact VSC", представленным на рынке Группой ABB; альтернативно, может использоваться любой тип контактора, подходящий для выполнения требуемой функциональности.
Привод 5, например бистабильный электромагнитный привод, включен в блок 1 переключателя для приведения в действие контактора 4, и он содержит, по меньшей мере, одну катушку. Любой подходящий электромагнитный привод, доступный на рынке, может использоваться в блоке 1 переключателя согласно изобретению.
Силовой привод 6 сконфигурирован с возможностью электрической активации катушки привода 5 для перемещения подвижного контакта контактора 4, таким образом, размыкая или замыкая соответствующую электрическую цепь 100. Поэтому силовой привод 6 сконфигурирован с возможностью функционирования в нормальном режиме работы блока 1 переключателя и осуществления (вместе с приводом 5 и контактором 4) и размыкания и замыкания соответствующей электрической цепи согласно операциям, которые хорошо известны в области техники и поэтому не будут описываться здесь более подробно. Блок 1 переключателя снабжен средством 7 аккумулирования энергии, в частности, содержащим первую секцию 7 батареи конденсаторов, функционально подключенную к изолированному источнику 2 питания и к силовому приводу 6.
Первая секция 7 батареи конденсаторов заряжается изолированным источником 2 питания с помощью электроэнергии, подаваемой внешней силовой сетью или линией 3. В частности первая секция 7 батареи конденсаторов подает, по запросу, накопленную электроэнергию к приводу 5 для размыкания или замыкания электрической цепи во время нормальной работы блока 1 переключателя, то есть в нормальном режиме работы.
Блок 1 переключателя дополнительно содержит средство 8 электронного контроллера для управления основными функциями и осуществления процедуры в аварийных ситуациях. Основные функции выполняются в основном режиме B управления при работе блока 1 переключателя, как показано на Фиг. 3. Основные функции Bf, или основные операции, содержат приведение в действие контактора 4 в нормальном режиме работы, то есть размыкание или замыкание контактора 4, и другие действия, которые выполняются в нормальном режиме работы.
Напротив, с помощью термина "процедуры в аварийных ситуациях" делается ссылка на рабочее состояние, которое подразумевает очень низкое потребление энергии, когда сталкиваются с отсутствием основного внешнего питания к блоку 1 переключателя. В этом случае блок 1 переключателя работает в Режиме L управления при малой мощности (показанном на Фиг. 3), как будет подробно объяснено ниже. В частности, под процедурой в аварийных ситуациях подразумевается процедура, которая позволяет привести в действие контактора 4 для размыкания соответствующей электрической цепи 100 во время отсутствия подачи основного питания от внешней линии 3. В процедуре в аварийных ситуациях любое периферийное устройство (блок, устройство, цепь или ее часть), содержащееся в блоке 1 переключателя или функционально подключенное к нему, и в частности, функционально подключенное к средству 8 электронного контроллера, полностью выключается или переводится в оперативный режим низкого потребления, например, в резервный режим, таким образом, позволяя осуществить эффективную экономию энергии, как будет следовать из следующего описания.
Средство 8 электронного контроллера сконфигурировано с возможностью управления первой секцией 7 батареи конденсаторов и приводом 5. Средство 8 электронного контроллера содержит микроконтроллер, в частности CPU 8 (центральный процессор). CPU 8 получает электропитание от цифровой/аналоговой части 9 источника питания, которая, в свою очередь, получает питание от изолированного источника 2 питания.
CPU 8 может детектировать сигнал 10 источника питания от цифровой/аналоговой части 9 источника питания. В частности, блок 1 переключателя снабжен детектором сбоя питания, через который возможное неисправное состояние подачи внешнего питания от линии 3 (подача энергии полностью отключена или опустилась ниже допустимого рабочего значения) распознается CPU 8. Таким образом, внешний источник питания может непрерывно контролироваться CPU 8.
Блок 1 переключателя содержит входной порт 11 сигнала на размыкание, через который внешняя входящая команда 15 на размыкание может быть принята для размыкания электрической цепи, и входной порт 12 сигнала на замыкание, через который может быть принята внешняя входящая команда на замыкание, для замыкания электрической цепи 100.
В нормальном режиме работы, когда входящая команда 15 на размыкание достигает входного порта 11 сигнала на размыкание, входящий сигнал 13 на размыкание генерируется к CPU 8, который, в свою очередь, отправляет команду 17 на размыкание силовому приводу 6, чтобы привести в действие контактор 4, таким образом, размыкая цепь 100.
В нормальном режиме работы, когда входящая команда 16 на замыкание достигает входного порта 12 сигнала на замыкание, входящий сигнал 14 на замыкание генерируется по направлению к CPU 8, который, в свою очередь, отправляет команду 18 на замыкание силовому приводу 6, чтобы привести в действие контактор 4, таким образом, замыкая цепь 100.
Блок 1 переключателя содержит средство 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях, сконфигурированное с возможностью обеспечить возможность средству 8 электронного контроллера работать также в аварийной ситуации, то есть в ситуациях, в которых имеет место отсутствие или падение подачи основного питания от внешней линии 3, или имеет место нерегулярная подача внешнего основного питания, например, если подача внешней энергии снижается ниже заданного порога (ниже, чем допустимое рабочее значение).
Благодаря средству 20 осуществления процедуры действий в аварийных ситуациях, приведение в действие контактора 4 возможно также в аварийной ситуации, когда это необходимо.
Средство 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях связано со средством 8 электронного контроллера, то есть, по меньшей мере, часть средства 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях встроена в средство 8 электронного контроллера.
В частности, средство 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях содержит секцию 22 основного контроллера малой мощности, содержащуюся в средстве 8 электронного контроллера, которое выполняет, через надлежащее прикладное программное обеспечение, процедуру управления при малой мощности, то есть позволяет блоку 1 переключателя быть в режиме, который позволяет аккумулировать энергию. Другими словами, секция 22 основного контроллера малой мощности является подмножеством CPU 8, который способен управлять в условиях малой мощности.
Средство 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях содержит аварийный силовой привод 25 для размыкания контактора 4 в аварийной ситуации и, в частности, приведения в действие катушки привода 5 для размыкания контактора 4. Аварийный силовой привод 25 может быть отдельным приводом, или встроенным в силовой привод 6, или только частью самого силового привода 6.
Средство 20 осуществления процедуры в аварийных ситуациях содержит также повышающий силовой привод 26, который функционально подключен к секции 22 основного контроллера малой мощности и к аварийному силовому приводу 25, и дополнительному средству аккумулирования энергии, глобально обозначенному ссылочной позицией 23.
Дополнительное средство 23 аккумулирования энергии содержит, по меньшей мере, секцию 24 резервного конденсатора, которая также функционально подключена к повышающему силовому приводу 26, и вторую секцию 21 батареи конденсаторов, которая служит для снабжения электропитанием аварийного силового привода 25 и которая управляется секцией 22 основного контроллера малой мощности.
Первая секция 7 батареи конденсаторов и вторая секция 21 батареи конденсаторов могут быть полностью отдельными блоками аккумулирования энергии и могут содержать соответственно первый конденсатор или первую батарею конденсаторов и второй конденсатор или вторую батарею конденсаторов, которые отличны друг от друга. В другом и предпочтительном варианте осуществления первая секция 7 батареи конденсаторов и вторая секция 21 батареи конденсаторов являются частью одного конденсатора или одной батареи конденсаторов. В частности, в примере, раскрытом здесь со ссылкой на прилагаемые чертежи, первая секция 7 батареи конденсаторов и вторая секция 21 батареи конденсаторов обе содержатся в одном и том же конденсаторе. Это означает, что первая секция 7 батареи конденсаторов является частью такого конденсатора, предназначенной для работы во время функционирования в нормальном режиме блока 1 переключателя, а вторая секция 21 батареи конденсаторов является дополнительной частью упомянутого конденсатора, предназначенной для работы во время функционирования в аварийной ситуации блока 1 переключателя, что подразумевает малое потребление энергии.
Повышающий силовой привод 26 при генерации цифрового сигнала 27 источника питания и сигнала 28 включения силового привода генерирует и отправляет аналоговый сигнал 30 - то есть сигнал для активации напряжения - аварийному силовому приводу 25 и допускает подачу электроэнергии от второй секции 21 батареи конденсаторов к аварийному силовому приводу 25, таким образом, размыкая электрическую цепь.
Запрос на размыкание цепи 100, соответствующей блоку 1 переключателя, в аварийной ситуации может быть дан, например, пользователем через специальный входной порт 29 аварийного размыкания.
Секция 24 резервного конденсатора подает энергию к цифровой/аналоговой секции 9 и содержит батарею конденсаторов, которая заряжена до соответствующего значения, как показано кривой C1 поведения зарядки для ординаты Y2 на Фиг. 4. Секция 24 резервного конденсатора заряжается внешним источником 3 питания только раз за время Tc зарядки, то есть несколько секунд, в первой фазе P1, при запуске системы, в которой блок 1 переключателя содержится или к которой он подключен. Поведение напряжения секции 24 резервного конденсатора показано кривой C2 поведения напряжения на Фиг. 4.
Секция 24 резервного конденсатора контролируется CPU 8, который считывает напряжение источника питания через сигнал 10 источника питания и активирует зарядку секции 24 резервного конденсатора с помощью сигнала 35 зарядки. Во время первой фазы P1 другие действия могут выполняться на полной скорости CPU. После первой фазы P1 электрический заряд удерживается во второй фазе P2 в течение времени Th удержания, в которое блок 1 переключателя работает в нормальном режиме. Во время второй фазы P2 CPU 8 работает на максимальной скорости и все функции гарантируются. Фиг. 2 показывает альтернативный вариант осуществления блока 1 переключателя согласно изобретению, отличающийся от версии Фиг. 1 тем, что секция 24 резервного конденсатора не встроена в цифровую/аналоговую часть 9 источника питания, а напрямую функционально подключена к входному порту 11 сигнала на размыкание.
Во время функционирования в нормальном режиме (основной режим управления), в частности во время второй фазы P2, имеет место основная операция B_o блока 1 переключателя (см. фиг. 3), и выполняются основные функции Bf, такие как зарядка батарей конденсаторов, коммуникационные операции через последовательный порт и нормальные операции размыкания/замыкания контактора 4. Источник PS питания непрерывно контролируется CPU 8. По внешнему запросу на размыкание, то есть по входящей команде 15 на размыкание, блок 1 переключателя выполняет нормальное размыкание N_o цепи. По внешнему запросу на замыкание, то есть по входящей команде 16 на замыкание, блок 1 переключателя выполняет нормальное замыкание N_c цепи.
Во время функционирования, если CPU 8 детектирует падение уровня напряжения, связанного с питанием, подаваемым по линии 3, ниже допустимого уровня, блок 1 переключателя переходит в режим L управления при малой мощности.
В частности, секция 22 основного контроллера малой мощности входит в режим функционирования основного контроллера при малой мощности (как показано на Фиг. 3 первой стрелкой W) при условии аварийной работы Em, чтобы уменьшить полное потребление энергии. Поведение в этой третьей фазе P3 показано с помощь кривой C3 внешнего источника питания на Фиг. 4.
Во время третьей фазы P3, в которой внешний источник 3 питания находится в неисправном состоянии (отключение или падение ниже допустимого рабочего значения), заряд секции 24 резервного конденсатора постепенно иссякает. CPU 8 входит в режим функционирования основного контроллера при малой мощности, и энергия для средства 8 и, в частности, для секции 22 основного контроллера питания будет поставляться секцией 24 резервного конденсатора. На практике, во время этой третьей Фазы P3 различные возможные действия/функции, выполняемые в нормальных условиях, должны оставаться или в полностью "спящем режиме" или полностью выключенными, просто ожидающими восстановления внешнего основного источника питания или внешнего запроса команды на размыкание.
В частности, в этой ситуации секция 22 основного контроллера питания переводит себя и весь CPU 8 в режим малого потребления энергии и потребляет энергию от секции 24 резервного конденсатора; причем величина энергии, полученной от секции 24 резервного конденсатора, достаточна, в течение предварительно определенного времени, в основном для: продолжения контроля подачи Ps питания от основной линии 3 электропередачи (проверяется сигнал 10 питания от цифровой/аналоговой части 9 источника питания); и проверки, принята ли команда 15 на аварийное размыкание (на входном порту 11 сигнала на размыкание или на 29). В то же время секция 22 основного контроллера питания практически замораживает вторую секцию 21 батареи конденсаторов с фактическим остаточным уровнем энергии, накопленным там на момент входа в режим L управления с малой мощностью; кроме того, секция 22 основного контроллера питания полностью выключает и/или переводит в резервный режим (режим с низким потреблением энергии) все периферийные устройства, например, устройства, блоки, функции связи, цепи или их части и т.п., функционально связанные или содержащиеся в блоке переключателя и, в частности, функционально подключенные к средству 8 электронного контроллера, эти периферийные устройства не являются строго необходимыми для выполнения контроля подачи Ps питания от основной линии 3 электропередачи и проверки, принята ли команда 15a на аварийное размыкание. Такие периферийные устройства могут содержать, например, но не ограничиваясь, переключатели с двухрядным расположением выводов (dip-переключатели), внешние последовательные порты, а также аварийный силовой привод 25, повышающий силовой привод 26 и т.д.
Следовательно, в этом состоянии, если основное питание от линии 3 электропередачи правильно возобновлено, CPU 8 входит снова в состояние основного режима B управления; если вместо этого имеет место команда 15a на аварийное размыкание, в то время как основное питание отсутствует, CPU 8 временно вновь активирует любое периферийное устройство, необходимое для выполнения такой команды и размыкания цепи. Другими словами, аварийный силовой привод 25 вновь активируется, таким образом, действуя на соленоид привода 5, путем использования остаточной энергии, накопленной и сохраненной во второй секции 21 батареи конденсаторов.
Эта операция показана на Фиг. 4 в фазе P3, во время которой происходит разряд накопленной энергии в течение времени Td разряда. Эта операция также показана на Фиг. 3 и называется аварийным размыканием E_o.
Благодаря этой конфигурации блока 1 переключателя, путем выключения или перевода в резервный режим низкого потребления энергии любого периферийного устройства, не являющегося строго необходимым, предотвращаются потери энергии, таким образом, позволяя понизить скорость системного тактового генератора CPU. Работоспособность блока 1 переключателя гарантируется на несколько часов, в зависимости от характеристики саморазряда используемого средства аккумулирования энергии. Поэтому в отличие от устройств предшествующего уровня техники и преимущественно по отношению к ним возможно размыкание цепи, несмотря на отсутствие внешнего источника питания, благодаря блоку переключателя изобретения, сконфигурированного, как описано выше. Во время сбоя питания операция замыкания электрической цепи не может быть разрешена. CPU 8, в частности секция 22 основного контроллера малой мощности, контролирует правильность и завершение операции размыкания цепи. Таким образом, блок 1 переключателя согласно изобретению позволяет получить для пользователя высокий уровень безопасности и позволяет эффективно и надежно защитить любые конечные устройства или электроприборы, которые функционально подключены и/или управляются блоком 1 переключателя непосредственно.
Могут быть обеспечены возможные варианты и/или дополнения к блоку 1 переключателя и любой панели среднего напряжения, включающей его. В частности, блок 1 переключателя, который обсуждался выше, может быть подвергнут модификациям и/или может быть реализован во многих различных версиях, и любая часть блока 1 переключателя, раскрытого здесь, может быть заменена соответствующим технически эквивалентным компонентом согласно желаемым требованиям, все они входят в рамки настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.