Низковольтное комплектное устройство
LOW-VOLTAGE PACKAGED APPARATUS

Настоящее изобретение относится к системам распределения энергии и может найти свое применение на объектах энергогенерации, промышленных предприятиях, предприятиях по добыче, переработке и транспортировке полезных ископаемых, в центрах обработки данных, а также на любых других объектах, требующих непрерывного электроснабжения. В рамках настоящей заявки в качестве преимущественного аспекта применения изобретения рассматривается создание средства для контроля и управления электродвигателями.
Уровень техники
В уровне техники под низковольтными комплектными устройствами (НКУ) понимается совокупность низковольтных коммутационных аппаратов и устройств управления, измерения, сигнализации, защиты, регулирования, собранных на предприятии-изготовителе на единой конструктивной основе со всеми внутренними электрическими и механическими соединениями (ГОСТ Р 51321.1-2007 (МЭК 60439-1:2004)).
В рамках настоящей заявки понимается, что не указанные в явном виде в  описании некоторые средства, входящие в состав НКУ согласно отмеченному выше определению, тем не менее, предполагаются присущими заявленному изобретению, как это должно следовать для специалиста из уровня техники. Некоторые из указанных выше средств не являются предметом усовершенствования предложенного изобретения, поэтому в целях краткости и ясности изложения предмета изобретения в описании могут быть опущены упоминание или подробное конструктивное или функциональное описание таких средств. Тем не менее, предполагается, что такие средства имманентно присущи заявленному изобретению согласно его назначению.
В уровне техники широко представлены НКУ, преимущественно выполненные в шкафном исполнении из одной или нескольких секций с возможностью межсекционной коммутации. Такое выполнение представляется целесообразным ввиду технологичности выполнения, удобства монтажа, контроля и обслуживания. Кроме того, обеспечивается возможность масштабирования системы в зависимости от потребностей пользователя.
В качестве наиболее близкого аналога предложенного изобретения можно выбрать техническое решение по патенту RU 172671 U1, 19.07.2017 [1].
Известное из [1] решение представляет собой низковольтное комплектное устройство, содержащее шкаф в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором выполнены ячейки с установленными выкатными функциональными блоками в форме прямоугольных параллелепипедов.
Задачей, решаемой известным средством, является увеличение мощности, распределяемой комплектным устройством, при уменьшении его габаритов.
К недостаткам указанного решения можно отнести недостаточную степень секционирования и низкую вместимость шкафа в отношении выкатных функциональных блоков.
К основной задаче и техническому результату заявленного изобретения следует отнести повышение вместимости шкафа при сокращении ширины шкафа. Повышение вместимости, в свою очередь, позволяет расширить функциональные возможности НКУ. Также изобретение направлено на обеспечение надежности работы и повышение безопасности при эксплуатации , обслуживании и ремонте оборудования НКУ.
Нижеследующие разделы описания предназначены для раскрытия изобретения с полнотой, достаточной для его осуществления специалистом в данной области техники. При этом приведенные сведения явным образом показывают возможность достижения как отмеченных выше технических результатов, так и эффектов, которые, не будучи явным образом определены в качестве технических результатов, тем не менее, являются присущими заявленному изобретению и будут проявляться при его осуществлении в соответствии с признаками формулы изобретения.
Раскрытие сущности изобретения
Для достижения указанных выше и иных следующих их описания технических результатов в предпочтительном варианте осуществления изобретения предлагается низковольтное комплектное устройство (НКУ), содержащее, как и в рассмотренном наиболее близком аналоге, шкаф в форме прямоугольного параллелепипеда, в котором выполнены ячейки с установленными выкатными функциональными блоками в форме прямоугольных параллелепипедов.  Отличием от аналога является то, что шкаф имеет габариты: ширина L=600 мм, высота H=2000 или 2200 мм, глубина B=600, 800, 1000 или 1200 мм. При этом соотношение ширины и высоты выкатных функциональных блоков выбрано из условий: если ширина блока l соответствует 1/2 или 1/3 L, то его высота h составляет 2М, 3М или 4М; если ширина блока l соответствует L, то его высота h составляет 3М, 4М, 5М, 6М, 9М или 12М, где М=50 мм.
Существенным является также, что блоки c l=1/2 L предназначены для установки автоматов на токи от 16 до 100 А, блоки с l=1/3 L предназначены для установки автоматов на токи от 16 до 70 А, блоки с l=L и h=3M или 4М предназначены для установки автоматов до 250 А, а остальные блоки предназначены для установки автоматов до 630 А.
В дополнительном варианте осуществления изобретения выкатные функциональные блоки с l=1/2 или 1/3 L и h=2М дополнительно оснащены механизмом управления блокировки и перемещения  в виде кинематического  переключателя на два положения: "ВКЛ" и "ВЫКЛ", а остальные выкатные функциональные блоки дополнительно оснащены механизмом управления блокировки и перемещения  в виде сочетания кинематического переключателя и кнопки, позволяющего перевести блок и зафиксировать в любом из положений: "ВКЛ", "ТЕСТ" или "ВЫКЛ".
В дополнительных вариантах осуществления изобретения предусмотрено также следующее:
контакты покрыты серебром или золотом;
силовые контакты выполнены разъемными;
выкатные функциональные блоки дополнительно оснащены механизмом, препятствующим случайному выпадению блока в положении "ВЫКЛ";
шкаф оснащен микропереключателями для электрической индикации положений;
по меньшей мере, два выкатных функциональных блока выполнены дублирующими;
выкатные функциональные блоки с l=L оснащены фронтальной дверью-панелью;
ячейки снабжены полиамидными направляющими;
ячейки снабжены средством механической кодировки для исключения неправильной установки блока;
заявленное устройство содержит пружины заземления между соответствующими ячейками и блоками;
при B=600 или 800 мм шкаф выполнен с возможностью одностороннего обслуживания, а при B=1000 или 1200 мм шкаф выполнен с возможностью двухстороннего обслуживания;
заявленное устройство выполнено со степенью пыле- и влагозащиты IP54.
В следующем разделе описания будет в достаточной степени показано, каким образом возможно осуществление изобретения с достижением отмеченных выше технических результатов.
В необходимом случае будут приведены отсылки на поясняющие изобретение чертежи.
Необходимо отметить, что нижеследующее изложение сущности изобретения с привлечением конкретных примеров реализации не предназначено для ограничения объема его охраны. Для специалиста будет понятно, что упомянутые в рамках данной заявки термины, в частности, такие как «блок», «механизм», «контакт» охватывают различные следующие из уровня техники варианты осуществления, вследствие чего объем охраны предложенного изобретения не должен ограничиваться каким-либо частными примерами осуществления, раскрытыми в нижеследующем описании.
Также следует отметить, что под термином «шкаф» (если только совместно с данным термином не упомянуто иное) в рамках настоящей заявки понимается конструкция, предназначенная для размещения выкатных функциональных блоков.
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено:
Фиг. 1 - общий вид НКУ одностороннего обслуживания.
Фиг. 2 - общий вид НКУ двухстороннего обслуживания.
Фиг. 3 - выкатной функциональный блок в разборе (без оборудования).
Фиг. 4 - вид силовых контактов.
Фиг. 5 - вид сигнальных контактов.
Фиг. 6 - внешний вид механизма управления, блокировки и перемещения.
Фиг. 7 - механизм управления, блокировки и перемещения.
Фиг. 8 - вид механизма от опрокидывания.
Фиг. 9 - вид средства механической кодировки.
Осуществление изобретения
Автоматические выключатели (выключатели, автоматы) являются коммутационными электрическими аппаратами, предназначенными для:
- проведения тока цепи в нормальных режимах;
- автоматической защиты электрических сетей и оборудования от аварийных режимов (токов короткого замыкания, токов перегрузки, снижения или исчезновения напряжения, изменения направления тока, возникновения магнитного поля мощных генераторов в аварийных условиях и др.);
- нечастой коммутации номинальных токов. Благодаря простоте, удобству, безопасности обслуживания и надежности защиты от токов короткого замыкания эти аппараты широко применяются в электрических установках малой и большой мощности.
Автоматические выключатели могут иметь электромагнитный или электродвигательный привод, что дает возможность управлять ими на расстоянии. Автоматы могут выключаться вручную, а при нарушении нормального режима эксплуатации (появление сверхтоков или снижение напряжения) - автоматически.
Выбор автоматических выключателей производится по номинальным напряжению и току с соблюдением следующих условий:
ном.а.
ном.с.
ном.а.
длит
U≥ U; I ≥ I;
ном.а.
ном.с.
ном.а.
длит
где U — номинальное напряжение автоматического выключателя; U — номинальное напряжение сети; I— номинальный ток автоматического выключателя; I — длительный расчетный ток цепи.
ном.расц.
уст.эл.магн.
ном.уст.тепл.
Кроме того, должны быть правильно выбраны: номинальный ток расцепителей I; ток уставки электромагнитного расцепительного элемента комбинированного расцепителя I; номинальный ток уставки теплового расцепителя или теплового элемента комбинированного расцепителя — I.
Номинальные токи электромагнитного, теплового или комбинированного расцепителя должны быть не меньше номинального тока двигателя:
ном.расц.
ном. дв.
I ≥ I
Ток уставки электромагнитного расцепителя (отсечки) или электромагнитного элемента комбинированного расцепителя с учетом неточности срабатывания расцепителя и отклонений действительного пускового тока от каталожных данных выбирается из условия:
уст.эл.магн.
пуск.
I ≥ 1,25I;
пуск.
где I — пусковой ток двигателя.
Одним из аспектов предложенного изобретения является обеспечение модульности НКУ. Модульность, в свою очередь, определена тем, что в одном элементе (блоке, модуле) выдвижного типа полностью сконфигурирована необходимая схема питания и управления потребителем с соблюдением отмеченных выше условий. При наличии резервного блока это позволяет производить осмотр, замену и ремонт с минимальными перерывами в энергоснабжении, без обесточивания при этом всей секции НКУ.
Выкатной функциональный блок в разборе без оборудования представлен на фиг. 3, где под соответствующими позициями обозначены: 1 — фронтальная панель, предназначенная для установки рукояток автоматических выключателей, светосигнальной аппаратуры, приборов контроля и учета; 2 — защитный экран, обеспечивающий ограничение доступа в зону блока в рабочих положениях; 3 — съемные боковые стенки для удобства монтажа оборудования; 4 — монтажная плата для установки активного оборудования; 5 — задняя стенка для установки коммутационных разъемов; 6 — основание для  установки основных частей выкатного блока и установка активного оборудования.
Проведенные испытания показывают, что при определенных соотношениях между габаритами выкатных функциональных блоков и габаритами шкафа возможно обеспечение максимально эффективной вместительности НКУ при сохранении эргономичной конструкции шкафа и соблюдении требований электрической и пожарной безопасности.
В частности, для этого введена кратная характеристика для измерения вертикального размера выкатного блока — М, равная 50 мм. Кроме того, введено условное деление выкатных блоков на дробные и цельные следующим образом.
Дробные выкатные блоки имеют высоту h: 2М, 3М и 4М. Таким образом, с учетом ширины шкафа L=600 мм, их можно установить в количестве либо трех (ширина блока l=1/3 L) (размер 2М3, 3М3, 4М3), либо двух (l=1/2 L) на одном уровне (размер 2М2, 3М2, 4М2). Дробные выкатные блоки предназначены для установки автоматов, рассчитанных на токи от 16А до 70 А (блоки  2М3, 3М3, 4М3) и от 16А до 100 А (блоки 2М2, 3М2, 4М2). Максимальное количество блоков 2M3 в шкафу высотой 2000 мм – 45, в шкафу высотой 2200мм - 48.
Цельные выкатные блоки имеют одинаковую ширину l – 600 мм, но разную высоту h, кратную М. Высота может быть равна 3М, 4М, 5М, 6М, 9М, 12М. В блоки с высотой h 150 и 200мм (3М и 4М) могут устанавливаться автоматические выключатели до 250 А, а в остальные блоки – автоматы до 630 A.
Таким образом, использованная в предложенном изобретении комбинация габаритных размеров блоков с учетом их указанной предназначенности для конкретного оборудования позволяет обеспечить модульность НКУ с максимальной вместительностью.
На фиг. 1 (позиция 1) и 2 (позиция 1) представлены НКУ одностороннего и двухстороннего обслуживания соответственно.
Определяющими факторами при выборе того или иного специализированного решения могут стать: ток щита, габаритные размеры помещения и требования самого объекта, где установлен щит. В частности, шкаф одностороннего обслуживания может применяеться в тех случаях, когда расположение самого щита и трансформатора относительно друг друга предполагает исключительно односторонний доступ к оборудованию. В таком случае выкатные блоки расположены в распределительном шкафу, а все клеммные зажимы вторичной коммутации и силовые клеммы с шинами располагаются в кабельном шкафу с полноразмерной дверью.
В том случае, когда габариты помещения позволяют обеспечить свободный проход вокруг установки, используется шкаф с двухсторонним доступом к оборудованию. В зависимости от тока системы сборных шин щита (до 4000 или 5000…6300 А) глубина шкафа достигает 1000 или 1200 мм. При этом конструкция разработана таким образом, что указанные глубины реализованы путем стыковки каркасов: сначала 400 мм, а затем 600 или 800 мм. Отличительной особенностью шкафа двухстороннего обслуживания является многоуровневая организация доступа к шинной системе: при регулярном вкатывании-выкатывании блоков исключено прямое механическое воздействие на распределительные шины.
Применение выкатных блоков позволяет оперативно и безопасно производить замену вышедшего из строя оборудования без демонтажа отходящих кабелей и клемм подключения. В случае перемещения выкатного блока прямое механическое воздействие на распределительные шины отсутствует, так как все электрические соединения в таких модулях осуществляются при помощи переходных контактов. В сочетании с полностью разборной конструкцией выкатного блока (см. фиг. 3) данные отличительные особенности системы становятся неоспоримыми преимуществами при выборе решения для организации питания, управления и защиты электродвигателей.
Пример вида силовых и сигнальных контактов представлен на фиг. 4 и 5 соответственно (пример представлен для цельных выкатных блоков). В частности, на фиг. 4 позициями а) и б) отмечены силовые контакты выполнения 250 А и 630 А соответственно. На фиг. 5 позициями а) и б) отмечены сигнальные контакты 52pin и 26pin+2xRJ45 соответственно.
Как было отмечено выше, в дополнительном варианте осуществления изобретения выкатные функциональные блоки с l=1/2 L или 1/3 L и h=2М дополнительно оснащены механизмом управления, блокировки и перемещения  в виде кинематического переключателя на два положения: "ВКЛ" и "ВЫКЛ", а остальные выкатные функциональные блоки дополнительно оснащены механизмом управления в виде сочетания переключателя и кнопки, позволяющего перевести блок и зафиксировать в любом из положений: "ВКЛ", "ТЕСТ" или "ВЫКЛ". Общий внешний вид механизма  управления, блокировки и перемещения  с вариантами индикации на примере цельного выкатного блока представлен на фиг. 6.
При этом:
в рабочем положении «ВКЛ» – все контактные группы замкнуты, блок заблокирован от случайного открытия;
в испытательном положении «ТЕСТ» – силовые контакты разомкнуты; сигнальные замкнуты для тестирования (в данном случае предпочтительно применять выдвижные сигнальные контакты);
в положении «ВЫКЛ» – все контакты разомкнуты, можно извлечь ячейку для обслуживания или замены.
На фиг. 7 показаны механизмы перемещения блока и  механизм блокировки кнопки. В частности, механизм блокировки кнопки (1) имеет жесткую связь с валом рукоятки автомата, обладает высокой надежностью и позволяет обеспечить большое количество вариантов установки. Механизмы перемещения (2) обеспечивают надежную фиксацию блока, четкую индикацию положений, исключение несанкционированного перемещения.
В дополнительном варианте осуществления для защиты персонала от случайного выпадения цельного выкатного блока в положении «ВЫКЛ» на нем установлен механизм от опрокидывания (случайного выпадения блока) (фиг. 8, позиция 1).
Также механизм защиты от опрокидывания стоит на всех целых блоках.
Дополнительно цельные выкатные блоки могут оснащаться фронтальной дверью-панелью для быстрого доступа к автомату без извлечения блока из шкафа. При этом ячейки могут быть опционально оснащены: кодировкой "свой-чужой" для исключения неправильной установки блока; полиамидными направляющими для снижения трения при перемещении выкатных блоков; пружиной заземления для обеспечения PE-контура между ячейкой (шасси-ячейкой) и блоком.
В дополнительном варианте осуществления шкаф может быть оснащен микропереключателями для электрической индикации положений. Микропереключатели могут представлять собой концевые микропереключатели и могут быть установлены или в выкатные блоки или быть размещенными в ячейках НКУ.
В дополнительном варианте осуществления НКУ оснащается средством блокировки от несанкционированного «вкатывания» блока. В частности, в качестве такого средства может выступать механическое средство, например, в виде кодировочных пластин (фиг. 9), что позволяет существенно повысить безопасность эксплуатации НКУ.
В дополнительном варианте осуществления для повышения надежности работы и продления срока службы НКУ в нем применяют контакты, покрытые серебром или золотом. В частности, в примере, не ограничивающем объем охраны, используют покрытые серебром силовые контакты и покрытые золотом сигнальные контакты.
В дополнительном варианте осуществления НКУ выполняется со степенью пыле- и влагозащиты IP54. В частности, это может быть обеспечено посредством применения пенополиуретановый уплотнителя, установленного плотно прилегающим к кромкам шкафа.
Таким образом, в приведенном выше описании сущности предложенного изобретения показано, какими средствами и методами для специалиста возможно осуществление изобретения, а также показана причинно-следственная связь между признаками   формулы и техническими результатами, которые проявляются при осуществлении изобретения.
Предложенное изобретение испытано в условиях реального производства и показало свою промышленную применимость. Сведений, дающих основания для признания изобретения несоответствующим новизне и изобретательскому уровню в уровне техники не выявлено.