专利名称：开关单元及相关方法
技术领域：
本发明涉及一种开关单元，特别是涉及一种在诸如因电厂故障或失效等造成的电力干线下降或缺乏的危急状况下也能够可靠地执行开关操作的开关单元。根据本发明的开关单元使得能够有效地保护与其在工作上连接的终端用户器件或电装置/设备。这样的开关单元特别适合于用在中压面板(panel)或开关板或者其它中压装置中。对于本申请来说，术语“中压”涉及IkV至几十kV之间的范围内的应用。
背景技术：
已知包括用于断开/闭合电路的接触器的中压面板，接触器由电磁致动器特别是电磁阀(solenoid)致动器来驱动。该面板包括由外部电力干线供应充电并且存储用于驱动 电磁致动器的一定量的电能的电容器组。该面板包括由外部电力干线供应供电的电子板。当操作者需要时，电子板工作以使得电容器组能够由外部电力干线供应充电以及命令电能从电容器组向电磁致动器的放电。上面讨论的已知的中压面板的缺点在于其在危急情况下使用和运转的限制。特别地，在例如因其中安装有该面板的工业电厂的故障或失效而造成的外部干线电力缺乏的情形中，电子板不由外部电力干线供电；结果，电子板不能驱动接触器以断开电路。因此，在工作上连接至该面板的任何下游电器件仍连接至该面板而不从电路隔离开。结果，这样的下游器件或者连接至该面板的其他器件的完整性不被安全地保持，并且可能受到影响该面板或者包括该面板的总体系统的可能的破坏性事件的非期望的且不可弥补的危害。
发明内容
本发明的一个目的是改进已知的中压面板。本发明的另一个目的是提供一种开关单元，该开关单元可以与中压面板相关联，该开关单元在危急状况下、比如在例如因与该开关单元连接的电厂的故障或失效而造成的外部干线电力供应的缺乏或下降的情形中也能够可靠地工作。在本发明的第一方面中，提供了如权利要求I中限定的开关单元。在本发明的第二方面中，提供了如所附的相关权利要求中限定的用于对电路进行开关的方法。归功于本发明，可以以最佳方式使用所存储的一定量的能量，并且紧急开关操作如果被请求则被确保，即使外部干线电力缺失。特别地，如从描述中更好地理解的，该开关单元被配置成能够持续监视干线电力供应并且当干线电力缺乏被检测到时进入低消耗模式。如果在经历外部电力供应的缺乏时或者当外部干线电力供应低于给定阈值(即，其低于可接受的工作值)时发生断开命令，则该开关单元暂时地仅重新激活执行断开命令所必需的与该开关单元相关联的外围器件或部件。可以从描述和从属权利要求中得到本发明的另外的特征和优点。
参考附图可以更好地理解和实施本发明，附图通过非限制性例子示出了本发明的一些实施例，在附图中图I是根据本发明的开关单元的一个实施例的示意性电路框图；图2是本发明的开关单元的另一个实施例的示意性电路框图；图3是示出了本发明的开关单元的工作步骤的流程图；图4是根据本发明的开关单元的行为图。
具体实施例方式参考图1，示出了开关单元1，其用于断开/闭合由参考数字100示意性地表示的相关联的电路。 开关单元I可以以非限制性方式用在中压面板或开关板或开关装置中，或者结合其他中压设备或器件使用；而电路100可以是例如但不限于负载、电网的一部分等。开关单元I包括隔离的电力供应2，隔离的电力供应2可连接至外部电力线/干线3，从外部电力线/干线3接收电能，以在正常状况下工作。开关单元I包括用于断开/闭合电路的电流开关器件4。特别地，该开关器件优选地包括中压接触器4。例如，该接触器可以是ABB集团销售的所谓“V-接触VSC”;可替选地，可以使用适合于执行所需功能的任何类型的接触器。开关单元I包括用于驱动接触器4的致动器5，例如双稳电磁致动器，并且致动器5包括至少一个线圈。可以在根据本发明的开关单元I中使用市场上可获得的任何合适的电磁致动器。电力驱动器6被配置用于电激活致动器5的线圈以便移动接触器4的可移动接触部，从而断开或闭合相关联的电路100。因此，电力驱动器6被配置用于在开关单元I的正常工作状况下运转并且使得(与致动器5和接触器4 一起使得)根据在本领域中众所周知并因此在此将不进一步详细描述的操作来断开或闭合相关联的电路。开关单元I设有能量存储装置7，特别地，包括第一电容器组部分7，其在工作上连接至隔离的电力供应2和电力驱动器6。第一电容器组部分7由隔离的电力供应2用外部电力线或干线3所供应的电能充电。特别地，第一电容器组部分7应请求向致动器5供应所存储的量的电能，以在开关单元I的正常工作期间即在正常工作状况下断开或闭合电路。开关单元I进一步包括用于处理基本功能和紧急过程的电子控制器装置8。如图3所示，在开关单元I的工作的基本管理模式B内执行基本功能。基本功能Bf或基本操作包括在正常工作状况下致动接触器4即断开或闭合接触器4 ;以及在正常工作状况下执行的其他活动。不同地，术语“紧急过程”指的是意味着非常低的电力消耗从而面临去往开关单元I的干线外部电力缺乏的工作状况。在此情形中，开关单元I在低电力管理模式L下工作(图3中所示)，这将在下文中详细解释。特别地，紧急过程表示使得能够在来自外部线3的干线电力供应的缺乏期间驱动接触器4以断开相关联的电路100的过程。在紧急过程中，包含在开关单元I中或者在工作上连接至并且特别是在工作上连接至电子控制器装置8的任何外围设备(单元、器件、电路或其一部分)被完全关断或者置于工作低消耗模式，例如待机，从而使得能够有效地节能，这从下面的描述中可以得出。电子控制器装置8被配置用于操作第一电容器组部分7和致动器5。电子控制器装置8包括微控制器，特别是CPU 8 (中央处理单元)。CPU 8由电力供应数字/模拟部分9供电，电力供应数字/模拟部分9又由隔离的电力供应2供电。CPU 8能够检测来自电力供应数字/模拟部分9的电力供应信号10。特别地，开关单元I设有电力失效检测器，CPU 8通过该电力失效检测器识别来自线3的外部电力供应的可能的失效状况(完全停电或者电力下降到可接受的工作值以下)。以此方式，CPU 8可以持续监视外部电力供应。开关单元I包括输入断开信号端口 11和输入闭合信号端口 12，可以通过输入断开信号端口 11接收外部输入断开命令15以断开电路，可以通过输入闭合信号端口 12接收外部输入闭合命令以闭合电路100。
在正常工作状况下，当输入断开命令15到达输入断开信号端口 11时，生成去往CPU 8的输入断开信号13，CPU 8又向电力驱动器6发送断开命令17以便驱动接触器4从而断开电路100。在正常工作状况下，当输入闭合命令16到达输入闭合信号端口 12时，生成朝着CPU 8的输入闭合信号14，CPU 8又向电力驱动器6发送闭合命令18以便驱动接触器4从而闭合电路100。
开关单元I包括紧急过程工作装置20，紧急过程工作装置20被配置用于使得所述电子控制器装置8在紧急状况下、即在如下情况下也能够工作来自外部线3的干线电力的缺乏或下降发生，或者经历所述外部干线电力的不规则供应，例如，如果外部电力供应变得低于给定阈值(低于可接受的工作值)。归因于紧急过程工作装置20，在需要时，在所述紧急状况下也可以驱动接触器4。紧急过程工作装置20与所述电子控制器装置8相关联，即，所述紧急过程工作装置20的至少一部分被嵌入在所述电子控制器装置8中。特别地，紧急过程工作装置20包括包含在电子控制器装置8中的低电力干线控制器部分22，其通过适当的应用软件来执行低电力管理过程，即，使得开关单元I能够处于允许节能的状态。换句话说，低电力干线控制器部分22是CPU 8的能够管理低电力状况的子集。
紧急过程工作装置20包括用于在紧急情况下断开接触器4、特别是驱动致动器5的线圈以断开接触器4的紧急电力驱动器25。紧急电力驱动器25可以是单独的驱动器、或者被嵌入到电力驱动器6中、或者只是电力驱动器6自身的一部分。紧急过程工作装置20还包括升压电力驱动器26以及总体上由参考数字23表示的另外的能量存储装置，升压电力驱动器26在工作上连接至低电力干线控制器部分22和紧急电力驱动器25。另外的能量存储装置23至少包括备用电容器部分24和第二电容器组部分21，备用电容器部分24也在工作上连接至升压电力驱动器26，第二电容器组部分21用于为紧急电力驱动器25供电并且由低电力干线控制器部分22管理。第一电容器组部分7和第二电容器组部分21可以是完全分离的能量存储单元并且可以分别包括第一电容器或第一电容器组和第二电容器或第二电容器组，它们彼此不同。在不同且优选的实施例中，第一电容器组部分7和第二电容器组部分21 二者都是单个电容器的一部分或者单个电容器组的一部分。特别地，在本文中参考附图公开的例子中，第一电容器组部分7和第二电容器组部分21 二者都包含在同一个电容器中。这意味着第一电容器组部分7是意在在开关单元I的正常状况运转期间工作的这样的电容器的一部分，而第二电容器组部分21是意在在开关单元I的意味着低电力消耗的紧急状况运转期间工作的所述电容器的另一部分。当电力供应数字信号27和电力驱动使能信号28生成时，升压电力驱动器26生成模拟信号30 (即，用于激活电压的信号)并向紧急电力驱动器25发送模拟信号30，并且允许电能从第二电容器组部分21被供应给紧急电力驱动器25，从而断开电路。在紧急情况下断开与开关单元I相关联的电路100的请求可以例如由用户通过专用的紧急输入断开端口 29给出。备用电容器部分24向数字/模拟部分9供应能量并且包括电容器组，该电容器组 被充电于适当的值，如图4中的Y2坐标处的充电行为曲线Cl所示。在包括或连接至开关单元I的系统启动时的第一阶段Pl中，由外部电力供应3对备用电容器部分24充电仅一次，充电时间为Tc，即几秒钟。备用电容器部分24电压的行为由图4中的电压行为曲线C2示出。备用电容器部分24由CPU 8管理，CPU 8通过电力供应信号10读取电力供应电压并且通过充电信号35激活对备用电容器部分24的充电。在第一阶段Pl期间，可以以全(PU速度执行其他活动。在第一阶段Pl之后，电荷在第二阶段P2中被保持，保持时间为Th，其间开关单元I在正常状况下工作。在第二阶段P2期间，CPU 8以最大速度运行，并且所有功能都得以保证。图2示出了根据本发明的开关单元I的可替选实施例，与图I的版本不同之处在于，备用电容器部分24不嵌入在电力供应数字/模拟部分9中，而是直接在工作上连接至输入断开信号端口 11。在正常状况(基本管理模式)下的运转期间，特别是在第二阶段P2中，发生开关单元I的基本操作B ο (见图3)，并且执行基本功能Bf，比如对电容器组的充电、串口通信操作和接触器4的正常断开/闭合操作。CPU 8持续监视电力供应PS。应外部断开请求，即，应输入断开命令15，开关单元I执行正常的电路断开N O。应外部闭合请求，即，应输入闭合命令16，开关单元I执行正常的电路闭合N C。在运转期间，如果CPU 8检测到与由线3馈送的电力相关的电压电平下降到可接受的电平以下，则开关单元I进入低电力管理模式L。特别地，在紧急工作Em状况下，低电力干线控制器部分22进入低电力干线控制器功能模式(如图3中由第一箭头W所示)，以降低总体电力消耗。该第三阶段P3中的行为在图4中由外部电力供应曲线C3示出。在其中外部电力供应3处于失效状况下(停电或者下降到可接受的工作值以下)的第三阶段P3期间，备用电容器部分24的电荷逐步耗尽。CPU 8进入低电力干线控制器功能模式，并且去往装置8、特别是去往电力干线控制器部分22的电力将由备用电容器部分24给出。在实践中，在该第三阶段P3期间，必须使在正常状况下执行的各种可能的活动/功能处于完全“睡眠模式”或者完全关断，仅等待干线外部电力供应的恢复或者等待外部断开命令请求。特别地，在此情况下，电力干线控制器部分22将自身和整个CPU 8置于能量低消耗模式并且从备用电容器部分24排出电力；从备用电容器部分24排出的电力的量在预定的时间内基本上足以用于持续监视来自干线电力线3的电力供应Ps (检查来自电力供应数字/模拟部分9的电力信号10);并且检查是否接收到(在输入断开信号端口 11处或29处接收到)紧急断开命令15。同时，当进入低电力管理模式L时，干线控制器部分22将第二电容器组部分21以其中存储的能量的实际剩余水平予以基本上冻结；另外，干线控制器部分22将所有外围设备完全关断和/或置于待机模式(低能量消耗模式)，所述外围设备例如是与开关单元在工作上相关联或者包含在开关单元中、特别是在工作上连接至电子控制器装置8的器件、单元、通信功能、电路或其一部分等等，不严格要求所述外围设备监视来自干线电力线3的电力供应Ps和检查是否接收到紧急断开命令15a。这样的外围设备可以包括例如但不限于dip开关、外部串行端口、以及紧急电力驱动器25、升压电力驱动器26
坐寸ο·因此，在此状况下，如果来自电力线3的干线电力被正确地恢复，则CPU 8再次进入基本管理模式B状况；如果代之以在经历干线电力的缺乏时发生紧急断开命令15a，则CPU 8暂时重新激活执行这样的命令和断开电路所需要的任何外围设备。换句话说，通过使用存储并保存在第二电容器组部分21中的剩余能量，紧急电力驱动器25被重新激活，从而作用于致动器5的电磁阀。该操作在图4的P3阶段中示出，在P3阶段期间，在放电时间Td期间发生所存储的能量的释放。该操作也在图3中示出并且被称作紧急断开E O。归因于该开关单元I配置，通过将并非严格需要的任何外围设备关断或置于待机低消耗模式，避免了能量的浪费，从而使得CPU系统时钟能够减慢。根据所使用的能量存储装置的自动放电特性，开关单元I的可操作性得以保证几小时。不同于且优于现有技术器件，纵使外部电力供应缺乏也因此可以断开电路，这归因于如上面配置的本发明的开关单元。在电力失效期间，可能不允许电路的闭合操作。CPU 8、特别是低电力干线控制器部分22监督电路的断开操作的完成和正确性。根据本发明的开关单元I由此使得对于用户能够获得高的安全水平，并且使得能够有效且可靠地保护在工作上连接至开关单元I和/或由开关单元I自身操作的任何终端器件或电装置。可以提供对开关单元I的可能的添加和/或变体、以及包括它们的任何中压面板。特别地，上面讨论的开关单元I可以进行修改和/或可以以许多不同的版本来实施，并且本文中公开的开关单元I的任何部分可以根据所期望的需要用对应的在技术上等价的部件来替换，所有这些都落入如所附权利要求中限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种开关単元，包括 电流开关器件(4)，所述电流开关器件(4)能够由电磁致动器(5 )驱动以断开/闭合与所述开关単元相关联的电路(100)； 能量存储装置(7)，所述能量存储装置(7)用于存储用于所述电磁致动器的一定量的电能； 电子控制器装置(8)，所述电子控制器装置(8)用于控制所述量的电能从所述能量存储装置(7)向所述电磁致动器的供应，所述电子控制器装置(8)能够由外部电カ线(3，PS)供电； 其特征在于，所述开关単元进ー步包括紧急过程工作装置(20)，所述紧急过程工作装置(20)与所述电子控制器装置(8)相关联并且设有另外的能量存储装置(21 ;24)，所述紧急过程工作装置(20)被配置用于使得能够在经历所述外部电カ线(3，PS)的缺乏或下降或者不规则供电的紧急状况下驱动所述电流开关器件(4)并且断开所述电路(100)。
2.根据权利要求I所述的开关单元，其中，所述能量存储装置包括第一电容器组部分(7),并且所述另外的能量存储装置包括备用电容器部分(24)。
3.根据权利要求2所述的开关单元，其中，所述另外的能量存储装置包括第二电容器组部分(21)。
4.根据权利要求3所述的开关单元，其中，所述第二电容器组部分(21)和所述第一电容器组部分(7) 二者都是单个电容器的一部分或者单个电容器组的一部分。
5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的开关单元，其中，所述紧急过程工作装置(20)包括低电カ干线控制器部分(22)，所述低电力干线控制器部分(22)包含在所述电子控制器装置(8)中并且由所述另外的能量存储装置(24)供电，所述低电力干线控制器部分(22)被配置成当进入所述紧急状况时，将与所述电子控制器装置(8)在工作上相关联的一个或多个外围设备关断或者置于待机模式。
6.根据权利要求5所述的开关单元，其中，所述低电力干线控制器部分(22)被配置成当进入所述紧急状况时，将所述电子控制器装置置于待机模式，并且将所述第二电容器组部分(21)以其中存储的能量的实际剩余水平予以冻结。
7.根据前述权利要求中的一项或多项所述的开关单元，进ー步包括由所述能量存储装置(7)供电的用于驱动所述电磁致动器(5)的电カ驱动器(6)，其中，所述紧急过程工作装置(20)包括由所述另外的能量存储装置(21)供电的用于在所述紧急状况下驱动所述电流开关器件(4)的紧急电力驱动器(25)。
8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的开关单元，其中，所述紧急过程工作装置(20)包括升压电カ驱动器(26)，所述升压电カ驱动器(26)在工作上连接至所述低电力干线控制器部分(22)并且被配置用于激活所述紧急电カ驱动器(25)。
9.根据前述权利要求中的一项或多项所述的开关单元，进ー步包括输入断开信号端ロ(11)和输入闭合信号端ロ(12)，所述输入断开信号端ロ(11)用于接收用于在正常工作状况期间断开所述电路的外部输入断开命令(15)，所述输入闭合信号端ロ(12)用于接收用于在正常工作状况期间闭合所述电路的外部输入闭合命令(16)，所述紧急过程工作装置(20)包括紧急输入断开端ロ(29)，所述紧急输入断开端ロ(29)用于接收用于在所述紧急状况下断开所述电路(100)的紧急断开命令(15)。
10.根据前述权利要求中的一项或多项所述的开关单元，进一步包括用于检测所述紧急状况的电力失效检测器，所述紧急过程工作装置(20)被配置用于在所述紧急状况下的工作期间监视所述外部电力线(3，PS)的状态并且检查是否接收到所述紧急断开命令(15a)。
11.一种包括根据权利要求I所述的开关单元的中压面板。
12.一种用于对与开关单元在工作上相关联的电路(100)进行开关的方法，所述开关单元包括在工作上耦接至电磁致动器(5 )的电流开关器件(4 )、能量存储装置(7 )和电子控制器装置(8)，所述方法的特征在于包括以下步骤 在所述开关单元中提供另外的能量存储装置(21，24)； 在所述能量存储装置(7)中存储由在所述开关单元外部的电力线(3，PS)提供的一定量的电能，所存储的能量适合于被供应给所述电磁致动器(5)以驱动所述电流开关器件(4)以便断开/闭合所述相关联的电路(100)； 当经历所述外部电力线(3，PS)的缺乏或下降或者不规则供电的紧急状况时，进入紧急过程模式(Em，L)； 如果在所述紧急状况期间生成了紧急断开命令(15a)，则通过所述另外的能量存储装置为所述电子控制器装置(8)供电以便能够驱动所述电流开关器件(4)，并且断开所述相关联的电路(100)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述进入所述紧急过程模式(Em，L)包括当进入所述紧急状况时，将与所述电子控制器装置(8)在工作上相关联的一个或多个外围设备关断或者置于待机模式。
14.根据权利要求12或13所述的方法，其中，所述进入所述紧急过程模式(Em，L)包括当进入所述紧急状况时，将所述电子控制器装置置于待机模式，并且将所述另外的能量存储装置(21)的至少一部分以其中存储的能量的实际剩余水平予以冻结。
15.根据权利要求12至14中的一项或多项所述的方法，其中，所述方法包括在所述紧急状况下的工作期间监视所述外部电力线(3，PS)的状态并且检查是否接收到所述紧急断开命令(15a)。
16.根据权利要求12至15中的一项或多项所述的方法，其中，所述方法包括 如果检测到所述外部电力线(3，PS)从所述紧急状况恢复，则进入正常工作状况的基本管理模式(B);或者 如果在所述紧急状况期间接收到紧急断开命令(15a)，则供应所述另外的能量存储装置(21)的所述至少一部分中的剩余能量，以移动所述电磁致动器(5)并且断开所述相关联的电路(100)。
全文摘要
一种开关单元，包括能够由电磁致动器驱动以断开/闭合与该开关单元相关联的电路的电流开关器件、用于存储用于电磁致动器的电能的能量存储装置、由外部电力线供电并且控制电能从能量存储装置向电磁致动器的供应的电子控制器装置。该开关单元包括与电子控制器装置相关联并且设有另外的能量存储装置的紧急过程工作装置;紧急过程工作装置被配置用于使得能够在经历外部电力线的缺乏或下降或者不规则供电的紧急状况下驱动电流开关器件并且断开相关联的电路。
文档编号H01H3/28GK102804306SQ201180013978
公开日2012年11月28日 申请日期2011年3月7日 优先权日2010年3月18日
发明者罗伯托·乌萨伊, 法比奥·曼尼诺 申请人:Abb技术有限公司