CN113963852B

CN113963852B - 电力电缆

Info

Publication number: CN113963852B
Application number: CN202110846953.XA
Authority: CN
Inventors: 达伦·特雷梅林; 皮特罗·凯罗利; 德布鲁普·达斯
Original assignee: ABB Schweiz AG
Current assignee: ABB Schweiz AG
Priority date: 2020-07-20
Filing date: 2021-07-20
Publication date: 2024-05-07
Anticipated expiration: 2041-07-20
Also published as: WO2022019875A1; US20220021164A1; US11923643B2; CN113963852A; DE112020000655T5

Abstract

本公开的各实施例涉及电力电缆。电力电缆设置有两个端部以及在这两个端部之间的细长长度部。电缆包括用于将电力从电源传导到电负载的一个或多个导体。一个端部包括开关和继电器，以向电负载提供电力并将电触头与电导体断开连接。

Description

电力电缆

技术领域

本发明总体上涉及电力，并且更具体地，涉及向电负载供应电力。

背景技术

由于路由问题、所涉及的电缆数目、控制到设备的功率以及安全问题，在整个制造设施中供应功率可以是具有挑战性的。通常，已经提供了各种不同的解决方案来单独地解决这些问题。然而，期望提供用于在整个制造设施中路由电力的改进的解决方案。一个这样的解决方案可以包括具有集成的功率控制特征的电力电缆。这可以提供简化布线并减少制造设施中所需要的电缆数目的可能性。还可以通过电力电缆直接执行控制功能，并且还可以提高安全性。另一解决方案可以是利用电源总线向多个电负载提供电力的电气化装置。

发明内容

描述了一种用于控制向电缆的一个端部处的电触头供应的电力的电力电缆。可以在电缆的端部设置开关，以允许电触头传导电力并将电触头与电力隔离。一个或多个继电器可以用于断开和闭合开关。本发明还可以包括以下在书面描述或附图及其任何组合中描述的任何其它方面。

附图说明

通过结合附图阅读以下描述，可以更全面地理解本发明，其中：

图1是连接到电源和电负载的电力电缆的示意图；

图2是电力电缆的第二端部的透视图；

图3是电力电缆的第一端部的透视图；

图4是电力电缆的一个实施例的示意图；

图5是电力电缆的另一实施例的示意图；

图6是电力电缆的另一实施例的示意图；

图7是电力电缆的另一实施例的示意图；

图8A至图8B是工业工厂中的常规电气化装置和将电动机添加到这种装置中涉及的典型步骤的示意图；

图9A至图9B是工业工厂中的改进的电气化装置和将电动机添加到这种装置中涉及的典型步骤的示意图；

图10A至图10C是用于智能连接器的备选位置的示意图；以及

图11A至图11B是使用智能连接器的备选保护区的示意图。

具体实施方式

如图1所示，电力电缆10可以在第一端部12处被连接到电源14，并且可以在第二端部16处被连接到电负载18。细长长度部20在电力电缆10的第一端部12与第二端部16之间延伸，该细长长度部20可以在至少10英尺长之间并且可以长达1000英尺或更长。用于将电力从电源14供应到电负载18的至少一个功率电导体22沿着细长长度部20在第一端部12与第二端部16之间延伸。应当理解，多个功率电导体22可以沿着细长长度部20以及其它线(诸如数据线40、控制线44等)延伸。还应当理解，绝缘层围绕细长长度部20，并且细长长度部20内的各个导体22与线40、44彼此隔离。第一端部12和第二端部16各自具有分别用于连接到电源14和电负载18的多个电触头24、26。如图2所示，电触头24、26可以是连接到对应引脚的插座26，或者如图3所示，电触头24、26可以是连接到对应插座的引脚24。

图4中示出了电力电缆10的一个实施例的示意图。在该实施例中以及图5至图7的实施例中，存在四个功率电导体22，其中导体22中的三个导体用于三相电源的不同电相位，并且一个导体22用于中性线。然而，应当理解，不同数目的功率电导体22是可能的。在电缆10的第一端部12处，功率电导体22可以直接被连接到相应的第一电触头24，该第一电触头24用于连接到电源14。因此，第一电触头24将电力从电源14传导至相应的功率电导体22。然而，在第二端部16处，在功率电导体22中的每个功率电导体与相应的第二电触头26之间提供开关28。因此，当开关28闭合时，第二电触头26传导来自相应的功率电导体22和电负载18的电力。另一方面，当开关28断开时，即使当第一端部12连接到电源14并且沿着细长长度部20的功率电导体22被利用电力充电时，第二电触头26也不带电。

为了控制开关28，一个或多个继电器30也被设置在电力电缆10的第二端部16中。当第二端部16连接到电负载18时，继电器30闭合开关28，以便将电力从功率电导体22传导到相应的第二电触头26和电负载18。另一方面，当第二端部16与电负载18断开连接时，继电器30断开开关28，以便将由功率电导体22传导的电力与相应的第二电触头26隔离。因此，当第二端部16与电负载18断开连接时，第二电触头26不带电。这通过防止操作者或附近设备无意地接触电力电缆10的第二端部16处的带电的被断开连接的触头26来提供提高的安全性。还可以防止来自第二电触头26的可能的电弧。应当理解，虽然如附图中所示，单个继电器30可以用于操作多个开关28，但是如果期望的话，每个开关28还可以由单独的继电器30操作。继电器30可以是根据期望的电机械继电器或固态继电器。

在如图4所示的一个实施例中，可以通过线圈或其它功率收集装置32来从功率电导体22中的一个或多个功率电导体22收集用于继电器30的功率，使得不需要向线缆10提供单独的功率来操作继电器30。继电器30可以以多种方式控制。例如，第二端部16可以设置有一对第三电触头34，当第二端部16连接到负载18时，该对第三电触头34连接到电负载18。电负载18可以设置有如下的电路，当第二端部16连接到电负载18时，该电路互连第三电触头34。因此，当电负载18互连该对第三电触头34时，功率收集电路32能够为继电器30供电以闭合开关28。应当理解，电负载18还可以设置有用于通过一个或多个第三电触头34控制继电器30的操作的逻辑。还可以期望的是，第三电触头34在第二电触头26连接到电负载18之后与电负载18连接，以确保开关28仅在第二电触头26与电负载18之间已经建立连接之后闭合。例如，可以使第三电触头34比第二电触头26短，使得第二电触头26在第三电触头34之前与电负载18连接。

电力电缆10优选地设计用于制造应用、工业应用和其它重型、关键应用。因此，通过电缆10传导的电力优选地在1安培与400安培之间，并且更优选地在20安培与200安培之间。第二端部16以及第一端部12还优选地被模制到细长长度部20的端部上，使得第一端部12和第二端部16永久地附接到细长长度部20并且不能在现场被组装到细长长度部20上。因此，在第二端部16的情况下，模制主体16嵌入有开关28、继电器30、功率收集器32、无线接收器42等。使得它们被封装在主体16的材料内并且不暴露于周围环境。第一电触头24和/或第二电触头26(例如，引脚或插座)还可以优选地被绝缘套筒36围绕，以进一步防止无意地接近触头24、26。螺纹连接器38也可以被设置在第一端部12和/或第二端部16处，以将端部12、16牢固地连接到电源14和/或电负载18，以便防止无意的断开连接。

转到图5，还可以期望电力电缆10具有在第一端部12与第二端部16之间延伸的一个或多个数据线40，一个或多个数据线40具有相应的触头以在电源14与电负载18之间提供数据连接。尽管数据线40可以被用于各种通信功能，但可以期望响应于在电源14与电负载18之间交换的数据来控制继电器30。例如，当第二端部16连接到电负载18时，继电器30可以初始地保持开关28断开，使得不向负载18供应功率。在这样的装置中，电负载18和电源14可以首先通过数据线40执行握手，以确认电源14与电负载18之间存在连接。一旦连接已经被确认，电源14就可以在数据线40之上发送控制信号以闭合继电器30，以便向电负载18提供功率，或者电负载18可以被提供有用于做出这样的确定的逻辑。如上所述，继电器30可以通过第三电触头34控制。如图6所示，还可以在第二端部16中包括无线接收器42。因此，无线接收器42还可以被用于基于从电源14、电负载18或位于远处的控制器接收的控制信号来控制继电器30。如图7所示，电力电缆10还可以设置有从第一端部12延伸到继电器30的一个或多个控制线44。控制线44可以由电源14使用以直接控制继电器30，并且还可以被用于测试程序，在该测试程序中，控制线44被连接到测试器，而无需电力电导体22被连接到电源14。

可以看出，第二端部16可以用于确保当第二端部16被连接到电负载18时电力仅被传导到第二电触头26，并且用于确保当第二端部16与电负载18断开连接时第二电触头26不带电。继电器30和开关28也可以被用于执行其它控制功能，例如响应于控制器以及被提供给控制器的传感器输入(如果需要)而接通和断开电负载18。

转到附图8和9，还可以提供改进的工业工厂***，包括改进的方式来设计、安装和维护工厂中的功率设备，诸如用于运动(例如，输送机58)、通风(例如，风扇60)、压缩机以及泵的电动机56(即，电负载56)。为了使用电动机56，通常提供多个功能，包括电气保护(例如，断路器或熔断器)、控制(例如，接触器)、安全(例如，具有注销标签输出能力的断开开关)和通信(例如，PLC)。在图8A中示出了用于工业工厂***的常规电气化装置，以及在图8B中列出了在***中安装电动机所需的显著步骤。在工业工厂中的电动机56和其它受控功率设备的传统安装需要对具有与特定设备协调的控制和保护装置的设备/电动机控制面板52的设计。通常从功率分配面板50向控制面板52提供主功率。然后，单独的受控电力电缆54针对每个电动机56从控制面板52被路由到每个电动机56。此外，需要针对每个电动机/设备56安装设备/电动机控制面板52和受控的电力电缆54。根据工业，这可能需要在水密的或抗冲击的管道、冲洗管道和外壳、或具有不同水平的IP入口保护的冲洗功率插头中运行受控的电力电缆54。在常规***中，工厂设计工程师必须选择每个组件，使得所选择的组件不仅与特定应用兼容，而且彼此兼容。此外，各个部件可以具有不同的设定点(例如，断路器的跳闸电平、过载跳闸电平等)，其需要被适当地选择。这使得安装、调试或修改工业工厂的任务极其复杂，从而需要来自经训练的工程师的显著时间和精力。工程和前置时间成本可以显著超过设备成本，特别是在开发的经济性方面。因此，传统的电气化装置涉及大量的资本支出以及用于安装的时间和劳力。而且，这种常规电气化装置的结果对于给定的装置是特定的，并且限制了未来的操作灵活性。

另一方面，在图9A中示出了改进的电气化装置，以及在图9B中列出了在***中安装电动机56所需的显著步骤。电动机56和设备通过具有集成控制、保护和通信(ICPC)的智能连接盒或插头64被连接到功率分配线62(总线管道、电缆槽等)(即电源总线62)，该智能连接盒或插头64可以被用于简化此类设备56的工程、安装、操作和监测。因此，设备/电动机控制面板52可能不再是必需的，因为控制和保护与设备56本身连用或置放在设备56附近。在来自电动机控制面板52的管道中运行单独的控制和电力电缆54也不再是必需的，因为设备56可以直接地被连接到功率分配线62。通过包括嵌入式本地控制器66，设备56可以用唯一标识符70(诸如IP地址70或软件标识)来标识，而不是用来自专用控制面板52的专用电力电缆54来标识。因此，每个智能连接器64还可以使用车载通信模块72和唯一标识符70与中央控制器68通信。每个智能连接器64还包括电气保护件74，例如断路器74，其将电流限制到相应的电动机56。优选地，每个智能连接器64还包括安全断开器76，以将相应的电动机56与电源总线62手动断开连接，以便在电动机56上安全地执行维护。

在改进的***中，设备可以由具有集成控制、保护和监测功能的嵌入式控制器识别。还可以使用现代通信技术(以太网、Wi-Fi、5G及类似者)在设备层级处直接控制、监测及保护设备。还可以电子地收集和分布过程感测，使得当功率设备被重新配置时，可能不需要重新配置控制布线。由于在电路级或设备级的即时保护，在设备周围的短路事件能量和电弧闪光危险区域也可以被减少。工厂的重新配置也可以在不需要新的工程的情况下完成，因为设备可以直接连接到功率线或功率分配管道，并且识别通过软件识别/寻址(例如，IP地址)发生。还可以使用***的远程重新配置和远程故障排除。还可以减少各个导管和电路的数目。

智能连接器64的备选装置在图10A至图10C中示出。如图所示，电力可以从功率分配面板50供应到电源总线62。在电源总线62上设置的电源通常是AC电源，并且可以是三相AC电源。主断路器78可以被设置功率分配面板50中，以控制提供给电源总线62的总可用电力。与常规的电气化装置不同，总可用电力全部沿着电源总线62到达电动机56中的每个电动机56。也就是说，不需要从电动机控制面板52运行的、限制到每个电缆54的电力的单独的电缆54。相反，供电总线62被串联连接到智能连接器64和电动机56。如图9A所示，电源总线62还可以具有多个分支，其中智能连接器64和电动机56沿着总线62的每个分支串联连接。因此，在改进的电气化装置中，电动机56可以沿着电源总线62被安装在任何位置，并且被供应到总线62的总可用电力将已经可用于新电动机56。智能连接器64也连接在电源总线62与每个电动机56之间。如上所述，每个智能连接器64提供多个功能，包括例如：电气保护74，其限制从电源总线62到相应电动机56的总可用电力的供应；以及本地控制器66，其具有唯一标识符70，该本地控制器66使用唯一标识符70利用通信模块72与中央控制器68通信，以控制从总线62到相应电动机56的电力供应。与中央控制器68的通信可以通过电源总线62内的通信信道(例如，与电力电缆并排运行的数据线)或者可以无线地(例如，使用Wi-Fi)完成。在图10A中，智能连接器64可以是与总线62串联连接的盒64A(例如，智能接线盒)。然后，每个智能盒64a利用至少三英尺长的电力电缆连接到其相应的电动机56。在图10B中，例如，通过将智能盒64B安装到电动机壳体上，可以将智能盒64B物理地附接到其相应的电动机56。在图10C中，智能连接器64C可以被容纳在电插头80内，电插头80处于与相应的电动机56连接的电力电缆的端部。应当理解，上述电力电缆10也可以与智能连接器64的添加的控制、保护和通信能力一起使用。

用于此类电气化装置中的电负载的通电和操作的各种方法是可能的。例如，可以通过智能连接器仅将电力负载连接到电源总线而将电力负载提供电力。

还可以在中央控制器(PLC或DCS或云)与智能连接器之间建立通信，这可以包括向中央控制器通知电动机位置或电动机功能已经改变。一旦智能连接器从中央控制器接收到接通命令，智能连接器可以执行过程兼容性和安全检查，以确保电动机被正确地连接并且可以给出电动机被启动和启动电动机的视觉指示和/或音频指示。如果智能连接器未通过过程兼容性和安全检查，则智能连接器可以通知中央控制器(PLC或DCS或云)。如果智能连接器没有与中央控制器或电动机的通信检查/握手，则可以不向电动电动机提供电压/功率(锁定)并且可以通知中央控制器。智能连接器还可以处理暂态过程，诸如浪涌电流、故障等。检测到的故障可以由电气保护在本地处理，并且被传送到中央控制器并且被传送到上游(例如，上游断路器)。过电流和过载也可以由电气保护在本地处理，并且被传送到中央控制器和上游保护。意外的浪涌暂态过程还可以通过有源电流限制(即，智能连接器中的电气保护)在本地处理，并且被传送到中央控制器和上游保护。电压骤降暂态过程、停电和无电源启动(black start)可以以类似的方式处理。

另外，即插即用设备电气化装置允许与上游主断路器78协调的容易的保护，上游主断路器78可以是机电的或混合的或固态的。例如，在图11A中所示的一个装置中，第一保护区82a被主断路器78和/或接线盒86a保护，并且每个电动机56的第二保护区由相应的智能连接器64保护。在该装置中，多个智能连接器64可以被容纳在面板88中以服务多个相应的电动机56。在图11B所示的另一装置中，第一保护区82B由断路器78保护，并且用于每个电动机56的第二保护区由相应的智能连接器64保护。在该装置中，多个智能连接器64可以被容纳在每个接线盒86B中，以服务多个相应的电动机56。

如所描述的，改进的电气化装置允许由具有控制、保护和监测功能的嵌入式本地控制器进行标识。借助于现代通信技术(例如，以太网、2线以太网、光纤、Wi-Fi、5G及类似者)，设备控制、监视及保护也可以直接处于设备层级处。即插即用工厂的电气化允许为了安装***和当添加新设备时的减少的工程和劳力。此外，降低了工厂的功率***的复杂性。还可以减少安装时间和成本。功率控制面板占据的空间也可以减小。由于设备级的即时保护，也可以减少设备周围的短路事件能量和电弧闪光危险区域。工厂的无工程和灵活的重新配置也是可能的，因为设备可以直接连接到功率线，并且识别可以通过软件识别/寻址(例如，IP地址)发生。智能连接器在电源总线与相应设备之间提供集成控制、保护和通信(ICPC)。智能连接器可以被集成在设备级处(例如，在设备内部或在设备的连接处)。智能连接器也可以被集成在智能插头中(例如，在总线/接线盒侧或在设备侧)。设备控制、监测和保护也可以通过现代通信技术(例如，以太网、2线以太网、光纤、Wi-Fi、5G和类似技术)直接在设备级被提供。还可以通过智能连接器识别设备。可以在智能连接器中使用诸如固态开关或接触器的开关，以通过响应于中央控制器将电源总线连接到设备以及将设备从电源总线断开来控制设备的操作。本地控制器还可以响应于传感器输入而启动和停止设备(即，电负载)的操作，可以反转设备的操作方向，软起动设备，限制到设备的涌入电流，执行设备的安全停止，控制设备的效率，提供临时负载削减或提供负载平衡。电气保护可以是限制供应给设备的电流的断路器。电气保护还可以提供短路故障保护、过载保护、热保护、振动保护或锁定转子保护。标识和位置可以使用通信模块和TCP IP地址、MQTT代理消息或MODBUS等。

虽然已经描述了本发明的优选实施例，但是应当理解，本发明不限于此，并且可以在不脱离本文的发明的情况下进行修改。虽然本文中所描述的每个实施例可以仅指代某些特征并且可以不特定地指代相对于其它实施例描述的每个特征，但应当认识到，本文中所描述的特征是可互换的，除非另有说明，即使在不参考特定特征的情况下也是如此。还应当理解，上述优点不一定是本发明的唯一优点，并且不一定期望利用本发明的每个实施例来实现所有所描述的优点。本发明的范围由所附权利要求限定，并且字面上或通过等同方式落入权利要求的含义内的所有装置和方法旨在被包含在其中。

Claims

1.一种电力电缆，包括：

第一端部、第二端部、以及在所述第一端部与所述第二端部之间延伸的细长长度部；

功率电导体，在所述第一端部与所述第二端部之间延伸；

第一电触头，处于所述第一端部处，所述第一电触头被配置成将电力从电源传导到所述功率电导体；

第二电触头，处于所述第二端部处，所述第二电触头被配置成将电力从所述功率电导体传导到电负载；

开关，在所述第二端部中被设置在所述功率电导体与所述第二电触头之间；

继电器，在所述第二端部中被设置，所述继电器闭合所述开关以将所述电力从所述功率电导体传导至所述第二电触头，以及所述继电器断开所述开关以使所述第二电触头不带电；以及

第三电触头，处于所述第二端部处，所述第三电触头被配置为当所述第二端部被连接到所述电负载时控制所述继电器；

其中在所述第二电触头与所述电负载连接之后，所述第三电触头与所述电负载连接。

2.根据权利要求1所述的电力电缆，还包括多个所述功率电导体，多个所述功率电导体中的每个功率电导体用于一个电相位，所述开关中的一个开关在所述第二端部中被设置在多个所述功率电导体中的每个功率电导体与相应的第二电触头之间，其中当所述第二端部被连接到所述电负载时，所述继电器中的一个或多个继电器闭合所述开关，以将所述电力从多个所述功率电导体中的每个功率电导体传导到所述相应的第二电触头，并且当所述第二端部与所述电负载断开连接时，所述一个或多个继电器断开所述开关以使所述相应的第二电触头不带电。

3.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述继电器由通过所述功率电导体传导的所述电力供电。

4.根据权利要求1所述的电力电缆，还包括在所述第一端部与所述第二端部之间延伸的数据线，所述继电器响应于通过所述数据线在所述电源与所述电负载之间交换的数据而被控制。

5.根据权利要求1所述的电力电缆，还包括在所述第二端部中的无线接收器，所述继电器响应于由所述无线接收器接收的控制信号而被控制。

6.根据权利要求1所述的电力电缆，还包括从所述第一端部延伸到所述继电器的控制线，所述继电器响应于由所述电源通过所述控制线发送的控制信号而被控制。

7.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述继电器是机电继电器。

8.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述继电器是固态继电器。

9.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述电力电缆从所述电源向所述电负载传导在1安培至400安培之间的电力。

10.根据权利要求9所述的电力电缆，其中所述电力电缆从所述电源向所述电负载传导在20安培至200安培之间的电力。

11.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述第二端部包括模制主体，所述模制主体将所述开关以及所述继电器嵌入其中。

12.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述第二电触头是由绝缘套筒侧向围绕的引脚或插座。

13.根据权利要求1所述的电力电缆，其中当所述第二端部被连接到所述电负载时，所述继电器闭合所述开关以将所述电力从所述功率电导体传导到所述第二电触头，并且当所述第二端部与所述电负载断开连接时，所述继电器断开所述开关以使所述第二电触头不带电。

14.一种电力供应装置，包括根据权利要求1所述的电力电缆，所述电力电缆在所述第一端部处被连接到所述电源，并且在所述第二端部处连接到所述电负载。

15.根据权利要求1所述的电力电缆，其中所述电力电缆从所述电源向所述电负载传导在20安培至200安培之间的电力，并且所述第二端部包括模制主体，所述模制主体将所述开关和所述继电器嵌入其中。

16.根据权利要求15所述的电力电缆，还包括在所述第二端部处的第三电触头，所述第三电触头被配置为当所述第二端部连接到所述电负载时控制所述继电器。

17.根据权利要求16所述的电力电缆，其中所述继电器是固态继电器。

18.根据权利要求17所述的电力电缆，其中所述继电器由通过所述功率电导体传导的电力供电，并且所述电力电缆还包括多个所述功率电导体，多个所述功率电导体中的每个功率电导体用于一个电相位，所述开关中的一个开关在所述第二端部中被设置在多个所述功率电导体中的每个功率电导体与相应的第二电触头之间，其中当所述第二端部被连接到所述电负载时，所述继电器中的一个或多个继电器闭合所述开关，以将所述电力从多个所述功率电导体中的每个功率电导体传导到所述相应的第二电触头，并且当所述第二端部与所述电负载断开连接时，所述一个或多个继电器断开所述开关以使所述相应的第二电触头不带电。