具有安全闭锁/挂牌部件的危险场所合规电路保护装置、系统和方法与流程

具有安全闭锁/挂牌部件的危险场所合规电路保护装置、系统和方法


背景技术：

1.本发明的领域整体涉及电路保护装置，并且更具体地涉及包括增强安全闭锁特征部以用于完成电力系统维护保养任务的危险环境合规电路保护装置。
2.为了满足为各种电气负载提供电力的电力系统的需要，存在各种不同类型的电路保护装置。例如，各种不同装置和组件是已知的，它们在电源电路和电气负载之间提供断路功能。在拥有此类装置的情况下，可手动地或自动地通过此类装置从电源选择性地切换输出功率，以便于电力系统的维护保养以及解决电气故障状况。断路器装置和可熔断路开关装置是两种熟知类型的装置，它们各自提供用于响应过电流和电气故障状况的不同的能力并且将负载侧电气设备与线路侧电源电路电隔离，从而保护负载侧设备和电路免受电力系统中的其他破坏性过电流状况的影响。
3.虽然已知的电路保护器断路装置可用于满足许多电气系统的需要，但是对于其中电路保护器位于危险场所中的某些类型的电气系统和应用而言，它们在一些方面仍然是不利的。因此，现有的电路保护器断路装置尚未完全满足市场需求。因此需要改进。
附图说明
4.参考以下附图描述非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另外指明，否则类似的附图标记在各个附图中指代类似的部分。
5.图1是根据本发明的第一示例性实施方案的合规的危险场所无弧电路保护装置的透视图。
6.图2是示例性固态构型的图1所示的电路保护装置的简化示意图。
7.图3是图1和图2所示的电路保护装置的框图。
8.图4是图1至图3所示的电路保护装置的前视图，示出了该电路保护装置的示例性安全闭锁/挂牌部件。
9.图5是图4所示的电路保护装置处于断开状态的端视图，示出了安全闭锁/挂牌部件接合。
10.图6是图4所示的电路保护装置处于连接状态的端视图，其中示例性安全闭锁/挂牌部件脱离接合。
11.图7是图4至图6所示装置的安全闭锁激活和去激活程序的示例性算法流程图。
12.图8是根据本发明的第二示例性实施方案的合规的危险场所无弧电路保护装置的透视图。
13.图9是处于示例性混合构型的图8所示的电路保护装置的简化示意图。
14.图10是图8和图9所示的电路保护装置的框图。
15.图11概略地示出了图8至图10所示的电路保护装置的热管理特征部。
16.图12示出了包括合规的易爆场所电路保护装置的示例性配电板。
具体实施方式
17.为了在最大程度上理解本文所述的发明构思，下文阐述了对现有技术的讨论，因为其涉及由危险场所引起的问题，随后阐述了解决此类问题并且满足本领域中长期存在但未满足的需求的装置、系统和方法的示例性实施方案。
18.i.现有技术
19.电力系统有时会在危险环境中工作，存在着因点燃周围气体或蒸汽粉尘、纤维或飞尘而导致爆炸的危险。此类危险环境可能仅在例如炼油厂、石油化工厂、粮仓、废水和/或处理设施以及其他工业设施中出现，其中周围环境产生有不稳定条件，增加了火灾或爆炸的风险。空气中的可燃气体、可燃蒸汽或可燃粉尘或其他易燃物质的暂时或持续存在给这些设施的整体安全和可靠运行带来了重大考验，包括但不限于电力系统本身的安全运行，在某些情况下，借助常规电路保护装置可能会在正常运行时和电气故障时产生点燃源。因此，根据爆炸或火灾风险的评估概率，已经颁布了许多关于在爆炸环境中的电气产品使用的标准，以提高在危险场所中的安全性。
20.例如，保险业实验室(underwriter’s laboratories，ul)标准ul 1203规定了危险场所用防爆防粉尘燃烧的电气设备的标准。目前，存在防爆和防尘点燃外壳，可用于包封或容纳电气产品，包括但不一定限于自身不是防爆和防尘点燃的电路保护装置。通过结合适当的防爆和防尘点燃外壳，电气设备制造商可获得ul认证，证明其符合适用于危险场所的评级标准，ul认证是制造商成功将产品推向北美市场或接受ul标准ul 1203的任何其他市场的能力的重要方面。
21.美国国家电气规范(nec)通常按照级和段对危险场所进行分类。i级场所是其中可存在可燃蒸气和气体的那些场所。ii级场所是其中存在可燃粉尘的那些场所。iii级场所是由于可点燃纤维或飞絮的存在而变得危险的那些场所。i级，1段涵盖了在正常操作条件下、在频繁维修或维护操作下可能存在可燃气体或蒸气的场所，或工艺设备的故障或错误操作也可能导致电气设备同时发生故障的场所。1段比例如2段存在更大的爆炸风险，在2段中，可燃气体或蒸汽通常在封闭系统中处理，限制在合适的外壳内，或者通常通过积极的机械通风来防止。
22.国际电工委员会(iec)同样将危险场所分类为0区、1区或2区，其代表空气中承载有量足以产生爆炸性或可燃性混合物的可燃气体或蒸汽的场所。如iec的定义，0区场所是指连续存在或长时间存在具有可点燃浓度的可燃气体或蒸气的场所。1区场所是指由于维修或维护操作，或由于具有可点燃浓度的可燃气体或蒸汽的泄漏或可能释放导致的具有可点燃浓度的可燃气体或蒸汽可能存在或可经常存在的场所，或者是一个与0区场所相邻的场所，具有可点燃浓度的蒸汽可从0区场所传递而来。
23.由于电气装置(诸如下文所述的那些)在某些情况下可为点燃源，通常会将防爆、阻燃或防点燃壳体设置在nec的1段或2段场所和/或iec的1区或2区场所中，以容纳原本造成点燃风险的电气装置。在本文中，术语“防爆”或“阻燃”是指被设计成能够容纳指定可燃蒸气
‑
空气混合物的内部爆炸的壳体。此外，防爆或防火外壳必须相对于周围空气在安全温度下操作。
24.已知常规断路器装置、各种类型的开关装置和接触器装置包括可连接到电源或线路侧电路的输入端子、可连接到一个或多个电气负载的输出端子，以及相应输入端子和输
出端子之间的成对机械开关触点。每对机械开关触点通常包括静止触点和连接到致动器元件的活动触点，该致动器元件使活动触点沿着预定的运动路径朝向和远离静止触点移位，以连接和断开通过装置的电路路径，从而电连接或断开输入端子和输出端子。当开关触点断开时，装置用于将连接到输出端子的一个或多个电气负载与连接到输入端子的电源隔离。上述机械开关装置中的致动器元件可出于电路保护目的而自动移动，以响应于线路侧电路中的过电流或故障状况而断开机械开关触点，并且将电气负载与电气故障状况电隔离以防止它们被损坏，或者，致动器元件可以是可手动移动的，以将电气负载与线路侧电源电隔离，从而节约能源、维护负载等。
25.断路器和可熔断路开关装置是两种熟知类型的装置，其各自通过机械开关触点提供不同类型的断路功能和电路保护。iec包括下列相关定义：
26.2.2.11
27.断路器
28.机械开关装置，其能够在正常电路状况下接通、承载和断开电流，并且也能够在规定的异常电路状况(诸如短路)下，接通、在规定时间内承载、断开电流[441
‑
14
‑
20]
[0029]
2.2.9
[0030]
开关(机械)
[0031]
机械开关装置，其能够在可包括规定的运行过载状况的正常电路状况下接通、承载和断开电流，并且也能够在规定的异常电路状况(诸如短路)下在规定时间内承载电流[441
‑
14
‑
10]
[0032]
注意，开关能够接通但不能断开短路电流。
[0033]
2.2.1
[0034]
开关装置
[0035]
设计成在一个或多个电路中接通或断开电流的装置[441
‑
14
‑
01]
[0036]
注意，开关装置可执行这些操作中的一者或两者。
[0037]
从上面的定义可以看出，iec 2.2.11中定义的断路器和iec 2.2.9中定义的机械开关的区别在于它们对异常电路状况的机械响应的能力不同。具体地讲，iec 2.2.11中定义的断路器可以机械地断开短路状况，而iec 2.2.9中定义的机械开关不能断开短路状况。因此，有时将电气熔断器与iec 2.2.9的机械开关联合使用，以实现可熔断路开关，该可熔断路开关可通过熔断器的操作(即，熔断器的断开)而非机械开关触点的操作来响应短路状况。
[0038]
在iec 2.2.11和iec 2.2.9的任一装置中，自动电路保护有时可仅通过断路器结构或熔断器中熔断器元件结构的结构设计和校准来提供，只要每一者在电路断开之前实现预定的时间
‑
电流特性。nec已将这两种基本类型的过电流保护装置(ocpd)定义如下：
[0039]
熔断器：一种过电流保护装置，具有因过电流通过而被加热熔断从而断开电路的可熔部件。
[0040]
断路器：一种装置，其被设计成以非自动方式断开和闭合电路，并且当预定过电流在其额定值内正确施加时，自动断开电路而不损坏自身。
[0041]
nec还要求电路设置有被定义为装置或装置组的断路装置，或可使电路导体与电路导体的电源断开的其他装置。由于熔断器被设计成仅在经受过电流时断开，因此熔断器
通常与单独的断路装置(通常为某种形式的断路开关)结合使用(nec第240条规定在许多情况下需要这样)。由于断路器被设计成在手动操作下以及响应于过电流而断开和闭合，因此不需要单独的断路装置。
[0042]
在一些类型的电路保护装置中，自动电路保护可通过包括在装置中以监测实际电路状况的电传感器来实现，并且响应于由传感器检测到的预定电路状况，机电跳闸特征部可被致动以响应于检测到的过电流状况(包括过载和短路状况)而自动断开可移动触点。一旦跳闸，断路器就可以通过开关触点复位或重新闭合以恢复受影响的电路，因为断路器被设计成在不损坏自身的情况下断开电路，而熔断器通过熔断器元件的内部劣化来断开电路，该内部劣化使得熔断器元件不再能够承载电流。因此，必须在断开之后更换熔断器才能恢复受影响的电路。在某些情况下，断路器和熔断器的组合也是所希望的，并对其进行选择性协调，以扩展可被解决的过电流状况的范围，并改善响应时间。
[0043]
与上文所述的电路保护装置相比，上文所定义的iec 2.2.1的“开关装置”仅涉及接通和断开电流，而不涉及接通或断开过电流状况(即，过载状况或短路状况)。iec 2.2.1的“开关装置”因此提供断路功能，但不提供电路保护功能。iec 2.2.1也根本不需要机械开关装置，但是如果不是断路器装置的开关装置实际上包括机械开关触点，则其在位于危险环境中时可能仍然存在点燃风险。
[0044]
更具体地讲，用于接通或断开通电电路的机械开关触点的操作，无论是由用户在正常电路状况下手动致动还是在异常电路状况下自动致动，都可能在危险环境中产生点燃源。具体地讲，当活动触点机械地移离静止触点(即，从闭合位置移动至断开位置)时，往往会导致开关触点之间的电弧放电。当活动触点朝静止触点往回移动以重新闭合装置时，可出现类似的电弧放电。如果在存在可燃气体、蒸气或物质的情况下实现了开关触点之间的此类电弧放电，则电弧放电可点燃气体、蒸气或物质。虽然机械开关触点通常包封在设置有常规断路器或其他机械开关装置的壳体以及通常与配电板或电机控制中心等一起使用的附加外壳中，但此类壳体和外壳通常不足以将电弧与可点燃的气载元素隔离。为此，包括机械开关触点的已知装置通常位于单独的防爆外壳中，然后再容纳在环境外壳中，或者在可继而安装在单个大型防爆外壳中的开关系统(即，配电板)中，而无需用于设置在nec的1段场所内的开关的单独防爆外壳来提供必要的保护。
[0045]
在以上所描述的装置中，断路器虽然机械地断开短路状况，但经历了最强烈的电弧放电状况，并且因此就原始能量和温度而言，其具有在危险场所中点燃可燃气体、蒸气或物质的最大可能性。考虑到许多工业电力系统和负载在相对高电压和高电流下操作，较低电流过载状况和正常状况下的电弧能量和温度同样是相当大和相当高的，因此造成点燃风险。一般来讲，由故障能量引起的点燃能量与被断开的电流的大小相关，因此被断开的电流越大，电弧放电的可能性和严重程度越大。例如，从电弧放电的角度来看，65ka ic的中断比10ka ic的中断显著得多，因此更加危险。
[0046]
可用的防爆、防火或防点燃外壳有效地使nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中的机械开关装置安全地操作，但通常带来了附加成本，占据电力系统中的宝贵空间，并且随时间推移给电力系统的安装和保养增加一定的负担。要接近防爆外壳内的断路装置通常需要耗时地移除多个紧固件，并且在完成任何维护程序之后，必须适当地更换所有紧固件，以确保防爆外壳的所需安全性。在维护程序期间，断路装置所处的区域通常被停机(即，
断开)，同时停止相关负载侧工序以确保维护程序期间的安全性。从工业设施的角度来看，此类停机成本较高，并且限制或缩短停机时间是重要的。因此，在一些情况下，如果在nec的1段场所可以消除防爆外壳，同时仍在危险环境中提供安全断路功能，则这将是期望的。为此，需要被设计用于降低点燃风险的电路保护装置，但目前通常不存在这样的装置。
[0047]
固态断路装置是已知的，它们通过半导体开关或半导体装置提供所需的断路功能，半导体开关或半导体装置诸如但不限于绝缘栅双极晶体管(igbt)、金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和其他已知元件，它们以已知的方式电操作以阻止电流流过装置，并因此响应于预定的电路状况而将线路侧电路与负载侧电路电隔离，而不利用机械开关触点。此类固态开关可以在断路器装置中实现或与熔断器组合使用，以自动方式解决电气故障状况。
[0048]
固态开关有利地消除了与如上所述的机械开关触点的位移相关联的电弧放电，但是仍然通过使用中的固态开关产生的热量产生可能的点燃源。即使在装置的开关操作中不发生电弧放电，根据危险场所中可燃元素的类型和浓度，固态开关装置的表面温度可上升到由于危险场所中特定气体或可点燃物质的闪点温度而发生自燃的程度。
[0049]
当用于nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所时，固态开关装置的连接端子还可能产生可靠性问题和可能的点燃源。更具体地讲，当经受热循环或振动时，端子可趋于随时间推移而松散。在某些操作条件下，如果不是电弧的话，松动的端子连接可导致端子场所处的过热和可能的点燃源。质量差的端子连接还可导致装置中的导体结构(有时称为总线)过热，从而在危险场所产生进一步的点燃问题。因此，如果不在nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中补充性地使用防爆外壳，仅使用已知的固态开关装置(而不使用其他装置)不确保危险场所中的足够安全。
[0050]
所谓的混合断路装置也是已知的，其包括半导体开关或半导体装置与机械开关触点的组合。此类混合装置同样可以在断路器装置中实现或与熔断器组合使用，以自动方式解决电气故障状况。从危险场所中的可能的点燃源的角度来看，混合断路装置产生上述问题的混合，并且如果在nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中没有补充性地使用防爆外壳，则不能确保足够安全。
[0051]
ii.用于危险场所合规的创造性无弧装置、系统和方法。
[0052]
本文描述了电路保护装置的示例性实施方案，该电路保护装置克服了上述问题，并且为符合nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中的适用标准提供了增强程度的安全，而不一定需要单独提供的防爆、防火或防点燃外壳。因此，通过取消单独提供的防爆、防火或防点燃外壳，本文所述的示例性电路保护装置可在电力系统中实现，不仅降低了成本，还节省了配电板、控制中心等中的宝贵空间。本文所述的示例性电路保护装置可设置在模块化和可配置的系统中，该模块化和可配置的系统有利于更经济地安装、维护和监督电力系统。方法的各方面的一部分将被明确讨论，另一部分将从以下描述中变得明显。
[0053]
在第一方面，示例性电路保护装置可以固态电路保护装置的形式实现，该固态电路保护装置在切换装置以通过固态开关装置连接或断开负载侧电路的程序中具有无弧操作，与用于解决连接端子处可能的点燃源的增强特征部相结合，和/或包括用于解决内置于固态开关装置的导电元件可能过热的热管理特征部。因此，当以固态断路器装置的形式实现时，与常规断路器不同，此类固态断路器符合适用于nec的1段或2段场所或iec的1区或2
区场所的危险场所标准，因此使得常规防爆、防火或防点燃外壳对于某些应用来说可被去除。
[0054]
在第二方面，示例性危险场所合规固态断路器装置可以设置有安全闭锁/挂牌模式，该模式确保通过固态断路器装置断开，作为负责人员完成电力系统维护保养任务的保障。在不同的实施方案中，安全闭锁/挂牌模式的特征可在于与物理锁元件接合的机械闭锁、通过固态断路器装置的电子控件实现的电气闭锁以及它们的组合。可向人员提供以下视觉装置反馈和确认：闭锁条件已被成功激活以断开负载侧电路，使得工人可安全地继续以安全的方式在装置的负载侧上执行适用的维护或保养程序。同样可向人员提供以下视觉反馈和确认：闭锁条件已被成功去激活以完成挂牌程序并且重新连接和恢复负载侧电路的操作。
[0055]
在第三方面，混合电路保护装置可以固态开关装置和机械开关装置的组合的形式实现，并且该混合电路保护装置还可以结合增强特征部，用以将机械开关触点之间的电弧与周围环境隔离从而防止点燃，以及解决连接端子处可能的点燃源和/或包括用于避免混合装置中的导体可能过热的热管理特征部。因此，与常规混合电路保护装置不同，此类混合电路保护装置符合适用于nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所的危险场所标准，并且使得常规防爆外壳对于某些应用来说可被去除。
[0056]
在第四方面，示例性危险场所合规混合电路保护装置可以设置有安全闭锁/挂牌模式，该模式确保通过混合电路保护装置断开，作为负责人员完成电力系统维护保养任务的保障。在不同的实施方案中，安全闭锁模式的特征可在于与物理锁元件接合的机械闭锁部件、通过固态断路器装置的控件实现的电气闭锁部件以及它们的组合。可向人员提供以下视觉装置反馈和确认：闭锁条件已被成功激活以断开负载侧电路，使得工人可安全地继续以安全的方式在装置的负载侧上执行适用的维护或保养程序。同样可向人员提供以下视觉反馈和确认：闭锁条件已被成功去激活以完成挂牌程序并且重新连接和恢复负载侧电路的操作。
[0057]
虽然下文的讨论是在断路器装置的背景下进行的，但是下文的发明构思不一定限于断路器装置，而是可以广泛地应用于其他类型的装置，上文讨论了这些装置的示例，从危险场所中的点燃问题的角度来看这些装置产生类似问题。同样，虽然在危险场所(诸如nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所)的背景下描述了发明构思，但是所描述的构思的益处不一定限于nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所，而是可更广泛地应用于其他类型的危险环境，并且在一些方面，可根据需要有利地提供用于非危险场所。
[0058]
图1是根据本发明的第一示例性实施方案的合规的危险环境电路保护装置100的透视图。电路保护装置100包括壳体102，该壳体具有相对的纵向侧面104、106和相对的横向侧面108、110，该横向侧面相对于纵向侧面104、106大致正交布置。壳体102还包括前侧面112和后侧面114，并且前侧112可包括用作装置100的用户界面的可选数字显示器116。如图所示，显示器116向装置100和显示器116附近的人可视地指示电压、电流、功率和能量读数。
[0059]
装置100的壳体102由策略性选择的或以其他方式定制的材料制成，以承受所有可能的电气操作状况，特别是所有可能的电气故障状况，包括可能由在nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中受保护的电力系统产生的并发故障状况。
[0060]
为了在nec的1段场所或iec的1区或2区场所中合规，壳体结构和壳体材料必须同
样被进一步配制成提供足够的强度以承受易爆环境中可能出现的震动和冲击力，以及提供耐化学性以承受暴露于易爆环境中的化学品，否则这些化学品可能不利地影响装置100的完整性。如本文所用，“耐化学性”是指壳体材料防止化学侵蚀或溶剂反应的强度。壳体102中的耐化学性与化学反应性相反，该化学反应性当壳体102暴露于某些化学品时可引起不期望的化学效应和/或可能不期望地产生热量并升高壳体102的温度。凭借对规定化学品具有很小反应性或没有反应性，耐化学性涉及壳体102对环境中的腐蚀性或苛性物质(包括但不限于气载气体和蒸气)的抵抗力。对于装置100，耐化学性对于本文所述的所有材料和有助于危险场所合规的结构是重要的。
[0061]
ul 1203定义了化学测试，可应用该化学测试以确定壳体102的候选材料的任何配方是否对易爆环境场所具有化学抗性。具体地讲，ul 1203化学测试要求样品壳体按所需壳体结构由候选材料的配方制成，并且样品壳体在预定时间段内长时间暴露于空气中的饱和蒸气，该饱和蒸气包含多种规定化学品。用于ul 1203化学测试的规定化学品包括乙酸、丙酮、氢氧化铵、astm参比燃料c、乙醚、乙酸乙酯、二氯化乙烯、糠醛、正己烷、甲基乙基酮、甲醇、2
‑
硝基丙烷和甲苯。在预定时间段内将不同的样品壳体暴露于每种化学品，并且在暴露于每种化学品之后，检验样品壳体以确保样品的壳体结构不受损或经由例如变色、膨胀、收缩、龟裂、破裂、浸出或溶解显示出劣化迹象。然后使通过检验的样品壳体经受压裂测试，并且与暴露于化学品之前的压裂测试的结果进行比较。如果经过化学测试的样品壳体的压裂力显示经过化学测试的样品壳体可经受在暴露于化学品之前测试的相应压裂力的至少85％，则样品壳体符合ul 1203。
[0062]
凭借其制造材料，壳体102同样应当表现出与给定nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中存在的特定化学品的化学相容性。化学相容性是指壳体在暴露于危险场所环境中的物质时的稳定性。如果壳体102与环境中的物质发生化学反应，则认为其是不相容的。因此，鉴于在各种工业设施中使用的不同腐蚀性或苛性化学品和物质的数量，建议进行相容性测试以确认化学相容性。涉及不同苛性或腐蚀性物质的不同设施可能需要不同材料的壳体来解决所产生的问题。如果不能实际确定或经济地提供普遍最优的壳体或材料配方，则对于一些易爆环境可能需要对壳体材料进行策略性选择和定制配方。在一些情况下，壳体的ul 1203合规性可消除在所选设施中进行化学相容性测试的需要，并且化学相容性测试可因此被认为是可选的。
[0063]
用于制造壳体102的材料同样可以策略性地选择或以其他方式配制，并形成为具有特定结构，以实现操作中的装置100的热管理和表面温度目标。一些壳体材料可表现出比其他材料更好的用于分配和耗散热量的热性能。例如，可选择或定制特定聚合物树脂，并且配制或加工特定聚合物树脂以实现壳体102，当保护电力系统时，该壳体将在壳体102的内部和其外表面区域两者上改善使用中的装置100的热性能，使得外表面区域温度保持在低于可在nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中点燃的温度的水平。
[0064]
对于任何给定的壳体材料，壳体102的形状和形状因数(包括尺寸、轮廓等)可积极地或消极地改变整体热性能和表面温度。例如，对于电力系统的给定装置额定值以及操作电压和电流，与具有较小外表面区域的壳体相比，具有较大外表面区域的壳体通常将降低使用中的表面温度。壳体结构可被设计成优化和平衡总体封装尺寸和构型以及热性能。
[0065]
在一些实施方案中，壳体102可由金属或金属合金、非金属绝缘材料(诸如高强度、
高性能塑料)或金属和非金属材料的组合制成，以改变热性能和上述其他考虑因素，即抗冲击性和耐化学性。整体或部分封装的壳体构造同样是可能的。在一些情况下，壳体102的内部可同样全部或部分地填充有电介质材料、电介质流体、灌封材料或其他填充介质(诸如沙土)，以容纳、吸收或耗散装置102中的通电电导体和开关部件的热量和能量，从而确保壳体102的表面温度将保持低于所选择的目标温度，进而提供具有所需温度等级或温度额定值的装置100。
[0066]
除了在其制造中使用的材料之外，壳体102的结构设计同样可以考虑热分配和热耗散。壳体可以策略性地构造成在整个壳体102中或在该壳体中的特定目标位置处包括一种以上的壳体材料。壳体子结构可被独立地制造并提供用于组装，以在壳体的期望区域中提供附加的热绝缘或导热性，从而以策略性方式将热量选择性地限制和分配在所选择的位置中。同样，可改变壳体102的壁厚以在结构的所选择的部分中或在最期望的位置处的壳体结构的某些区域中提供更大或更小程度的热导率和热耗散。可形成管道、通道或凹坑，以策略性地捕获所生成的热量并将其更有效地引导至期望位置进行耗散。可包括散热材料等以改善热吸收和热耗散。
[0067]
主动冷却元件同样是可能的，其中冷却流体在壳体结构上方或穿过壳体结构流动，并且壳体结构包括有利于主动冷却的适当结构。主动冷却元件可以是独立成套的或单独提供的，诸如在可提供多个装置100的配电板应用中，主动冷却系统对抗紧密定位的装置100中的累积产生的热量并减轻装置100可能对彼此产生的温度影响。主动冷却系统可包括冷却风扇或使流体在多个装置100中或周围循环的泵，以有效地管理表面温度。包括温度传感器158(图3)的装置100可向主动冷却系统提供反馈信号以在需要时开启否则关闭。热电装置也可部署为具有负载设备的可反馈回路，以减少通过装置的可用电流(从而减少热量)。
[0068]
可以各种不同的组合来实现上述热管理考虑因素，其中一些组合可抵消或消除对其他考虑因素的需要。例如，在一些应用中，主动冷却可消除对壳体的某些特征部的需要，诸如用于在相对复杂的表面区域上散热的更复杂的形状和形状因素。
[0069]
壳体102的横向侧面108、110各自包括用于相应地连接到线路侧电路和负载侧电路的连接凹陷部118、120、122。在图1所示的示例中，提供三个连接凹陷部118、120、122用于分别连接到侧面108、110中的一个侧面上的三相电源，以及连接到另一个侧面上的三相负载侧设备。电源和负载可各自用交流电(ac)或直流电(dc)操作。如图所示的装置100被构造为断路器，并且因此响应于预先确定的过电流状况而提供自动电路保护，该预定过电流状况可由用户在特定范围内选择经由显示器屏幕116、经由包括远程接口的另一个用户接口输入到装置100，和/或预编程到装置中。装置100可根据适于为连接的负载提供足够保护的指定时间
‑
电流曲线或跳闸曲线来操作。
[0070]
显示器116可以是多功能显示器，以响应于用户激活而显示不同的屏幕。在一些实施方案中，显示器116可为触敏的，用户按照提示通过触摸显示器的所选择的区域来做出选择。输入选择器(诸如按钮、旋钮等)可与显示器116分开提供，以供用户相对于显示器进行交互。输入选择器(诸如拨动开关)也可与显示器116分开提供，以用作可手动操作的通断开关，该通断开关可由用户直观地手动操作。在这种情况下，拨动开关可以模拟传统拨动开关以将状态改变为“接通”或“断开”，这样做时没有机械开关触点的位移，如下所述，装置100
不包括机械开关。另选地，可将通/断特征部内置到显示器116中以便于操作者使用，从而实现针对连接的负载侧设备的断路开关功能。
[0071]
显示器116可以是多功能显示器，以响应于用户激活而显示不同的屏幕。在一些实施方案中，显示器116可为触敏的，用户按照提示通过触摸显示器的所选择的区域来做出选择。输入选择器(诸如按钮、旋钮等)可与显示器116分开提供，用于与显示器116上呈现的提示或信息有关的用户输入。然而，应当认识到，在某些实施方案中，显示器或显示器阵列116可被认为是可选的，并且根本不需要被包括在内。在另外的实施方案中，可提供附加的输入/输出元件，无论是显示器还是用于用户与装置本地和远程交互的其他接口的形式。
[0072]
图2是处于示例性固态构型的电路保护装置100的简化示意图。装置100包括输入端子130a、130b、130c，每个输入端子经由连接电缆、导管、或导线连接到图2中表示为线路侧电路132的三相电源的一相。装置100还包括输出端子134a、134b、136c，每个输出端子连接到负载侧电路136，诸如工业设施中的电机、风扇、照明装置和其他电气设备，其中可点燃气体、蒸气或物质可如138处所指示的那样气载。输出端子134a、134b、136c同样可经由连接电缆、导管或导线连接到电气负载。可选地，装置100还可包括附加元件，诸如辅助触点和辅助连接件、并联跳闸特征部、欠压释放特征部、通信端口和通信元件、用于通信和其他目的的电源端口等。
[0073]
在输入端子130a、130b、130c和输出端子134a、134b、136c的各对之间布置有如140a、140b和140c所示的固态开关装置。示例性布置包括分别彼此反向连接的串联连接的绝缘栅双极晶体管(igbt)对142a、142b、142c、142d，其中igbt 142a、142b、142c和142d中的每对包括并联连接到igbt的变阻器元件144。每对中的反向连接的igbt以已知的方式排除通过igbt从负载侧电路136流向线路侧电路132的反向电流。
[0074]
igbt 142a、142b、142c、142d为半导体开关的一种形式，该半导体开关可操作以允许电流在相应的输入端子和输出端子(130a和134a、130b和134b以及130c和134c)之间从线路侧电路132向负载侧电路136流动，或者防止电流流过装置100，使得负载侧电路136与线路侧电路132电隔离。简而言之，从igbt的发射极施加到栅极端子的正电压导致电子跨igbt的体区被拉向栅极端子。如果栅极
‑
发射极电压等于或高于阈值电压，则足够的电子被拉向栅极以形成跨体区的导电沟道，从而允许电流从集电极流动到发射极。如果栅极
‑
发射极电压低于阈值电压，则基本上没有电流能够流过体区，使得可通过控制栅极
‑
发射极电压启用或禁用输入端子和输出端子之间的电流以经由igbt将装置100的输出端子与输入端子连接或断开。可同样采用除igbt元件之外的等效类型的半导体开关元件，包括但不限于金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)元件、双极型晶体管元件、硅控制整流器元件(有时称为半导体闸流管)等。半导体开关元件的数量可被改变成大于或小于图2所示的数量。
[0075]
并联连接到所示布置中的每对igbt的变阻器元件144在暴露于正常操作电压时展现出相对高的电阻，并且在暴露于较大电压(诸如与过电压状况和/或电气故障状况相关联)时展现出低得多的电阻。当变阻器144以低阻抗模式操作时，通过变阻器144的电流路径的阻抗显著低于igbt的阻抗，否则显著高于igbt的阻抗。这意味着在正常状况下，变阻器144的高阻抗导致所有电流流过igbt，但是随着过电压状况的出现，变阻器144从高阻抗模式切换到低阻抗模式，并且将过压感应电流浪涌远离igbt向负载侧电路136分流或转移。随着过压状况减弱，变阻器144可返回到高阻抗模式。变阻器144有利地允许例如电机浪涌电
流流过装置100，同时另外允许igbt在电机启动完成之后响应过电流状况。然而，在其他应用中，变阻器可被认为是可选的并且可被省略。
[0076]
作为另一个热管理特征部，每个布置中的固态开关装置(例如，igbt)140a、140b和140c可用策略性选择的或以其他方式配制的材料封装，以改善开关装置140a、140b和140c的热性能和/或改善使用中的热耗散和热分布。固态开关装置140a、140b和140c的封装材料可与包括在壳体构造中的封装材料相同或不同，并且具体地讲，其目标是在正常电路操作中或在过电流状况和电气故障状况中控制或限制固态开关装置中的硅的操作温度，以防止开关装置本身过热或壳体102过热。
[0077]
虽然示出并描述了示例性固态开关布置，但其他布置也可能以无弧方式实现固态开关功能。如上文所述，固态开关装置避免了机械开关产生的电弧放电类型，因此避免了此类电弧放电成为nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中的可能的点燃源。
[0078]
鉴于要使用装置100的危险环境，线路侧和负载侧电缆与输入和输出端子的可靠端接是重要的，因为松动的连接可产生热量和可靠性问题，以及危险场所中的可能的点燃问题。在nec的2段场所或iec的1区或2区场所中，可从壳体102的外部接近输入和输出端子。锁定端子连接组件和弹簧偏置端子组件可用于接纳并保持相应电缆的端部，同时减少电缆连接随时间推移而松动的任何趋势。然而，根据装置100的具体最终用途及其操作条件，此类锁定端子组件和弹簧偏置端子连接器在nec的2段场所或iec的1区或2区场所中可被认为是可选的。
[0079]
在nec的1段场所中，输入和输出端子还可进一步包封在附加的壳体部分中，以提供附加的安全保证。此类壳体部分可与壳体102分开设置，或者可作为壳体102的延伸部一体形成，以将输入和输出端子与爆炸环境隔离。在设想的实施方案中，可提供可移除的盖元件以接近输入和输出端子，并完成与壳体部分的外壳内的输入和输出端子的电连接。可进一步建立线路侧和负载侧电缆连接，例如，通过铠装电缆和电缆密封套提供进入保护、密封和接地，以安全地使线路侧电缆或负载侧电缆穿过每个壳体部分的外壳。当与铠装电缆一起使用时，可经由电缆密封套建立接地至大地路径。然而，在所有实施方案中，铠装电缆不是必需的，并且可不被使用。电缆密封套也可与非铠装电缆一起使用。
[0080]
壳体102可根据考虑到的热管理问题进行设计和制造，以将表面温度保持在nec的1段场所中给定安装的适用极限以下，并且在一些实施方案中，壳体102可符合危险场所的适用标准而完全或部分地防爆，尽管与常规的、更大的且单独提供的防爆外壳相比提供相对较小且更经济的壳体，而常规的、更大的且单独提供的防爆外壳通常将包含整个电路保护装置。壳体102及其限定的任何外壳同样可包括真空室，或者可填充有电介质流体、电介质材料或惰性气体，以减少或阻止端子/电缆接口或壳体的其他场所处的电弧放电。
[0081]
为了解决可能的静电荷积聚问题(其使得在nec的1段场所中出现可能的点燃源)，图2中示出了壳体102与电接地146的连接。简而言之，静电是物体中负电荷和正电荷之间的电磁失衡的结果。壳体表面的带电可由涉及另一物体(尤其是壳体的绝缘部分)的表面电荷产生或由对壳体的导电部分的电荷感应产生。在暴露于高电压dc电源期间也可发生表面带电，这将导致离子附着到壳体表面。
[0082]
无论表面带电实际如何发生，与接地142的连接允许在壳体102上的任何电荷积聚安全地耗散，而不会在可燃/危险区域中产生点燃源。壳体102可经由线路导线或线路导体
接地到大地接地或机壳接地，该线路导线或线路导体连接到壳体102的外表面上。这样，壳体102的外部的任何带电将作为电流而快速耗散到地面，并避免了高压放电事件，高压放电事件通常表现为通过人或人使用的工具可能产生的火花或冲击，否则在易爆空气的存在下可能会发生高压放电事件，并导致点燃。
[0083]
壳体102本身也可整体或部分由防静电聚合物或防静电材料制成，该防静电聚合物或防静电材料从电荷积聚的角度来看是弱导电性的，但从装置100所保护的电力系统的角度来看仍被认为是绝缘的和非导电的。在第一种情况下，相对于非防静电材料，防静电材料可通过减弱壳体带电的任何倾向来改善壳体性能，并且这是策略性地选择或以其他方式配制要用于壳体制造的一种或多种材料的另一个考虑因素。如果需要，可在壳体外表面上提供防静电涂层、封装或壳，但如上文所述仍必须确保耐化学性和相容性。当装置100直接连接到实际安装中的外壳/系统接地层时，由于与接地层的机械附接和/或物理接近，用于解决静电问题的专用接地导体可能不是必要的。
[0084]
虽然图2中示出了单个接地连接，但可在装置100的结构中的任何所需位置处提供一个以上的接地连接。除了如上文所述的连接到装置壳体102的外部的接地导体之外或作为如上文所述的连接到装置壳体102的外部的接地导体的代替，接地导体可被提供在装置壳体102的内部。当利用已经包括通往大地的接地路径的铠装电缆来建立与装置100的端子130a、130b、130c的线路侧和负载侧连接时，也可经由电缆连接器(诸如电缆密封套)来建立用于壳体102的接地连接。当然，在一些情况下，可使用具有或不具有电缆密封套的非铠装电缆，同时仍然消除装置100中的点燃源并通过另选的接地连接解决静电问题。
[0085]
在nec的2段场所或iec的1区或2区场所中，装置100通常将由外壳保护，因此将不容易发生静电问题和放电事件。因此，在用于nec的2段场所或iec的1区场所的装置100中，与接地146的连接可能是或可能不是必要的或期望的，因此可被认为是可选的。然而，借助装置100，包含一个或多个装置100的外壳不需要是防爆的，并且可省略常规提供的防爆外壳。
[0086]
图3是电路保护装置100的框图。装置100包括基于处理器的微控制器，该基于处理器的微控制器包括处理器150和存储装置152，存储器中存储有可执行指令、命令和控制算法以及正确地操作装置100所需的其他数据和信息。基于处理器的装置的存储器152可以是例如随机存取存储器(ram)，以及与ram存储器结合使用的其他形式的存储器，包括但不限于闪存存储器(flash)、可编程只读存储器(prom)和电可擦除可编程只读存储器(eeprom)。
[0087]
如本文所用，术语“基于处理器的”微控制器不仅应指包括所示的处理器或微处理器的控制器装置，还应指其他等效元件，诸如微型计算机、可编程逻辑控制器、精简指令集电路(risc)、专用集成电路和其他可编程电路、逻辑电路、其等效物，以及能够执行下文所述功能的任何其他电路或处理器。上文列出的基于处理器的装置仅是示例性的，因此不旨在以任何方式限制术语“基于处理器的”的定义和/或含义。
[0088]
装置100还包括以编号1至n提供的传感器154、156、158，其中n等于装置100中的开关极的数量。因此，对于图1和图2所示的三极装置100，可包括每种类型的三个传感器，这些传感器分别在装置中的相应位置处检测电流、电压和温度以评估装置中的实际操作电路状况。在另外的实施方案中，每个开关极可任选地提供有附加温度传感器，以用于在每个极中的多个位置处增强温度监测。传感器154、156和/或158继而向处理器150提供输入。因此，借
助传感器154、156和/或158，处理器150拥有关于通过编号为1至n的固态装置162中的每一个固态装置的电流的实时信息，其中n等于装置100中的开关极的数量。
[0089]
监测检测到的电流并将其与基线电流状况进行比较，诸如被编程并存储在存储器152或跳闸单元160中的时间
‑
电流曲线。通过将检测到的电流与基线电流状况进行比较，可由处理器150作出决定以通过将输出电压控制到如上文所述的igbt中的栅极
‑
发射极电压来控制固态开关元件162，从而停止传导电流以保护负载侧免受破坏性电流的影响。在一些实施方案中，跳闸单元160允许用户选择用于跳闸单元160的操作的设置，并在预定界限内改变装置100的时间
‑
电流响应。作为一个这样的示例，用户可以在从50a到100a的值下选择设备100的电流额定值，跳闸单元160为所选择的电流额定值应用适当的时间
‑
电流曲线。
[0090]
检测到的电压同样可被监测并用于作出是否操作固态开关元件162以保护负载侧电路和部件免受不利的操作状况的影响的控制决策。由于电压和电流是相关的，所以可将检测到的电压与检测到的电流进行比较，以便于评估装置100的健康状况、识别错误、以及便于电力系统的诊断和故障排除。作为其他故障安全措施，可从感测参数计算电压和电流并与传感器反馈进行比较以检测错误状况。
[0091]
检测到的温度同样可被监测并用于作出是否操作固态开关元件162以保护负载侧电路和部件免受不利操作状况的影响的控制决策。另外，检测到的温度可确保装置100中的导体在其所在的特定危险场所的额定温度以下操作。例如，如果额定温度为200℉，则当温度传感器所指示的工作温度上升到可能点燃nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所中的气载气体、蒸气或物质的接近200℉的温度时，处理器150可操作固态开关以断开并终止电流。
[0092]
处理器150与输入/输出显示器116通信，以向用户提供反馈并接受经由显示器116进行的输入。
[0093]
在所示的示例中，处理器150通过功率转换器电路162接收线路侧功率。当需要以已知方式以降低的电压向处理器150提供直流(dc)功率时，功率转换器电路162包括降压组件和模数转换组件。将线路功率转换成适当的水平以对电子装置供电避免了对独立电源(诸如电池等)或用于电子电路和控件的独立提供的电源线的任何需要，否则该独立电源或电源线是必要的。但在一些实施方案中，如果需要或期望，可确实包括此类独立电源。所描述的控件可以各种布置的电子封装实现在一个或多个电路板上，算法控制特征部被编程并存储在装置存储器中。
[0094]
还包括通信元件164，该通信元件可将数据传送到远程位置，以及如下文进一步所述的其他装置100，以评估相对于任何特定装置100的本地和远程位置中的较大电力系统的操作。所关注数据的无线和非无线传送是可能的，所关注数据包括但不限于电流数据、电压数据(包括波形数据)、温度数据、固态开关元件的通
‑
断状态数据、所选设置数据、跳闸时间数据等，并且此类数据可被本地和远程存储和存档以用于随时间推移分析电力系统。也可以经由通信元件164远程致动装置100。
[0095]
虽然已经描述了装置100的示例性架构，但是应当理解，图3所示的某些元件可被认为是可选的，以提供更多基本功能。此外，可添加附加元件以使装置100的操作更加完善和智能，以及在电路保护和断路功能之外提供附加功能。
[0096]
由于固态装置100不包括用于通过装置100连接和断开负载侧电路的机械开关触
点，其与机械致动开关装置中常用的常规安全闭锁或安全挂牌特征部一般不兼容，以确保工人在装置100的负载侧上执行维护或保养任务时保持断开。安全闭锁或安全挂牌特征部通过防止负载侧电路通过装置100的重新连接来避免针对工人的可能的电切割的风险，除非遵循禁止程序。
[0097]
如常规实现的那样，机械致动断开装置通过挂锁或其他机械锁定装置以如下方式物理地闭锁：物理地防止机械致动断路装置的闭合，直到完成维护或保养任务以确保装置的负载侧上的工人安全。通常，对机械解锁装置(诸如解锁装置并允许重新闭合装置中的机械开关触点所需的钥匙或特殊工具)的访问通常仅局限于具有监管授权和特定培训的一个或多个特定人员，以适当地完成安全挂牌程序，从而解锁装置以重新闭合电路。
[0098]
同样，并且如常规实现的那样，在一些情况下，多个物理锁组合使用以将常规机械致动开关装置机械闭锁在打开位置，以防止在执行维护保养程序时机械开关触点被重新闭合。所提供的物理锁中的每个物理锁可仅由具有唯一钥匙的不同人员解锁或挂牌，使得需要人员的组合以在装置可重新闭合之前移除所有锁。使用物理锁定装置的此类常规安全闭锁/挂牌程序能够有效地确保在维护保养任务完成时无意地或非故意地闭合常规机械致动装置。
[0099]
经由消除常规装置的机械致动开关触点，装置100因此需要新的闭锁/挂牌特征部和相关联的安全操作模式，以提供相当程度的闭锁/挂牌安全保证，从而确保工人安全并管理危险场所中的点燃风险。装置100因此包括闭锁部件，该闭锁部件在图3中表示为闭锁部件166。如下所述，闭锁部件166可对应于一个或多个闭锁部件，该一个或多个闭锁部件可分别由处理器150监测、经由处理器150和装置控件以电子方式实现或者通过处理器150和装置100的控件以电子方式辅助或确认。
[0100]
闭锁部件166和对应的闭锁部件在下面装置100的上下文中并结合该装置进行描述时与常规装置不同，该常规装置被有利地设计成在危险场所操作时实现增强安全，本文所述的闭锁部件的有益效果和优点更普遍地延伸至在电气负载和负载侧电路的维护保养中造成类似的电切割风险或点燃风险的其他类型的开关断路装置和最终用途应用，该电气负载和负载侧电路需要安全闭锁或安全挂牌特征部或使安全闭锁/挂牌特征部和程序成为期望的。
[0101]
因此，提供包括本文所公开的发明的闭锁部件的装置100主要是为了举例说明而不是限制。本文所述的闭锁部件通常可用于为了满足与通电电力系统中和周围的工人安全相关的适用标准和法规而期望的任何电路保护装置或断路装置。此类标准和法规可仅包括例如用于“危险能量控制”(29cfr 1910.147)的osha安全要求以及nfpa标准70e和79，它们提供指导以验证任何存储的能量已被适当地消除或控制以确保人员在执行任务时将不会受伤或接触电能或机械能。电路保护装置、断路装置和开关装置的远程致动产生了在不存在闭锁装置的情况下进行装置保养的人员可被电切割的附加风险，因此无论输入类型如何，闭锁规定都必须防止针对电路通电的所有机会。
[0102]
图4是电路保护装置100的前视图，示出了可单独使用或组合使用以实现安全的安全闭锁特征部和功能的示例性安全闭锁部件。图5是电路保护装置100的端视图，其中示例性安全闭锁部件接合。图6是电路保护装置100处于连接状态的端视图，其中示例性安全闭锁结构部脱离接合。借助所提供的闭锁部件和特征部，装置100可经由闭锁部件牢固地保持
或维持在断开或断路状态，其中负载侧电路通过装置100中的固态开关与线路侧电路电隔离。当装置100处于闭锁状态、模式或条件时，除非遵循规定的挂牌程序，否则当工人针对通过装置100连接的电气负载和负载侧电路执行所需任务时，装置100不能无意地重新接通到其连接状态。安全保证因此被提供为在装置100的负载侧上的维护保养任务完成之前，装置100保持断开。
[0103]
如图4至图6所示，装置100的正面180包括显示器116和邻近显示器116的机械拨动开关182。在设想的实施方案中，显示器116或拨动开关182可用于实现装置100中的固态开关元件的状态的接通/断开变化，但在一些实施方案中，装置100可另选地提供有显示器116和拨动开关182中的一者或另一者，但不提供有两者。
[0104]
机械拨动开关182可选择性地定位在装置的正面182上指定“接通”和“断开”的位置之间。更具体地，所示示例中的机械拨动开关182可彼此围绕机械拨动开关182的旋转轴线在指定接通和断开的位置之间来回旋转小于180
°
(但设想到其中拨动开关可旋转约90
°
或甚至更小度数的实施方案)。设想的示例中的“接通”位置在图6中示出并且在图5中以虚线示出，而图4和图5示出了处于“断开”位置的拨动开关182。拨动开关182用作直观且易于使用的机械输入选择器，以供用户根据需要接通或切断装置，同时还基于机械拨动开关182的位置向用户提供装置100是接通还是断开的视觉指示。
[0105]
机械拨动开关182模仿包括类似拨动开关输入选择器的已知装置的接通/断开操作，但没有开关触点的任何机械致动。因此，机械拨动开关182在装置100中的重新定位不会引起机械开关触点的任何机械致动，因为在装置100中没有提供机械开关触点。另外，机械拨动开关182的重新定位不直接操作装置100中的固态开关以实现期望的断开(断路)或接通(连接)功能。机械拨动开关182反而仅用作针对装置100的电子控件的用户输入，以实现装置100内部的固态开关的电子状态变化，从而实现期望的接通/断开或连接/断路功能。基于拨动开关182的位置，该拨动开关的位置可被感测、以其他方式被检测或被传送以向处理器150(图3)提供控制输入。处理器150或装置控制器响应于拨动开关位置而向固态开关元件施加(或不施加)足够的栅极
‑
发射极电压，从而传导电流(或不传导电流)并实现期望的接通或连接状态，或者另选地根据拨动开关的位置实现期望的断开或断路状态。
[0106]
机械拨动开关182可在其处于断开位置的远端处安全地闭锁到设置在装置100中的锚定元件184，并且当处于断开位置时从邻近拨动开关182的远端的正面180向上突出。具体地，拨动开关182的远端可包括与锚定元件184的第二锁孔186(图5和图6)对齐的第一锁孔185(图6)。当锁孔185、186对准时，锁定元件诸如挂锁190的柄188(在图4和图5中以虚线示出)可插入穿过对准的锁孔185、186，以将机械拨动开关182物理地锁定在断开位置。该锁定的机械拨动开关182是装置100的有效安全闭锁装置，以确保装置100保持处于断开状态，从而将装置100的负载侧与线路侧电路电隔离。
[0107]
在设想的实施方案中，锚定元件184可被设置为金属板或强化塑料元件，该金属板或强化塑料元件牢固地安装到装置100并且具有足够的结构强度以抵抗通过力移除锁的任何尝试。可根据需要提供多于一个的锚定元件184以进一步改善闭锁布置。虽然示出并描述了示例性锚定元件184，但在另外的和/或另选的实施方案中，其他锚定元件是可能的，其中最终结果是将接通/断开输入选择器牢固地锁定在断开位置以防止装置100重新接通。
[0108]
借助示例性拨动开关182和锚定元件184，装置100可如上所述安全地闭锁，以确保
装置100确保注意到负载侧维护程序的工人的安全。挂锁190可仅由具有钥匙的授权人员接通以解锁拨动开关182，使得没有钥匙的人员不能经由锁定在断开位置的拨动开关182接通装置100。虽然描述并示出了拨动开关182和挂锁190以获得简单的锁定布置，但是拨动开关之外的接通/断开输入选择器和挂锁之外的锁定元件同样可用于实现机械闭锁，以用于在开关断路操作中固态器件100的其他非机械性质。
[0109]
如所提及的，机械拨动开关182可用作包括安全闭锁能力的独立接通/断开开关输入选择器，或者可与显示器116结合使用。当分别提供拨动开关182和显示器116时，显示器116可在拨动开关182在通和断位置之间运动时向用户提供视觉用户反馈，并向用户提供关于装置的状态为接通/连接或断开/断路的另一视觉提示。具体地，当机械拨动开关182运动至接通位置时，处理器150可操作固态开关以传导电流，确认电流正通过设置在装置100中的传感器传导，并且使接通指示器呈现在显示器116上以向用户确认装置100实际上接通。另外，当机械拨动开关182运动至断开位置时，处理器150可操作固态开关以变为非导电，通过设置在装置100中的传感器确认负载侧端子是电隔离的，并且使得断指示器呈现在显示器116上以向用户确认装置100实际上断开。
[0110]
当向用户提供对装置100的实际接通或断开状态的确认时，在装置控制故障或固态开关故障的情况下提供附加安全。在这种情况下，机械拨动开关182可运动至断开位置，但固态开关保持“接通”以将电流传导至负载侧。响应于可以用装置100上的负载侧传感器检测到的这种条件，显示器116可以在显示器116上提供清楚警告，即装置100实际上不像用户通过将拨动开关182移动到接通或断开位置而预期的实际上“断开”。针对装置100，也可生成错误状态的警示和通知，并且如果需要，线路侧电路可经由电力系统中的上游开关装置的操作而局部地或远程地电隔离，以确保工人在完成所需的负载侧任务时的安全。
[0111]
虽然通过显示器116描述了确认接通/断开状态指示，但指示器灯和其他确认/反馈特征也可用于向用户提供针对固态开关的实际状态的确认(如接通或断开)，或有效地警告用户检测到的装置错误或故障(作为显示器116的补充或替代)。在一些实施方案中，可使用口头消息诸如“装置接通”、“装置断开”或“警告，装置保持接通”、“警告，装置保持断开”来提供音频警示特征作为增强确认或警告特征。确认或警告数据消息也可自动生成并传送到远程装置，以用于系统级保证、分析和记录保持目的，以记录通过装置进行的连接和断开、连接和断开的时间、传感器和机械拨动开关状态或其他所关注的数据。
[0112]
在不一定包括机械拨动开关182的实施方案中，显示器116可以是触敏的，并且可限定接通/断开按钮192、安全闭锁按钮194和闭锁去激活元件196。接通/断开按钮192可用于装置100的状态操作的普通接通/断开变化，其中装置100的控件因此控制固态开关，而不需要拨动开关182或其他机械输入选择器。可以向用户提供音频和/或视觉反馈，确认装置100实际上是接通或断开的，或者已经检测到警告适当的错误。
[0113]
当显示器116是触敏显示器时，随着用户进行输入选择，图形图标可设置在主屏幕显示器和后继的显示器，并且用户界面选择可设置在菜单或子菜单中。邻近显示器116可设置主屏幕按钮，并且在主显示器上可设置接通/断开开关以便于访问。用户可在易于使用的显示器驱动界面中以其他类型的智能装置(例如，智能电话或平板电脑)的样式触摸、轻扫或利用其他形式的接触来操作显示器116。当用户经由主屏幕中的接通/断开输入选择器断开装置100时，可以呈现包括安全闭锁按钮194的另一个屏幕显示器。同样，当安全闭锁按钮
194被激活时，可呈现包括闭锁去激活元件196的另一个屏幕显示器。在这方面可以有许多变型。
[0114]
当除了显示器116之外还设置机械拨动开关182时，显示器116中的单独或独立的接通/断开按钮192可被认为是可选的并且不需要包括在内。当机械拨动开关182运动至其接通或断开位置时，显示器116可自动切换至包括接通或断开确认的不同屏幕显示器，使得用户可响应于用户所选择的机械拨动开关182的位置而看到装置100。当闭锁被激活时，可从控件的角度禁用拨动开关182，以进一步保证其不能用于将装置重新接通，直到根据下面的讨论正确地去激活电子闭锁条件。
[0115]
在其中显示器116不是触敏显示器的预期实施方案中，附加输入选择器可以按钮形式或用户期望的任何另选形式提供，以独立于显示器116或与该显示器组合地选择或进行接通/断开输入、安全闭锁输入和闭锁去激活输入。在设想的实施方案中，在菜单驱动的用户界面中，附加输入按钮可以是多功能的，并且可与屏幕显示器协调，以供用户在主屏幕和相关屏幕中进行直观的装置操作以选择不同的选项，或者输入按钮可设置有标签等，其中每个输入按钮仅用于一个目的(例如，接通/断开选择)。
[0116]
当需要时，安全闭锁按钮194(或对应的输入选择器)可由用户操纵以激活电子闭锁特征部，其中接通/断开按钮192(或包括但不限于拨动开关182的其他对应的输入选择器)被禁用，使得对接通/断开按钮192(或其他对应的输入选择器)的任何进一步的用户操纵不能有效地改变装置100中的固态开关的状态。因此，当装置100切断并且当闭锁被启用时，装置控件将忽略用户经由接通/断开输入选择器将装置100重新接通的任何尝试。如前所述，装置100中的固态开关的状态的实际变化(如由装置100中的传感器所检测)可在视觉上被确认以有利于用户，并且可经由装置116作出关于装置100的可能错误状况或故障的安全警告或错误通知。显示器116还可在视觉上向用户指示闭锁已被激活，并且也可提供音频确认。
[0117]
一旦闭锁按钮194在显示器116上被激活，装置100就保持在闭锁状态，并且直到闭锁去激活元件196正确地用于挂牌闭锁元件并去激活闭锁特征部，该装置才可能被重新接通。在一个示例中，当用户选择闭锁去激活元件196时，向用户呈现屏幕以输入挂牌密码。当然，在设想的实施方案中，挂牌密码将仅为被授权将装置重新接通并因此重新闭合装置的一个或多个指定人员所知，以用于恢复装置100的负载侧上的电力系统的操作。除非呈现正确的挂牌密码，否则闭锁将不被去激活，并且接通/断开输入选择器将继续被禁用，并且其尝试接通装置的任何用途将被忽略。
[0118]
通过显示器116和装置100的控件以电子方式实现的此类示例性闭锁激活和挂牌去激活特征部可补充上述的拨动开关闭锁或用作独立特征部。虽然已经针对电子锁描述了密码去激活特征，但是用于验证人员的权限或已知的并且可以利用的其他已知特征包括但不限于用于识别授权人的指纹等的已知生物识别元件，以解锁装置界面和/或去激活安全闭锁。
[0119]
当机械拨动开关182和显示器116各自存在于装置100中时，增强闭锁/挂牌程序是可能的，并且其具有比仅提供其中一种情况下的可能更大的安全保证。例如，可能需要一个人用所需的密码解锁通过显示器116实现的电子特征，并且可能需要另一个人用所需的钥匙解锁挂锁190以释放以其他方式锁定的拨动开关182，使得其可移动到接通位置以将装置
100重新接通。如果机械锁被禁用以释放拨动开关182，但电子锁保持激活(或反之亦然)，则装置100中的控件将不允许装置重新接通。涉及不同人员的此类多步骤闭锁/挂牌程序在危险场所中是可取的，以降低操作开关时人为错误的任何可能性，并且因此如果在装置100的负载侧上完成维护保养任务之前重新接通装置100的情况下增加工人安全和可能的点燃问题。
[0120]
作为提供闭锁/挂牌安全保证的又一个闭锁部件，装置100的正面180还包括分别成形的一对闭锁开口200、202，其尺寸被设计成彼此隔开，以接纳穿过每个闭锁开口200、202并在该每个闭锁开口之间的物理机械锁定元件，诸如挂锁206的柄204(在图4和图5中以虚线示出)。提供锁检测传感器208、210(在图5中以虚线示出)以检测锁定元件(例如，柄204)的插入，并且当检测到柄204的插入时，装置100的控件可禁用接通/断开输入选择器以呈现闭锁状态或条件。因此，由用户插入柄204的机械动作用作经由锁检测传感器208、210的电子控制输入，继而使装置100呈现安全闭锁状态。
[0121]
在设想的实施方案中，锁检测传感器208、210可以是设想示例中的光学传感器或限位开关，但是在另外的和/或另选的实施方案中，其他类型的传感器是可能的。任选地，锁检测传感器208、210可被控制，使得仅当接通/断开开关处于“断开”位置时才向它们提供电力，从而避免装置100在接通/断开开关处于“接通”位置的情况下接通时不必要的电力消耗。因此，闭锁只能在装置100已切断之后经由锁的插入来激活。这防止了在装置100接通时潜在的有问题的闭锁激活，并且防止了所得的闭锁或防止了用户在不首先经历规定的闭锁去激活的情况下断开装置100，出于上述原因，这可仅由某些用户完成。虽然在一些情况下，处于接通状态的装置100的闭锁可提供期望的安全特征部，从而保护临界负载免于被未授权人无意切断，但此类闭锁在一些实施方案中确保装置保持接通或连接是任选的特征，尽管在某些情况下不是期望的。具体地，当在危险场所操作时，能够在需要时快速切断装置100并断开负载侧，而无需限制且无时间延迟以去激活所提供的闭锁，是重要的并且不应受到阻碍，使得安全闭锁部件通常仅保留用于危险场所中的装置100的断路或断开状态。然而，前提条件是存在足够的紧急超控或闭锁绕过特征部以允许装置100易于断开，即使其已经有利地锁定在接通或连接状态中，此类闭锁在接通状态中可为允许的。
[0122]
一旦由传感器208、210进行锁检测，只要锁保持在适当位置，装置100就保持断开在闭锁状态，其中接通/断开输入选择器被禁用。挂锁206可仅由具有钥匙的授权人员接通以移除柄204，使得没有钥匙的人员不能移除柄204。指定人员对柄204的移除同样由传感器208、210检测，使得装置控件去激活闭锁并允许经由接通/断开输入选择器再次接通装置100。
[0123]
自动锁检测和相关联的闭锁/挂牌特征部可用作独立特征部或与上述机械拨动开关和电子显示器驱动的闭锁特征部中的一者或两者结合使用。如上所述，可以提供成功闭锁操作的确认和用户反馈，以及错误或故障的通知。当以组合方式提供所述的所有三个闭锁特征部时，促进冗余的三步闭锁/挂牌程序，该程序可涉及三个不同的人员禁用所提供的每种类型的闭锁。自动锁检测和安全闭锁/挂牌特征部同样可设置有上述其他特征部中的任一者而不是两者，以有利于两步安全闭锁/挂牌程序，该两步安全闭锁/挂牌程序可涉及两个不同的人员禁用所提供的每个闭锁。
[0124]
虽然已经描述和示出了示例性机械和电子安全闭锁/挂牌部件和方法，但是进一
步的调整是可能的。例如，除挂锁之外的机械锁定元件可用于将机械输入选择器诸如拨动开关182锁定在断开位置和/或插入穿过装置100中的锁开口。同样，其他类型的锁检测传感器可检测其他类型的机械锁定元件。可使用不同的用户界面和安全特征部来提供各种形式的电子闭锁，以确保对于不包括机械致动开关的固态器件100而言安全闭锁是成功的，同时确保安全闭锁可仅由授权人员去激活，并且还确保在装置100的操作中充分解决危险场所的附加点燃问题。
[0125]
图7是用于装置100的安全闭锁激活和去激活程序230的示例性算法流程图。该算法程序可例如通过基于处理器的控件来实现，该控件包括处理器150和包括在装置控件中的适用传感器，或根据被提供用于检测机械或电子输入选择器的状态或位置(因为它们与装置中不同场所处的电压或电流读数相关)的各种传感器以及下文讨论的其他考虑因素由等效控制器进行。
[0126]
在步骤232处，监测装置100中的接通/断开输入元件，诸如拨动开关182(图4至图6)或其他输入选择器。在步骤234处，确定接通/断开开关是否处于断开位置，作为用户意图的输入选择以切断装置100从而实现通过装置100断开负载侧电路和电气负载。当提供非机械输入选择器时，在步骤232处，当用户选择输入元件以将装置的状态从接通改变为断开或从断开改变为接通时，可监测该输入元件的激活。
[0127]
如果在步骤234处，接通/断开输入元件不处于断开位置，则算法返回到步骤232并继续监测接通/断开输入元件。除非确定接通/断开输入选择器为“断开”，否则可假设装置100通过装置100连接线路侧电路和负载侧电路的正常“接通”操作是期望的，并且不需要进一步的动作。
[0128]
如果在步骤234处确定接通/断开输入选择为“断开”，则装置继续在步骤236处操作固态开关以变得非导电，使得电流不再能够流过固态开关到达负载侧端子并且实现期望的断开。出于步骤236的目的，固态开关的操作是指影响所提供的固态开关从电流导通状态到非电流导通状态的状态变化所需的操作控制和动作。例如，固态开关的操作是指固态开关的栅极
‑
发射极达到每个固态开关的非导电状态必要的电压变化。
[0129]
在步骤238处，处理器150可确认装置100的负载侧端子是否实际上经由设置在装置100中的传感器电隔离和断电。例如，如果根据需要真正隔离，则装置100的负载侧端子将具有来自适用传感器的零电压和零电流检测。如果发现存在非零电压和电流，则装置100的负载侧端子不按预期隔离，并且在步骤266处，处理器可向本地用户界面(例如，上述显示器116)和任何相关的远程用户界面生成通知或警示。在步骤268处，向用户提供反馈以在视觉上向用户显示装置100保持接通和不断开。用户针对所提供的反馈的观察将因此看到，需要关注的装置100存在问题，以便负载侧电路实际上如预期的那样切断。
[0130]
如果处理器152在步骤238处确认装置100的负载侧端子实际上是电隔离和断电，则可在步骤240处在本地用户界面(例如，显示器116)上呈现是否需要安全闭锁的提示。如果不需要，则算法返回到步骤232并且可继续检查以查看隔离是否被保持。算法因此确认有时可能需要断开，但不需要安全闭锁，因为根据要在负载侧执行的维护或保养任务不进行断开。步骤240处的提示还提醒用户如果需要安全闭锁可用，但需要由用户激活。
[0131]
如果在步骤240处需要安全闭锁，则在步骤242处可向用户呈现闭锁指令，诸如插入和安装相对于示例性挂锁如上文所述的锁定元件。在提供多种不同类型的闭锁部件的情
况下，可提供逐步闭锁指令。在步骤244处，可检测如所指示的锁的安装，并且响应于该检测，可去激活或禁用接通/断开输入元件，以使该接通/断开输入元件不响应于实际将装置100重新接通并实现固态开关元件的状态变化。在步骤248处，可向用户提供安全闭锁已被成功激活的确认。工人因此可安全地继续对电气负载和负载侧电路执行任务。
[0132]
在步骤250处，装置等待正在被执行的负载侧程序的完成，继续确认电隔离被保持，并且提供闭锁激活的确认。在步骤252处，可向用户提供关于去激活安全闭锁的指令，以便将装置重新接通，包括移除任何机械锁或去激活电子锁。可为装置100中提供的每种类型的闭锁部件提供逐步闭锁去激活指令。
[0133]
在步骤254处，可检测机械锁移除。在步骤256处，接收禁用任何电子锁的用户验证或授权，诸如上述密码。如果在步骤258处，确定所接收的验证被授权，则在步骤260处，记录安全闭锁事件的去激活。在步骤262处，重新激活接通/断开输入元件。用户现在可利用接通/断开输入元件重新闭合装置，并且作为响应，装置控件将操作固态开关以变得导电并且通过装置100重新连接负载侧电路。
[0134]
如果在步骤258处，所接收的验证未被授权，则向远程装置和人生成通知或警示，该通知或警示已作出重新闭合装置100的可能不正确的尝试。因此可对此类情况进行研究。
[0135]
根据装置100中提供的闭锁部件和特征部的类型和数量，现在据信对所示和所述的算法和程序的适当修改是显而易见的。如果在装置100中未提供上述闭锁类型中的某些，则将不执行所示和所述的某些步骤。同样，可采取另外的步骤以根据需要容纳附加类型的闭锁或附加的闭锁特征部。虽然上文相对于示例性实施方案阐述了工艺的具体示例，但是使用其他等效工艺可以其他方式实现类似的效果和益处，以适应附加或另选的机械锁定特征部，各种类型的本地和远程用户界面、用于检测机械锁定元件的各种不同类型的传感器以及各种形式的用户授权和验证。
[0136]
图8是根据本发明的另一个示例性实施方案的合规的易爆场所电路保护装置300的透视图。电路保护装置300包括上文所述壳体102，所描述的壳体102具有上文关于装置100所述的耐化学性、抗冲击性和热管理特征部，但省略了装置100的数字显示器116(图1)。如图8所示，用户可在壳体102的正面上部触及机械拨动开关302，以在“接通”和“断开”状态之间手动激活装置300，从而将装置300的负载侧与线路侧连接和断开。在其他实施方案中，可采用除拨动开关之外的手动致动器。在一些情况下，除了拨动开关302或另一手动致动器之外或作为拨动开关302或另一手动致动器的代替，可提供显示器116。上述安全闭锁特征部中的任一者可单独地或组合地用于装置100中。
[0137]
类似于装置100，装置300可将线路侧电路或电源电路与经由交流电(ac)或直流电(dc)操作的电气负载互连。如图所示的装置300被构造为断路器，并且因此响应于预定过电流状况而提供自动电路保护，过电流状况可由用户在特定范围内选择并且将本地或远程用户界面输入到装置中，或者以其他方式预编程到装置中。装置300可根据适于为连接的负载提供足够保护的指定时间
‑
电流曲线或时间
‑
电流分布来操作。
[0138]
图9是处于示例性混合构造中的电路保护装置130的简化示意图。装置300包括输入端子130a、130b、130c，每个输入端子经由连接电缆或导管连接到指示为线路侧电路132的三相电源的一个相。装置300还包括输出端子134a、134b、136c，其中每个输出端子连接到负载侧电路136，诸如工业设施中的电机、风扇、照明装置和其他电气装置，其中可点燃气
体、蒸气或物质可如138处所指示的那样气载从而产生易爆环境。
[0139]
输入端子130a、130b和130c与输出端子134a、134b和136c的各对之间是机械断路器304a、304b和304c以及并联连接的固态开关装置，该固态开关装置的布置如140a、140b和140c所示。示例性固态开关布置140a、140b和140c包括串联连接的绝缘栅双极晶体管(igbt)对，其中，如上文所述，每一对包括并联连接到igbt的变阻器元件。虽然示出并描述了示例性固态开关布置，但其他布置也可能以无弧方式实现固态开关功能。如上文所述，固态开关装置以无弧方式操作，因此就电弧放电而言，在危险场所中固态开关装置本身不产生点燃风险。
[0140]
机械断路器304a、304b和304c与固态开关布置140a、140b和140c的组合可改善装置300相对于装置100的响应时间。然而，机械断路器304a、304、304c与机械开关触点一起操作，因此在危险场所的应用需特别注意，因为电弧放电可以是点燃源。并联连接到机械断路器304a、304b和304c的固态开关布置140a、140b和140c可在过载或短路事件中限制机械断路器304a、304和304c中的电流，以将产生的任何电弧的强度降低到低于产生点燃问题所需的水平或以其他方式完全排除电弧放电。
[0141]
装置300同样可连接到电接地146以如上文所述地耗散壳体表面的任何带电，从而如上文所述地经由静电放电排除可能的点燃源。在设想的实施方案中，装置300的壳体102可由金属或非金属材料制成。在涉及某些金属或非金属材料的一些情况下，为了解决静电问题，必须策略性地选择壳体材料、填充材料和封装材料。在装置300内部和装置300外部可利用导电材料和非导电材料的组合，以适当地提供通往电接地的路径。
[0142]
装置300同样连接到电接地146以如上文所述地耗散壳体表面的任何带电，从而经由静电放电排除可能的点燃源。可使用安全端子组件来建立线路和负载侧连接，该安全端子组件包括但不限于锁定端子特征部以防止在最初用紧固件固定之后随时间推移而松动的连接，以及经由铠装电缆和电缆接头对封闭端子进行的连接，从而为易爆环境提供增强安全保证。
[0143]
图10是电路保护装置300的框图，除了装置100中的上述元件之外，该电路保护装置还包括用于手动致动器302的控制输入端以及跳闸致动器310，该跳闸致动器用于操作包括机械开关的机械断路器312。
[0144]
就装置300而言，包括机械致动开关触点，因此导致机械开关触点打开和闭合的拨动开关输入元件302可被机械锁定在打开位置，以针对装置中的机械开关触点实现安全的安全闭锁。如上所述，可向用户提供确认和反馈，即机械开关触点实际上被接通以电隔离负载侧端子。装置300中的传感器还可确认电子固态开关是非导电的，并且装置的负载侧端子根据需要是电隔离的。如果机械开关触点接通但电子固态开关保持导电，则可检测错误状况，并且可有利地生成存在错误状况或装置故障已被检测到的警告和警示。可如上文针对冗余安全程度所述来实现多步骤安全闭锁去激活，其中多个人员参与不同方面，以增强安全闭锁/挂牌程序，并且也在危险场所和任选地在非危险场所中实现对装置300的操作的更大安全保证。
[0145]
当出现预定过电流状况时，跳闸单元160使跳闸致动器310移位活动开关触点并通过装置300断开电路。跳闸致动器可以是电磁构件，诸如螺线管，其可以同时移位设置在装置300中的每个机械断路器的开关触点，其中固态开关布置140a、140b和140c在开关触点发
生移位时限制电流。此后，手动致动器302可用于通过闭合机械开关来复位装置300。
[0146]
虽然已经描述了装置300的示例性装置架构，但是应当理解，图10所示的某些元件可被认为是可选的用于提供更多基本功能，并且可添加附加元件以使装置300的操作更加完善和智能。
[0147]
图11概略地示出了图8至图10所示的电路保护装置的热管理特征部。虽然如上所述，混合装置300在许多情况下能够以无弧方式操作，但由于电弧放电可取决于电气故障的性质以及在电气故障出现时操作电力系统的电压和电流，因此必须考虑用于解决任何出现的电弧放电的附加考虑因素。
[0148]
如图11所示，除了上文针对装置100所述的热管理特征部之外，装置300还包括附加特征部，以确保在机械断路器的操作中发生的任何电弧放电与周围环境隔离，或者以其他方式降低到不足以在易爆场所造成点燃的水平。图11示出了装置300的壳体102，该壳体限定第一或初级外壳320和一系列次级外壳322a、322b和322c。次级外壳322用于将任何电弧控制在次级外壳内，同时确保气载可点燃气体、蒸气或物质不能到达次级外壳322a、322b和322c，并且因此不能通过机械断路器的操作而被点燃。
[0149]
在设想的实施方案中，次级外壳322a、322b和322c可以是包括相应开关触点的气密密封室。气密密封室322a、322b和322c是不透流体的，使得可穿透壳体102进入初级外壳102的危险场所的任何可点燃元素不能进入密封室322a、322b和322c。气密密封室还可为真空室或填充有惰性气体，这样即使在开关触点打开和闭合时没有完全避免电弧放电，电弧放电的强度和持续时间也将被减小。次级外壳322a、322b和322c中的每个次级外壳可以设置有附加的绝缘体和材料，以控制与电弧放电相关联的任何热量并将其定位到较大外壳320内的次级外壳322a、322b和322c。壳体102的外壳构造内的外壳容纳上述其他热管理特征部，同时解决易爆环境中机械开关触点的额外问题。
[0150]
次级外壳322a、322b和322c可由与壳体102的其余部分不同的材料制成，或者由可与壳体的其余部分相同或不同的材料的组合制成。例如，金属材料和塑料可用于构造室，而初级外壳和壳体的其余部分可完全为塑料。在这方面可以有许多变型。次级外壳322a、322b和322c可被预制成在单独的制造阶段与壳体102组装在一起。次级外壳322a、322b和322c可以包围机械断路器机构中的一些或全部，而不妨碍开关触点的运动路径或它们的移动能力。
[0151]
装置100或300中的每一者都可安全地用于iec的1区或2区或nec的1段或2段危险场所，而无需常规的、单独提供的防爆外壳，并且如上文关于装置100所述的增强安全上锁/挂牌特征部和智能同样适用于装置300。上述内置防点燃特征部消除点燃源或将它们降低至不足以引起点燃的水平。装置100或300因此有时被称为是防点燃的，并且因此消除了对单独的防爆外壳的任何需要。因此，装置100和300防止了设置常规防爆外壳以安全地控制的可能爆炸。因此，装置100和300可以在易爆场所安全地操作，并且消除了常规防爆外壳的成本和负担，同时节省了电力系统中的空间。
[0152]
图12示出了包括合规的危险场所电路保护装置的示例性配电板400，该电路保护装置包括布置成两列装置的装置402、404的阵列。每列中的装置402、404包括上述装置100或300，并且装置402、404可以不同的额定值表示，不同的额定值为配电板及其各种分支所服务的各种不同负载提供不同程度的电路保护。配电板400通常包括其自身的外壳，但是由
于用于配电板上的防点燃装置402、404，因此配电板自身的外壳可以是未被设计成防爆的标准外壳。由于装置402、404是防点燃的，因此它们可存在于配电板外壳中，而无需配电板外壳中的常规防爆外壳。配电板外壳保护装置402、404免受环境状况影响，但配电板外壳不需要是防爆的，因为装置402、404是防点燃的。考虑到已知的配电板可容纳多达84个装置，消除单独提供的单独防爆外壳和共用防爆外壳显著降低了装置402、404在危险场所中的操作成本。对于包括位于不同位置处的多个配电板的大型电力系统，成本甚至进一步倍增。
[0153]
安全闭锁特征部诸如上述那些可在配电板组件中的系统级上实现。例如，可相对于配电板提供单独的用户界面，并且可采用上述类型的机械闭锁和电子闭锁来作用于或通过配电板用户界面以断开所有装置402、404所示，并且在需要时经由配电板用户界面闭锁该组中的所有装置402、404，从而消除了原本可能存在的用于单独断开和闭锁装置402、404中的每一者的任何需要。同样，安全闭锁特征部的组去激活是可能的，并且装置402、404的组可经由配电板用户界面共同重新接通。另外，此类配电板用户界面可以单独地或成组地共同显示每个装置402、404的接通/断开状态或闭锁状态。就装置400、402可有利地单独使用以通过面板中的各个装置402、404仅断开所连接的电气负载中的选定的电气负载而言，配电板用户界面同样可呈现装置402、404的状态和状态的确认。例如，考虑到通过面板连接的n个电路，面板中的电路1、7、12和19可用单个锁(通过面板而非单独的装置实现)经由所选择的装置402、404上锁，同时防止装置闭合以使电路1、7、12和19通电。
[0154]
在包括同时操作并且彼此紧邻的多个装置402、404的此类配电板安装中，危险场所中的装置操作的热管理问题进一步倍增。热效应可积聚，并且相邻装置在运行时可比它们单独使用或者至少彼此间隔较远时更热(即，具有更高的表面温度)。配电板包括外壳，不一定需要防爆外壳时，当热量从位于下部的装置402、404上升时，列的上部部分中的装置402、404运行时可比该外壳的下部部分中的装置402、404更热。然后，在一些情况下，主动冷却特征部和系统可能是可取的，以避免对装置402、404中的一些装置的操作产生不期望的温度影响或解决升高的表面温度。如上所述，主动冷却系统可设置在配电板上或相对于配电板设置，以在系统层级上冷却装置402、404而非单独地冷却装置402、404。主动冷却元件和系统的变型和组合是可能的，以实现不同的冷却效果。主动冷却系统可通过环境温度感测、来自设置在装置402、404中的温度传感器中的任一者的温度读数来触发，或者根据实际需要仅按需运行的其他因素和考虑因素来触发，或者可另选地根据需要连续或间歇地运行。
[0155]
虽然上文针对装置402、404描述了配电板和配电板外壳，但是类似的益处可在电机控制中心和电源系统中的其他位置中实现，其中电路保护装置402、404同样常规地位于非防爆外壳中。考虑到在装置402、404中提供的传感器和智能装置以及在装置402、404中提供的电机涌入特征部，附加的电机启动部件可集成在装置402、404的设计中，并且在单个封装中提供组合电路保护器/电机起动器，与常规提供的单独封装且串联连接的电路保护器和电机起动器组件相反，该常规提供的电路保护器和电机起动器组件每个都需要用于危险场所的防爆外壳。其他双重用途或双重功能装置402、404同样是可能的，其通过减少需要在电力系统中获取、安装和保养的装置的数量来进一步降低安装和保养电力系统的成本。
[0156]
固态或混合装置(诸如上文所述的那些)可使用各种不同的固态开关元件、固态开关元件的布置来构造，并且也以各种不同功率电子装置拓扑来实现。设想了各种不同的实
施方案，涉及不同程度的导通状态损耗、操作中电弧放电的倾向、传导损耗、部件计数、相对复杂性、满足特定响应时间特性的能力、操作算法的简单性或复杂性，以及在需要时集成电机软启动或其他特征的能力。固态开关元件可使用模块化布置串联或并联连接，以实现所需的额定电压缩放或所需的额定电流缩放。就期望实现旁路触点而言，为旁路触点提供的封装材料和热管理特征部可能是可取的。
[0157]
上文所示和所述的固态开关布置和混合开关布置中的任一者可包括或连接到线路侧电熔断器，以通过解决任何缺陷或相对于某些过电流状况的固态开关元件来增强电路保护保证，或改善对某些操作状况的响应时间。
[0158]
上述装置构造和安全闭锁/挂牌特征部可容易地应用于实现电路保护装置，该电路保护装置不是断路器装置，但是仍然是防点燃的，以在没有防爆外壳的情况下用于nec的1段或2段危险场所以及iec的1区或2区场所。例如，上文讨论了可熔开关断路装置，该可熔开关断路装置包括与熔断器结合的机械开关。应用所述的耐化学性和抗冲击性壳体构造、无弧开关操作、安全端子组件和热管理特征部，使得固态可熔开关断路装置或混合可熔开关断路装置可容易地被构造成具有类似的有益效果，但提供不同程度的电路保护。
[0159]
同样，上述化学抗性和抗冲击性壳体构造、无弧开关操作、安全闭锁/挂牌特征部以及某些热管理特征部可容易地应用于实现开关装置，该开关装置本身不提供过电流电路保护，但是仍然是防点燃的，以在没有单独提供的防爆外壳的情况下用于nec的1段或2段危险场所以及iec的1区或2区场所。例如，机械继电器开关和接触器是已知的，其提供断路功能但不具有独立操作并防止过电流状况的能力。应用所述的化学抗性和抗冲击性壳体构造、无弧开关操作、安全闭锁/挂牌特征部和热管理特征部，使得固态继电器装置或混合继电器装置以及固态接触器装置或混合接触器装置可容易地被构造为在具有智能闭锁检测能力、闭锁检测和确认的易爆环境中安全操作。
[0160]
防点燃装置(诸如所述的那些)可设置有任何所需数量的开关极，例如仅包括单极装置、两极装置、三极装置和四极装置，以适应任何类型的电力系统(包括多相电力系统和多相位电力系统)的需要，同时普遍提供防点燃功能以用于nec的1段或2段场所或iec的1区或2区危险场所。
[0161]
根据上文的描述，已经在功能上描述了装置和适用的操作算法，本领域技术人员因此可以经由控制器或其他基于处理器的装置的编程来实现算法。认为所述算法概念的此类编程或实施在本领域技术人员的视界内，并且将不再进一步描述。
[0162]
现在认为已根据所公开的示例性实施方案充分示出了发明构思的有益效果和优点。
[0163]
已经公开了用于危险场所的合规开关装置的实施方案。该合规开关装置包括防点燃壳体、线路侧端子和耦接到该壳体的负载侧端子，以及位于壳体中并且包括至少一个固态开关元件的总线结构，该至少一个固态开关元件可以无电弧方式操作以将负载侧端子连接到线路侧端子并且将负载侧端子与线路侧端子断开。该开关装置还包括用以改变至少一个固态开关元件的状态的接通/断开输入选择器，以及监测该接通/断开输入选择器的状态的控制器，并且响应于闭锁输入选择器的状态变化，控制器被配置为激活禁用接通/断开输入选择器的安全闭锁条件并经由接通/断开输入选择器防止至少一个固态开关元件的状态变化，由此该开关装置是合规的，以用于在易爆环境中，而无需单独提供的防爆外壳。
[0164]
任选地，该控制器也可被配置为确认至少一个固态开关元件的状态变化，并向用户提供对所改变的状态的确认。接通/断开输入选择器可以是机械输入选择器，并且更具体地，可以是可经由机械锁元件诸如挂锁固定在断位置的机械拨动开关。
[0165]
作为另外的选项，接通/断开输入选择器可结合在电子显示器中。控制器可被配置为在用户提供预先确定的密码时去激活安全闭锁条件。
[0166]
另外任选地，开关装置可包括检测器，该检测器感测用于安全闭锁的机械锁元件的存在或不存在。该检测器可被配置为感测挂锁柄的存在或不存在。
[0167]
可在开关装置中提供多种不同类型的安全闭锁部件。该多种不同类型的安全闭锁部件可组合操作以实现多步骤闭锁程序。该多种不同类型的安全闭锁部件可包括机械拨动开关和锁开口、挂锁和感测该挂锁的存在的检测器以及多功能显示器。
[0168]
该开关还可包括总线结构中的至少一个机械开关触点，并且壳体可包括密封内部外壳，该密封内部外壳容纳该至少一个机械开关触点，从而防止该开关触点成为易爆环境中的点燃源。该至少一个固态开关元件可被封装。开关装置可作为固态过电流保护装置，或者可被构造为混合过电流保护装置。该开关装置的壳体可为电接地的和/或表现出防静电特性。该壳体在危险场所中具有化学抗性。
[0169]
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何合并的方法。本发明的可专利范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果此类其他示例具有与权利要求书的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差别的等效结构元件，则此类其他示例意图在权利要求书的范围内。