用于易爆环境合规的电路保护装置、系统和方法与流程

用于易爆环境合规的电路保护装置、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，并且更具体地涉及改进的电路保护装置，其满足或超过适用于潜在易爆环境中的操作的安全标准。
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修保养以及解决过电流和/或电气故障状况。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，从而保护负载侧装置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的易爆环境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易爆场所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为合规的易爆场所电路保护装置的第二示例性实施方案的局部前正视图，示出了安全电缆端接组件和技术。
9.图5是根据本发明的第二示例性实施方案的合规的易爆场所电路保护装置的透视图。
10.图6是示例性混合构型的图5所示的电路保护装置的简化示意图。
11.图7是图5和图6所示的电路保护装置的框图。
12.图8概略地示出了图5至图7所示的电路保护装置的热管理特征部。
13.图9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
14.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，因为其涉及由在危险场所的易爆环境中运行的电力系统引起的问题，随后阐述了解决了此类问题并且满足了本领域中的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。
15.i.现有技术
16.电力系统有时会在危险环境中运行，产生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。仅举例来说，这种危险环境可能出现在炼油厂、石化厂、粮仓、废水和/或处理设施以及其他工业设施中，这些设施在周围环境中的持续不稳定状况下运行，增加了火灾或爆炸的风险。气载可点燃气体、可点燃蒸汽或可点燃粉尘或其它易燃物质的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，常规电路保护装置可能会导致电力系统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易爆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。
17.例如，美国保险商实验室(underwriter’s laboratories，ul)标准ul1203规定了用于危险场所的防爆和防尘点燃的电气设备的标准。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。
18.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易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段涵盖了在正常运行状况下、在频繁维修或维护操作下可能存在易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，易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。
19.鉴于在某些情况下电气装置可以是点燃源，防爆、防火或防点燃外壳通常设置在nec的1段场所中以容纳如下所述电路保护装置。在本文中，术语“防爆”或“防火”是指被设计成能够控制规定的易燃蒸气
‑
空气混合物引发的内部爆炸的外壳。此外，防爆外壳必须相对于周围空气在安全温度下操作。
20.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。
21.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。国际电工委员会(iec)包括下列相关定义：
22.2.2.11
23.断路器
24.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]
[0025]
2.2.9
[0026]
开关(机械)
[0027]
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]
[0028]
注意，开关能够接通但不能断开短路电流。
[0029]
2.2.1
[0030]
开关装置
[0031]
被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]
[0032]
注意，开关装置可执行这些操作中的一者或两者。
[0033]
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。
[0034]
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：
[0035]
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。
[0036]
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。
[0037]
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。
[0038]
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。
[0039]
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存在点燃风险。
[0040]
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进行，都可能在危险环境中产生点燃源。具体地讲，当活动触点从闭合位置机械地移离静止触点至断开位置时，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，往往会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，或者开关系统(即，配电板)可安装在单个大型防爆外壳中，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。
[0041]
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，其具有在易爆危险环境中点燃可燃气体、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电弧温度同样是相当大和相当高的，并造成点燃风险。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，65kaic的断开比10kaic的断开显著得多，因此更加危险。
[0042]
可用的防爆、防火或防点燃外壳有效地使nec的1段场所中的机械开关装置安全地操作，但带来了附加成本，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维修增加一定的负担。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，同时仍提供在危险环境中的安全断路功能，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。
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
当用于nec的1段场所时，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。在某些状况下，在端子位置处，松散的端子连接可导致过热和可能的点燃源(如果不是电弧的话)。端子处的质量差的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性。
[0046]
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。从易爆危险环境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段场所中没有补充性使用防爆外壳，则不能确保足够安全性。
[0047]
ii.用于危险场所合规的创造性无弧装置、系统和方法。
[0048]
本文描述了电路保护装置的示例性实施方案，它们克服了上述问题，并为符合nec的1段场所的适用标准提供了增强的安全程度，而并不一定需要单独提供的防爆、防火或防点燃的外壳，从而有利地降低电力系统安装成本，节省了配电板、控制中心等的宝贵空间，同时有利于电力系统的更有效维护和监督。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。
[0049]
在一个方面，示例性电路保护装置可以固态开关装置的形式实施。固态开关装置在其进行开关以连接或断开负载侧电路时具有无弧操作。该示例性电路保护装置结合有：增强的壳体特征部，用于提供所需的用于易爆环境的耐化学性，从而尽管暴露在恶劣的化学物质中仍确保结构完整性；热管理特征部，用于避免由装置壳体的过热而产生的可能的点燃源；热管理特征部，用于解决固态开关装置中导体的潜在过热；以及改进的端子和端接结构，用于消除由端子连接到装置产生的点燃源。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段场所的危险场所标准，并且使得常规防爆、防火或防点燃外壳对于某些应用来说可被去除。
[0050]
在另一方面，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施，并且也可以与增强的特征部结合，用以：将机械开关触点之间的电弧与易爆周围环境隔离从而防止点燃，提供必要的耐化学性和抗冲击性，解决连接端子处可能的点燃源和/或提供热管理特征部以避免混合装置或混合装置的壳体内部的导电元件的可能过热。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。
[0051]
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。
[0052]
图1是根据本发明的第一示例性实施方案的合规的易爆环境电路保护装置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。
[0053]
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，包括可能由受保护的电力系统产生的并发故障状况。壳体结构和壳体材料必须同样被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。
[0054]
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。
[0055]
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。
[0056]
凭借其制造材料，壳体102同样应当表现出与给定易爆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易爆环境中的物质时的稳定性。如果壳体与环境中的物质发生化学反应，则认为其是不相容的。虽然符合ul 1203的壳体材料不太可能对于特殊安装环境表现出这样的不相容性，但仍然建议进行测试以确认对于工业设施范围内使用的多种不同腐蚀性或苛性化学品和物质的化学相容性。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。
[0057]
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
于可在易爆环境中点燃的温度的水平。
[0058]
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。
[0059]
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，进而提供具有所需耐热等级或温度额定值的装置100。
[0060]
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。
[0061]
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。热敏电阻器也可与具有负载设备的反馈回路一起部署，以减少通过装置的可用电流(从而减少热量)。热电装置可用作前述风扇/泵冷却方法的替代形式。
[0062]
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。
[0063]
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，并且因此响应于预定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并且经由显示屏116、经由包括远程接口的另一个用户接口输入到装置100，和/或者预编程到装置中。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。
[0064]
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。拨动开关可以模拟传统拨动开关以将状态改变为“通”或“断”，但是这样做时没有机械开关触点的位移，因为如下所述，装置100不包括机械开关触点。
[0065]
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。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。
[0066]
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。
[0067]
鉴于要使用装置100的易爆环境，电缆与输入和输出端子的可靠端接是重要的，因为松散的连接可产生热量和可靠性问题，以及易爆场所中的可能的点燃问题。因此，电缆连接器(诸如下文进一步描述的电缆密封套)可提供牢固的连接以确保装置100在操作中的安全性。
[0068]
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。示例性布置的固态开关布置140a、140b、140c各自包括分别彼此反向连接的绝缘栅双极晶体管(igbt)的串联连接对142a、142b、142c、142d，其中142a、142b、142c、142d中的每对包括并联连接到igbt的变阻器元件146。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。
[0069]
每个固态开关布置140a、140b、140c中的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
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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，包括但不限于诸如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)等的等效类型的半导体开关元件。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。
[0070]
并联连接到所示布置中的每对igbt的变阻器元件146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。当变阻器以低阻抗模式操作时，通过变阻器146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146可返回到高阻抗模式。变阻器146有利地允许例如电机涌入电流流过装置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146可被认为是可选的并且可被省略。
[0071]
作为另一个热管理特征部，固态开关装置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。
[0072]
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易爆环境中的可能的点燃源。
[0073]
为了解决可能的静电荷积聚问题，图2中示出了壳体102与电接地148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。
[0074]
无论表面带电实际如何发生，与接地148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。
[0075]
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。
[0076]
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。
[0077]
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)。
[0078]
如本文所用，术语“基于处理器的”微控制器不仅应指包括如图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(risc)电路、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。
[0079]
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。
[0080]
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。
[0081]
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。
[0082]
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操作温度上升到可能点燃易爆环境中的气载气体、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停止电流。
[0083]
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。
[0084]
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电路板上，算法控制特征被编程并存储在装置存储器中。
[0085]
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评估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。
[0086]
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。
[0087]
图4为合规的易爆场所电路保护装置200的第二示例性实施方案的局部前正视图，示出了安全电缆端接组件和技术。
[0088]
装置200包括壳体202，该壳体包括上文所述和图2和图3所示的装置100的固态开关和控制元件。在示例性装置200中省略了装置100的显示器116(图1)。用户用于使装置处于“通”和“断”状态的手动致动器未在图2中示出，但该手动致动器被包括以代替显示器，但在另一个实施方案中，如果需要，可结合显示器116。根据上文针对装置100的壳体102所述的考虑因素来制造壳体202，并且壳体102包含固态开关，这些固态开关以针对装置100的上文所述的方式且以无弧方式提供自动过电流保护。因此，类似于装置100，当固态开关产生的热量被控制在易爆场所的燃点温度以下的操作温度时，不存在由装置200的断路功能引起的点燃问题。因此，壳体202可以用于易爆环境中，而无需其他常规提供的防爆外壳以解决常规装置断路操作中的点燃问题。
[0089]
线路侧端子204a、204b、204c可从壳体202的第一侧面触及，并且负载侧端子206a、206b、206c可从壳体202的与第一侧面相对的第二侧面触及，以通过固态开关元件建立线路侧连接和负载侧连接。线路侧端子204a、204b、204c和负载侧端子206a、206b、206c中的每个端子可以是例如箱耳端子，该箱耳端子设置有紧固件(诸如螺钉)以夹持接收在箱耳中的导线的端部。耳状端子中可包括锁紧元件，以确保与端子204a、204b、204c、206a、206b、206c的连接在装置200经受振动、热循环或其所用于的易爆环境的其他需求时不会随时间推移而松动。弹簧偏置的端子布置和连接器元件同样可用于确保端子连接不会随时间推移而受到损害。应当避免松散的端子连接，因为它们在某些状况下可以产生热量和可能的电弧放电，并因此在易爆环境中产生点燃问题。
[0090]
为进一步确保装置200在易爆环境中的操作的安全性，线路侧端子204a、204b、
204c被包封在第一外壳208中，并且负载侧端子206a、206b、206c被包封在壳体202的相对侧上的第二外壳210中。外壳208、210由相应的壳体212、214限定，这些壳体可由诸如上文所述的那些的材料制成。壳体212、214可单独提供并组装到壳体202，或者可整体形成并与壳体202一起作为整体构造提供。壳体212、214可以结合上文所述的热管理特征部，以管理在易爆环境中使用的装置200的表面温度。在一些实施方案中，壳体212、214可以被设计成满足防爆标准，而壳体202可以不被设计成满足防爆标准，但是如果需要，壳体202也可以被设计成满足防爆标准。
[0091]
如图4所示，可经由例如装置200的每个端部上的铠装电缆216和电缆密封套218与壳体212、214的外壳内部的端子204a、204b、204c或206a、206b、206c建立线路侧连接和负载侧连接。如图所示，电缆密封套218可包括基部元件或主体218和接纳在壳体212中的螺纹孔中的螺纹柱222。柱222与壳体212中的螺纹孔的螺纹接合满足ul 1203的对在nec的1段危险区域中使用的要求。还提供了锁紧螺母220和压缩环或o形环密封元件，该压缩环或o形环密封元件经由锁紧螺母220围绕电缆216的直径紧固。因此，电缆密封套218可控制可能发生在外壳208和壳体212内部的任何危险电流、火花或火焰，并且防止此类危险电流、火花或火焰到达外部易爆环境。在不同的实施方案中，电缆密封套218可由金属(诸如不锈钢、黄铜或铝)制成，也可由塑料制成。
[0092]
如图所示的电缆密封套218有利地提供进入保护、密封和接地，以使电缆216安全地穿过外壳212。当与铠装电缆216一起使用时，可经由电缆密封套218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218也可与非铠装电缆一起使用。
[0093]
如图4的示例所示，当电缆216的导体股线在外壳208内部分离时，电缆密封套218还有利于应变消除，该外壳具有足够的空间，以用于与端子204a、204b、204c的连接所需的导线的任何弯曲。如图4的示例所示，单根电缆216包括三个导线导体，这三个导线导体可承载三相线路侧电源的相应相。在其他实施方案中，电缆218可以包括更多或更少的导体，以适应线路侧电源的更多或更少的相。在不同的实施方案中，同样可以在外壳208和壳体212内提供不同数量的端子204a、204b、204c以及固态开关元件。同样，多条电缆可以与多个电缆密封套一起使用，以与端子204a、204b、204c建立所需的连接。
[0094]
虽然图4仅示出了在装置200的线路侧上的电缆216和电缆密封套218连接，但可经由外壳210和壳体214中的端子206a、206b、206c在装置的负载侧上设立类似的电缆和电缆密封套连接。
[0095]
可提供可移除的盖(图4中未示出)，以便允许在将电缆密封套218固定到壳体212或214之前或之后触及外壳208、210以建立与线路侧或负载侧端子的连接。盖可以在与线路侧或负载侧端子耳的连接完成之后安装。在一些情况下，外壳208、210可被真空密封或填充有电介质流体(例如，油)，以进一步确保火花或火焰不在外壳208或210中出现，或者至少确保火花或火焰在外壳208、210中不易出现。盖可被密封以防止环境侵入，并且用螺钉紧固或以其他方式牢固地闩锁，以便在不涉及电介质流体的情况下确保外壳和盖之间的适当火焰路径。沙土填料、灭弧填料或其它已知的封装技术可用于解决装置200内可能的电弧放电问题。
[0096]
装置200可以在易爆环境中安全地操作，而无需常规提供的单独防爆外壳。即使壳
体212、214(和壳体202)可为防爆的，由于它们的尺寸相对较小，因此可相对经济地提供。具有耐化学性和耐冲击性的装置200可安然处在易爆场所中。因此也不需要通常用于容纳断路器的非防爆金属片外壳。去除单独的外部外壳还提供了将典型的控制装置和指示器集成到装置200中的机会，而不需要通常设置在单独提供的外部外壳中的昂贵且烦琐的辅助装置。
[0097]
图5是根据本发明的第三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5所示，使用者可在壳体102的上表面触及拨动开关302，以在“通”和“断”状态之间手动启动装置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。
[0098]
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可以根据适于为连接的负载提供足够保护的规定时间
‑
电流特性或时间
‑
电流曲线来操作，包括但不一定限于在设想的实施方案中作为ul 489断路器所需的特性。
[0099]
图6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，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从而产生易爆环境。
[0100]
输入端子130a、130b、130c与输出端子134a、134b、136c的各对之间是机械断路器304a、304b、304c以及并联连接的固态开关装置，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、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，在易爆空气中固态开关装置本身不存在点燃风险。
[0101]
机械断路器304a、304b、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、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、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。
[0102]
装置300同样连接到电接地148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。线侧连接和负载侧连接可使用上文所述安全端子组件中的任一者(包括但不限于铠装电缆和电缆密封套)来建立，以为易爆环境提供增强的安全保证。
[0103]
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。
[0104]
图7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。当检测到预定过电流时，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。
[0105]
虽然已经描述了示例性装置架构，但是应当理解，图7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。
[0106]
图8概略地示出了图5至图7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。
[0107]
如图8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8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、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、322c，并且因此不能通过机械开关触点的操作而被点燃。
[0108]
在设想的实施方案中，次级外壳322a、322b、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、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、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、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、322c。主体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。
[0109]
次级外壳322a、322b、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、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、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。
[0110]
装置100、200或300中的任一个装置可安全地用于nec的1段危险场所，而无需单独提供的防爆外壳。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。因此，装置100、200或300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、200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、200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。
[0111]
图9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、200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所描述的防点燃装置，因此配电板自身的外壳可以是未被设计成防爆的标准环境外壳。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。在设想的实施方案中，配电板400还可以是具有多个可编程信道的单个集成电路装置，以容纳单极、两极和三极电路的期望组合。
[0112]
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，热管理问题倍增。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)。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运行时可比本公开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。
[0113]
虽然上文针对装置400、402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400、402同样是可能的，其通过减少需要在电力系统中获取、安装和维修的装置的数量来进一步降低安装和维修电力系统的成本。
[0114]
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。
[0115]
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，以通过解决固态开关元件相对于某些过电流状况的任何缺陷来增强电路保护可靠性，或改善对某些操作状况的响应时间。
[0116]
上述耐化学性和抗冲击性壳体构造、无弧操作、安全端子组件和热管理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段危险场所。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、防静电放电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。
[0117]
同样，上述耐化学性、防静电放电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可容易地应用于实现开关装置，该开关装置本身不提供电路保护，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段危险场所。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防止过电流状况的能力。应用所述的耐化学性和耐冲击性壳体构造、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成在易爆环境中安全操作。
[0118]
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、以及四极装置，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段危险场所。
[0119]
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。
[0120]
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。
[0121]
已经公开了用于易爆环境的合规开关装置的实施方案。所述合规开关装置包括：壳体，所述壳体被制造成在所述易爆环境中表现出耐化学性；线路侧端子和负载侧端子，所述线路侧端子和所述负载侧端子联接到所述壳体并且被包封以在所述易爆环境中提供防点燃端接件；以及总线结构，所述总线结构在所述壳体中并且包括至少一个固态开关元件，所述至少一个固态开关元件能够以无弧方式操作以将所述负载侧端子连接到所述线路侧端子并且将所述负载侧端子与所述线路侧端子断开连接，由此所述开关装置对于在所述易爆环境中使用是合规的，而无需单独提供的防爆外壳。
[0122]
可选地，所述壳体还被制造成在所述易爆环境中表现出抗静电特性。所述壳体也可被构造成电接地。所述壳体还可以被构造和设计成在等于或低于所述易爆环境的额定温度的表面温度下操作，从而防止所述壳体成为所述易爆环境中的点燃源。还可提供控制器，其中所述控制器被配置为操作所述至少一个固态开关元件以将所述表面温度保持在所述额定温度或低于所述额定温度，从而防止所述壳体成为所述易爆环境中的点燃源。
[0123]
所述合规开关装置还可以包括所述总线结构中的至少一个机械开关触点，其中所述壳体包括密封内部外壳，所述密封内部外壳容纳所述至少一个机械开关触点，从而防止
所述至少一个机械开关触点成为所述易爆环境中的点燃源。
[0124]
所述合规开关装置的防点燃端接件可为电缆密封套和铠装电缆。所述线路侧端子和所述负载侧端子可各自包括耳状物端子和紧固件。
[0125]
所述线路侧端子和所述负载侧端子可各自分别包封在所述壳体的部分中。所述壳体的所述部分可以是防爆的。所述壳体的所述部分可以是密封的。所述壳体的所述部分可以是真空密封的。所述壳体的所述部分可填充有电介质流体。
[0126]
所述合规开关还可以包括主动冷却元件或被动冷却元件。所述至少一个固态开关元件可被封装。所述防点燃开关可包括控制器，所述控制器被配置为提供电机起动器和过载控制。所述防点燃开关装置可被构造为固态断路器或可被构造为混合断路器。
[0127]
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。