具有增强的安全智能的危险场所合规的电路保护装置、系统和方法与流程

具有增强的安全智能的危险场所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，并且更具体地讲，涉及危险环境合规的电路保护装置，包括智能反馈控制，以确保在危险环境中运行的电力系统中的电路保护装置的正确安装和使用中的增强安全性、操作安全性和维修。
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是处于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配电板安装的框图，并且示出了分别为不同电气负载供电的可选设置输入。
9.图5是确保为图4所示的电路保护装置设置兼容性和故障安全措施的示例性过程算法的流程图。
10.图6示出了用于确定图5所示算法的布线限制的检测技术。
11.图7示出了包括图1至图3所示的电路保护装置的电源传感器反馈系统。
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。
17.图13示出了可用本发明的合规的危险场所无弧电路保护装置的示例性实施方案
检测和管理的各种不同电气负载的电源电压和电流波形特征的示例性波形。
18.图14示出了可用本发明的合规的危险场所无弧电路保护装置的示例性实施方案检测和管理的受保护负载电路中的示例性电流特征变化。
具体实施方式
19.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电路保护装置、系统和方法的示例性实施方案。
20.i、现有技术
21.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。这种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，其周围环境中产生有不稳定条件，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。
22.例如，保险业实验室(underwriter’slaboratories，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。
23.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。
24.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。
25.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，防爆外壳必须相对于周围空气在安全温度下操作。
26.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。
27.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：
28.2.2.11
29.断路器
30.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]
[0031]
2.2.9
[0032]
开关(机械)
[0033]
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]
[0034]
注意，开关能够接通但不能断开短路电流。
[0035]
2.2.1
[0036]
开关装置
[0037]
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]
[0038]
注意，开关装置可执行这些操作中的一者或两者。
[0039]
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。
[0040]
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：
[0041]
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。
[0042]
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。
[0043]
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。
[0044]
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。
[0045]
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。
[0046]
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或者开关系统(即，配电板)中，该开关系统可继而安装在单个大型防爆外壳中，而无需用于设置在nec的1段或2段场所或iec的1区或2区场所内的开关的单独防爆外壳来提供必要的保护。
[0047]
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电弧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，65kaic的断开比10kaic的断开显著得多，因此更加危险。
[0048]
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段或2段场所或iec的1区或2区场所中可以消除防爆外壳，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。
[0049]
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。
[0050]
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。
[0051]
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。在某些操作状况下，在端子位置处，松动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)。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性。
[0052]
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使用防爆外壳，则不能确保足够安全性。
[0053]
ii.用于危险场所合规的创造性无弧装置、系统和方法。
[0054]
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性，而不一定需要单独提供的防爆、防火或防点燃外壳。因此，通过取消这种单独提供的防爆、防火或防点燃外壳，本文所述的示例性电路保护装置有利地降低了成本并节省了配电板、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还有利地实现了对电力系统的更有效的维护和监督。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。
[0055]
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过程中具有无弧操作，以组合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/或包括用于解决固态开关装置中导体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。
[0056]
在第二方面，通过对固态电路保护装置的智能控制来进行附加的安全增强，该固态电路保护装置检测装置安装者的不兼容安装和设置选择，检测与装置的不充分或松动的电连接，以及评估通过该装置连接的直接和间接线路侧和负载侧电路的操作条件。智能控制可采用故障安全措施，并实现通知断开功能，更好地了解电力系统的实际状态和诊断能力，以识别有问题的电气状况及其相对于设备的位置，从而确保在设备的实际位置处进行安全操作。
[0057]
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，并且还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周围环境隔离从而防止危险场所中的点燃，以及解决连接端子处可能的点燃源和/或包括热管理特征部以避免混合装置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。
[0058]
在第四方面，通过对混合电路保护装置的智能控制来进行附加的安全增强，该混合电路保护装置检测装置安装者的不兼容安装和设置选择，检测与装置的不充分或松动的电连接，以及评估通过该装置连接的直接和间接线路侧和负载侧电路的操作条件。智能控制可采用故障安全措施，并实现通知断开功能，更好地了解电力系统的实际状态和诊断能力，以识别有问题的电气状况及其相对于设备的位置，从而确保在设备的实际位置处进行安全操作。
[0059]
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。
[0060]
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，并且前侧面112包括用作装置100的输入/输出元件的可选数字显示器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。
[0061]
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。
[0062]
为了在nec的1段场所中合规，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。
[0063]
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nec 1段的易爆环境场所具有化学抗性。具体地讲，ul 1203化学测试要求一个样品壳体(或多个样品壳体)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。在暴露预定时间段后，对壳体样品进行检验，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。然后使通过检验的壳体样品经受压裂测试，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壳体样品的压裂力显示经过化学测试的壳体样品可经受在暴露于化学品之前测试的相应压裂力的至少85％，则壳体样品符合ul 1203。此类ul 1203合规性可被认为在不是nec的1段场所的场所处使用装置100是可选的，不是nec的1段场所的场所包括但不一定限于nec的2段场所或iec的1区或2区场所以及不满足定义危险区域的适用标准的场所(即，非危险场所)。
[0064]
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，则对于一些危险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。
[0065]
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。
[0066]
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。
[0067]
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100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。
[0068]
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。
[0069]
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。
[0070]
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。
[0071]
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和122。在图1所示的示例中，提供三个连接凹陷部118、120和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被配置为断路器，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、经由另一个用户接口输入到装置100，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。
[0072]
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上呈现的提示和信息进行交互。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。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116可被认为是可选的，并且根本不需要被包
括在内。
[0073]
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和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。在输入端子130a、130b和130c与输出端子134a、134b和136c的各个相应对之间布置有如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、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]
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
‑
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144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，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工作温度，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，鉴于下文所述的一些装置智能和故障安全特征部，此类锁定端子组件和弹簧偏置端子连接器在一些情况下在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及其限定用于端子的外壳的部分同样可包括真空室，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/电缆接口或其他可能的点燃源处的电弧放电。沙土填料、灭弧填料或其他已知的封装技术同样可用于解决装置100内可能的电弧放电问题。下文所述的装置智能和故障安全特征部为解决端子/电缆接口的点燃源问题提供了额外的保证和安全性，并且可使得前述特征部中的一些特征部对于nec的1段场所是可选的。
[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146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在易爆空气的存在下可能产生并导致点燃的火花或冲击。
[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。
[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和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，装置通常将由外壳而不是防爆外壳保护，因此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区或2区场所的装置100中，与接地146的连接可能是或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。
[0088]
装置100还包括以编号1至n提供的传感器154、156和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。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
°
f，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
°
f的温度时，处理器150可操作固态开关以断开并停止电流。
[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163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163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、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。如下所述，可传送布线尺寸数据和/或安培数限制数据以提高nec的1段或2段场所或iec的1区场所中的装置的安全性。经由用于电力系统维护或协调电路保护的通信元件164，经由与有助于电力系统的手动或自动监测和管理的其他电路保护装置和/或远程装置的通信，装置100的远程致动也是可能的。
[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]
图4是电路保护装置100的框图，示出了装置的可选设置输入特征部，以分别为具有不同电流要求的不同电气负载供电。三个电路保护装置100a、100b和100c被示出为连接在线路侧电源132与相应的第一电气负载170、第二电气负载172和第三电气负载174之间。每个电路保护装置100a、100b、100c包括用户可选择的设置输入176，该设置输入可定义例如负载170、172和174可安全处理的最大电流限制，有时称为载流量限制。
[0097]
在设想的实施方案中，每个装置100a、100b、100c可在50a到100a的范围内的载流量限制下操作以服务于不同的负载，其中用户选择所提供范围内的可用性载流量限制。因此，并且例如，每个装置100a、100b和/或100c可以60a载流量限制、80a载流量限制和100a载流量限制操作，以对具有60a载流量限制、80a载流量限制和100a载流量限制的对应电气负载供电。在各种非限制性示例中，每个装置100a、100b和/或100c的载流量限制设置由用户经由显示器116(图1)、装置上提供的另一输入元件或经由与装置100a、100b和/或100c通信的基于处理器的远程装置178输入。另外，每个设备100a、100b和/或100c的可用载流量限制或载流量限制范围可通过移除和更换跳闸单元160(图3)来改变或变更。
[0098]
因此，设备100a、100b和/或100c可与在不同电压和电流下操作的不同电力系统一起使用，以保护具有不同电路保护要求的电气负载。每个载流量设置对应于相应不同的时间
‑
电流曲线或时间
‑
电流分布以相应地控制开关装置的操作，从而允许该装置在所提供的载流量设置范围内普遍用于不同的应用中。因此，提供了相当大的灵活性，以使用相同的装置100a、100b和100c来满足各种不同电力系统和电气负载的各种不同电路保护需求。由于从电路保护的角度来看和从危险场所的角度来看，ac电力系统和dc电力系统存在不同的问题，因此设想了用于ac系统和dc系统的不同版本的装置100a、100b和100c。
[0099]
在图4的示例中，装置100a、100b和100c安装在配电板上，并且因此每个装置通过配电板的总线结构连接到在正常操作中可在给定电压和电流下操作的相同线路侧电路132。电气负载170、172和174由装置100a、100b和100c保护，以防止在线路侧电源电路132的异常状况下过量电流流向电气负载。对于具有类似电路保护要求的相同类型的电气负载，通常将在装置100a、100b和100c中的每一者上使用相同的载流量设置(例如，100a)。
[0100]
在可能涉及或可能不涉及配电板的其他实施方案中，装置100a、100b和/或100c中的一个或多个装置可替代地连接到在正常操作中可在不同电压和电流下操作的不同线路侧电路，因此装置100a、100b和100c可分别在不同的载流量设置下操作。装置100a、100b和100c的可调节设置仍然允许它们适应线路侧和负载侧电路中的一些变化，同时仍然有效地提供期望的电路保护。
[0101]
然而，实际上实现期望的电路保护取决于用于建立线路侧和/或负载侧连接的布线是否与任何给定安装中的装置100a、100b和100c的用户选择的载流量设置兼容。例如，如果用于进行负载侧连接的接线或电缆的载流量限制为50a，则装置设置为100a时，如果出现电流，则通过的电流将远远超过电缆的载流量限制。这意味着电缆可能会过热到可能引起点燃问题和/或故障并在设备的端子或其他地方产生电弧的程度。因此，如下所述提供保障措施，以检测对装置的不兼容设置的无意用户输入，该不兼容设置超过了连接到装置100a、100b、100c的布线的对应限制。
[0102]
图5是示例性过程算法200的示例性流程图，该示例性过程算法用于确保装置限制设置和布线限制兼容性，并且考虑到与就位布线有任何冲突的装置设置，智能地实现电路保护装置100a、100b和100c(图4)的故障安全措施。算法200可由装置100的处理器150(图3)和/或经由与每个装置的处理器150通信的基于处理器的远程装置诸如基于处理器的远程装置178(图4)来实现。算法200可在每个装置100a、100b和100c的特定安装场所中逐装置地执行。
[0103]
在步骤202处，在装置100a、100b和100c中的一者处接收装置设置(例如，载流量设
置)。装置设置可由用户以上述任何方式或本领域已知的其他方式输入，并且在进行输入之后，装置设置相应地由针对其输入的相应装置的处理器150或远程装置178接收，以用于以如下所述的布线兼容性进行评估。
[0104]
在步骤204，对于装置场所和用于将装置连接到电力系统的布线，还接受布线载流量限制。布线载流量限制通常与线路侧布线或负载侧布线的线规有关。线规反映了对导线直径及其传导电流的横截面积的测量，而传导电流又与导线在指定持续时间内可安全承载的电流量以及其电阻和重量有关。因此，具有较大直径的导线可比具有较小直径的导线承载更大量的电流。导线长度和特定安装所特有的其他因素也可能影响布线限制，应予以考虑。
[0105]
对于本讨论，布线载流量限制表示在被加热到结构失效点之前，布线在预定量的时间内能够承受的最大或峰值电流负载。任何特定导线的布线载流量限制可从理论上或经验上确定，并且在大多数情况下可根据线规推断。布线载流量限制可在新电力系统的初始设计和构造中指定，并且在电力系统最初由装置布线和完成时输入到装置100。同样，布线载流量限制可从施工蓝图或其他记录中获知，并相应地输入到装置100。
[0106]
在某些设想的实施方案中，布线载流量限制可以是在允许用户选择期望安培数设置之一之前装置100所需的初始用户输入参数。例如，当装置100进行连接时，可经由本地或远程用户界面提示用户识别导线材料(例如，铜或铝)和载流量限制。装置100还可具有内置的nec布线载流量图表(即，存储在设备的存储器中的载流量图表)，供用户参考以进行期望的装置输入，或者供之后的装置参考以确保装置载流量设置不能被选择为高于适用的布线限制。
[0107]
在布线暴露的情况下，布线载流量限制可经由对其进行检查获知，并且由用户输入到装置100而无需参考经由装置100提供的材料、图表或其他信息。在其他情况下，布线载流量限制可能未知或不易于确定，因此此类步骤204可以是可选的并且不需要执行。
[0108]
在步骤206处，还可经由下文所述的感测、推断和计算技术来确定布线载流量限制。步骤206处的确定可包括确定线路侧端子和负载侧端子中的每一者处的布线载流量限制。在评估线路侧连接和负载侧连接时，可检测对于在危险场所中操作装置100而言很重要的某些问题。具体地讲，无论在安装电力系统时是有意还是无意的，都应考虑线路侧和负载侧布线的布线限制的任何差异，并且应使用下限来避免危险场所的点燃风险。
[0109]
例如，如果发现负载侧布线比线路侧布线具有更大的载流量限制，则应根据线路侧布线的较小限制而不是负载侧布线的较大限制来评估装置100的设置。例如，如果线路侧布线的限制为50a，而负载侧布线的限制为100a，则100a的装置设置将允许电流以高于50a限制的水平流过，这对于负载侧布线没有问题，但对线路侧布线则造成过热风险和相关的点燃风险，这在危险环境中应当避免。在这种情况下，装置100应仅在50a设置下操作。
[0110]
同样，如果负载侧布线的限制为50a，而线路侧布线的限制为100a，则100a的装置设置将允许电流以高于50a限制的水平流过，这对于线路侧布线没有问题，但对负载侧布线则造成点燃风险，这在危险环境中应当避免。虽然线路侧布线和负载侧布线在许多应用中可能预期具有相同的载流量限制，但是这可在步骤206处确认，并且在线路侧布线和负载侧布线具有不同布线限制的情况下避免错误假设。
[0111]
另外，由于布线载流量限制可受到温度的影响，因此在步骤208处，可从装置100中
的一个或多个温度传感器和/或从装置100外部的另一个温度传感器接收温度输入。因此，当相应装置100的场所中的环境温度升高时，可对从步骤204和206确定或接受的布线载流量限制进行调整。具体地讲，当环境温度上升时，由于周围环境的热效应和来自电流的热效应在布线中是累积的，因此应当向下调整布线限制。因此，对于任何给定的导线，根据周围环境是热还是冷，实际上可能会在不同的电流电平下达到布线载流量限制。例如，在温度调整前载流量限制为100a的布线在温度调整后载流量限制可为80a。这意味着，在升高的环境温度条件下操作时，设置为100a的装置100仍然可将80a至100a的电流传递到负载侧接线，负载侧接线虽然低于设置限制，但是这仍然可引起导线过热并在危险场所中造成点燃问题。
[0112]
当在步骤208处输入的温度超过在步骤206处确定的布线限制的预定阈值时，处理器可在步骤210处向负责人员或其他基于处理器的装置生成通知或警报，以便适当地采取纠正措施或干预。通知或警报可包括对可能导致上游断路器和开关被致动(本地或远程以及手动或自动)的潜在危险操作条件的相关数据和解释，以避免由于累积的热效应而进一步加热布线。在步骤210处生成的通知或警报不需要指示布线载流量限制造成任何特定问题或存在任何过电流状况，但相反可被视为产生过量热量的外部源的标记指示器，该标记指示器表示布线过热和点燃的风险增加，因此可提供主动关闭电力系统的基础。如果环境温度持续上升或在预定时间段内没有下降，则如果可能的话，升级通知或警报。可选地，控制反馈回路可被实现为减少或限制流过装置100的电流直到温度降低到可接受的范围，或者另选地，如果满足某个温度阈值则断开并排除流过装置100的所有电流。
[0113]
在步骤212处，经由例如有线或无线通信从另一个附近装置100接收确定的布线限制，或者通过有线或无线通信从远程装置178接收确定的布线限制。在步骤214处，将从步骤206确定的布线限制与在步骤212处从附近装置确定的布线限制进行比较。该比较提供了在步骤216处确定是否存在错误的基础。如果比较的限制匹配或相当一致，则不存在错误，并且在步骤218处可确认从步骤214确定的布线限制。如果在步骤216处比较的限制不同或冲突，则出现错误状况，并且在步骤220处出现通知或警报，从而可采取适当的步骤来调查可能的错误。步骤212至218在配电板安装中可能是最实用的，其中已知类似的负载连接到类似的布线，装置可通过相互比较来确认类似的布线。在步骤212至218可能不是决定性的情况下，由此附近的装置100不存在，或者在类似的负载和布线不存在的情况下，步骤212至218可被认为是可选的并且可被省略。
[0114]
在步骤222处，将在步骤202处从用户接收的设置与在步骤204(如果适用的话)处接受的设置以及步骤206或218的确定或确认的布线限制进行比较，包括在步骤208处对温度的任何所需调整。多个不同的数据点提供了系统冗余和健康检查能力，以识别故障装置或原本对用户而言不太明显的其他问题。
[0115]
在步骤224处，确定在步骤206处从用户接收的载流量设置是否超过由步骤204、206和218的上述输入通知的布线限制。如果所接收的用户设置不超过布线载流量限制，则该设置被接受作为供装置100使用的有效且安全的选择。在步骤228处，将接受的设置传送到其他装置100和/或传送到远程装置178。
[0116]
传送到其他装置的所接受的设置可以是比较和确定相对于其他装置的设置的错误状况或不一致性的另一基础。例如，在包括24个装置的配电板安装中，如果装置100中的
23个被设置为60a，则第24个装置100的50a接收设置可被标记为可能不正确，即使它没有超过布线限制。太低的接收设置可通过对从电路保护的角度来看实际上没有问题的电流状况过度敏感而导致装置100的多余操作。同样，在包括24个装置的配电板安装中，如果装置100中的23个被设置为60a，则最后一个装置的70a接收设置可被标记为可能不正确，即使70a限制没有超过布线限制。太高的接收设置可导致装置100对电流状况不够敏感而无法满足特定负载的需求。
[0117]
在步骤230处，在步骤206处从用户接收的在步骤226处接受的设置用于选择对应的时间
‑
电流曲线或时间
‑
电流分布，并且相应地操作开关元件以根据所选择的设置来实现期望的电路保护。借助上述评估，可安全地应用从用户接收的设置，同时保证布线不会由于用户设置超出布线处理能力而过热并且使可能的点燃源出现。
[0118]
如果在步骤224处，在步骤206处从用户接收的设置确实超过了布线载流量限制，则在步骤232处拒绝所接收的设置。在步骤234处，可提示用户选择另一个设置，并且算法返回到步骤202以评估下一个接收的设置。因此，除非接收到与就位布线兼容的设置，否则不能使用装置100。与布线不兼容的装置设置将不被接受，并且避免了在危险场所使用时的相关点燃风险。
[0119]
作为步骤232和234的替代，如果在步骤206处从用户接收的设置超过在步骤224处的布线载流量限制，则装置100可在步骤236进入故障安全模式。在故障安全模式下，在步骤238处，装置100被控制在不超过布线限制的最近设置。即，由于布线限制问题，装置100的处理器150或远程装置178可自动地将100a设置改变为80a设置，并且在步骤328处，选择对应的时间
‑
电流曲线或时间
‑
电流分布以便相应地操作开关元件，从而实现不超过布线限制的电路保护的故障安全模式。在步骤240处，考虑到适用的布线限制，发出将所接收的设置(例如，100a)重置为另一设置(例如，80a)的通知或警报，以避免原本可能出现的任何点燃。在这些方面，装置100基本上是万无一失的，而不会导致拒绝用户输入和进行另一设置选择的相关提示，而这可能使试图设置装置的某些用户困惑或沮丧。
[0120]
处理器150或远程装置178也可响应于环境温度输入和其他考虑，主动采取这种故障安全操作模式。例如，如果环境温度上升到第一预定阈值，则先前在算法中验证的100a设置可被重置为80a设置，并且如果环境温度上升到第二预定阈值，则再次重置为60a设置，以在周围环境中的状况改变时管理点燃风险。当设置被重置时，可生成通知和警报以用于用户反馈以及用于与控制电力系统的其他电路保护器和装置的协调系统控制。
[0121]
图6示出了用于确定算法200(图5)的布线限制的检测技术。如图6所示，端子组件250包括接线片端子252和诸如螺钉的导体紧固件254。接线片端子252限定了用于包含在电缆护套260内的单股或多股导体258的导体通道256。螺纹孔262形成在接线片端子252的上侧上。在示例性实施方案中，紧固件254是被配置为朝向和远离导体通道256推进的螺钉。在导体258延伸到导体通道256中之后，紧固件254被推进以用足够的夹持力物理接触并接合导体258，以确保导体258和端子接线片252之间的期望的接触力和牢固的电连接。
[0122]
检测导体258的布线载流量的一种方式是检测导体紧固件254相对于端子接线片252和导体258的位置。紧固件254在接合到导体时的位置是电导体258的尺寸(例如，直径)的函数。紧固件螺纹的每次旋转都将紧固件254朝向电缆导体258推进已知距离。紧固件254的螺纹柄可在其中移动的导体通道256的总尺寸(图6的平面中的垂直尺寸)固定在端子接
线片252中，因此如果紧固件柄延伸到导体通道256中的距离是已知的，则电缆导体258的尺寸可通过从总尺寸中减去紧固件柄延伸的距离来计算。然后可将电缆导体258的尺寸与已知线规的对应尺寸进行比较。
[0123]
在一个实施方案中，提供位置传感器264以检测导体紧固件254在接线片端子252内的接合位置，并向装置100的处理器150或另一装置诸如远程装置178(图4)生成对应于导体紧固件254的检测位置的信号。紧固件的接合位置可例如通过检测紧固件254从已知的起始位置到其接合位置的匝数来机械地或电气地检测。接合位置也可在接合之后被机械地或电气地检测，以确定导体通道256被紧固件占据的部分。同样，在一些情况下，可通过在插入电缆导体256之前和之后对导体通道256的比较检测和分析来直接检测所提及的电缆导体。
[0124]
处理器150可根据检测到的紧固件匝数、紧固件的接合位置或检测到的电缆导体258的尺寸来计算或推断导体直径，并将它们中的每一者与已知线规的最接近属性相关联。然后可查询查找表或其他数据库以检索最匹配线规(导线类型、温度额定值、材料等)的适用布线载流量限制。在一些设想的示例中，可假设导电材料(例如，铜)用于在电缆/布线中进行的连接。然而，如果可存在具有不同导体材料(例如，铝)的导线或电缆，则可实现附加查找表和输入或确定。在其中布线走向(例如，长度)是已知的或者可经由在两端感测到的连接的电压降来计算的一些情况下，系统可提出布线升级建议以改善布线性能。
[0125]
在某些实施方案中，检测紧固件位置还可检测松动的端子连接，无论是最初还是由于紧固件254在危险场所由于振动或热循环而松动的情况下随时间的位置变化。例如，可通过经验地或理论地确定紧固件254的基线位置并将检测到的位置与基线位置进行比较来检测初始松动的连接，该基线位置为每个线规实现最佳夹持力和接触力。可在设备显示器116(图1)上或通过其他方式向用户提供反馈，以确保建立足够的连接。紧固件254的松动同样可通过周期性地检查和比较检测到的紧固件位置与基线位置来确定。应当避免松动的连接，因为它们增加电阻并在端子处产生热量，从而造成可能的点燃问题。在一些情况下，装置100可经由在装置的相应端子处检测到的电阻增加来检测松动的连接。如有需要或根据需要，可操作装置100中的开关元件以限制电流，直到可纠正松动的端子连接。
[0126]
在某些实施方案中，包括紧固件的端子可包括正指示特征部以供用户或装置100参考，这有助于对导线相对于紧固件的位置的一致评估(或反之亦然)。
[0127]
在一些情况下，端子接线片可包括待插入的电线的不同位置，当试图从紧固件位置推断电线规时应考虑这些位置，因为插入不同位置的导线可能导致紧固件在拧紧时终止于不同位置。为了适应这种变化的可能性，在一些情况下，用户可输入紧固件的匝数(从预定的起始位置开始)，或输入导线正在插入的接线片中的哪个特定位置，以便于检测线规和对应的布线限制。
[0128]
在另外的和/或替代的实施方案中，关于不同导线类型(例如，实心导线对绞合导线)的另外的输入可利用算法中的适当补偿，以考虑不同的导线类型，从而一致地确定布线限制。
[0129]
在一些实施方案中，光学传感器等可包括在装置100中，从而允许装置控制自动检测和区分布线和端子变化。
[0130]
在规定的可允许导线类型排除其他可能性的实施方案中，在没有如上所述的布线类型和属性的详细用户输入的情况下，简化的算法是可能的。
[0131]
在另外的实施方案中，装置100可彼此通信，并且将例如相应装置之间的有线连接中的电阻与导线类型、长度等的输入进行比较。如果所确定的与工作温度相关的电阻在可接受的范围内，则可确认电气系统的安全操作。然而，如果所确定的电阻超过预定阈值，则可作为响应采取适当的措施和行动，包括上文所述的那些措施和行动。
[0132]
虽然描述了用于确定布线载流量限制的示例性技术，但是其他技术在装置和系统的另外的和/或替代的实施方案中也是可能的。
[0133]
图7示出了电力传感器反馈系统，该电力传感器反馈系统包括电路保护器100a、100b、100c和100d、远程装置178(也在图4中示出)和装置外部的电力系统反馈传感器180。装置100a、100b、100c和100d各自彼此通信，与远程装置178通信，并且直接或间接地与电力系统反馈传感器180通信，并提供扩展的传感器系统或网络，该扩展的传感器系统或网络可进一步允许检测和控制如果未解决可能存在点燃风险的状况。
[0134]
每个装置100a、100b、100c和100d是智能装置，包括关于如上所述的电力系统中的特定安装点的复杂感测和评估能力。结合电力系统反馈传感器180，可进一步增强装置100a、100b、100c和100d的智能(关于它们所连接到的较大电力系统)，从而赋予系统操作者具有实质性益处的进一步功能，甚至进一步增强危险环境中的操作安全性。
[0135]
例如，装置100a、100b、100c和100d向彼此以及向电力系统反馈传感器180提供反馈回路，该反馈回路可由远程装置或单独的装置100a、100b、100c和100d自身进行分析，以更有效地调节运行的电力系统，同时主动管理装置100a、100b、100c和100d和相关布线以及电力系统中除了装置100a、100b、100c和100d之外的装置的表面温度。
[0136]
例如，电力系统反馈传感器180可包括用于周围环境以及用于在装置100a、100b、100c和100d所在位置之外的位置处除装置100a、100b、100c和100d之外的部件的工作温度的温度传感器。来自电力系统反馈传感器180的所检测温度可与由装置100a、100b、100c和100d所检测的温度进行比较，并且还可与预定标准进行比较。可检测健康检查和错误状况，并且可生成通知和警报。电力系统中彼此上游和下游的装置可进行通信并比较检测到的温度，并且可采取主动步骤来操作开关和主动电路保护器，包括但不限于响应于检测到的状况的装置100a、100b、100c和100d。例如，即使装置100a、100b、100c和100d未检测到过高的环境温度，下游检测到的高环境温度也可导致装置100a、100b、100c和100d中的一者或多者限制流向下游装置的电流。同样，远程装置178可操作除装置100a、100b、100c和100d之外的装置以减轻在那些装置的位置处可能未检测到的问题。
[0137]
在另一个示例中，上游或下游电路保护器的跳闸可指示在装置100a、100b、100c和100d的位置处没有检测到但可经由装置100a、100b、100c和100d的操作来减轻以将电流限制到特定位置的电气问题(过度过载或短路状况)。所提供和可用的集体反馈数据可用于诊断电力系统的问题以及特定位置的这些问题的来源。彼此接近的装置的温度数据的比较可揭示在相对较高温度下操作的松动的端子连接，而环境温度差异或实际工作电流状况无法解释这种情况。
[0138]
电力系统反馈传感器180中的装置100a、100b、100c和100d和/或其他装置可实现红外感测以确定每个装置的端子处的热特征，提供对电力系统的正确操作的确认或对需要诊断的电力系统问题的线索。此类问题可包括导致电阻增大和工作温度升高的松动连接。用于比较的预定基线可被存储并用于检测松动的端子连接、过大或过小的布线、过载状况
等。
[0139]
电力系统反馈传感器180中的装置100a、100b、100c和100d和/或其他装置还可包括电弧故障断路器(afci)部件或接地故障断路器(gfci)部件。可检测电弧特征，并且/或者此类部件的操作可有助于诊断电力系统操作、问题点和/或解释系统中特定位置的电路保护器跳闸事件。就可能由松动的端子连接引起的电弧放电而言，此类部件可检测并识别它们，同时提供增强的电路保护并避免或抑制电弧放电至低于足以引起点燃问题的水平。
[0140]
电力系统反馈传感器180中的装置100a、100b、100c和100d和/或其他装置的各种参数的检测和感测，结合起来提供系统冗余以有效地诊断问题或解决原本可能存在的歧义。
[0141]
例如，与其他类似定位的端子相比，比预期发热更多的端子可指示如上所述的松动连接。端子紧固件位置检测可以肯定地或否定地确认连接是否实际上是松动的，因此消除了识别松动端子的假阳性。如果端子没有松动但正在发热，则电压传感器和电流传感器可以肯定地或否定地确认过电流是否解释了端子温度。如果不存在过电流，则端子温度可由于不兼容的装置设置而升高，这可如上所述进行评估。如果装置设置不兼容，则布线载流量限制可能存在错误，这可通过其他装置的电压和电流读数来确认。此类分析可反复进行，直到得出结论，如果系统不能得出结论，则其可发送通知或警报，包括被检查以包含或排除可能的诊断的数据。
[0142]
可报告和存档分析和诊断以提供对装置100a、100b、100c和100d以及远程装置178的操作的宝贵见解，和/或对电力系统随时间推移的操作的见解，以用于故障排除和诊断目的。在诊断事件时，与传感器通信的装置100a、100b、100c和100d和/或远程装置178可另外随时间推移进行自学习，以便系统变得更加有效和可靠，以正确地推断操作状况，而不必详尽地考虑所有可能性。
[0143]
装置100a、100b、100c还可单独地和组合地感测如相间短路或相接地短路之类的事情。例如，如果维修人员在维修事件后以将一相接地或另一相短路的方式留下螺丝刀，则装置100中的传感器和智能可检测此类状况，并防止装置通电和任何产生的电弧放电事件。
[0144]
在另一方面，装置100a、100b、100c中的智能感测可单独地和组合地识别电力系统中的失相或相位不平衡，以及装置连接中的人为误差。例如，如果三极装置仅安装到电力系统的两个极，则装置100a、100b或100c可检测该状况并防止相应的装置通电，直到所有连接都正确完成。又如，智能感测可用于区分失相状况(例如，当正确连接的三相电源的三相中仅存在两相时)与其他状况(例如，连接第三相的前述误差)。
[0145]
在另一方面，装置100a、100b、100c可单独地和组合地感测与装置壳体相关的状态或状况，以确保满足某些要求，以便为装置通电或远程改变其状态。例如，装置100a、100b、100c可包括外围传感器，该外围传感器向设备反馈，以确保在装置100a、100b或100c被本地或远程操作之前，旁观者人员相对于装置100a、100b、100c中的一者或多者安全地定位。
[0146]
在另一方面，装置100a、100b、100c内的智能感测可扩展到使用中的每个装置100a、100b或100c的结构状况。例如，装置100a、100b、100c可包括应变仪、加速度计、压力传感器、化学传感器等，它们均可用于监测提供危险保护的装置100a、100b、100c的环境和/或结构完整性，从而确保装置100a、100b、100c在初始安装后很好地保持符合管理标准。
[0147]
图8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8所示，用户可在壳体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。
[0148]
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。
[0149]
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，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。
[0150]
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。
[0151]
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。
[0152]
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。
[0153]
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。
[0154]
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。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。
[0155]
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。
[0156]
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。
[0157]
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。
[0158]
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。
[0159]
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。
[0160]
装置100或300中的每一者都可安全地用于iec的1区或2区和nec的1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所述的关于布线限制和故障安全操作以及问题的智能诊断和管理的增强的安全特征部同样适用于装置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。因此，装置100或300有时被称为是防点燃的，并且因此消除了对单独提供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。
[0161]
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。
[0162]
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。主动冷却系统可由环境温度感测、布线限制或端子温度的评估等触发，如上所述。
[0163]
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。在这种情况下，电机电路保护可基于电机额定值(fla或可能仅型号，其将提供例如fla)和导线尺寸的输入来自动编程。
[0164]
虽然已经描述了组合电路保护器/电机起动器，但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。
[0165]
图13示出了可用合规的危险场所无弧电路保护装置诸如上述装置100和300检测和管理的各种不同电气负载的电源电压和电流波形特征的示例性波形。这种电流特征检测和管理可在装置100或300的控制中通过算法实现，以补充上文关于布线限制等的检测所述的特征部，并提供在危险环境中主动管理电力系统操作中的风险的进一步能力。
[0166]
在图13的顶部，示出了电压输入曲线510，其表示连接到装置100或300的线路侧端子的电源或线路侧电路。曲线510可被识别为对应于交流(ac)电源。在不存在预定过电流状况的情况下，装置100或300将电流传导到连接到装置100或300的负载侧端子的负载。然而，连接到同一装置100或300的不同负载汲取可彼此区分的不同电流。
[0167]
例如，波形520表示可由装置100或300保护的节能灯泡的示例性电流消耗，而波形
530表示可由装置100或300保护的具有常规镇流器的荧光灯的示例性电流消耗，并且波形540表示具有电子镇流器的荧光灯的示例性电流消耗。波形520、530和540彼此明显不同，提供了装置100或300识别特定类型的负载和负载随时间推移变化的能力。
[0168]
作为进一步的示例，波形550和560表示激光打印机在待机状态下和实际操作以打印文档时的示例性电流消耗。波形550和560彼此明显不同，从而提供了装置100或300识别连接的负载的状态(例如，待机或非待机)以及与负载的状态相关联的电流消耗随时间推移变化的能力。还可以看出，波形550和560与波形520、530和540明显不同。
[0169]
示例性波形570是波形520、530、540、550和560的总和。因此，波形570表示通过装置100或300受到保护并且同时从电源输入电压510汲取电流的多个负载。可以看出，波形570明显不同于单独的波形520、530、540、550和560，从而提供了装置100或300监测负载操作并检测负载操作随时间推移变化的能力。波形中的此类差异(单独地或总体地)呈现独特的识别特征，该识别特征允许装置100智能地自配置其自身，以利用连接的负载进行最佳操作。
[0170]
例如，对连接的负载的独特电流特征的检测可通知装置100或300与启动事件时的起动电流相关联，并且装置100或300可相应地自选择提供期望的电路保护的操作模式，同时耐受连接的负载的起动电流。独特特征可本地或远程地或经由装置控件的初始编程而被输入到装置100或300，以在检测到的负载被连接时允许装置的此类自动自配置。
[0171]
此类自配置性对于便携式电源应用可能是理想的，其中装置100或300可以是固定的，但连接的负载可随时间推移而变化。在设想的示例中，照明元件可暂时连接到装置100或300，并且在照明元件不再连接之后，另一负载诸如电机或一件焊接设备可暂时连接到装置100或300。在每种情况下，装置100或300可自动调整其时间
‑
电流特性，以优化其与检测到的负载的使用。除此之外或另选地，可在本地或远程进行输入选择，以将装置100或300设置为用于负载的期望设置，并且智能装置100或300可将任何输入设置与装置100或300可独立地验证并确认的负载的所检测特征进行比较。因此，可针对手动选择的装置设置和连接的负载中的任何不兼容性来检测和管理错误状况。检测到的错误状况的管理可包括拒绝用户选择的设置、生成通知或警报，或者装置100或300通过限制电流或采取其他期望的措施以确保危险场所中的安全而恢复到故障安全措施。
[0172]
可在装置100和300中检测到的负载的电流波形和特征的差异(单独地或总体地)进一步允许增强的智能和能力来监测装置100或300所连接到的较大电气系统。就检测到的独特电流特征的变化可能偏离连接的负载的正常预期特征而言，装置100或300可发起主动措施以避免不利后果。
[0173]
例如，可在装置100或300的控制中通过算法实现的此类主动措施可包括但不限于，向负责人员生成通知或警报以调查连接的负载的可能问题，限制通过装置100或300的电流以通过使一个或多个负载过热来降低危险场所中的点燃风险，完全停止流过装置100或300的电流，以及向上游或下游电路保护装置(其可包括附加装置100或300)传送或消息传递检测到的问题使得上游或下游装置本身可采取主动或纠正措施。特定装置100或300上游和下游的智能装置也可确认负载的工作温度和其他所关注参数低于危险场所的对应安全限制，并且通知和警报可根据需要升级或降级。
[0174]
另外，可经由智能装置100和300之间的通信来识别错误状况。例如，就串联连接的
装置100或300而言，如果上游装置指示有问题的负载侧特征，而下游装置没有，则可推断两个串联连接装置中的一个装置发生故障，并且可生成通知或警报以调查并采取纠正措施。上游装置和下游装置对检测到的状况的确认可确认每个装置的正确操作，而差异可揭示原本对于电力系统监管者而言不太明显的错误状况。因此，除了较大的电气系统之外，当前的特征检测和监测以及检测到的特征与由其他装置做出的特征的比较，可智能地用作对装置100或300本身的健康检查评估，以确保电力系统在危险场所的安全操作。级联的紧急关闭程序是可能的，具有预先警告的能力以管理危险场所的风险。
[0175]
图14示出了装置100或300的受保护负载电路中的示例性电流特征变化，其可被检测和管理以获得更多益处。具体地讲，图14示出了经过一段时间后的第一波形600和第二波形602。当负载随时间推移而工作时，电流特征可随着某些负载(例如，泵或电机)中的部件趋于在负载的工作寿命期间机械地和电气地磨损而改变。因此，检测到预定量的变化的装置100或300可在使用寿命结束时可能的设备故障之前向电力系统人员发起通知或警报。因此，考虑到装置100或300的监测和智能能力，主动管理电力系统以管理危险场所的点燃风险，以及避免由于可预知事件而导致的意外中断和系统停机是可能的。
[0176]
另外，检测到的负载的意外变化可在将负载连接到装置100或300时提供对用户错误的主动管理或响应。例如，在上述便携式电源应用场景中，用户可能无意中连接了与装置100或300不兼容或未经批准用于装置100或300的装置或负载。然后，装置100或300可采取故障安全操作模式或关闭程序以避免不利后果，以及提供通知或警报使得可移除不兼容或未经批准的装置。
[0177]
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。
[0178]
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。
[0179]
上述耐化学性和抗冲击性壳体构造、无弧操作、安全端子组件以及先进的智能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，以在没有单独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，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。
[0180]
同样，上述耐化学性和抗冲击性壳体构造、无弧开关操作、安全端子组件以及某些智能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段或2段危险场所以及iec的1
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，并智能检测布线限制和松动连接，以实现至少一些上述的益处。
[0181]
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段或2段或iec的1区或2区危险场所。
[0182]
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。
[0183]
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。
[0184]
已经公开了用于易爆环境的可配置和合规的电路保护系统的实施方案。系统包括：至少一个开关装置，所述至少一个开关装置包括壳体、线路侧端子和耦接到该壳体的负载侧端子；总线结构，该总线结构位于该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电弧方式操作以将该负载侧端子连接到该线路侧端子并且将该负载侧端子从该线路侧端子断开；以及控制器，该控制器被配置为：接收用于操作所述至少一个固态开关元件以保护所连接的电气负载的多个不同设置中的选定设置；以及确定所接收的设置是否超过易爆环境的布线限制；由此所述开关装置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。
[0185]
任选地，控制器被进一步配置为确定布线限制。控制器还可被配置为比较所接受的布线限制和所确定的布线限制。控制器可被配置为确定用于连接到线路侧端子和负载侧端子的线规。控制器被配置为根据紧固件的位置确定线规，该紧固件完成与线路侧端子或负载侧端子的连接。
[0186]
控制器可被配置为接受温度输入，并且基于该温度输入，该控制器被配置为确定是否已超过布线限制。控制器可被配置为响应于温度输入来操作至少一个固态开关元件，以将壳体的表面温度保持在或低于易爆环境的额定温度，从而防止壳体成为易爆环境中的点燃源。
[0187]
控制器可被配置为将所接受的设置传送给开关装置的网络中的至少一个其他开关装置。控制器可被配置为识别连接到线路侧端子或负载侧端子的布线中的错误，并且生成所识别错误的通知或警报。控制器可被配置为仅当不超过布线限制时接受所接收的设置，并且根据所接受的设置来控制所述至少一个固态开关元件。控制器可另选地被配置为当超过布线限制时拒绝所接收的设置，并提示选择多个设置中的替代设置。控制器可被配置为在所接收的设置超过布线限制时启用故障安全模式。
[0188]
控制器可被配置为检测至少一个连接的负载的独特电流特征，监测独特电流特征随时间推移的变化；以及基于所监测到的独特电流特征的变化来生成通知或警报。控制器可被配置为基于所检测到的独特电流特征自动选择多个不同设置中的一个设置。
[0189]
至少一个开关装置还可包括总线结构中的至少一个机械开关触点，其中壳体包括密封内部外壳，该密封内部外壳容纳所述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。所述至少一个固态开关元件可被封装。
[0190]
所述至少一个开关装置可被配置为固态断路器或可被配置为混合断路器。壳体可对危险场所中的元件具有化学抗性。
[0191]
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。