CN113508447A - 可配置的模块化危险场所合规电路保护装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供模块化电路保护装置和可配置配电板系统，该模块化电路保护装置和可配置配电板系统包括无弧操作、热管理特征，从而以较低的成本在危险环境中提供安全操作，并且不需要常规防爆外壳，也不需要串联连接的分开提供的封装件，诸如断路器装置和起动器电机接触器和控件。

Description

可配置的模块化危险场所合规电路保护装置、系统和方法

背景技术

本发明的领域整体涉及电路保护装置，并且更具体地涉及在危险场所具有增强的安全性、灵活性和功能性的危险环境合规电路保护装置的低成本、可配置的模块化具体实施。

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。对于此类装置，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。

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

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。

图1是根据本发明的第一示例性实施方案的合规危险场所无弧电路保护装置的透视图。

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。

图3是图1和图2所示的电路保护装置的框图。

图4是与单个机械开关装置结合的处于示例性固态构型的电路保护装置的第一简化示意图。

图5是与多个机械开关装置结合的处于示例性固态构型的电路保护装置的第二简化示意图。

图6示出用于图4所示的机械开关装置的示例性接线端子组件。

图7示出用于图4和图5所示的处于示例性固态构型的电路保护装置的示例性接线端子组件。

图8是包括如图6和图7所示的端子组件的配电板的第一局部前视图。

图9是安装有图6和图7所示的装置的图8所示的配电板的第二局部前视图。

图10是根据本发明的另一示例性实施方案的合规危险场所无弧电路保护装置的透视图。

图11是处于示例性混合构型的图10所示的电路保护装置的简化示意图。

图12是图10和图11所示的电路保护装置的框图。

图13概略地示出了图10至图12所示的电路保护装置的热管理特征。

图14示出了包括合规危险场所无弧电路保护装置的示例性配电板。

图15示出了根据本发明的另一示例性实施方案的可配置的合规危险场所无弧电路保护装置的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟过电流保护熔断器的时间-电流曲线。

图16示出了根据本发明的另一示例性实施方案的可配置的合规危险场所无弧电路保护装置的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟电机电路保护器的时间-电流曲线电路保护。

图17示出了根据本发明的另一示例性实施方案的可配置的合规危险场所无弧电路保护装置的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟电机电路保护器的热过载时间-电流曲线。

具体实施方式

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。

I.现有技术

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状况，增加了火灾或爆炸的风险。空气中的可燃气体、可燃蒸气或可燃粉尘或其它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，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火源。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。

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。

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。

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气的场所。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气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气可能存在或可频繁存在的场所，或者是与0区场所相邻的场所，具有可点燃浓度的蒸气可从0区场所传递而来。

由于电气装置(诸如下文所述的那些)在某些情况下可为点火源，通常会将防爆、阻燃或防点燃外壳提供在NEC的1段或2段场所和/或IEC的1区场所中，以容纳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，防爆或阻燃外壳必须相对于周围空气在安全温度下操作。

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。

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包括以下相关定义：

2.2.11

断路器

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]

2.2.9

开关(机械)

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]

注意，开关能够接通但不能断开短路电流。

2.2.1

开关装置

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]

注意，开关装置可执行这些操作中的一者或两者。

从上面的定义可以看出，如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，如IEC 2.2.11中定义的断路器可机械地断开短路状况，而如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。

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：

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。

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。

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。

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。

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”因此提供断开功能，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。

更具体地，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，当活动触点机械地移离静止触点(即，从闭合位置移至断开位置)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，可能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)继而可安装在单个大型防爆外壳中，而无需用于提供在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。

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，并因此造成点燃风险。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。

可用的防爆、阻燃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，但一般带来了附加成本，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。

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。

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。

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，松散的端子连接可导致端子位置处的过热和可能的点火源(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。

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。

II.用于危险场所合规的创造性无弧装置、系统和方法。

本文描述了电路保护装置的示例性实施方案，这些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区场所的适用标准提供了增强程度的安全性，而不一定需要分开提供防爆、阻燃或防点燃外壳。因此，并且经由消除这种分开提供的防爆、阻燃或防点燃外壳，本文所述的示例性电路保护装置可在电力系统中以降低的成本和在电气面板、控制中心等中以减少的空间量实现。本文所述的示例性电路保护装置可提供在模块化和可配置的系统中，该模块化和可配置的系统便于更经济地安装、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。

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装置的切换中具有无弧操作以通过固态开关装置连接或断开负载侧电路，结合有增强特征相以解决接线端子处的可能的点火源，和/或包括热管理特征以解决固态开关装置内部的导电元件的可能过热。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，并且因此使得常规防爆、阻燃或防点燃外壳对于某些应用来说可被去除。

在第二方面，示例性固态断路器装置还可被设置为模块化装置，从而促进经济且可配置的配电板系统，该配电板系统能够满足针对不同电力系统和电气负载的多种不同电路保护需求。模块化固态断路器装置可与模块化机械开关装置组合使用，以确保安全的开关操作并改善某些电气状况下的响应时间。每个模块化固态断路器装置可连接到模块化机械开关装置中的多于一个模块化机械开关装置，并且通过模块化机械开关装置的电流负载可在需要时跨模块化固态断路器装置共享，以确保模块化机械开关装置的安全操作。

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，并且可进一步与增强的特征结合，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点燃，以及解决连接端子处的可能的点燃源和/或包括热管理特征以避免混合装置中的导体的可能过热。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。

在第四方面，混合电路保护装置可被设置为模块化装置，以方便地安装在配电板上，同时节省空间。模块化装置还可被配置为具有额外的内置部件和功能，诸如集成到混合电路保护装置的控件中的电机起动器部件和相关联的功能，从而通过消除常规和串联连接的分开封装的断路器和电机起动器装置来实现额外的空间节省和成本。

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。

图1是根据本发明的第一示例性实施方案的合规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。

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。

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。

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。

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，鉴于在工业设施的整个范围内使用的不同腐蚀性或苛性化学品和物质的数量，仍然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，因此化学相容性测试可被认为是任选的。

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。

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。

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。

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。

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。热电设备也可与具有负载装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)。

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。

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界面输入到装置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。

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，拨动开关可模拟传统拨动开关以将状态改变为“通”或“断”，但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。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。

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，以用于与显示器116上呈现的提示或信息相关的用户输入。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。

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。

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，其中每对IGBT 142a和142b以及142c和142d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。

每个布置140a、140b和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为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。

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在电机起动完成之后响应过电流状况。然而，在其他应用中，变阻器144可被认为是任选的并且可被省略。

作为另一个热管理特征，每个布置140a、140b和140c中的固态开关装置(例如，IGBT)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。

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。

鉴于要使用装置100的危险环境，线路侧电缆和负载侧电缆与输入端子和输出端子的可靠端接是重要的，因为松散的连接可能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，输入端子和输出端子可从壳体102的外部触及。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散的任何趋势。然而，鉴于下文所述的一些装置智能和故障安全特征，此类锁定端子组件和弹簧偏置端子连接器在一些情况下可在NEC的2段场所或IEC的1区或2区场所中被视为任选的。

在NEC的1段场所中，输入端子和输出端子还可被包封在附加壳体部分中，以提供附加的安全保证。此类壳体部分可与壳体102分开提供，或者可作为壳体102的延伸部一体地形成，以将输入端子和输出端子与易爆环境隔离。在设想的实施方案中，可提供可移除的盖元件以访问输入端子和输出端子以及与壳体部分的外壳内部的输入端子和输出端子的完整电连接。可例如经由铠装电缆或电缆密封套来进一步建立线路侧和负载侧电缆连接，该铠装电缆或电缆密封套提供进入保护、密封和接地以使线路侧电缆或负载侧电缆安全地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。

壳体102可考虑到热管理问题进行设计和制造，以将表面温度保持低于NEC的1段场所中给定安装的适用极限，并且在一些实施方案中，壳体102可全部或部分地防爆，符合危险场所的适用标准，尽管与常规的较大且分开提供的防爆外壳相比，壳体相对较小且更经济，而常规的较大且分开提供的防爆外壳将通常包含整个电路保护装置。壳体102和限定于其中的任何外壳同样可包括真空室，或者可填充有介电流体、介电材料或惰性气体，以减少或阻碍端子/电缆接口处或壳体中的其他位置处的电弧放电。下文所述的装置智能和故障安全特征为解决危险场所中的点火源问题提供了额外的保证和安全性，并且可使得前述特征中的一些特征对于NEC的1段场所是任选的。

为了解决可能的静电荷积聚问题(其在NEC的1段场所引起可能的点火源)，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。

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。因此，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经由人使用的工具在易爆空气的存在下可能产生的火花或冲击，并导致点燃。

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、封装件或壳，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。

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。

在NEC的2段场所或IEC的1区场所中，装置100通常将由外壳保护，并且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的连接可以是也可以不是必需的或期望的，并且因此可被认为是任选的。然而，凭借装置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。

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)。

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。

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。

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。

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。

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停止电流。

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。

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，算法控制特征被编程并存储在装置存储器中。

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，以相对于任何特定装置100评估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。

虽然已描述了装置100的示例性架构，但应当理解，图3所示的某些元件可被认为是任选的，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。

图4是电路保护装置180的第一简化示意图，该电路保护装置处于示例性固态构型，与机械开关装置182结合，并完成将线路侧电源电路132和负载侧电路136以及相关联电气负载互连的相应电路路径。

装置180类似于上述装置100，并且因此包括壳体102及其上述特征。与被示出为具有穿过上述固态开关元件的三个可切换路径的三极电路保护装置的装置100不同，装置100为单极装置并且因此仅具有经由一个固态开关布置140的一个固态可切换路径。与装置100类似，装置180的特征在于壳体构造、热管理特征和无弧开关特征，以解决NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所中可能的点火问题，并且因此，装置180可用于NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所，而不需要常规提供的单独防爆外壳。

在图4的示例中，机械开关装置182还包括保护壳体186和由一组机械开关触点188限定的单个可切换路径。因此，机械开关装置182为单极开关装置，其在正常操作中可完成与例如装置182的负载侧上的仅单相电机的连接。在设想的实施方案中，考虑到上文针对装置100的壳体102所述的那些热问题，壳体186被设计和构造成具有类似的热问题，以避免由于装置182在操作中的表面温度过高而引起的点火问题。

另外，壳体186还可包括绝缘材料，并且可在壳体186中提供封装剂，并且壳体186中可包括外壳或腔室以将开关触点与周围环境物理隔离，使得如果在机械开关装置182断开和闭合时在开关触点处发生任何电弧放电，则不能点燃周围环境中的气体或蒸气。装置182还可包括气密密封的壳体构造、用于抑制电弧放电的任何趋势的真空室、或者填充有惰性气体等以尽可能最大程度地抑制或约束电弧放电和强度的真空室。鉴于壳体186的这种构造，机械开关装置182同样可安全地用于危险场所(诸如NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所)，而不需要常规提供的防爆外壳。

并联连接到机械开关装置182的固态开关装置180有益地减少了机械开关装置182的操作中的电弧放电问题，同时改善了对电力系统的某些操作状况的响应时间。在电力系统的正常操作中，机械开关装置182通常闭合以便为电气负载136供电。固态开关装置180在电力系统的正常操作中通常是断开的或不导电的，使得所有电流流过机械开关装置182。

在可通过上述传感器检测到的过流状况或电气故障状况下，控制固态开关装置180以接通固态开关从而传导电流，从而允许电流在并联电路路径中流向机械开关装置182。电流跨机械开关装置182和固态开关装置180分流，从而减小机械开关装置182上的电流负载。然后可断开装置182中的开关触点188，同时降低发生成问题的电弧放电的可能性。电流负载可降低到不足以在机械开关装置182的开关触点188处引起电弧放电的水平，或者电弧放电的强度降低到对操作中的机械开关装置182不构成点火问题的较低水平。

同样，在机械开关装置182在正常操作中的切换中，可预先控制固态开关装置180以接通和降低用于机械开关装置182的切换的电流负载，从而降低电弧放电的任何可能性，或降低电弧放电的强度。另选地，固态开关装置180中的传感器可在机械开关装置182断开时检测电流和电压状况，再次在并联电路路径中传导电流，并降低跨机械开关触点188的电流负载和电压以抑制或避免电弧放电状况。

图4示出了示例性混合电路保护装置的第一简化示意图，该示例性混合电路保护装置包括固态开关装置180和机械开关装置182的一对一相关性。固态开关装置180和机械开关装置182可以各种不同的组合和连接方案作为下文进一步描述的模块化装置提供。由于固态开关装置180往往比机械开关装置182贵得多，因此在不具有安全或电路保护性能的情况下，模块化装置180和182的低成本布置是可能的。

图5是示例性混合电路保护装置的第二简化示意图，该混合电路保护装置包括与多个机械开关装置182结合的固态开关装置180。机械开关装置182被布置成一对装置，每个装置分别限定线路侧电源132和负载侧电路136之间的可切换路径以及相应的电气负载，从而组合地限定两极开关装置，该两极开关装置在正常操作中可完成与例如装置182的负载侧上的仅两相电机的连接。

固态开关装置180并联连接到机械开关装置182中的每个械开关装置并且如上所述起作用。当控制接通和断开时，固态开关装置180要么不传导电流，要么跨机械开关装置182和固态开关装置180分流电流。电流可跨机械开关装置182和固态开关装置180中的仅一者共享，或可在机械开关装置182和固态开关装置180两者之间共享，这取决于通过这些装置完成的电功率的每个相应相的电路状况。

只要固态开关装置180能够安全地中断通过开关装置182连接的电力系统相中的每个电力系统相中的同时故障，则图5中的布置以比图4中所示的一对一布置更低的成本提供安全操作。当施加到两相负载时，一对一布置需要两个固态开关装置180和两个机械开关装置182。相比之下，图5中的布置与单个固态开关装置180相比是可操作的，同时仍提供相当的安全性和电路保护性能。再次考虑到固态开关装置180比机械开关装置182贵得多，图5中涉及一对机械开关装置182和单个固态开关装置180的布置代表显著的成本节约。另外，图5的布置可相对于诸如图4所示的另选的一对一布置以降低的热量操作。装置180和182可作为模块化装置提供，该模块化装置可根据需要或根据危险环境中的最终用途应用的需要互连(或不互连)。

图5的模块化布置可扩展为包括第三机械开关装置182以便为三相电气负载(诸如三相电机)供电。假设固态开关装置180可安全地处理三相中同时出现的故障，则可确保NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区应用的安全操作。因此，保护三相负载的三个机械开关装置182和单个固态开关装置180代表相对于使用包括三个固态开关布置的装置100(图1)而言显著的成本节约。在该上下文中，装置100是多极装置，但对于每个极具有图4所示的一对一布置。

可通过添加第四机械开关装置182来进一步扩展模块化布置以保护4相电机。如果单个固态开关装置180不能安全地处理所有四个相上的同时故障，则可提供第二固态开关装置180，同时仍然比包括三个固态开关装置180和三个机械开关装置182的一对一布置显著降低成本。

另一方面，可在其他应用中实现类似的布置和益处。例如，图5所示的双机械开关到一个固态开关布置可用于连接两个分立单极电路，同时安全地处理通过装置连接的每个分立单故障电路中的同时故障。

上文展示的模块化概念通常可扩展以适应尽可能多的或与实际一样多的机械开关装置182，结合最少数量的固态开关装置180，以尽可能降低成本，同时仍在NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所中提供安全操作和期望的电路保护。概括上述布置，对于具有n个相的电力系统，可提供n个机械开关装置182以便为期望的电气负载供电，同时连接到少于n个固态开关装置180以共享n个机械开关装置182中的所选择机械开关装置的电流负载。

模块化概念同样适用于多极开关装置。例如，三极电路保护装置100可连接到两个或更多个三极机械开关装置182，其具有与上述类似的效果和成本节约。在一些实施方案中，具有不同数量的开关极的装置的组合同样是可能的。例如，可通过并联连接到三极机械开关装置和单极机械开关装置的三极固态装置100和单极固态装置180来连接四相电气负载。同样可通过并联连接到一对两极机械开关装置的三极固态装置100和单极固态装置180来连接四相电气负载。就这一点而言，可使用具有不同数量的开关极的模块化装置来实现多个组合。

同样，多极开关装置不必与多相电力系统和多相负载一起使用。三相装置100可与三个机械开关装置结合使用，以便为三个单相负载供电。又如，三相装置100可与三个机械开关装置结合使用，以便为两相电机和例如单相负载(诸如风扇)供电，以在操作中冷却电机，同时为电机和风扇提供电路保护。就这一点而言，可使用具有不同数量的开关极的模块化装置来互连具有不同数量的相的电力系统和电气负载，从而实现多个组合。

图6示出了模块化机械开关装置182和端子组件，该端子组件便于方便地互连以实现上述模块化电路保护布置。在图6的示例中，端子柱或引脚188被示出为从装置壳体186的后侧突出。装置182的机械开关188(图4和图5)连接在机械开关装置182中的端子柱或引脚188之间。

端子190和192与装置182分开提供，并且分别包括孔194、196，这些孔接纳端子柱或引脚188。机械开关装置182的柱或引脚188以及端子190、192的孔194、196限定匹配的凸连接特征和凹连接结特征，以完成与装置182的机械开关188以及端子190、192的机械连接和电气连接以及通过它们的机械连接和电气连接，这些端子继而在各种不同的实施方案中通过配电板的总线结构或通过导线或电缆连接到线路侧电源132和负载侧电路136。

在图6的示例中，总线结构还可包括总线1连接198和总线2连接200，如图所示，这些连接分别限定配电板中的导电结构以用于连接到一个或多个固态开关装置180，从而实现上文在图4和图5中所述的电路布置。在设想的实施方案中，端子190、192可固定到配电板的总线结构，或者可固定在另一支撑结构上的适当位置，使得机械开关装置182可相对于端子190、192选择性地定位，使得可移除和替换机械开关装置182而不干扰端子190、192与线路侧电路和负载侧电路的连接。

图6所示的凸连接特征和凹连接特征仅为示例性的。虽然机械开关装置182被示出为具有凸连接器柱并且端子190、192被示出为具有凹孔194、196，但在另一实施方案中，这可有效地反转，以在端子上提供凸连接器并且在机械开关装置182上提供凹连接器。柱和孔的尺寸和形状同样可改变以限定接受/拒绝特征，从而确保仅相容装置可与相容端子一起使用，并且还确保单向安装，该单向安装防止无意中尝试安装具有反极性的机械开关装置182。凸连接器和凹连接器可被配置为提供彼此的本质安全的连接和断开，并且可被配置用于热交换插入和移除。机械开关装置182的方便、即插即用型安装和移除是可能的，同时确保装置在操作期间以及在模块化机械开关装置182的移除和替换中的安全性。可在端子188、190、192上或壳体186上设置锁定或闩锁特征，以固定机械开关装置182并确保高质量的电气连接。应当避免松散的端子连接，因为它们可在NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所中引起点火问题。

在设想的另选的实施方案中，凸耳端子等可内置于机械开关装置182的构造中，而不是与机械开关装置182分开提供。根据安装，包括内置端子的机械开关装置182可包括附加壳体特征以包封内置端子。可经由锁定特征、弹簧偏置特征和连接器建立与内置端子的安全的导线或电缆连接，以确保与电缆或接线的高质量电气互连，同时确保易爆环境的足够程度的安全性。

机械开关装置182在图6中示出为连接到外部控制器202。控制器202可编程为经由机械开关装置182根据所选择的或预定的时间-电流曲线来提供自动电路保护。在装置182中已提供了内部控制器的情况下，控制器202可以是任选的并且不需要提供。内部控制器或外部控制器可有益地实现装置182的远程操作。

图7示出了示例性模块化固态开关装置180和端子组件，其便于方便的互连，以实现上文结合模块化机械开关装置282(图6)所述的模块化电路保护布置。

模块化固态开关装置180包括端子柱或引脚220，该端子柱或引脚如图所示从装置壳体102的后侧突出。分开提供的端子220和224包括孔226、228，这些孔接纳模块化固态开关装置180的端子柱或引脚220。柱或引脚220和端子孔226、228限定凸连接特征和凹连接特征，以完成与装置280和端子222、224中的固态开关元件的机械连接和电连接以及通过它们的机械连接和电连接，这些端子继而连接到总线1连接198和总线2连接200(也在图6中示出)，这些连接限定配电板中的导电结构以用于与机械开关装置182并联地连接到线路132和负载136。在设想的实施方案中，端子220、222可固定到总线结构，或者可固定在另一支撑结构上的适当位置，其中导线或电缆连接在适当位置，使得可移除和更换固态开关装置180，而不干扰与线路侧电路和负载侧电路的连接。上文关于上上述机械开关装置182所述的另选的端子结构同样是可能的。

图7所示的凸连接特征和凹连接特征仅为示例性的。虽然固态开关装置180被示出为具有凸连接器柱或引脚，并且端子220、222被示出为具有凹孔226、228，但在另一实施方案中，这可有效地反转，以在端子上提供凸连接器并且在固态开关装置180上提供凹连接器。柱和孔的尺寸和形状可同样变化以限定接受/拒绝特征，从而确保仅相容装置可与相容端子一起使用，并且还确保单向安装，该单向安装防止无意中尝试安装具有反极性的固态开关装置180。凸连接器和凹连接器可被配置为提供彼此的本质安全的连接和断开，并且可被配置用于热交换插入和移除。固态开关装置180的方便、即插即用型安装和移除是可能的，同时确保安全性。可在端子220、222、224上或在壳体102上设置锁定或闩锁特征，以固定固态开关装置180并确保高质量的电气连接。应当避免松散的端子连接，因为它们可在NEC的1段或2段场所或IEC的1区或2区场所中引起点火问题。

在设想的实施方案中，固态开关装置180的凸端子连接特征和凹端子连接特征与机械开关装置182的凸端子连接特征和凹端子连接特征不同，以避免在安装中可能发生的人为误差。例如，装置180后侧的端子柱或引脚220的横向和纵向间距或定位可与装置182的端子柱或引脚的横向和纵向间距或定位不同，以限定接受/拒绝特征，从而允许将每个装置180、182安装在适当位置，同时拒绝将它们安装在不正确位置的任何尝试。因此，机械开关装置182不能被无意地安装在固态开关装置180的位置，反之亦然。装置180、182的组合的正确操作取决于它们正确地连接到图6和图7所示的相应端子，以实现图4和图5所示的布置。

固态开关装置180在图7中示出为连接到外部控制器202。控制器202可编程为经由固态开关装置180提供对输入时间-电流曲线进行操作的自动电路保护。在固态开关装置180中已提供了内部控制器的情况下，控制器202可以是任选的并且不需要提供。内部控制器或外部控制器可有益地实现装置180的远程操作。

比较图7和图8，控制器202彼此连接，并且因此可协调每个装置180、182相对于彼此的操作，以及确保在每个装置中选择或实现相容的时间-电流特性，以避免可能的误操作或经由每个装置中的不匹配的时间-电流特性无意中使使用中的期望电路保护失效。

例如，额定安培容量为100A(或根据100A用户选择的设置操作)的固态装置180与额定安培容量为50A(或根据50A用户选择的设置操作)的机械开关装置182的组合可在需要时损害预期负载电流共享，从而影响预期的电路保护，根据每个装置的特定时间-电流特性，可能使负载电流共享完全无效。同样，额定安培容量为50A(或根据50A用户选择的设置操作)的固态装置180与额定安培容量为100A(或根据100A用户选择的设置操作)的机械开关装置182的组合可能不会在实际需要时产生所需负载电流的共享量。

同样，就装置可包括相冲突的过载设置而言，可导致与负载电流共享不相关的误操作。例如，如果机械开关装置182的额定值远低于固态开关装置180(或如果其所选设置远低于固态开关)，则机械开关装置182可对实际没有问题的当前状况过于敏感，因此将不必要地或以用户或安装者无意的方式打开和断开负载。

因此，控制器122可比较和评估装置额定值和/或所选择的设置，以检测不相容装置和装置的设置，拒绝不相容设置，提示用户相容装置选择和/或生成通知或警示，同时采取故障安全措施，诸如自动将输入设置调整到确保电路保护和装置安全操作的最近相容设置。另选地，控制器202可接受或检测用户设置输入，对它们进行评估以识别任何不相容性，并且相应地指示每个装置180和182中的相应控制器关于每个装置180、182的最佳和协调的时间-电流特性，该最佳和协调的时间-电流特性确保期望的安全性而不损害电路保护。

图8是示例性配电板250的第一局部前视图，该示例性配电板包括一组端子222、224和多组端子190、192。在所示的示例中，在配电板250上在所示配电板的区域中安装有一组端子222、224和三组端子190、192。该组端子222、224被定位成接纳固态开关装置182的端子柱或引脚220(图7)。每组端子190、192被定位成接纳相应机械开关装置182的端子柱或引脚188(图6)。图9中示出了装置180、182到对应端子224、224、190、192的安装。固态开关装置180由机械开关装置182中的每个机械开关装置根据上述模块化电路布置概念通过配电板250的总线结构共享，以将固态开关装置180并联连接到机械开关装置182，从而实现所述负载电流共享。

控制器202可远离配电板250定位，或者可安装在配电板250上。使用控制器202，面板中的机械开关装置182和/或固态开关装置180的跳闸设置可针对特定安装和针对特定负载而变化。同样，面板250的总线结构可配置为经由软件或硬件实现以将机械开关装置182和固态开关装置180以期望的电路布置(包括但不限于上文所述的那些)互连。在设想的实施方案中，配电板400可以是具有多个可编程信道的单个集成电路装置，以容纳单极电路、两极电路和三极电路的期望组合。因此，并且在图9所示的示例中，三个机械开关装置182可被配置成为以下各项供电：三相电气负载，该三相电气负载使用所有三个机械开关装置182；两相电气负载，该两相电气负载仅包括两个机械开关装置182；或三个单相负载，该三个单相负载通过三个机械开关装置182中的相应机械开关装置连接。使用如上所述的模块化装置、模块化总线可配置性以及可编程的控件和电路布置，配电板250的相当大的变型对于特定最终用途是可能的，而不必提供配电板和装置或定制配电板和装置的不同版本来满足本领域中的广泛应用。

在设想的实施方案中，配电板250可在不需要常规防爆外壳的情况下安全地操作，因此降低了成本并简化了位于配电板上的装置的维护问题。

图10是根据本发明的另一示例性实施方案的合规危险环境无弧电路保护装置300的透视图。电路保护装置300包括上文关于装置100所述的壳体102，但省略了装置100的数字显示器116(图1)。如图10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。

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。

图11是处于示例性混合构型的电路保护装置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、导管或导线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装备，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。如上面所讨论的，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存在点燃风险。

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。

图12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。当预期到预定过电流时，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。

另外，装置300还包括壳体102内部的电机起动和电机过载部件314。装置中的传感器和装置300中的处理器150实现常规和分开提供的电机起动器部件的传感器反馈和功能，从而以已知的方式控制电机操作。电机控制操作包括在电机操作时对电机起动事件(包括但不限于所谓的软起动事件)、电机停止和反转事件、电机过载事件和功率损失事件的控制。此类电机控制部件和功能旨在在特定操作状况下保护电机并提供电机的安全操作，这些特定操作状况可与或可不与电力系统本身中的过电流或电气故障状况相关。在装置300中提供的传感器和智能可考虑并允许预定极限内的电机浪涌电流和其他电气状况，否则从不考虑电机控制的独特需求的更简单的电路保护角度来看，这些预定极限可能被认为是不期望的。

虽然描述了电机起动器和过载部件314，但装置300中的其他双用途或双功能集成同样是可能的，这同样将通过减少电力系统中需要获取、安装和维修的装置以及与所需装置相关联的常规防爆外壳的数量来进一步降低安装和维修电力系统的成本。

因此，混合装置300(其包括足够的壳体结构、机械断路器和固态开关以增强危险环境中的电路保护能力和安全操作，以及电机起动器部件)在不需要防爆外壳的单个封装件中经济地提供。可经济地提供装置300，代替彼此串联连接的分开提供的断路器、接触器和电机起动器部件的常规布置，并且通常设置有常规防爆外壳以便在NEC的2段或1段场所或IEC的1区或2区场所中实现安全。装置300可以包括上述端子结构和组件的模块化形式提供，并且可在可配置的配电板安装中布置和控制以便为期望数量的电机供电。

装置300可同样连接到电接地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。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。

虽然已经描述了装置300的示例性架构，但是应当理解，图12所示的某些元件可被认为是任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。

图13概略地示出了图10至图12所示的电路保护装置的热管理特征。虽然如上所述，混合装置300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。

如图13所示，除了上文针对图9和装置100所述的热管理特征之外，装置300还包括附加特征，以确保在机械开关触点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危险场所造成点燃的水平。图13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。

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进入装置壳体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。壳体102的外壳构造内的外壳容纳上述其他热管理特征，同时解决危险场所中的机械开关触点的额外问题。

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。封装材料和填充材料可提供在次级外壳322a、322b、322c的内表面和外表面上，以在热性能方面提供进一步的变化，同样，在不妨碍开关触点的运动路径或其运动能力的情况下，确保在手动致动以有利于电力系统的维修时或在自动致动以保护通过装置100连接的电气负载时的可靠断开功能。

装置100或300中的任一装置可安全地用于IEC的1区或2区或NEC的1段或2段危险场所，而无需常规的分开提供的防爆外壳。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和300防止了通常存在防爆外壳以安全地控制的可能爆炸。因此，装置100和300可在危险场所安全地操作，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。

图14示出了包括合规危险场所无弧电路保护装置的示例性配电板400，这些无弧电路保护装置包括被布置为两列装置的装置402、404的阵列，其中装置402、404并排定位在每列中。每列中的装置402、404可包括上述装置100、180、182和/或300，并且装置402、404可以不同的额定值表示，不同的额定值为面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。

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。

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。

图15至图17示出了上述装置100、180、182、300、402和404在单个装置封装中提供不同和/或替代类型的电路保护的双功能能力，这除了消除以其他方式常规提供的防爆外壳之外，还可在危险场所实现成本降低和空间节省。

图15示出了可配置的合规危险场所无弧电路保护装置(诸如上述装置100、180、182、300、402和404中的一个装置)的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟过电流保护熔断器的时间-电流曲线以在某些安装中实现期望的目标。

如图15的示例所示，有时需要组合不同类型的电路保护器来保护某些电气负载，并且需要协调不同电路保护器的时间-电流响应特性来实现最佳的电路保护。例如，三个时间-电流曲线在图15中被示出为450、460、470，它们可分别以不同的电路保护器实现，以提供电路保护器本身没有一个能够分开提供的增强的电路保护特性。

时间-电流曲线450表示断路器的电子跳闸曲线的时间-电流响应曲线，该时间-电流响应曲线可编程到装置100、180、182、300、402和404中的一个装置中，或者可在分开提供的且另外常规的断路器中实现，该断路器具有电子跳闸单元以在由时间-电流曲线450表示的预定时间-电流状况下中断流过断路器的电流。时间-电流曲线450能够根据上文提及的“断路器”的定义在所谓的“长时间”、“短时间”和“瞬时”过电流状况下提供预定的电路中断，这与具有比断路器更有限范围的过电流电路保护能力的更通用开关装置相反。

时间-电流曲线460表示热磁断路器的时间电流响应曲线，该时间电流响应曲线同样在所谓的“长时间”、“短时间”和“瞬时”过电流状况下提供预定的电路中断。在图15的示例中，时间-电流曲线460位于时间-电流曲线450的外部和右侧。因此，当具有时间-电流曲线460的装置与具有时间-电流曲线450的装置串联连接时，装置的时间-电流特性将不会彼此冲突，并且装置中的一个装置不会发生误跳闸。在所示的示例中，在具有时间-电流曲线450的装置之前，具有时间-电流曲线460的装置永远不会断开电路。

凭借装置100、180、182、300、402和404的时间-电流响应的可编程的可配置性，这些装置中的每个装置均可被选择性地配置和用于实现时间-电流曲线450或460并且在危险场所安全地操作，而不需要分开提供的防爆外壳。即，两个此类装置100、180、182、300、402和404可彼此串联连接，并且分别根据不同的时间-电流曲线进行操作，以实现与不同电路保护器以防点燃方式的常规协调类似的效果，以便在危险场所安全使用。可本地地或远程地选择针对特定时间-电流曲线(其可类似于或不同于示例性时间-电流曲线450或460)的设置和输入，以便以期望的方式操作装置100、180、182、300、402和404。

同样，装置100、180、182、300、402和404可连接到常规断路器装置，其中这些装置中的每个装置分别实现时间-电流曲线450或460中的一个时间-电流曲线，以实现所示断路器装置的组合中的协调。此类常规断路器装置可包封在危险场所中的分开提供的防爆外壳中，但装置100、180、182、300、402和404不需要。因此，装置100、180、182、300、402和404可以改型方式与常规非合规装置结合安装在现有电力系统中以便在危险场所中使用，并且因此需要单独的防爆外壳。

图15所示的时间-电流曲线470表示可与具有时间-电流曲线450和/或460的装置结合使用的过电流保护熔断器的时间-电流响应曲线。与断路器时间-电流曲线450、460(其如图所示固有地不连续以便提供不同的所谓“长时间”、“短时间”和“瞬时”特性断路器保护)不同，熔断器的时间-电流曲线470是连续的，并且也位于时间-电流曲线460的外部和右侧。因此，当具有时间-电流曲线470的装置与具有时间-电流曲线460的装置串联连接时，装置的时间-电流特性将不冲突，并且装置中的一个装置不会发生误断开。在所示的示例中，在具有时间-电流曲线460的装置之前，具有时间-电流曲线470的装置永远不会断开电路。

凭借装置100、180、182、300、402和404的时间-电流响应的可编程的可配置性，这些装置可各自被选择性地配置和用于实现时间-电流曲线470或460并且在危险场所安全地操作，而不需要分开提供的防爆外壳。即，装置100、180、182、300、402和404中的每一者可被配置用于展示断路器的电路保护特性(例如，经由示例性曲线450和460)或展示熔断器的电路保护特性(例如，经由示例性曲线470)。因此，两个此类装置100、180、182、300、402和404可与分别实现时间-电流曲线470或460的每个装置串联连接，以实现所示断路器装置的组合中的协调。可本地地或远程地选择针对特定时间-电流曲线(其可类似于或不同于示例性时间-电流曲线470、460或450)的设置和输入，以便以期望的方式操作装置100、180、182、300、402和404。

另外，时间-电流曲线470可在装置100、180、182、300、402和404中的一个装置中实现，并且时间-电流曲线460可在常规断路器装置中实现，该常规断路器装置将需要包封在分开提供的防爆外壳中以在危险场所中使用，或者可在常规过电流保护熔断器中实现，该常规过电流保护熔断器可能需要分开提供的防爆外壳。

当装置100、180、182、300、402或404被实现为实现时间-电流曲线470时，装置100、180、182、300、402或404通过在与熔断器原本大致相同的时间-电流状况下跳闸断开而模拟过电流保护熔断器的期望电路保护性能，同时仍提供可方便地复位的装置以恢复受影响电路的完整操作。然而，应当认识到，在某些安装和某些电路状况下，由于熔断器和断路器中断电流方式的根本差异，实际过电流保护熔断器将固有地比某些类型的断路器更快地响应短路状况，并且熔断器的较快响应时间是期望协调时间-电流曲线470和460或450的主要原因。尽管如此，在一些情况下，装置100、180、182、300、402或404对熔断器的模拟可提供可熔性电路保护的大部分有益效果，而无需在短路事件之后定位替换熔断器以恢复被保护电路，这在实际过电流保护熔断器被提供用于类似目的时将是所需的。

图16示出了根据本发明的另一示例性实施方案的可配置的合规危险场所无弧电路保护装置的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟电机电路保护器的时间-电流曲线电路保护。如图16所示，装置100、180、182、300、402或404以编程方式配置为展示时间-电流曲线500，该时间-电流曲线位于在502处针对电机开始事件表示的峰值浪涌电流曲线的外部并且恰好在右侧。因此，并且凭借时间-电流曲线500，装置100、180、182、300、402或404将不响应于电机起动的浪涌电流而跳闸断开。因此避免了装置100、180、182、300、402或404的误跳闸，而另外为非电机起始过电流状况提供了电路保护。

装置100、180、182、300、402或404的可配置的可编程性可以单个装置适应不同电机应用的各种不同浪涌电流，该单个装置可普遍用于不同类型的电机。另外，时间-电流曲线502在图16中以几乎与峰值浪涌电流重合的最小设置示出，而装置的可配置的可编程性同样可很容易允许时间-电流曲线502进一步向右偏移，并且因此比图16所示在浪涌电流之外操作得更远。可本地地或远程地选择可相对于特定浪涌电流曲线而选择的特定时间-电流曲线的设置和输入，以便以期望的方式操作装置100、180、182、300、402和404。

图17示出了根据本发明的另一示例性实施方案的可配置的合规危险场所无弧电路保护装置的示例性时间-电流曲线，该示例性时间-电流曲线被配置为模拟电机电路保护器的热过载时间-电流曲线。在图17的示例中，三个时间-电流曲线被示出为520、522、524，它们组合地提供电路保护器本身没有一个能够分开提供来为电机提供电路保护的增强的电路保护特性。

时间-电流曲线520是断路器的时间-电流曲线，其可在上述可配置装置100、180、182、300、402或404中的一个可配置装置中以编程方式实现。

图17中的时间-电流曲线520的左侧是时间-电流曲线522，该时间-电流曲线通常由与具有时间-电流曲线520的串联连接的断路器装置结合提供的热过载继电器实现。因此，过载曲线522将在时间-电流曲线520之前首先对过载状况作出响应。

图17中的时间-电流曲线520的右侧是电机损坏曲线524，该电机损坏曲线表示阈值时间-电流状况，如果超过阈值时间-电流状况，将导致对电机接线或电机本身中的其他部件的损坏。断路器的时间-电流曲线520(其可在可配置装置100、180、182、300、402或404中的一个可配置装置中实现)通过确保流向电机的电流始终保持低于电机损坏曲线524来保护电机。

可配置装置100、180、182、300、402或404的灵活性允许它们结合有过载曲线522的电路保护，使得可消除热继电器，同时提供与常规串联连接的继电器和断路器相当的电路保护。

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、固态开关元件的不同布置来构造，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。

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。

上述原理可很容易应用于实现电路保护装置，这些电路保护装置并非断路器装置，但仍然防点燃，以在IEC的1区或和NEC的2段危险场所中使用，而无需单独的防爆外壳。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。应用上述无弧操作、热管理特征和模块化概念，可很容易将固态可熔开关断路装置或混合可熔开关断路装置构造成具有类似的有益效果，但提供不同程度的电路保护。

同样，上述无弧操作、安全端子组件和热管理装置可很容易应用于实现开关装置，这些开关装置本身不提供电路保护，但仍然防点燃，以在IEC的1区或2区场所以及NEC的1段和2段危险场所中使用，而无需单独的防爆外壳。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。应用上述无弧操作、热管理特征和模块化概念，可很容易将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构造成具有与上述那些相似的有益效果。

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在IEC的1区或2区或NEC的1段或2段危险场所中使用。

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。

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。

已公开了一种用于危险环境的可配置的模块化危险场所合规电路保护系统的实施方案。该系统包括：至少一个模块化开关装置，该至少一个模块化开关装置具有壳体；线路侧端子和负载侧端子，该线路侧端子和负载侧端子联接到壳体；和固态开关元件，该固态开关元件可以无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连接。该系统还包括控制器，该控制器被配置为操作固态开关元件以与至少一个机械开关装置共享电流负载，从而将电弧能限制到低于在危险场所中引起点火问题的水平，由此至少一个模块化开关装置和至少一个机械开关装置各自是合规的以便在易爆环境中使用，而不需要分开提供的防爆外壳。

任选地，该系统可与至少一个机械开关装置组合，并且至少一个机械开关装置可提供在与至少一个模块化开关装置分开的模块化封装件中。至少一个模块化开关装置可为单极装置，并且至少一个机械开关装置也可为单极装置。机械开关装置的数量可大于系统中模块化开关装置的数量。

作为另外的选择，至少一个模块化开关装置可包括线路端子和负载端子，该线路端子和负载端子被配置用于插入式连接到分开提供的线路端子和负载端子。至少一个模块化开关装置的端子可为用于与分开提供的端子插入式连接的柱或端子。线路侧端子和负载侧端子以及分开提供的线路端子和负载端子可组合配置为拒绝连接非相容装置。线路侧端子和负载侧端子以及分开提供的线路侧端子和负载侧端子被组合配置为允许至少一个模块化开关装置仅以适当的极性连接。分开提供的线路侧端子和负载侧端子可提供在配电板组件上。

控制器可任选地与至少一个模块化开关装置分开提供。至少一个模块化开关装置和至少一个机械开关装置可各自被配置为断路器。至少一个模块化开关装置可配置为模拟过电流保护熔断器的电路保护，可配置为使其时间-电流曲线与单独的电路保护器协调，和/或可配置为使其时间-电流曲线与电负载的浪涌电流协调。至少一个模块化开关装置同样可配置为模拟热电机保护器的电路保护曲线和/或与电机损坏曲线协调。

固态开关元件可被封装。至少一个机械开关装置可被密封以防止可点燃元素进入危险场所。至少一个机械开关装置可被真空密封或可填充有介电材料、介电流体、灌封材料或沙土以在固态开关元件的操作中容纳、吸收或耗散热量和能量，从而确保机械开关装置的表面温度将保持低于危险环境的所选择的目标温度。

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。

Claims (20)

1.一种用于危险环境的可配置的模块化危险场所合规电路保护系统，所述系统包括：

至少一个模块化开关装置，所述至少一个模块化开关装置包括：

外壳；

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；

固态开关元件，所述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；以及

控制器，所述控制器被配置为操作所述固态开关元件以与至少一个机械开关装置共享电流负载，从而将电弧能限制到低于在所述危险场所中引起点火问题的水平：

由此所述至少一个模块化开关装置和所述至少一个机械开关装置各自是合规的以便在易爆环境中使用，而不需要分开提供的防爆外壳。

2.根据权利要求1所述的系统，与所述至少一个机械开关装置结合，所述至少一个机械开关装置提供在与所述至少一个模块化开关装置分开的模块化封装件中。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置为单极装置。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述至少一个机械开关装置为单极装置。

5.根据权利要求4所述的系统，其中机械开关装置的数量大于模块化开关装置的数量。

6.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置包括线路端子和负载端子，所述线路端子和所述负载端子被配置用于插入式连接到分开提供的线路端子和负载端子。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置的所述线路侧端子和所述负载侧端子为用于与所述分开提供的端子插入式连接的柱或端子。

8.根据权利要求6所述的系统，其中所述线路侧端子和所述负载侧端子以及所述分开提供的线路端子和负载端子被组合配置为拒绝连接非相容装置。

9.根据权利要求6所述的系统，其中所述线路侧端子和所述负载侧端子以及所述分开提供的线路端子和负载端子被组合配置为允许所述至少一个模块化开关装置仅以适当的极性连接。

10.根据权利要求6所述的系统，其中所述分开提供的线路端子和负载端子被提供在配电板组件上。

11.根据权利要求1所述的系统，其中所述控制器与所述至少一个模块化开关装置分开提供。

12.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置和所述至少一个机械开关装置各自被配置为断路器。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置能够配置为模拟过电流保护熔断器的电路保护。

14.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置能够配置为使其时间-电流曲线与单独的电路保护器协调。

15.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置能够配置为使其时间-电流曲线与电负载的浪涌电流协调。

16.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置能够配置为模拟热电机保护器的电路保护曲线。

17.根据权利要求12所述的系统，其中所述至少一个模块化开关装置能够配置为与电机损坏曲线协调。

18.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一个机械开关装置被密封以防止可点燃元素进入所述危险场所。

19.根据权利要求18所述的系统，其中所述至少一个机械开关装置被真空密封。

20.根据权利要求18所述的系统，其中所述至少一个机械开关装置填充有介电材料、介电流体、灌封材料或沙土以在所述固态开关元件的操作中容纳、吸收或耗散热量和能量，从而确保所述机械开关装置的表面温度将保持低于所述危险环境的所选择的目标温度。

Images