CN113811972A - 合规的危险环境电路保护装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固态电路保护装置和一种混合电路保护装置，该固态电路保护装置和混合电路保护装置包括改进的无弧开关能力和过电流保护、改进的端子组件以及改进的热管理特征部，它们减少或消除了危险环境的点燃源。该固态电路保护装置和混合电路保护装置是防点燃的并避免可能的爆炸，因此消除了对常规防爆外壳的需要，以确保电力系统在危险场所中安全操作。

Description

合规的危险环境电路保护装置、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，并且更具体地涉及符合或超过在危险环境中操作的适用标准和要求的合规电路保护装置。

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。利用此类装置，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并且用于将负载侧电气设备与线路侧电源电路电隔离的不同的能力，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。

虽然存在满足许多电气系统的需要的已知的电路保护器断路装置，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

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的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是用于图1至图3所示的电路保护装置的第一示例性端子组件的剖视图。

图5是用于图1至图3所示的电路保护装置的第二示例性端子组件的剖视图。

图6是用于图1至图3所示的电路保护装置的第三示例性端子组件的剖视图。

图7是用于图1至图3所示的电路保护装置的第四示例性端子组件的剖视图。

图8是用于图1至图3所示的电路保护装置的第五示例性端子组件的透视图。

图9概略地示出了用于图1至图3所示的电路保护装置的示例性热管理特征部。

图10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。

图11是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概略地示出了用于图10至图12所示的电路保护装置的热管理特征部。

图14示出了包括合规的危险场所无弧电路保护装置的示例性配电板。

图15是用于具有混合构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。

图16是用于根据本发明实施方案的电路保护装置的另选的固态开关装置布置。

图17是用于具有图16所示的混合构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。

图18是用于具有固态构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。

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。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，其中周围环境中的持续或不稳定状况可能存在并可能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它易燃物质的偶尔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危险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，美国保险商实验室(Underwriter’s Laboratories，UL)标准UL1203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。结合适当的防爆和防粉尘燃烧壳体，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UL1203标准的任何其他市场的能力的一个重要方面。

美国国家电气规范(NEC)第500条阐述了危险场所编码系统，并且NEC通常按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级场所是由于易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。I级，2段涵盖可燃气体、蒸气或挥发性液体在封闭系统中处理或限制在合适的外壳内的场所，或者通常通过积极的机械通风来防止危险浓度的场所。气体可能偶尔流入其中的与1段场所相邻的区域也属于2段。对于其余的级，NEC中定义了类似的段。

同样地，国际电工委员会(IEC)将危险场所分类为0区、1区或2区，其代表空气中承载有或可能承载有量足以产生易爆或可点燃的混合物的可燃气体或蒸汽的场所。如IEC的定义，0区场所是指在正常操作条件下可能存在可点燃浓度的可燃气体或蒸汽的场所；或由于修理或维护操作或由于泄漏，可点燃浓度的可燃气体或蒸气可频繁存在的场所；或操作设备或执行工艺的场所，其性质使得设备故障或错误操作可能导致可点燃浓度的可燃气体或蒸汽的释放，并且还可能导致一种模式下的电气设备同时发生故障，从而使电气设备成为点燃源；或与1区场所相邻，可点燃浓度的蒸气可从1区场所传来的场所。

尽管表述有所不同，然而在实际的危险环境评估中，IEC的1区和NEC的2段通常涵盖共同的场所。鉴于现代环境法规以及1段和0区应用的集中性质，大多数危险设备，特别是电力系统的开关装置产品，被安装用在2段或1区(或2区)的区域。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、防火或防点燃外壳设置在NEC的2段场所和/或IEC的1区场所中，以容纳否则将可能造成点燃风险的电气装置。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，防爆或防火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包括下列相关定义：

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，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。

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。

与上文所描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)。IEC2.2.1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仍可能存在点燃风险。

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(例如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。至少由于这个原因，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，或者相反，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段或2段场所或IEC的1区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、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区场所中的机械开关装置安全地操作，但通常会带来附加成本，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，但是仍然可能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2段场所或IEC的1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2段场所或IEC的1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2段场所或IEC的1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2段场所或IEC的1区场所的适用标准提供了增强程度的安全性，而不一定需要单独的防爆、防火或防点燃外壳。这样，并且由于消除了单独提供的防火或防点燃外壳，本文所述的示例性电路保护装置降低了电力系统的安装成本，节省了配电板、控制中心等中的宝贵空间，并且使电力系统的维护和监测更有效。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。该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，结合有用于解决连接端子处可能的点燃源的增强的特征部，和/或包括用于解决固态开关装置中导体的潜在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2段场所或IEC的1区场所的危险场所标准，并且因此使得常规防爆、防火或防点燃外壳对于某些应用来说可被去除。

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，并且该混合电路保护装置还可以结合有增强的特征部，用以将机械开关触点之间的电弧与周围环境隔离从而防止点燃，以及解决连接端子处可能的点燃源和/或包括用于避免混合装置内部的导电元件的可能过热的热管理特征部。因此，与常规混合电路保护装置不同，此类混合电路保护装置符合适用于NEC的2段场所或IEC的1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。

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，并且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2段场所或IEC的1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2段场所或IEC的1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是根据第一示例性实施方案的合规的危险环境无弧电路保护装置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。

显示器116可以是多功能显示器，并且因此可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，以相对于显示器与用户进行交互。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”，但是这样做时没有任何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。

另选地，可将通/断特征部内置到显示器116中以便于用户/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。

横向侧面108、110各自包括连接凹陷部118、120、122，以实现到线路侧电路和负载侧电路的相应连接。在示例性实施方案中，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，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。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。

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，每个输出端子实现到负载侧电路136的连接，该负载侧电路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。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、144d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。

每个布置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，从每个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-发射极电压选择性地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。

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。这意味着在正常条件下，变阻器的高阻抗导致所有电流流过IGBT。然而，随着出现过电压状况时，变阻器从高阻抗模式切换到低阻抗模式，并且使过电压感应电流远离IGBT向负载侧电路136分流或转移。随着过电压状况减弱，变阻器可返回到高阻抗模式。变阻器有利地使得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。

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可能的点燃源。

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-电流曲线或跳闸特征部。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装置162，从而停止传导电流以保护负载侧电路免受破坏性电流的影响。在一些实施方案中，跳闸单元160使得用户能够选择用于跳闸单元160的操作的设置，并在预定限度内改变装置100的时间-电流响应。在一个示例中，用户可以在从50A到100A的值下选择装置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-电流曲线或时间-电流特征部。

检测到的电压同样可被监测并用作作出控制决策的基础，控制决策诸如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。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危险场所中的气载气体、蒸气或物质的接近200℉的温度时，处理器150可操作固态开关162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。

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。

图4至图8示出了用于装置100的安全端子组件，这些安全端子组件建立到线路侧电路和设备和负载侧电路和设备的电连接，这些电路和设备中的任一者均可用作如图2所示的线路侧端子130a、130b或130c或负载侧端子134a、134b、134c。安全端子组件有利于减少(如果不是消除的话)与常规端子相关联的问题，常规端子在危险环境中经受热循环、振动或其他苛刻操作条件时往往会随时间推移而松动。松动的端子连接可增加端子处的电阻并且在装置的操作中产生过多的热量。在一些情况下，此类增加的电阻或热量可使连接劣化，该劣化的程度可导致故障和端子处的电弧。因此，需要更安全地将电缆连接固定并保持到装置100的改进的端子组件，以减少(如果不是消除的话)由于使用中的电缆连接的劣化而导致的可能的点燃源。此外，改进的端子组件同样可用于建立与电缆的牢固电连接，以根据需要或根据期望建立辅助连接、输入/输出连接等。

如图4所示，安全端子组件180包括箱耳182和端子紧固件184(诸如螺钉)。在所示的示例中，箱耳182限定开口或孔186，该开口或孔沿着第一轴线接受电缆导体的前端，该第一轴线延伸到图4的页面的平面中。如图所示，箱耳182还限定形成在箱耳182的上面上的螺纹孔188，以沿着第二轴线接收紧固件184，该第二轴线在图4的竖直平面中垂直于第一轴线延伸。

在使用中，用于建立线路侧连接或负载侧连接的电缆导体沿着第一轴线被接收在箱耳182的孔186中，并且紧固件184的头部然后可以转动以将紧固件194的相对端部朝向电缆导体推进到孔186中。一旦紧固件的端部与箱耳孔186中的电缆导体物理接触，螺钉紧固件184的进一步推进将产生夹紧力，该夹紧力将电缆导体牢固地保持在与箱耳182表面接触的适当位置以完成电连接。

为了防止紧固件184在装置的后续操作中松动，螺旋弹簧190在箱耳182的上表面和螺钉头之间围绕螺钉紧固件的柄部延伸。当螺钉被拧紧成与电缆导体接触以建立所需的接触夹紧力时，弹簧190基本上将螺钉和箱耳锁紧或卡住在一起。紧固件184在所需位置的这种锁紧实现了防振连接，该防振连接防止了随时间推移在电缆连接器和端子之间产生连接松动。另外，紧固件184在所需位置的锁紧避免了螺钉在经受热循环时随时间推移而松动的任何趋势。通过确保高质量的端子连接，图4的锁紧端子组件避免了端子处的过多热量和/或电弧，并且确保导体总线结构和端子的操作温度可保持在为装置设计的用于危险场所的适当温度限度内。

在图5所示的安全终端组件中，提供了围绕箱耳182的弹簧板200形式的另选的锁紧元件，如图所示。当紧固件184以所需量的接触夹紧力夹紧电缆导体时，弹簧板200同样有效地将螺钉和箱耳锁紧和卡住在一起，从而实现与图4所示的螺旋弹簧190类似的效果。虽然图5中的布置省略了支持弹簧板200的锁紧弹簧190，但弹簧190和弹簧板200可组合使用以锁紧和卡住螺钉从而防止其松动。

图6示出了包括锁紧端子布置的安全端子组件，该布置具有另一种形式的耳状端子220和仅在端子220的上部延伸的弹簧板222。弹簧板222同样有效地将螺钉和耳状端子锁紧和卡住在一起，其中螺钉以期望的接触力夹紧电缆导体，从而实现与上述效果类似的效果。图6中的弹簧板222在端子耳220内部的位置处实现锁紧效果，而图4和图5的示例在端子耳外部的位置处实现锁紧效果。当然，内部锁紧元件和外部锁紧元件的组合是可能的，诸如通过包括图4的弹簧190和图6的弹簧板202。

虽然图4至图6中示出了弹簧和弹簧板形式的锁紧元件的示例性几何结构和位置，但其他类型和几何结构的锁紧元件也可以在相同或不同位置处实现所需的有益锁紧或卡住，以防止端子连接在装置的后续操作中发生不期望的松动。应当理解，所描述的锁紧效果足以克服由于暴露于危险场所的振动、热循环和其他环境要求导致的连接松动的任何趋势。但尽管如此，在需要促进新连接或在必要时将装置100从线路侧电路和负载侧电路完全移除时，所描述的锁紧效果可在无过度困难的情况下被克服。同样，当需要促进新的连接或移除装置100以进行维修或更换时，可在无过度困难的情况下，克服辅助电路连接或与类似端子形成的其他端子连接。

图7中示出了另一个安全端子组件230，其包括端子耳232和安装到端子耳232的可旋转杆234，使得杆234可以朝向接收在端子耳232中的电缆导体旋转。在杆234的一端处围绕杆的旋转轴线提供诸如扭转弹簧的偏置元件238，以向电缆导体施加期望的接触力并将其保持在端子耳232中的适当位置，从而确保导线236紧密固定并且不会由于振动或热循环而松动。偏置元件238在力的作用下将电缆导体保持并有效地锁紧在适当位置，从而实现随时间推移不受热循环不利影响的必要防振连接。

端子组件230避免了先前组件的常规紧固件螺钉，因此提供了额外的有益效果。偏置元件238实现了不依赖于安装者的一致的接触夹紧力，而图4至图6的紧固件组件可能由不同的人紧固到不同的程度，并且因此可以导致形成的连接的质量的一些变化。端子组件230(包括杆234)也可以在不使用工具的情况下用手快速方便地锁紧，而图4至图6的紧固件组件需要使用工具(例如螺丝刀)来实现所需的锁紧。对于端子组件230，电缆导体的释放也被简化，因为用户不需要克服弹簧190或弹簧板200、202的锁紧或卡住效果来松开紧固件284，而是可以简单地以足够的力旋转杆234以克服扭转偏置元件238的夹紧力，然后从端子拉出电缆导体236。

图8示出了包括端子耳242和紧固件244的安全端子组件240的又一个实施方案，该端子耳和紧固件可以经由例如上述布置牢固地连接到电缆导体。然而，端子耳242嵌套在包括连接孔248的较大端子壳体246内。连接器引脚250可被接收在孔中以完成与壳体246中的端子耳242的电连接。

值得注意的是，与先前描述的安装到装置100的壳体102的图4至图7的安全端子不同，引脚250安装到装置100的壳体102或从该壳体突出，以用于经由孔248插入端子组件240以及从该端子组件移除。这样，一旦与端子耳242形成电缆导体连接，就可以在不干扰电缆导体连接的情况下移除、重新安装或替换装置100。可包括锁紧或闩锁元件，以将引脚250和/或装置壳体102相对于孔248和/或端子外壳246固定。同样，耳242可以任何合适的结构布置，以便固定在危险场所中使用的电缆布线。

由于装置100包括固态开关，因此可在控制开关以确保没有电流流过装置之后从孔248移除装置100的引脚250，排除电弧的任何可能性并促进期望的“热插拔”功能，其中装置100可在线路侧电路保持“带电”或通电时被移除。另选地，可响应于感测参数来控制固态开关，以在移除引脚250时限制电流，从而将电弧放电降低到不足以产生危险场所的点燃问题的水平。在装置100的引脚250插入到孔248中以完成与端子耳242和所连接的电缆导体的电连接时，装置100中的固态开关元件同样可操作以限制电流流动。凭借实现插接式连接的引脚250和孔248，装置100的益处在于电连接在孔248内形成或断开，从而在手动安装和移除装置100时安全地保护用户免受电击。特别是对于在配电板上包括有多个装置100的配电板设备，在不干扰电缆导体连接的情况下手动进行热插拨安装和移除的便利性在用于维修电力系统的时间和劳动力成本方面提供了显著的益处。

虽然在示出的示例中，装置100包括引脚250并且端子组件240包括孔248，但在另一个实施方案中这可有效地颠倒。即，装置100可包括孔，而端子组件包括引脚，该孔和引脚将组合实现上述益处中的至少一些。就包括引脚的端子组件而言，应采取适当的措施来防止由于端子引脚的暴露且通电的部分引起的电击风险。例如，绝缘罩或屏蔽件可包括在端子组件中，该绝缘罩或屏蔽件围绕引脚以在移除装置100时防止用户与引脚接触，但不妨碍与装置100的电连接。另一个示例性安全措施可以包括机械性互锁和附加开关，该附加开关可手动或远程操作以在装置100可以被移除之前断开包括引脚的端子。最后，可通过上游开关或电路保护器的操作使线路侧断电，以允许安全地移除和更换装置，而不会对用户造成电击的风险。

尽管现已描述了凸连接器元件和凹连接器元件的示例性类型，但在其他实施方案中，可组合地提供另选类型和形状的凸连接器元件和凹连接器元件。

端子组件240还具有另外的益处，因为其可被配置为实现装置100的接受/拒绝特征部，以确保仅可安装具有适当额定值的合规装置100。例如，具有不同载流量额定值的不同装置100可具有不同直径的引脚250，并且不同版本的端子组件240可具有不同直径的孔248。这样，并且例如，具有200A的载流量额定值的装置100可通过引脚250与端子组件240的孔248的不兼容而被拒绝，该端子组件的额定值为100A并连接到100A电缆导体，而具有100A的载流量额定值的装置100和对应的引脚250可被接收在额定值为100A并连接到100A电缆导体的端子组件240的孔248中。如果不经意地安装较高安培数的装置100，则其将不会响应于可导致100A电缆导体过热和可能失效的过电流，甚至会削弱对负载侧电路的所需电路保护，但凭借接受/拒绝特征部，消除了安装错误额定值装置100中的人为错误。这可在包括多个具有不同额定值的装置100的配电板应用中产生特定益处，否则这些装置可能被混淆。

虽然一种类型的接受/拒绝特征部被描述和示出为包括圆柱形引脚和孔，但就这一点而言许多变型也是可能的。可提供不同几何结构和形状以及不同尺寸的引脚和孔，以区分具有不同接受/拒绝特征部的不同额定值的装置100。例如，第一组装置100可设置有正方形引脚，第二组装置100可设置有圆形引脚，并且第三组装置100可设置有八边形引脚等。端子组件240同样可以具有正方形、圆形和八边形孔。同样可以改变正方形、圆形和八边形的孔和引脚的尺寸，以向安装者提供独特的接受/拒绝特征部和视觉提示，从而在任何给定的设备中选择和安装正确的装置100，以确保装置与现有的与每种类型的端子组件240配合的布线相容。

在另一方面，端子组件240可有利地用作接受/拒绝特征部，以确保给定装置100以适当的极性连接到线路侧电路和负载侧电路。即，限定凸连接器和凹连接器的引脚和孔的形状和/或尺寸可在装置100的线路侧和负载侧上变化，以确保装置仅能够以适当极性和适当取向安装，并且不能以相反取向安装，其中装置100的负载侧端子无意地连接到线路侧电路。在这样的取向中，装置基本上是防错误的，因为防止了不正确的安装。因此，并且例如，装置100的线路侧引脚250可具有比装置100的负载侧引脚250更大的直径，使得线路侧引脚只能被接纳在具有更大直径的孔248的线路侧端子组件240的线路侧孔248中。因此，将线路侧引脚250插入具有较小直径的孔的线路侧端子组件240中的不正确尝试不能成功。

又如，装置100的线路侧引脚250可以是正方形引脚，而装置的负载侧引脚250可以是圆柱形引脚，这可能为装置100的正确安装提供更直观的极性相关的视觉提示，端子组件240分别包括正方形和圆柱形孔248，孔的尺寸设定成阻止以相反极性安装装置100的任何尝试。又如，装置100的线路侧可设置有凸引脚连接器，而负载侧装置可设置有凹孔连接器，从而再次向安装者提供视觉提示，这可避免以相反极性错误地安装装置的任何尝试。另外，引脚或孔/接收器可包括多个区段，以便改善接触接合、降低电阻，并且确保电连接的进一步完整性以防止劣化。

在另一个实施方案中，也可在装置壳体102和端子壳体246的部分上利用颜色编码和标记特征部等，以在视觉上提示安装者用户如何正确地安装装置100，并因此有助于将装置100适当地安装在具有不同额定值的装置100的配电板或其他设备中。例如，黑色和红色可指示装置100的线路侧和负载侧，并且黑色和红色可指示端子组件的线路侧和负载侧，使得安装者可按照颜色来正确地安装装置100。正符号和负符号+和–也可用于确定装置100和端子组件240的线路侧连接和负载侧连接。颜色编码、标记和符号可与端子组件240的形状和引脚以及孔组合，以有利于降低安装者甚至试图安装不兼容的装置100或逆转装置100的预期极性的可能性。尤其是在可快速移除和更换且人为错误机会增加的热插拔应用中，提供适当的接受/拒绝特征部以确保用于安装的适当装置的兼容性和极性对于在危险场所中安全操作大量装置是重要的。人为错误得到避免，同时大大改善了电力系统的安装和完成维护程序的方便性和便利性。

图9概略地示出了电路保护装置100的热管理特征部。热管理对于有效地分配在使用中由装置100产生的热量以及使装置100的表面温度保持在危险场所的适用温度限度以下以避免任何点燃可能性是重要的。管理表面温度是平衡以下考虑因素的多层面工作。

壳体102的尺寸和外表面面积可变化，以在预期操作状况(包括电力系统的正常状况和过电流状况)下实现表面温度目标，而不超过该目标。具有较大表面积的较大壳体102通常将在较大表面积上散热，并且因此相比于具有较小表面积的其他类似装置在运行时温度更低。此处应当指出的是，通过包括散热翅片和外壳的波状外形表面，可获得较大的表面面积而不会显著增加包装尺寸。

从热管理的角度来看，装置100的壳体102中的导体260a、260b和260c的尺寸和间距是另一个考虑因素，该壳体限定将线路侧端子130a、130b、130c、固态开关布置140a、140b、140c以及负载侧端子134a、134b和134c(图2)互连的总线结构。对于流过装置的任何给定的电流，相比于较小的导体，较大的导体260a、260b和260c将产生较少的热量。

增加导体260a、260b和260c的路径长度将导致这些导体的产生的热量比路径长度较短的导体少。因此，曲折路径导体260a、260b和260c将产生比图9所示的大致笔直的导体260a、260b和260c更少的热量。

导体260a、260b和260c之间的相对间距影响使用中装置所产生的热量。随着导体之间的间距增大，导体260a、260b和260c的热耦合将减小。

用于制造壳体的材料可变化以实现热管理和操作表面温度目标，因为一些材料表现出比其他材料更好的分配和耗散热量的热性能。例如，可选择或定制特定的聚合物树脂，并且还可对其进行加工以配制出将改善壳体102的内部热性能和其外表面区域的热性能的材料。金属和塑料外壳元件可单独使用或组合使用以制造壳体102。在一些情况下，壳体102可部分地或完全地填充有可在该壳体的内部控制、吸收或分配热量并由此降低使用中装置100的表面温度的电介质材料、电介质填料或其他填充介质。

壳体结构同样可包括设计时考虑到热分布和热耗散的特定特征部。可提供或组合一种以上的材料以用于在所需区域中(诸如在相邻导体260a、260b和260c之间)实现额外的热绝缘并避免热耦合。壳体的壁厚可以变化，以在最需要的位置处的选定部分或区域中提供更大或更小程度的热耗散。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。

最后，可提供主动冷却元件用于使惰性气体或冷却流体循环通过装置100的各个部分以改善装置100的热性能。此类主动冷却元件可为本身包含的或外部提供的，并且可在每个装置100中单独且独立地起作用，或者共同作用于多个装置100上。作为一个示例，在配电板应用中，冷却风扇或泵可使流体在多个装置100中或周围循环，以有效地管理表面温度。包括温度传感器158(图3)的装置100可向主动冷却系统提供反馈信号以在需要时开启否则关闭。热电装置也可部署为具有负载设备的反馈回路，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。

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。

可以各种不同的组合来实现上述热管理考虑因素，其中一些组合可消除对其他考虑因素的需要。例如，主动冷却元件可消除对给定装置100中的被动散热器的任何需要。又如，如果壳体102的几何结构和形状因数由高性能聚合物优化和制造，则其可消除对主动冷却元件的需要。温度感测还可用于在温度接近或超过选定阈值时实现装置100的故障安全关断。即，可以控制半导体开关以断开负载侧并中断电流流动，从而阻止表面温度的任何进一步上升，这可能与是否存在将会导致装置跳闸的过电流状况或故障状况无关。

图10是根据本发明的第二示例性实施方案的合规的危险环境无弧电路保护装置300的透视图。电路保护装置300包括上文针对装置100所描述的壳体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。

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，在危险环境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中的每个机械触点的开关触点，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触点来复位装置300。

虽然已经描述了示例性架构，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。

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部。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描述的热管理特征部之外，装置300还包括附加特征部，以确保在机械电路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部，同时解决危险场所中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设置在次级外壳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，不会妨碍开关触点的运动路径或它们的移动能力，以确保在手动致动时的可靠的断路功能，以便于电力系统的维修或自动地保护通过装置100连接的电气负载。

装置100或300中的任一个可安全地用于IEC的1区危险场所和NEC的2段危险场所，而无需防爆外壳。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示出了包括合规的危险场所无弧电路保护装置的示例性配电板400，该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包括上述装置100和300，并且装置402、404可以不同的额定值表示，不同的额定值为作为配电板及其各种分支所服务的负载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，但凭借防点燃的装置402、404，不需要为配电板单独提供防爆外壳。考虑到已知的配电板可容纳多达84个装置，消除防爆外壳显著降低了装置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。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。

图15至图19示出了诸如上述那些的示例性固态装置或混合装置的附加电路图。图15是用于具有混合构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。图16是用于根据本发明实施方案的电路保护装置的另选的固态开关装置布置。图17是用于具有图16所示的混合构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。图18是用于具有固态构型的电路保护装置的电力电子拓扑结构的示例性电路图。

在图15至图18所示的电路中，可与图11所示的固态开关布置一起实现的图15的电路可以最低导通状态损耗来操作。然而，从断开时机械旁路开关中的低压电弧放电的角度来看，这可能是不利的。所提供的用于旁路触点的封装材料和热管理特征部将是可取的。

图16和图17所示的布置和电路是有益的，因为机械旁路开关可在没有电流流动时断开，因此不会产生电弧放电。图16和图17所示的布置和电路通常需要比其他布置更高的导通损耗、更大的部件计数、附加的栅极驱动器和更高的复杂性。另外，在某些应用中，图16和图17所示的布置和电路可能不容易满足短断开时间的要求。

图18所示的固态电路有利地不包括移动机械部件，并且可以无弧方式操作。它也可用相对简单的开关算法操作，包括在需要时电机软启动。然而，其以相对高的导通状态损耗操作。

虽然已经示出和描述了多种电路和电力电子拓扑结构，但其他电路和电力电子拓扑结构也是可能的，并且可用于除了包括上文示出和描述的示例性固态开关布置和混合开关布置的装置100和300之外的或作为它们的代替的装置的另外的实施方案中。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。

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。

上述无弧操作、安全端子组件和热管理装置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IEC的1区危险场所和NEC的2段危险场所。例如，包括与熔断器结合的机械开关的上述可熔开关断路装置可通过上述防点燃特征部中的一个或多个来实现，这使得它们符合危险场所使用的要求。应用所描述的无弧操作、安全端子组件和热管理装置，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。

同样，上述无弧操作、安全端子组件和热管理装置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IEC的1区危险场所和NEC的2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。应用上述无弧操作、安全端子组件和热管理装置，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具有类似于上述的益处。

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(包括单相电力系统、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IEC的1区危险场所和NEC的2段危险场所。

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。

已公开了防点燃开关装置的一个实施方案，所述防点燃开关装置包括：壳体；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；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；和控制器，所述控制器参考所述总线结构的第一操作温度限度来操作所述至少一个固态开关元件，从而阻止所述操作总线结构成为危险场所中的点燃源，由此所述防点燃开关装置对于在所述危险场所中使用是合规的，而无需单独提供的防爆外壳。

可选的，所述壳体被构造和设计成在等于或低于第二温度限度的表面温度下操作，所述控制器还被配置成参考所述第二温度限度操作所述至少一个固态开关元件，从而防止所述壳体成为所述危险场所中的点燃源。所述防点燃开关装置还可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开关触点，从而防止所述开关触点成为所述危险场所中的点燃源。

所述线路侧端子和所述负载侧端子各自包括安全电缆端子组件，所述安全电缆端子组件包括锁紧元件，所述锁紧元件防止电缆端子在经受热循环或振动时随时间推移而松动，从而防止所述端子组件成为所述危险场所中的点燃源。所述安全电缆端子组件可包括耳状端子，并且所述锁紧元件可以是弹簧元件。所述耳状端子可包括紧固件，其中所述弹簧元件作用于所述紧固件以防止所述电缆端子松动。所述弹簧元件可在所述箱耳内部起作用。所述弹簧元件可以是螺旋弹簧或弹簧板中的一者。所述安全端子组件还可包括杆，其中所述弹簧元件作用在所述杆的端部上。

所述线路侧端子和所述负载侧端子可包括连接到电缆的插头或插座。所述插头或插座可提供针对不兼容开关装置的拒绝特征部。所述控制器还可被配置为操作所述至少一个固态开关元件以实现所述防点燃开关装置的热插拔特征。

所述防点燃开关装置可包括显示器。所述防点燃开关装置可包括拨动开关，其中所述控制器还被配置为响应于所述拨动开关操作所述至少一个固态开关元件。所述防点燃开关装置还可包括主动冷却元件或被动冷却元件。变阻器并联连接到所述至少一个固态开关元件。所述控制器可被配置为提供电机起动器和过载控制。所述装置可被构造为固态断路器，或可被构造为混合断路器。

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)

1.一种防点燃开关装置，所述防点燃开关装置包括：

壳体；

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；

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；和

控制器，所述控制器参考所述总线结构的第一操作温度限度来操作所述至少一个固态开关元件，从而阻止所述操作总线结构成为危险场所中的点燃源，由此所述防点燃开关装置对于在所述危险场所中使用是合规的，而无需单独提供的防爆外壳。

2.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述壳体被构造和设计成在等于或低于第二温度限度的表面温度下操作，所述控制器还被配置成参考所述第二温度限度操作所述至少一个固态开关元件，从而防止所述壳体成为所述危险场所中的点燃源。

3.根据权利要求2所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括所述总线结构中的至少一个机械开关触点，并且所述壳体包括密封内部外壳，所述密封内部外壳容纳所述开关触点，从而防止所述开关触点成为所述危险场所中的点燃源。

4.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述线路侧端子和所述负载侧端子各自包括安全电缆端子组件，所述安全电缆端子组件包括锁紧元件，所述锁紧元件防止电缆端子在经受热循环或振动时随时间推移而松动，从而防止所述端子组件成为所述危险场所中的点燃源。

5.根据权利要求4所述的防点燃开关装置，其中所述安全电缆端子组件还包括耳状端子，并且所述锁紧元件是弹簧元件。

6.根据权利要求5所述的防点燃开关装置，其中所述耳状端子还包括紧固件，并且其中所述弹簧元件作用于所述紧固件以防止所述电缆端子松动。

7.根据权利要求6所述的防点燃开关装置，其中所述弹簧元件在所述箱耳内部起作用。

8.根据权利要求6所述的防点燃开关装置，其中所述弹簧元件是螺旋弹簧或弹簧板中的一者。

9.根据权利要求5所述的防点燃开关装置，其中所述安全端子组件还包括杆，所述弹簧元件作用于所述杆的端部。

10.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述线路侧端子和所述负载侧端子包括连接到电缆的插头或插座。

11.根据权利要求10所述的防点燃开关装置，其中所述插头或插座提供了针对不兼容开关装置的拒绝特征部。

12.根据权利要求10所述的防点燃开关装置，其中所述控制器还被配置为操作所述至少一个固态开关元件以实现所述防点燃开关装置的热插拔特征。

13.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括显示器。

14.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括拨动开关，其中所述控制器还被配置为响应于所述拨动开关操作所述至少一个固态开关元件。

15.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括主动冷却元件。

16.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括被动冷却元件。

17.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，所述防点燃开关装置还包括并联连接到所述至少一个固态开关元件的变阻器。

18.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述控制器还被配置为提供电机起动器和过载控制。

19.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述装置被构造为固态断路器。

20.根据权利要求1所述的防点燃开关装置，其中所述装置被构造为混合断路器。

Images