KR20210107103A - 구성가능한 모듈형 위험 위치 순응성 회로 보호 디바이스들, 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
모듈형 회로 보호 디바이스들 및 구성가능한 분전반 시스템들은 더 낮은 비용으로, 종래의 방폭 인클로저들 없이, 그리고 회로 차단기 디바이스들 및 스타터 모터 콘택터들 및 제어부들과 같은 직렬로 접속된 별도로 제공되는 패키지들을 수반하지 않고서 위험한 환경들에서 안전한 동작을 제공하는 열 관리 특징부들 및 아크프리 동작을 포함한다.
Description
본 발명의 분야는 대체적으로 회로 보호 디바이스들에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 위험 위치에서 향상된 안전성, 다양성 및 기능성을 갖는 위험 환경 순응성 회로 보호 디바이스들의 더 낮은 저비용의 구성가능한 모듈형 구현에 관한 것이다.
전기 전력 시스템들이 다양한 전기적 부하들에 전기 전력을 제공할 필요성들을 만족시키기 위한 여러 가지 상이한 유형들의 회로 보호 디바이스들이 존재한다. 예를 들어, 전력 공급 회로와 전기적 부하 사이에 분리 기능을 제공하는 여러 가지 상이한 디바이스들 및 조립체들이 알려져 있다. 그러한 디바이스들을 사용하여, 출력된 전력은 전력 공급원으로부터 수동으로 또는 자동으로 선택적으로 스위칭되어, 전기 전력 시스템의 정비 및 유지보수를 용이하게 할 뿐만 아니라 전기적 결함 조건들을 다룰 수 있다. 회로 차단기 디바이스들 및 가융(fusible) 분리 스위치 디바이스들은, 각각 과전류 및 전기적 결함 조건들에 응답하고, 라인 측 전력 공급 회로부로부터 부하 측 전기 장비를 전기적으로 격리시켜서, 이에 의해, 전기 전력 시스템에서의 과전류 조건들을 이와 달리 손상시키는 것으로부터 부하 측 장비 및 회로부를 보호하는 상이한 능력을 제공하는 2개의 주지의 유형들의 디바이스들이다.
많은 전기 시스템들의 요구들을 만족시키는 알려진 회로 보호기 분리 디바이스들이 이용가능하지만, 그들은 회로 보호기들이 위험 위치들에 위치되는 소정 유형들의 전기 시스템들 및 응용물들에 대한 일부 태양들에서 불리하게 남아 있다. 따라서, 기존의 회로 보호기 분리 디바이스들은 시장의 요구들을 아직 완벽히 충족시키지 못했다. 따라서 개선들이 요구된다.
비제한적이고 비포괄적인 실시예들이 하기의 도면들을 참조하여 기술되며, 여기서 유사한 도면 부호들은 달리 명시되지 않는 한 다양한 도면들 전체에 걸쳐 유사한 부분들을 지칭한다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른, 순응성 위험 위치 아크리스(arc-less) 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 2는 예시적인 솔리드-스테이트(solid-state) 구성의 도 1에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 4는 단일 기계식 스위치 디바이스와 조합한 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스의 제1 간략화된 개략도이다.
도 5는 복수의 기계식 스위치 디바이스들과 조합한 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스의 제2 간략화된 개략도이다.
도 6은 도 4에 도시된 기계식 스위치 디바이스들을 위한 예시적인 접속 단자 조립체를 도시한다.
도 7은 도 4 및 도 5에 도시된 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스를 위한 예시적인 접속 단자 조립체를 도시한다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 단자 조립체들을 포함하는 분전반의 제1 부분 정면도이다.
도 9는 설치된 도 6 및 도 7에 도시된 디바이스들을 포함하는, 도 8에 도시된 분전반의 제2 부분 정면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 11은 예시적인 하이브리드 구성의 도 10에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 13은 도 10 내지 도 12에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다.
도 14는 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반을 도시한다.
도 15는 과전류 보호 퓨즈의 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 16은 모터 회로 보호기의 시간-전류 프로파일 회로 보호를 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 17은 모터 회로 보호기에 대한 열 과부하 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른, 순응성 위험 위치 아크리스(arc-less) 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 2는 예시적인 솔리드-스테이트(solid-state) 구성의 도 1에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 4는 단일 기계식 스위치 디바이스와 조합한 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스의 제1 간략화된 개략도이다.
도 5는 복수의 기계식 스위치 디바이스들과 조합한 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스의 제2 간략화된 개략도이다.
도 6은 도 4에 도시된 기계식 스위치 디바이스들을 위한 예시적인 접속 단자 조립체를 도시한다.
도 7은 도 4 및 도 5에 도시된 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스를 위한 예시적인 접속 단자 조립체를 도시한다.
도 8은 도 6 및 도 7에 도시된 바와 같은 단자 조립체들을 포함하는 분전반의 제1 부분 정면도이다.
도 9는 설치된 도 6 및 도 7에 도시된 디바이스들을 포함하는, 도 8에 도시된 분전반의 제2 부분 정면도이다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 11은 예시적인 하이브리드 구성의 도 10에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 12는 도 10 및 도 11에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 13은 도 10 내지 도 12에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다.
도 14는 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반을 도시한다.
도 15는 과전류 보호 퓨즈의 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 16은 모터 회로 보호기의 시간-전류 프로파일 회로 보호를 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 17은 모터 회로 보호기에 대한 열 과부하 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
본 명세서에 기술된 본 발명의 개념들을 최대한으로 이해하기 위해, 하기에는, 그것이 위험 위치들에서 동작하는 전기 전력 시스템들에 의해 제기되는 문제들과 관련됨에 따라 최신 기술에 대한 논의, 및 뒤이어, 그러한 문제들을 다루고 본 기술 분야에서 오래되었지만 충족되지 않은 요구들을 충족시키는 회로 보호 디바이스들, 시스템들 및 방법들의 예시적인 실시예들이 개시된다.
I. 최신 기술
전기 전력 시스템들은 때때로, 주변 가스 또는 증기 분진들, 섬유들, 또는 비산물(flying)들의 발화를 통한 폭발의 위험을 나타내는 위험한 환경들 내에서 동작한다. 그러한 위험한 환경들은, 단지 예를 들어, 다른 산업 시설들 중에서도, 석유 정제소들, 석유 화학 공장들, 곡물 사일로(grain silo)들, 폐수 및/또는 처리 시설들에서 발생할 수 있으며, 여기서 휘발성 조건들이 주변 환경에서 생성되고 화재 또는 폭발 위험이 높아진다. 공기 중 발화가능 가스, 발화가능 증기들 또는 발화가능 분진, 또는 이와 다른 인화성 물질들의 일시적인 또는 지속적인 존재는, 일부 경우들에 있어서, 종래의 회로 보호기 디바이스들에 의해, 일반 동작 시에 그리고 전기적 결함의 존재 시에 발화원들을 생성할 수 있는 전기 전력 시스템 자체의 안전한 동작을 포함하지만 이로 제한되지 않는, 전체적으로 그러한 시설들의 안전하고 신뢰성있는 동작에 관한 실질적인 우려들을 제시한다. 이와 같이, 폭발 또는 화재 위험의 평가된 확률을 고려하여 위험 위치들에서의 안전성을 개선하기 위한, 폭발성 환경들에서의 전기 제품 사용에 관한 다수의 표준들이 발표되어 왔다.
예를 들어, "UL(Underwriter's Laboratories)" 표준 UL 1203은 위험 위치들에 대한 방폭(Explosion-Proof) 및 분진 방폭(Dust-Ignition-Proof) 전기 장비 기준을 제시한다. 자체로 방폭 또는 분진 방폭이 아닌 회로 보호 디바이스들을 포함하지만 반드시 이들로 제한되는 것은 아닌 전기 제품들을 동봉하거나 포함하기 위해 방폭 및 분진 방폭 인클로저(enclosure)들이 현재 이용가능하다. 적절한 방폭 및 분진 방폭 인클로저들과 조합하여, 전기 장비 제조업자들은 위험 위치들에 대한 적용가능한 정격 표준(rating standard)들의 준수에 대한 UL 인증을 받을 수 있고, UL 인증은 제품들을 북미 시장 또는 UL 표준 UL 1203을 수용하는 임의의 다른 시장에 성공적으로 내놓는 제조업자의 능력에 대한 중요한 태양이다.
NEC(National Electric Code)는 대체적으로 클래스(class) 및 디비전(division)별로 위험 위치들을 분류한다. 클래스 I 위치들은 인화성 증기들 및 가스들이 존재할 수 있는 위치들이다. 클래스 II 위치들은 가연성 분진이 발견될 수 있는 위치들이다. 클래스 III 위치들은 쉽게 발화가능한 섬유들 또는 비산물들의 존재로 인해 위험한 위치들이다. 클래스 I을 고려하면, 디비전 1은, 정상 동작 조건들 하에, 빈번한 수리 또는 유지보수 동작들 하에, 또는 프로세스 장비의 파손 또는 결함 동작이 또한 전기 장비의 동시 고장을 야기할 수 있는 경우에, 인화성 가스들 또는 증기들이 존재할 수 있는 위치들을 커버한다. 디비전 1은, 예를 들어, 디비전 2보다 더 큰 폭발 위험을 나타내며, 여기서 인화성 가스들 또는 증기들은 보통, 적합한 인클로저들 내에 한정된 폐쇄 시스템 내에서 다뤄지거나, 또는 보통, 확실한 기계적 환기에 의해 미리처리된다.
IEC(International Electrotechnical Commission)는 마찬가지로, 위험 위치들을, 인화성 가스들 또는 증기들이 폭발성 또는 발화가능 혼합물들을 생성하기에 충분한 양으로 공기 중에 있거나 있을 수 있는 위치들을 표현하는 구역 0, 1, 또는 2로 분류한다. IEC에서 정의된 바와 같이, 구역 0 위치는, 발화가능 농도들의 인화성 가스들 또는 증기들이 연속적으로 또는 장기간 존재하는 위치이다. 구역 1 위치는, 수리 또는 유지보수 동작들 때문에 또는 발화가능 농도들의 인화성 가스들 또는 증기들의 누출 또는 가능한 해제 때문에 발화가능 농도들의 인화성 가스들 또는 증기들이 존재할 가능성이 있거나 빈번하게 존재할 수 있거나, 또는 발화가능 농도들의 증기들이 전달될 수 있는 구역 0 위치에 인접한 위치이다.
후술되는 것들과 같은 전기 디바이스들이 소정 환경들 내의 발화원들일 수 있음을 고려하면, 방폭, 방염, 또는 발화방지(ignition proof) 인클로저들이 통상적으로 NEC 디비전 1 또는 2 위치들 및/또는 IEC 구역 1 위치들에 제공되어, 이와 달리 발화 위험을 제기하는 전기 디바이스들을 하우징한다. 이와 관련하여, 용어들 "방폭" 또는 "방염"은 특정된 인화성 증기-공기 혼합물의 내부 폭발을 수용할 수 있도록 설계된 인클로저들을 지칭한다. 또한, 방폭 또는 방염 인클로저는 주변 분위기에 대해 안전한 온도에서 동작해야 한다.
종래의 회로 차단기 디바이스들, 다양한 유형들의 스위치 디바이스들, 및 콘택터 디바이스들은 전력 공급원 또는 라인 측 회로부에 접속가능한 입력 단자들, 하나 이상의 전기적 부하들에 접속가능한 출력 단자들, 및 각자의 입력 단자들과 출력 단자들 사이의 기계식 스위치 콘택트들의 쌍들을 포함하는 것으로 알려져 있다. 기계식 스위치 콘택트들의 각각의 쌍은 전형적으로, 고정 콘택트를 향해 그리고 그로부터 멀리 떨어져서 미리결정된 모션 경로를 따라 이동가능 콘택트를 배치하여, 디바이스를 통해 회로 경로를 접속 및 분리시키고, 따라서, 입력 및 출력 단자들을 전기적으로 접속 또는 분리시키는 액추에이터 요소에 연결되는 고정 콘택트 및 이동가능 콘택트를 포함한다. 스위치 콘택트들이 개방될 때, 디바이스는 입력 단자들에 접속된 전력 공급원으로부터 출력 단자들에 접속된 전기적 부하(들)를 절연시키는 역할을 한다. 전술된 기계식 스위치 디바이스들 내의 액추에이터 요소는, 회로 보호 목적들을 위해, 라인 측 회로 내의 과전류 또는 결함 조건들에 응답하여 기계식 스위치 콘택트들을 개방하고 전기적 결함 조건들로부터 전기적 부하(들)를 전기적으로 격리시켜서 그들이 손상되는 것을 방지하기 위해 자동으로 이동가능할 수 있거나, 또는 액추에이터 요소는 에너지 보존, 부하의 유지보수 등을 위해 전기적 부하들을 라인 측 전력원으로부터 전기적으로 격리시키기 위해 수동으로 이동가능할 수 있다.
회로 차단기들 및 가융 분리 스위치 디바이스들은 기계식 스위치 콘택트들을 통한 상이한 유형의 분리 기능 및 회로 보호를 각각 제공하는 2개의 주지의 유형들의 디바이스들이다. IEC는 하기의 적절한 정의들을 포함한다:
2.2.11
회로 차단기
정상 회로 조건들 하에서는 전류들을 생성, 운반, 및 차단할 수 있고, 또한 특정 시간 동안에는 전류들을 생성, 운반할 수 있고, 단락 회로의 조건들과 같은 특정된 이상 회로 조건들 하에서는 전류들을 차단할 수 있는 기계식 스위칭 디바이스[441-14-20]
2.2.9
스위치(기계식)
특정된 동작 과부하 조건들을 포함할 수 있는 정상 회로 조건들 하에서는 전류들을 생성, 운반, 및 차단할 수 있고, 또한 단락 회로의 조건들과 같은 특정된 이상 회로 조건들 하에서는 특정된 시간 동안 전류들을 운반할 수 있는 기계식 스위칭 디바이스[441-14-10]
비고: 스위치는 단락 회로 전류들을 생성할 수는 있지만 차단할 수는 없다.
2.2.1
스위칭 디바이스
하나 이상의 전기 회로들에서 전류를 생성하거나 차단하도록 설계된 디바이스 [441-14-01]
비고: 스위칭 디바이스는 이들 동작들 중 하나 또는 둘 모두를 수행할 수 있다.
IEC 2.2.11에 정의된 바와 같은 회로 차단기 및 IEC 2.2.9에 정의된 바와 같은 기계식 스위치가 이상 회로 조건들에 기계적으로 응답하는 그들의 능력이 상이함을 상기 정의들로부터 알 수 있다. 구체적으로, IEC 2.2.11에 정의된 바와 같은 회로 차단기는 단락 회로 조건들을 기계적으로 차단할 수 있는 반면, IEC 2.2.9에 정의된 바와 같은 기계식 스위치는 할 수 없다. 이 때문에, 전기 퓨즈는, 기계식 스위치 콘택트들의 동작보다는 퓨즈의 동작(즉, 퓨즈의 단선(opening))을 통해 단락 회로 조건들에 응답할 수 있는 가융 분리 스위치를 실현하기 위해, 때때로, IEC 2.2.9의 기계식 스위치와 조합하여 사용된다.
IEC 2.2.11 및 2.2.9의 디바이스들 중 어느 하나에서, 각각이 회로의 단선 전에 미리결정된 시간-전류 특성들을 실현한다면, 퓨즈 내의 퓨즈 요소(들)의 구조물 또는 회로 차단기 구조물의 구조적 설계 및 교정을 통해서만 자동 회로 보호가 때때로 제공될 수 있다. NEC는 하기와 같은 이러한 2가지 기본 유형들의 과전류 보호 디바이스(Overcurrent Protective Device, OCPD)들을 정의하였다:
퓨즈 - 그것을 통한 과전류의 통과에 의해 가열되고 절단되는 회로-단선 가융 부품을 구비한 과전류 보호 디바이스.
회로 차단기 - 비자동 수단에 의해 회로를 단락 및 단선시키도록, 그리고 그의 정격 내에서 적절히 인가될 때 그 자체에 대한 손상 없이 미리결정된 과전류에서 자동으로 회로를 단선시키도록 설계된 디바이스.
NEC는 또한, 디바이스, 또는 디바이스들의 그룹, 또는 회로의 도체들이 그들의 공급원으로부터 분리될 수 있게 하는 다른 수단으로서 정의되는 분리 수단이 회로들에 제공될 것을 요구한다. 퓨즈들은 과전류의 영향을 받을 때에만 단선되도록 설계되어 있기 때문에, 퓨즈들은 대체적으로 별개의 분리 수단(많은 상황들에서 NEC 조항 240이 이를 요구함), 전형적으로 일부 형태의 분리 스위치와 함께 적용된다. 회로 차단기들은 수동 동작 하에서뿐만 아니라 과전류에 응답하여 단선 및 단락되도록 설계되므로, 별개의 분리 수단이 요구되지 않는다.
일부 유형들의 회로 보호 디바이스들에서, 자동 회로 보호는 실제 회로 조건들을 모니터링하기 위해 디바이스에 포함되는 전기 센서들을 통해 실현될 수 있으며, 센서들에 의해 검출되는 바와 같은 미리결정된 회로 조건들에 응답하여, 전기기계식 트립 특징부(electromechanical trip feature)들이 과부하 및 단락 회로 조건들을 포함하는 검출된 과전류 조건들에 응답하여 이동가능 콘택트들을 자동으로 단선시키도록 액추에이팅(actuating)될 수 있다. 일단 트립핑(trip)되면, 회로 차단기는 회로 차단기가 그 자체에 대한 손상 없이 회로를 단선시키도록 설계됨에 따라 스위치 콘택트들을 통해 영향을 받은 회로부를 복원하기 위해 재설정 또는 재폐쇄될 수 있는 반면, 퓨즈는 퓨즈 요소(들)의 내부 열화를 통해 그들이 더 이상 전류를 운반할 수 없는 지점으로 회로를 단선화시킨다. 이와 같이, 퓨즈는, 영향을 받은 회로부를 복원하기 위해, 단선 후에는 교체되어야 한다. 다루어질 수 있는 과전류 조건들의 범위를 확장할 뿐만 아니라 응답 시간들을 개선하기 위해, 회로 차단기들과 퓨즈들의 조합들이 또한, 일부 경우들에 있어서, 이들의 선택적 조정에 의해, 바람직하다.
전술된 회로 보호 디바이스들과 대조적으로, 상기에 정의된 바와 같은 IEC 2.2.1의 "스위칭 디바이스"는 과전류 조건들(즉, 과부하 조건들 또는 단락 회로 조건들)을 생성하는 것 또는 차단하는 것에 대한 어떠한 언급도 없이, 단지 전류의 생성 및 차단을 지칭한다. 따라서 IEC 2.2.1의 "스위칭 디바이스"는 분리 기능은 제공하지만, 회로 보호 기능은 제공하지 않는다. IEC 2.2.1은 또한 기계식 스위칭 디바이스를 전혀 요구하지 않지만, 그럼에도 불구하고 회로 차단기 디바이스가 아닌 스위치 디바이스가 실제로 기계식 스위치 콘택트들을 포함한 결과로, 그것은 위험한 환경들에 위치될 때 발화 위험을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 동력수급형(energized) 회로를 생성하거나 차단하기 위한 기계식 스위치 콘택트들의 동작은, 정상 회로 조건들 하에 사용자에 의해 수동으로 작동되든 또는 이상 회로 조건들 하에 자동으로 작동되든, 위험한 환경 내에서 가능한 발화원을 제공한다. 구체적으로, 이동가능 콘택트들이 고정 콘택트들로부터 멀어지게 기계적으로 변위됨에 따라(즉, 폐쇄 포지션으로부터 개방 포지션으로 이동됨), 스위치 콘택트들 사이의 전기 아킹(arcing)이 생성되는 경향이 있다. 이동가능 콘택트들이 디바이스를 재폐쇄하기 위해 고정 콘택트들을 향해 다시 이동됨에 따라 유사한 아킹이 발생할 수 있다. 스위치 콘택트들 사이의 그러한 아킹이 가연성 가스, 증기 또는 물질의 존재 중에 실현되는 경우, 아킹은 가스, 증기 또는 물질을 발화시킬 수 있다. 기계식 스위치 콘택트들이 전형적으로, 종래의 회로 차단기들 또는 다른 기계식 스위치 디바이스들이 제공된 하우징들뿐만 아니라 분전반들 또는 모터 제어 센터들 등과 공통으로 활용되는 추가적인 인클로저들 내에 둘러싸이지만, 그러한 하우징들 및 인클로저들이 전형적으로, 전기 아킹을 발화가능한 공기 중 요소들로부터 격리시키기에는 충분하지 않다. 이러한 이유로, 기계식 스위치 콘택트들을 포함하는 알려진 디바이스들은 통상적으로 개별 방폭 인클로저들에 위치되고, 필요한 보호를 제공하기 위해 NEC 디비전 1 위치 내에 제공된 스위치들을 위한 개별 방폭 인클로저들 없이 단일의 대형 방폭 인클로저에 이어서 설치될 수 있는 환경적 인클로저 또는 스위치들의 시스템(즉, 분전반)에 다시 포함된다.
지금까지 기술된 디바이스들 중에서, 회로 차단기들은, 단락 회로 조건들을 기계적으로 차단하면서, 가장 강렬한 아킹 조건들을 겪고, 따라서, 위험 위치에서 가연성 가스들, 증기들 또는 물질들을 발화시키는, 원시(raw) 에너지 및 온도에 관하여 가장 큰 잠재력을 갖는다. 많은 산업용 전력 시스템들 및 부하들이 비교적 높은 전압 및 높은 전류에서 동작한다는 것을 고려하면, 더 낮은 전류 과부하 조건들 및 정상 조건들에서의 아크 에너지 및 아크 온도들이 마찬가지로 상당하고, 따라서 발화 위험들을 제기한다. 대체적으로, 결함 에너지로 인한 발화 에너지는 차단되는 전류의 크기와 관련되어, 차단되는 전류가 높을수록, 아킹 전위 및 중증도가 커진다. 예를 들어, 65kAIC 차단은 아킹 관점에서 훨씬 더 중요하며, 따라서, 10kAIC 차단보다 더 위험하다.
이용가능한 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저들이, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치 내의 기계식 스위치 디바이스들의 안전한 동작을 제공하는 데 효과적이지만, 대체적으로, 추가적인 비용들을 전하고, 전기 전력 시스템 내의 귀중한 공간을 점유하고, 시간 경과에 따라 전기 전력 시스템의 설치 및 정비에 소정 부담들을 제기한다. 방폭 인클로저들 내부의 분리 디바이스들에 대한 액세스를 얻는 것은 전형적으로, 다수의 체결구들의 시간 소모적 제거를 필요로 하고, 임의의 유지보수 절차들이 완료된 후에, 모든 체결구들은 방폭 인클로저의 원하는 안전성을 보장하기 위해 적절하게 교체되어야 한다. 유지보수 절차들 동안, 분리 디바이스들이 위치되는 영역은 또한, 전형적으로, 유지보수 절차 동안 안전성을 보장하기 위해 연관된 부하 측 프로세스들의 셧다운으로 해체(decommission)(즉, 분리)된다. 그러한 해체들은 산업 시설의 관점에서 비용이 많이 들고, 해체된 정지시간을 제한 또는 단축시키는 것이 중요하다. 따라서, 일부 경우들에 있어서, 방폭 인클로저들은 위험한 환경들에서 안전한 분리 기능을 여전히 제공하면서 NEC 디비전 1 위치에서 제거될 수 있는 것이 바람직할 것이다. 그렇게 하기 위하여, 발화 위험들을 감소시키도록 설계된 회로 보호 디바이스들이 필요하지만, 현재는, 대체적으로 존재하지 않는다.
IGBT(insulated-gate bipolar transistor)들, MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)들, 및 기계식 스위치 콘택트들을 활용하지 않고서 미리결정된 회로 조건들에 응답하여 디바이스를 통한 전류 흐름을 배제하고, 따라서, 라인 측 회로부를 부하 측 회로부로부터 전기적으로 격리시키기 위해 알려진 방식으로 전자적으로 동작하는 다른 알려진 요소들과 같은, 그러나 이들로 제한되지 않는 반도체 스위치들 또는 반도체 디바이스들을 통해 바람직한 분리 기능을 제공하는 솔리드 스테이트 분리 디바이스들이 알려져 있다. 그러한 솔리드 스테이트 스위치들은 회로 차단기 디바이스들에서 구현될 수 있거나, 또는 자동 방식으로 전기적 결함 조건들을 다루기 위해 퓨즈들과 조합하여 사용될 수 있다.
솔리드 스테이트 스위치들은 유익하게는, 전술된 바와 같은 기계식 스위치 콘택트들의 변위와 연관된 전기 아킹을 제거하지만, 그럼에도 불구하고, 사용 중인 솔리드 스테이트 스위치들에 의해 생성되는 열을 통해 가능한 발화원을 여전히 제공한다. 위험 위치 내의 가연성 요소들의 유형 및 농도에 따라, 디바이스의 스위칭 동작에서 어떠한 아킹도 발생하지 않는다 하더라도, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들의 표면 온도는 위험 위치에 있는 특정 가스 또는 발화가능 물질의 플래시 온도로 인해 자연 발화가 일어날 수 있는 지점까지 상승할 수 있다.
솔리드 스테이트 스위치 디바이스들의 단자들을 접속시키는 것은 또한, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 사용될 때 신뢰성 문제들 및 가능한 발화원들을 제공할 수 있다. 보다 구체적으로, 단자들은 열 사이클링 또는 진동에 영향을 받을 때 시간 경과에 따라 느슨해지는 경향이 있을 수 있다. 느슨한 단자 접속들은, 소정 동작 조건들 하에서, 전기 아킹이 아닌 경우, 단자들의 위치에서 과열 및 가능한 발화원들을 야기할 수 있다. 불량한 품질 단자 접속들은 또한, 디바이스 내의 도체 구조물(때때로, 버스로 지칭됨)의 과열을 야기하여, 위험 위치들에 추가의 발화 우려들을 여전히 제공할 수 있다. 이와 같이, 알려진 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스들을 더 이상 사용하지 않는 것은, 적잖이, NEC 디비전 1 또는 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에서 방폭 인클로저의 상보적 사용이 없다면 위험 위치들에서 충분한 안전성을 자체로 보장하지 않는다.
반도체 스위치들 또는 반도체 디바이스들과 기계식 스위치 콘택트들의 조합을 포함하는 소위 하이브리드 분리 디바이스들이 또한 알려져 있다. 그러한 하이브리드 디바이스들은 마찬가지로 회로 차단기 디바이스들에서 구현될 수 있거나, 또는 자동 방식으로 전기적 결함 조건들을 다루기 위해 퓨즈들과 조합하여 사용될 수 있다. 하이브리드 분리 디바이스들은 위험 위치에 있는 가능한 발화원들의 관점에서 상기에 논의된 문제점들의 혼합을 제공하고, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에서의 방폭 인클로저의 상보적 사용의 부재 시의 적절한 안전성이 보장될 수 없다.
II. 위험 위치 순응을 위한 본 발명의 아크리스 디바이스들, 시스템들, 및 방법들.
상기의 문제들을 극복하고, 별개로 제공되는 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저를 반드시 요구하지는 않으면서 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 적용가능한 표준들에 순응하여 향상된 정도의 안전성을 제공하는 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들이 본 명세서에 기술된다. 이와 같이, 그리고 그러한 별도로 제공되는 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저의 제거를 통해, 본 명세서에 기술된 예시적인 회로 보호 디바이스들은 감소된 비용으로 그리고 전기 패널들, 제어 중심들 등에서의 감소된 공간으로 전기 전력 시스템에서 구현될 수 있다. 본 명세서에 기술된 예시적인 회로 보호 디바이스들은 전기 전력 시스템의 더 경제적인 설치, 유지보수 및 관리감독을 용이하게 하는 모듈형의 구성가능한 시스템에 제공될 수 있다. 방법 태양들은 부분적으로 명시적으로 논의되고, 하기의 설명으로부터 부분적으로 명백할 것이다.
제1 태양에서, 예시적인 회로 보호 디바이스들은, 접속 단자들에서 가능한 발화원들을 다루기 위한 향상된 특징부들과 조합하여 솔리드 스테이트 스위치 디바이스를 통해 부하 측 회로부를 접속시키거나 분리시키기 위한 디바이스의 스위칭 시에 아크리스 동작을 갖고/갖거나, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스 내부에서 전도성 요소들의 잠재적 과열을 다루기 위한 열 관리 특징부들을 포함하는 솔리드 스테이트 회로 보호 디바이스의 형태로 구현될 수 있다. 따라서, 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스의 형태로 구현될 때, 그러한 솔리드 스테이트 회로 차단기들은, 종래의 회로 차단기들과는 달리, NEC 디비전 1 또는 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에 적용가능한 위험 위치 표준들에 순응하고, 이에 따라, 종래의 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저들을 소정 응용물들에 대해 쓸모없게 만든다.
제2 태양에서, 예시적인 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스들은 추가로, 상이한 전력 시스템들 및 전기적 부하들에 대한 다양한 상이한 회로 보호 요구들을 충족시킬 수 있는 경제적이고 구성가능한 분전반 시스템을 용이하게 하는 모듈형 디바이스들로서 제공될 수 있다. 모듈형 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스들은, 안전한 스위칭 동작을 보장하고 소정 전기 조건들에서 응답 시간을 개선하기 위해 모듈형 기계식 스위칭 디바이스들과 조합하여 활용될 수 있다. 각각의 모듈형 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스는 모듈형 기계식 스위칭 디바이스들 중 하나 초과의 모듈형 기계식 스위칭 디바이스들에 접속할 수 있고, 모듈형 기계식 스위칭 디바이스들을 통한 전류 부하는 모듈형 기계식 스위칭 디바이스들의 안전한 동작을 보장하기 위해 필요할 때 모듈형 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스를 가로질러 공유될 수 있다.
제3 태양에서, 접속 단자들에서의 가능한 발화원들을 다루는 것 및/또는 하이브리드 디바이스 내의 도체들의 잠재적 과열을 회피시키기 위한 열 관리 특징부들을 포함하는 것뿐만 아니라 기계식 스위치 콘택트들 사이의 전기적 아킹을 주변 환경으로부터 격리시켜서 발화를 방지하기 위해 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스와 기계식 스위치 디바이스의 조합의 형태로 그리고 추가로 향상된 특징부들과 조합하여 하이브리드 회로 보호 디바이스가 구현될 수 있다. 따라서, 그러한 하이브리드 회로 보호 디바이스들은, 종래의 하이브리드 회로 보호 디바이스들과는 달리, NEC 디비전 1 또는 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에 적용가능한 위험 위치 표준들에 순응하고, 종래의 방복 인클로저들을 소정 응용물들에 대해 쓸모없게 만든다.
제4 태양에서, 하이브리드 회로 보호 디바이스는 공간을 절약하면서 분전반 상에의 편리한 설치를 위한 모듈형 디바이스로서 제공될 수 있다. 모듈형 디바이스는 또한, 하이브리드 회로 보호 디바이스의 제어부들 내에 통합되는 모터 스타터 컴포넌트들 및 연관된 기능과 같은 추가적인 내장형 컴포넌트들 및 기능을 구비하도록 구성되어, 종래의 그리고 직렬 접속된, 별개로 패키징된 회로 차단기들 및 모터 스타터 디바이스들을 제거함으로써 추가적인 공간 절감들 및 비용들을 실현할 수 있다.
하기의 논의가 회로 차단기 디바이스들의 맥락에서 이루어지지만, 하기의 본 발명의 개념들은 반드시 회로 차단기 디바이스들로 제한되지는 않으며, 대신에, 예들이 위에서 논의된 다른 유형들의 디바이스들에 광범위하게 성립될 수 있으며, 이들은 위험 위치에서의 발화 우려들의 관점에서 유사한 문제들을 제공한다. 마찬가지로, 본 발명의 개념들이 NEC 디비전 1 및 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들과 같은 위험 위치들의 맥락에서 기술되지만, 기술된 개념들의 이익들이 반드시 NEC 디비전 1 또는 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들로 제한되지는 않고, 대신에, 다른 유형들의 위험한 환경들에 더 광범위하게 적용될 수 있으며, 일부 태양들에서, 유익하게도, 원하는 대로, 비-위험 위치들에서의 사용을 위해 제공될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 예시적인 실시예에 따른, 순응성 위험 환경 회로 보호 디바이스(100)의 사시도이다. 회로 보호 디바이스(100)는 대향하는 종방향 면들(104, 106) 및 종방향 면들(104, 106)에 대해 대체적으로 직각으로 배열되는 대향하는 측방향 면들(108, 110)을 갖는 하우징(102)을 포함한다. 하우징(102)은 또한, 전면(112) 및 후면(114)을 포함하고, 전면(112)은 디바이스(100)를 위한 사용자 인터페이스로서 기능하는 선택적인 디지털 디스플레이(116)를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 디스플레이(116)는 디바이스(100) 및 디스플레이(116) 부근의 사람에게 전압, 전류, 전력 및 에너지 판독치들을 시각적으로 나타낸다.
디바이스(100)의 하우징(102)은 모든 가능한 전기적 동작 조건들, 및 구체적으로, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 보호되는 전기 전력 시스템에 의해 제공될 수 있는 동시 결함 조건들을 포함하는 모든 가능한 전기적 결함 조건들을 견디기 위해 전략적으로 선택되거나 달리 맞춤 조제된(custom formulated) 재료들로부터 제작된다.
NEC 디비전 1 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서의 순응을 위해, 하우징 구조물 및 하우징 재료는 마찬가지로, 추가로, 폭발성 환경에서 실현될 수 있는 쇼크 및 충격력(impact force)들을 견디기에 적절한 강도를 제공할 뿐만 아니라, 디바이스(100)의 무결성에 달리 부정적으로 영향을 미칠 수 있는 폭발성 환경 내의 화학들에 대한 노출을 견디기 위한 내화학성(chemical resistance)을 제공하도록 조제되어야 한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "내화학성"은 화학적 공격 또는 용매 반응에 대항하여 보호하기 위한 하우징 재료의 강도를 지칭한다. 하우징(102)에서의 내화학성은, 하우징(102)이 소정 화학들에 노출될 때 바람직하지 않은 화학적 효과를 야기할 수 있고/있거나 바람직하지 않게 열을 발생시키고 하우징(102)의 온도를 상승시킬 수 있는 화학 반응성의 반대이다. 특정된 화학들에 대한 반응성이 거의 또는 전혀 없는 내화학성은, 공기 중 가스들 및 증기들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는, 환경 내의 부식성 또는 가성(caustic) 물질들에 대한 하우징(102)의 저항성에 관련된다. 디바이스(100)의 경우, 내화학성은 본 명세서에 기술된 위험 위치 순응성에 기여하는 모든 재료들 및 구조에 중요하다.
UL 1203은 하우징(102)에 대한 후보 재료의 임의의 조제가 폭발성 환경 위치들에 대해 내화학성인지 여부를 결정하기 위해 적용될 수 있는 화학적 테스팅을 정의한다. 구체적으로, UL 1203 화학적 테스팅은 원하는 하우징 구조물 내의 후보 재료의 조제로부터 제조될 샘플 하우징들, 및 미리결정된 기간 동안 다수의 지정된 화학들을 포함하는 공기 중의 포화 증기들에 대한 샘플 하우징의 긴 노출을 필요로 한다. UL 1203 화학적 테스팅을 위한 특정된 화학들은 아세트산, 아세톤, 수산화암모늄, ASTM 기준 연료 C, 다이에틸 에테르, 에틸 아세테이트, 에틸렌 다이클로라이드, 푸르푸랄, n-헥산, 메틸 에틸 케톤, 메탄올, 2-니트로프로판, 및 톨루엔을 포함한다. 상이한 샘플 하우징들이 미리결정된 기간 동안 각각의 화학에 노출되고, 각각의 화학에의 노출 후에, 샘플 하우징들은, 샘플들의 하우징 구조물이 손상되지 않거나, 예를 들어 변색, 팽윤, 수축, 잔금, 균열, 침출 또는 용해를 통해 열화의 징후들을 보이고 있음을 보장하기 위해 검사된다. 이어서, 검사를 통과하는 샘플 하우징들은 압괴 테스트(crush test)를 거치고, 화학적 노출 전의 압괴 테스팅의 결과들과 비교된다. 화학적으로 테스팅된 샘플 하우징들의 압괴하중력이, 화학적 노출 전에 테스팅된 바와 같이 화학적으로 테스팅된 샘플 하우징이 대응하는 압괴력의 최소 85%를 견디는 경우, 샘플 하우징은 UL 1203 순응성이다.
하우징(102)은, 그가 제조되는 재료를 통해, 마찬가지로, 주어진 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에 존재하는 특정 화학들과의 화학적 상용성(chemical compatibility)을 나타내어야 한다. 화학적 상용성은 위험 위치 환경 내의 물질들에 노출될 때 하우징의 안정성을 지칭한다. 하우징(102)이 환경 내의 물질에 화학적으로 반응하는 경우, 그것은 비상용성인 것으로 간주된다. 따라서, 상용성 테스팅은, 그럼에도 불구하고, 산업 시설들의 스펙트럼에 걸쳐 사용되는 상이한 부식성 또는 가성 화학들 및 물질들의 수를 고려하여 화학적 상용성을 확인하기에 바람직하다. 상이한 가성 또는 부식성 물질들을 수반하는 상이한 시설들은 제시된 문제들을 다루기 위해 상이한 재료들의 하우징들을 요구할 수 있다. 하우징 재료들의 전략적 선택 및 맞춤 조제는, 보편적으로 최적의 하우징 또는 재료 조제가 실제로 결정되거나 경제적으로 제공될 수 없는 경우, 일부 폭발성 환경들에 대해 필요할 수 있다. 일부 경우들에 있어서, 하우징에 대한 UL 1203 순응성은 선택된 시설들 내에서의 화학적 상용성 테스팅에 대한 필요성을 제거할 수 있고, 이에 따라 화학적 상용성 테스팅이 선택적인 것으로 간주될 수 있다.
하우징(102)을 제조하는 데 사용되는 재료는 마찬가지로, 동작 중에 디바이스(100)에 대한 열 관리 및 표면 온도 목표들을 달성하기 위해 전략적으로 선택되거나 달리 조제될 수 있을 뿐만 아니라 특정 구조로 형성될 수 있다. 일부 하우징 재료들은 다른 재료들보다 열을 분산시키고 소산시키기 위해 더 양호한 열 성능을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 외부 표면적 온도가 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 발화를 야기할 수 있는 온도 아래의 레벨에서 유지되도록 하기 위해 하우징(102) 내부적으로 그리고 그의 외부 표면적 상에서 전기 전력 시스템을 보호할 때 사용 중인 디바이스(100)의 열 성능을 개선할 하우징(102)을 구현하도록 특정 중합체 수지들이 선택 또는 맞춤화되고 조제 또는 프로세싱될 수 있다.
임의의 주어진 하우징 재료에 대해, 치수들, 윤곽들 등을 포함하는 하우징(102)의 형상 및 폼 팩터는 전체 열 성능 및 표면 온도를 포지티브로 또는 네거티브로 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 주어진 디바이스 정격 및 전력 시스템의 동작 전압 및 전류에 대해, 더 큰 외부 표면적을 갖는 하우징은 대체적으로, 더 작은 외부 표면적을 갖는 하우징에 비해 사용 중의 표면 온도를 감소시킬 것이다. 하우징 구조물은 열 성능을 갖는 전체 패키지 크기 및 구성을 최적화하고 균형을 이루도록 설계될 수 있다.
일부 실시예들에서, 하우징(102)은 금속 또는 금속 합금들, 고강도, 고성능 플라스틱들과 같은 비-금속 절연성 재료들, 또는 열 성능 및 상기 다른 고려 사항, 즉 내충격성 및 내화학성을 변화시키기 위해 금속 및 비금속 재료들의 조합으로부터 제조될 수 있다. 전체적으로 또는 부분적으로 봉지된 하우징 구성들이 마찬가지로 가능하다. 일부 경우들에 있어서, 하우징(102)의 내부는 마찬가지로, 전체적으로 또는 부분적으로, 유전체 재료, 유전체 유체, 밀봉용 재료들, 또는 디바이스(102) 내의 스위치 컴포넌트들 및 동력수급형 전기 도체들의 열 및 에너지를 포함, 흡수, 또는 소산시키기 위한 모래와 같은 다른 충전 매체로 충전되어, 하우징(102)의 표면 온도가 선택된 타깃 온도 아래에서 유지되어 원하는 온도 분류 또는 온도 정격을 갖는 디바이스(100)를 제공할 것임을 보장할 수 있다.
그의 제조 시에 활용되는 재료들과는 별개로, 하우징(102)의 구조는 마찬가지로, 열 분산 및 소산을 염두에 두고 설계될 수 있다. 하우징은 하우징(102) 내의 특히 타깃화된 위치들 전체에 걸쳐 또는 그 위치들에서 하나 초과의 하우징 재료를 포함하도록 전략적으로 구조화될 수 있다. 하우징 서브구조물들은 독립적으로 제조될 수 있고, 선택 위치들에서 전략적인 방식으로 열을 선택적으로 한정하고 분산시키기 위해 조립체가 하우징의 원하는 영역들에서 추가적인 열 절연 또는 열 전도를 제공하도록 제공될 수 있다. 하우징(102)의 벽 두께가 마찬가지로, 가장 바람직한 위치들에 있는 하우징 구조물의 소정 영역들에서 또는 구조물의 선택된 부분들에서 더 큰 또는 더 작은 정도의 열 전도 및 열 소산을 제공하기 위해 변화될 수 있다. 파이핑, 채널들, 또는 포켓들은, 생성된 열을 전략적으로 포획하도록 그리고 이를 소산을 위한 원하는 위치들로 더욱 효율적으로 지향시키도록 형성될 수 있다. 열 흡수 및 소산을 개선하기 위해 열 싱크 재료들 등이 포함될 수 있다.
냉각 유체들이 하우징 구조물 위로 또는 그를 통해 통과되는 능동 냉각 요소들이 마찬가지로 가능하며, 이때 하우징 구조물은 능동 냉각을 용이하게 하기 위해 적절한 구조물을 포함한다. 능동 냉각 요소들은 자납식(self-contained)이거나, 예컨대 다수의 디바이스들(100)이 제공될 수 있는 분전반 응용물에서 개별적으로 제공될 수 있으며, 이때 능동 냉각 시스템은 밀접하게 포지셔닝된 디바이스들(100) 내의 열의 누적 생성을 상쇄하고 디바이스들(100)이 서로에 대해 가질 수 있는 온도 영향들을 완화한다. 능동 냉각 시스템은 다수의 디바이스들(100) 내에서 또는 그 주위에서 유체들을 순환시켜 표면 온도들을 효과적으로 관리하는 냉각 팬들 또는 펌프들을 포함할 수 있다. 온도 센서들(158)(도 3)을 포함하는 디바이스들(100)은, 필요할 때에는 전력을 공급하고 그렇지 않을 때에는 전력을 차단하도록 피드백 신호들을 능동 냉각 시스템에 제공할 수 있다. 열 전기기기는 또한, 디바이스를 통한 이용가능한 전류를 감소시키기 위해(이에 의해 열을 감소시킴) 부하 장비들을 갖는 루프들을 피드백할 수 있는 바와 같이 배치될 수 있다.
상기 열 관리 고려사항들은 여러 가지 상이한 조합들로 추구될 수 있는데, 이들 조합들 중 일부는 다른 고려사항들에 대한 필요성을 상쇄하거나 제거할 수 있다. 예를 들어, 일부 응용물들에서의 능동 냉각은, 비교적 복잡한 표면적에 걸쳐 열을 소산시키기 위한 더 정교한 형상 및 폼 팩터와 같은, 기술된 하우징의 소정 특징부들에 대한 필요성을 제거할 수 있다.
하우징(102)의 측방향 면들(108, 110)은 각각, 라인 측 및 부하 측 회로부에 대한 각자의 접속을 위한 접속 리세스들(118, 120, 122)을 포함한다. 도 1에 도시된 예에서, 3개의 접속 리세스들(118, 120, 122)이 면들(108, 110) 중 하나의 면 상의 3상 전력 공급부에 대한 그리고 다른 면 상의 3상 부하 측 장비에 대한 각자의 접속을 위해 제공된다. 전력 공급부 및 부하는 교류(AC) 또는 직류(DC)로 각각 동작할 수 있다. 도시된 바와 같은 디바이스(100)는 회로 차단기로서 구성되고, 따라서, 소정 범위 내에서 사용자에 의해 선택될 수 있고 디스플레이 스크린(116)을 통해, 원격 인터페이스를 포함한 다른 사용자 인터페이스를 통해 디바이스(100)에 입력될 수 있고/있거나, 디바이스 내에 사전프로그래밍될 수 있는 미리결정된 과전류 조건들에 응답하여 자동 회로 보호를 제공한다. 디바이스(100)는 접속된 부하들에 대한 적절한 보호를 제공하기에 적합한 특정된 시간-전류 곡선들 또는 트립 프로파일들에 따라 동작할 수 있다.
디스플레이(116)는 사용자 활동에 응답하여 상이한 스크린들을 디스플레이하도록 다기능적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(116)는 사용자가 프롬프트된 바와 같이 디스플레이의 선택된 영역들을 터치하는 것을 통해 선택들을 행하는 것에 의한 터치 감응성일 수 있다. 버튼들, 노브들 등과 같은 입력 선택자들은, 디스플레이와 관련하여 사용자에 의한 상호작용을 위해 디스플레이(116)와는 별도로 공급될 수 있다. 토글 스위치와 같은 입력 선택자는 또한, 직관적으로 사용자에 의해 수동으로 동작될 수 있는 수동 조작가능 온/오프 스위치들로서의 역할을 하도록 디스플레이(116)와는 별개로 제공될 수 있다. 이러한 경우에 있어서, 토글 스위치는 전통적인 토글 스위치를 에뮬레이트하여 "온" 또는 "오프"로의 상태 변화에 영향을 미칠 수 있고, 그것은 기계식 스위치 콘택트들의 변위 없이 그렇게 할 수 있는데, 그 이유는, 하기에 설명되는 바와 같이, 디바이스(100)가 기계식 스위치들을 포함하지 않기 때문이다. 대안적으로, 접속된 부하 측 장비에 대한 분리 스위치 기능을 달성하기 위해 조작자에 의한 편리한 사용을 위해 온/오프 특징부가 디스플레이(116) 내에 내장될 수 있다.
디스플레이(116)는 사용자 활동에 응답하여 상이한 스크린들을 디스플레이하도록 다기능적일 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(116)는 사용자가 프롬프트된 바와 같이 디스플레이의 선택된 영역들을 터치하는 것을 통해 선택들을 행하는 것에 의한 터치 감응성일 수 있다. 버튼들, 노브들 등과 같은 입력 선택자들은, 디스플레이(116) 상에 제시되는 프롬프트들 또는 정보와 관련하여 사용자 입력을 위해 디스플레이(116)와는 별도로 공급될 수 있다. 그러나, 디스플레이 또는 디스플레이들의 어레이(116)는 소정 실시예들에서 선택적인 것으로 간주될 수 있고, 전혀 포함될 필요가 없다는 것이 인식된다. 추가 실시예들에서, 국부적으로 그리고 원격으로 디스플레이의 형태이든 아니면 디바이스와의 사용자 상호작용을 위한 다른 인터페이스들의 형태이든 추가적인 입력/출력 요소들이 제공될 수 있다.
도 2는 예시적인 솔리드 스테이트 구성에서의 회로 보호 디바이스(100)의 간략화된 개략도이다. 디바이스(100)는 접속 케이블들, 도관들, 또는 와이어들을 통해 도 2에서의 라인 측 회로부(132)로서 나타내진 3상 전력 공급부의 하나의 상에 각각 접속되는 입력 단자들(130a, 130b, 130c)을 포함한다. 디바이스(100)는 모터들, 팬들, 조명 디바이스들, 및 산업 시설 내의 다른 전기 장비와 같은 부하 측 회로부(136)에 각각 접속되는 출력 단자들(134a, 134b, 136c)을 추가로 포함하며, 여기서 발화가능 가스, 증기들 또는 물질들은 138로 나타내진 바와 같이 공기 중에 있을 수 있다. 출력 단자들(134a, 134b, 136c)은 마찬가지로, 접속 케이블들, 도관들, 또는 와이어들을 통해 전기적 부하들에 접속될 수 있다. 선택적으로, 디바이스(100)는 보조 콘택트들 및 보조 접속부들, 션트(shunt) 트립 특징부들, 부족전압 해방(undervoltage release) 특징부들, 통신 포트들 및 통신 요소들, 통신 및 다른 목적들을 위한 전력 포트들 등과 같은 추가적인 요소들을 추가로 포함할 수 있다.
각각의 쌍의 입력 단자들(130a, 130b, 130c)과 출력 단자들(134a, 134b, 136c)은 140a, 140b 및 140c에 나타내진 바와 같이 배열된 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들이다. 예시적인 배열은 서로에 대해 각자 역방향으로 접속되는 IGBT들(142a, 142b, 142c, 142d)의 직렬 접속된 쌍들을 포함하며, 이때 각각의 쌍의 IGBT들(142a 및 142b와 142c 및 142d)은 IGBT들에 병렬로 접속된 배리스터 요소(144)를 포함한다. 각각의 쌍 내의 역방향 접속된 IGBT들은 알려진 방식으로 부하 측 회로부(136)로부터 라인 측 회로부(132)로의 IGBT들을 통한 역방향 전류 흐름을 배제한다.
각각의 배열물(140a, 140b, 140c) 내의 IGBT들(142a, 142b, 142c, 142d)은, 라인 측 회로부(132)로부터 부하 측 회로부(136)로의 각자의 입력 및 출력 단자들(130a와 134a, 130b와 134b, 및 130c와 134c) 사이의 전류 흐름을 허용하도록, 또는 부하 측 회로부(136)가 라인 측 회로부(132)로부터 전기적으로 절연되게 되도록 전류가 디바이스(100)를 통해 흐르는 것을 배제하도록 동작가능한 반도체 스위치의 하나의 형태이다. 간단히 말하면, 이미터로부터 IGBT의 게이트 단자들에 인가되는 양 전압은 전자들이 그의 바디 영역을 가로질러 게이트 단자를 향해 인출되게 한다. 게이트-이미터 전압이 임계 전압 이상인 경우, 충분한 전자들이 게이트를 향해 인출되어 바디 영역을 가로질러 전도성 채널을 형성하여, 전류가 콜렉터로부터 이미터로 흐를 수 있게 한다. 게이트-이미터 전압이 임계 전압 미만인 경우, 본질적으로 어떠한 전류도 바디 영역을 가로질러 흐를 수 없으므로, 게이트-이미터 전압을 제어함으로써, 입력 단자들과 출력 단자들 사이의 전류 흐름은, IGBT들을 통해 디바이스(100)의 입력 단자들로부터 출력 단자들을 접속시키거나 분리하도록 인에이블 또는 디스에이블될 수 있다. 마찬가지로, IGBT 요소들 이외의 동등한 유형들의 반도체 스위치 요소들이 채용될 수 있는데, 이들은 MOSFET 요소들, 바이폴라 트랜지스터 요소들, 실리콘 제어 정류기 요소들(때때로, 사이리스터(thyristor)들로 지칭됨) 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는다. 반도체 스위치 요소들의 수는 도 2에 도시된 수보다 많도록 또는 그보다 적도록 변화될 수 있다.
도시된 배열물 내의 각각의 쌍의 IGBT들에 병렬로 접속된 배리스터 요소들(144)은, 정상 동작 전압에 노출될 때 비교적 높은 저항을 나타내고, 과전압 조건들 및/또는 전기적 결함 조건들과 연관된 것과 같은 더 큰 전압에 노출될 때 훨씬 낮은 저항을 나타낸다. 배리스터들(144)을 통한 전류 경로들의 임피던스는, 배리스터들(144)이 저임피던스 모드에서 동작할 때 IGBT들의 임피던스보다 실질적으로 더 낮으며, 그렇지 않을 때에는 IGBT들의 임피던스보다 실질적으로 높다. 이는, 정상 조건들에서 배리스터들(144)의 고임피던스가 모든 전류가 IGBT들을 통해 흐르게 하지만, 과전압 조건들이 발생함에 따라, 배리스터들(144)이 고임피던스 모드로부터 저임피던스 모드로 스위칭하고, 과전압 유도 전류 서지(surge)들을 IGBT들로부터 떨어져서 부하 측 회로부(136)로 션트시키거나 우회시킨다는 것을 의미한다. 과전압 조건들이 감소(subside)함에 따라, 배리스터들(144)은 고임피던스 모드로 복귀할 수 있다. 배리스터들은 유리하게는, 예를 들어, 다른 방식으로 IGBT들이 모터 시작이 완료된 후에 과전류 조건들에 반응하도록 허용하면서 모터 돌입 전류들이 디바이스(100)를 통해 흐르게 한다. 그러나, 다른 응용예들에서, 배리스터들(144)은 선택적인 것으로 간주될 수 있고 생략될 수 있다.
추가의 열 관리 특징부로서, 각각의 배열물(140a, 140b, 140c) 내의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(예컨대, IGBT들)은 전략적으로 선택되거나 다른 방식으로 조제된 재료로 봉지되어, 스위치 디바이스들(140a, 140b, 140c)의 열 성능을 개선하고/하거나 사용 중의 열 소산 및 분산을 개선할 수 있다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(140a, 140b, 140c)의 봉지 재료는 하우징 구성에 포함된 봉지 재료들과 동일하거나 그와는 상이할 수 있으며, 구체적으로, 스위치 디바이스들 자체의 과열 또는 하우징(102)의 과열을 방지하기 위해 정상 회로 동작에서 또는 과전류 조건들 및 전기적 결함 조건들에서 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들 내의 실리콘의 동작 온도를 제어하거나 제한하도록 타깃화된다.
예시적인 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들이 도시되고 기술되어 있지만, 다른 것들은 아크리스 방식으로 솔리드 스테이트 스위칭 기능을 달성하는 것이 가능하다. 위에서 논의된 바와 같이, 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스들은 기계식 스위치들이 생성하는 유형의 아킹을 피하고, 따라서, 그러한 아킹이 NEC 디비전 1 또는 2 위치들에 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에 있는 가능한 발화원인 것을 피한다.
디바이스(100)가 사용될 위험한 환경을 고려하여, 입력 및 출력 단자들에 대한 라인 측 및 부하 측 케이블들의 신뢰성있는 종단이 중요한데, 그 이유는 느슨한 접속들이 열 및 신뢰성 문제들뿐만 아니라 위험 위치에서의 가능한 발화 우려들을 발생시킬 수 있기 때문이다. NEC 디비전 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서, 입력 및 출력 단자들은 하우징(102)의 외부로부터 액세스가능할 수 있다. 잠금 단자 접속 조립체들 및 스프링-바이어스식(spring-biased) 단자 조립체들은, 케이블 접속들이 시간 경과에 따라 느슨하게 되는 임의의 경향을 감소시키면서 각자의 케이블들의 단부들을 수용하고 보유하도록 활용될 수 있다. 그러나, 후술되는 디바이스 지능 및 페일-세이프 특징부들 중 일부를 고려하여, 그러한 잠금 단자 조립체들 및 스프링-바이어스식 단자 커넥터들은 일부 경우들에 있어서, NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에서 선택적인 것으로 간주될 수 있다.
NEC 디비전 1 위치에서, 입력 및 출력 단자들은 추가적인 안전성 보증을 제공하기 위해 추가적인 하우징 부분들 내에 추가로 둘러싸일 수 있다. 그러한 하우징 부분들은 하우징(102)과는 별개로 제공될 수 있거나, 또는 폭발성 환경으로부터 입력 및 출력 단자들을 격리시키기 위해 하우징(102)의 연장부들로서 일체로 형성될 수 있다. 고려되는 실시예들에서, 제거가능한 커버 요소들은 입력 및 출력 단자들, 및 하우징 부분들의 인클로저들 내부의 입력 및 출력 단자들에 대한 완전한 전기 접속들에 액세스하도록 제공될 수 있다. 라인 측 및 부하 측 케이블 접속들은, 각각의 하우징 부분의 인클로저들을 통해 라인 측 케이블 또는 부하 측 케이블을 안전하게 통과시키기 위해, 예를 들어, 유입방지(ingress protection), 실링 및 접지를 제공하는 외장 케이블(armored cable) 및 케이블 글랜드(cable gland)들을 통해 추가로 확립될 수 있다. 외장 케이블과 함께 사용될 때, 지락(ground to earth) 경로는 케이블 글랜드를 통해 확립될 수 있다. 그러나, 외장 케이블은 모든 실시예들에서 필요하지는 않으며, 사용되지 않을 수도 있다. 케이블 글랜드들은 마찬가지로 비-외장 케이블과 함께 사용될 수 있다.
하우징(102)은 NEC 디비전 1 위치 내의 주어진 설치에 대한 적용가능한 한계들 미만으로 표면 온도들을 유지하도록 열 관리 문제들을 염두에 두고 설계 및 제조될 수 있고, 일부 실시예들에서, 하우징(102)은, 전체 회로 보호 디바이스를 통상적으로 포함할 종래의 더 크고 개별적으로 제공된 방폭 인클로저보다 비교적 더 작고 더 경제적인 하우징에도 불구하고 위험 위치들에 대한 적용가능한 표준들에 순응하여 전체적으로 또는 부분적으로 방폭일 수 있다. 하우징(102) 및 그 내부에 한정된 임의의 인클로저들은 마찬가지로 단자/케이블 계면에서의 또는 하우징 내의 다른 위치들에서의 전기적 아킹을 감소시키거나 지연시키기 위해 진공 챔버들을 포함할 수 있거나 또는 유전체 유체, 유전체 재료 또는 불활성 가스로 충전될 수 있다. 후술되는 디바이스 지능 및 페일-세이프 특징부들은 위험 위치에서의 발화원 우려들을 다루는 추가적인 보증 및 안전성을 제공하고, 선행 특징부들 중 일부가 NEC 디비전 1 위치에 대해 선택적이 되게 할 수 있다.
NEC 디비전 1 위치에 있는 가능한 발화원을 제공하는 가능한 정전기 전하 축적을 다루기 위해, 전기 접지(146)에 대한 접속을 갖는 하우징(102)이 도 2에 도시되어 있다. 간단히 말하면, 정전기는 물체 내의 음전하와 양전하 사이의 전자기 불균형의 결과이다. 하우징 표면의 충전은 다른 물체를 수반하는 표면 전하를 통해, 특히 하우징의 절연성 부분들에 대해, 또는 하우징의 전기 전도성 부분들에 대한 전하 유도를 통해 발생할 수 있다. 표면 충전은 또한 고전압 DC 전력 공급부에 대한 노출 동안 발생할 수 있으며, 이는 이온들이 하우징 표면에 부착되게 할 것이다.
표면 충전이 실제로 어떻게 발생하는지에 관계없이, 접지(142)에 대한 접속은 하우징(102) 상의 임의의 전기 전하 축적이 가연성/위험 영역들 내에 발화원을 생성하지 않고서 안전하게 소산될 수 있게 한다. 하우징(102)은 그의 외부 표면 상에서 하우징(102)에 접속된 라인 와이어 또는 라인 도체를 통해 지락 또는 섀시 접지에 접지될 수 있다. 이와 같이, 하우징(102)의 외부의 임의의 충전은, 전형적으로, 폭발성 대기의 존재 시에 사람에 의해 또는 사람에 의해 활용되는 도구를 통해 발생되고 발화를 야기할 수 있는 스파크 또는 쇼크를 통해, 접지에 대한 전기 전류로서 급하게 소산되고 고전압 방전 이벤트를 제거할 것이다.
하우징(102) 자체는 또한, 정전기 방지 중합체들 또는 전하 축적의 관점에서 전기에 대해 약하게 전도성인 정전기 방지 재료들로부터 전체적으로 부분적으로 제조될 수 있지만, 그럼에도 불구하고, 디바이스(100)가 보호 중인 전기 전력 시스템의 관점에서 절연성 및 비전도성인 것으로 간주될 수 있다. 정전기 방지 재료들은 제1 경우에 충전하는 하우징의 임의의 경향을 축소시킴으로써 비-정전기 방지 재료들에 비해 하우징 성능을 개선할 수 있으며, 이는 하우징 제조에서 활용될 재료(들)를 전략적으로 선택하거나 또는 다른 방식으로 조제하기 위한 다른 고려사항이다. 원하는 경우, 정전기 방지 코팅들, 봉지재들 또는 쉘(shell)들이 하우징 외부 표면 상에 제공될 수 있지만, 상기에 논의된 바와 같이 내화학성 및 상용성이 여전히 보장되어야 한다. 디바이스(100)가 실제 설치에서 인클로저/시스템 접지 평면에 직접 접속할 때, 정전기 문제들을 다루기 위한 전용 접지 도체들은 접지 평면에 대한 기계적 부착 및/또는 물리적 근접성으로 인해 필요하지 않을 수 있다.
단일 접지 접속부가 도 2에 도시되지만, 하나 초과의 접지 접속부가 임의의 원하는 위치에 있는 디바이스(100)의 구조물에 제공될 수 있다. 접지 도체들은 기술된 바와 같이 디바이스 하우징(102)의 외부에 접속되는 접지 도체에 더하여 또는 그 대신에 디바이스 하우징(102)의 내부에 제공될 수 있다. 하우징(102)에 대한 접지 접속들은 또한, 지락 경로를 이미 포함하는 외장 케이블이 디바이스(100)의 단자들(130a, 130b, 130c)에 대한 라인 측 및 부하 측 접속들을 이루도록 활용될 때 케이블 글랜드와 같은 케이블 커넥터를 통해 확립될 수 있다. 물론, 일부 경우들에 있어서, 비-외장 케이블이 케이블 글랜드들과 함께 또는 케이블 글랜드들 없이 사용될 수 있는 한편, 디바이스(100) 내의 발화원들을 여전히 제거하고, 대안적인 접지 접속을 사용하여 정전기를 다룰 수 있다.
NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 위치들에서, 디바이스(100)는 전형적으로 인클로저에 의해 보호될 것이고, 따라서, 정전기 문제들 및 방전 이벤트들에 취약하지 않을 것이다. 이와 같이, 접지(146)에 대한 접속은 NEC 디비전 2 위치 또는 IEC 구역 1 위치에서 사용하기 위해 디바이스(100)에서 필요하거나 바람직할 수 있거나 또는 필요하거나 바람직하지 않을 수 있으며, 따라서 선택적인 것으로 간주될 수 있다. 그러나, 디바이스(100) 덕분에, 하나 이상의 디바이스들(100)을 포함하는 인클로저는 방폭성일 필요가 없으며, 종래에 제공된 방폭 인클로저는 생략될 수 있다.
도 3은 회로 보호 디바이스(100)의 블록도이다. 디바이스(100)는 프로세서(150) 및 메모리 저장소(152)를 포함하는 프로세서 기반 마이크로제어기를 포함하는데, 여기서 실행가능 명령어들, 커맨드들, 및 제어 알고리즘들뿐만 아니라, 디바이스(100)를 만족스럽게 동작시키는 데 필요한 다른 데이터 및 정보가 저장된다. 프로세서 기반 디바이스의 메모리(152)는, 예를 들어, 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), 및 플래시 메모리(FLASH), 프로그래밍가능 판독 전용 메모리(programmable read only memory, PROM), 및 전자적으로 소거가능한 프로그래밍가능 판독 전용 메모리(electronically erasable programmable read only memory, EEPROM)를 포함하지만 이로 제한되지 않는 RAM 메모리와 함께 사용되는 다른 형태들의 메모리일 수 있다.
본 명세서에 사용되는 바와 같이, 용어 "프로세서 기반" 마이크로제어기는, 도시된 바와 같은 프로세서 또는 마이크로프로세서를 포함하는 제어기 디바이스들뿐만 아니라 다른 등가 요소, 예컨대, 마이크로컴퓨터들, 프로그래밍가능 논리 제어기들, RISC(reduced instruction set) 회로들, 주문형 집적 회로들, 및 다른 프로그래밍가능 회로들, 논리 회로들, 이들의 등가물들, 및 후술되는 기능들을 실행할 수 있는 임의의 다른 회로 또는 프로세서를 지칭할 것이다. 상기에 열거된 프로세서 기반 디바이스들은 단지 예시적인 것이며, 따라서, 용어 "프로세서 기반"의 정의 및/또는 의미를 임의의 방식으로 제한하도록 의도되지 않는다.
디바이스들(100)은 또한, 디바이스(100) 내의 스위칭 폴(pole)들의 수와 동일한 1 내지 n 개가 제공되는 센서들(154, 156, 158)을 포함한다. 이와 같이, 도 1 및 도 2에 도시된 3-폴 디바이스(100)의 경우, 디바이스 내의 실제 동작 회로 조건들을 평가하기 위해 디바이스 내의 각자의 위치들에서 전류, 전압 및 온도를 각각 검출하는 각각의 유형의 3개의 센서들이 포함될 수 있다. 각각의 폴 내의 복수의 위치에서의 향상된 온도 모니터링을 위한 추가 실시예들에서는 스위칭 폴에 따라 추가적인 온도 센서들이 선택적으로 제공될 수 있다. 센서들(154, 156 및/또는 158)은 이어서 프로세서(150)에 입력들을 제공한다. 따라서, 프로세서(150)에는 센서들(154, 156 및/또는 158)에 의해, 디바이스(100) 내의 스위칭 폴들의 수와 동일한 1 내지 n개의 솔리드 스테이트 디바이스들(162) 각각을 통과하는 전류에 관한 실시간 정보가 제공된다.
검출된 전류가 모니터링되고, 메모리(152) 또는 트립 유닛(160) 내에 프로그래밍 및 저장되는 시간-전류 곡선 또는 시간-전류 프로파일과 같은 기준 전류 조건과 비교된다. 검출된 전류를 기준 전류 조건과 비교함으로써, 전류를 전도시키는 것을 중지하여 손상 전류(damaging current)들로부터 부하 측을 보호하기 위해 전술된 IGBT 내의 게이트-이미터 전압에 대한 출력 전압을 제어함으로써 솔리드 스테이트 스위칭 요소들(162)을 제어하도록 프로세서(150)에 의해 결정들이 이루어질 수 있다. 일부 실시예들에서, 트립 유닛(160)은 사용자가 트립 유닛(160)의 동작에 대한 설정들을 선택하고 디바이스(100)의 시간-전류 응답을 미리결정된 한계들 내에서 변경할 수 있게 한다. 하나의 그러한 예로서, 사용자는 50 A 내지 100 A의 값에서 디바이스(100)의 전류 정격을 선택할 수 있으며, 이때 트립 유닛(160)은 선택된 전류 정격에 대한 적절한 시간-전류 곡선을 적용한다.
검출된 전압은 마찬가지로, 부정적인 동작 조건들로부터 부하 측 회로부 및 컴포넌트들을 보호하기 위해 솔리드 스테이트 스위칭 요소들(162)을 동작시킬지 여부에 대해 제어 결정들을 이루기 위해 모니터링 및 사용될 수 있다. 전압 및 전류가 관련되기 때문에, 검출된 전압은 검출된 전류와 비교되어, 디바이스(100)의 상태(health)의 평가를 용이하게 하고, 에러들을 식별하고, 전기 전력 시스템의 진단 및 고장수리(troubleshooting)를 용이하게 할 수 있다. 다른 페일-세이프 조치들로서, 전압 및 전류가 감지된 파라미터들로부터 계산될 수 있고, 에러 조건들을 검출하기 위해 센서 피드백과 비교될 수 있다.
검출된 온도는 마찬가지로, 부정적인 동작 조건들로부터 부하 측 회로부 및 컴포넌트들을 보호하기 위해 솔리드 스테이트 스위칭 요소들(162)을 동작시킬지 여부에 대해 제어 결정들을 이루기 위해 모니터링 및 사용될 수 있다. 추가적으로, 검출된 온도는 디바이스(100) 내의 도체들이 그것이 존재하는 특정 위험 위치에 대해 정격 온도들 미만에서 동작하고 있음을 보장할 수 있다. 예를 들어, 정격 온도가 200℉인 경우, 프로세서(150)는 솔리드 스테이트 스위치들을 동작시켜서, 온도 센서들에 의해 나타내진 바와 같은 동작 온도가 NEC 디비전 1 또는 2 위치들 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들에서 공기 중 가스들, 증기들, 또는 물질들을 발화할 수 있는 200℉ 근처로 상승했을 때 전류 흐름을 분리 및 중지시킬 수 있다.
프로세서(150)는 입출력 디스플레이(116)와 통신하여, 사용자에게 피드백을 제공하고 디스플레이(116)를 통해 이루어진 입력들을 수용한다.
도시된 예에서, 프로세서(150)는 전력 컨버터 회로부(162)를 통해 라인 측 전력을 수신한다. 전력 컨버터 회로부(162)는, 필요할 때 알려진 방식으로 감소된 전압에서 직류(DC) 전력을 프로세서(150)에 공급하기 위한 스텝-다운 컴포넌트들 및 아날로그-디지털 컨버전 컴포넌트들을 포함한다. 전자기기들에 전력을 공급하기 위한 적절한 레벨들로의 라인 전력의 컨버전은 배터리들 등과 같은 독립적 전력 공급부 또는 달리 필수적일 제어부들 및 전자 회로부에 대한 별도로 제공된 전력 라인에 대한 임의의 필요성을 회피시키지만, 일부 실시예들에서, 그러한 독립적 전력 공급부는 사실상, 필요한 경우에 또는 원하는 대로 포함될 수 있다. 기술된 제어부들은 전자 패키지들의 다양한 배열물들에서 회로 보드 또는 회로 보드들 상에 구현될 수 있으며, 이때 알고리즘 제어 특징부들은 디바이스 메모리에 프로그래밍 및 저장된다.
원격 위치에 데이터를 통신시킬 수 있는 통신 요소(164)뿐만 아니라, 임의의 특정 디바이스(100)에 대한 국부적 및 원격 위치들에 있는 더 큰 전기 전력 시스템의 동작을 평가하기 위한 추가로 후술되는 바와 같은 다른 디바이스(100)가 또한 포함된다. 전류 데이터, 전압 데이터(파형 데이터를 포함함), 온도 데이터, 솔리드 스테이트 스위칭 요소들의 온-오프 상태 데이터, 선택된 설정 데이터, 트립 시간 데이터 등을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 관심 데이터의 무선 및 비-무선 통신이 가능하며, 그러한 데이터는 시간 경과에 따라 전기 전력 시스템에 저장되고 그의 분석을 위해 국부적으로 그리고 원격으로 아카이빙(archive)될 수 있다. 디바이스(100)의 원격 작동은 또한 통신 요소(164)를 통해 가능하다.
디바이스(100)의 예시적인 아키텍처가 기술되었지만, 도 3에 도시된 소정 요소들은 더 기본적인 기능을 제공하기 위해 선택적인 것으로 간주될 수 있다는 것이 이해된다. 게다가, 디바이스(100)의 동작에서 추가의 정교성 및 지능을 여전히 실현할 뿐만 아니라 회로 보호 및 분리 기능을 넘어 추가적인 기능을 제공하기 위해 추가적인 요소들이 추가될 수 있다.
도 4는 기계식 스위치 디바이스(182)와 조합한 그리고 라인 측 전력 공급 회로(132) 및 부하 측 회로부(136) 및 연관된 전기적 부하들을 상호접속시키는 각자의 회로 경로들을 완료하는 예시적인 솔리드 스테이트 구성의 회로 보호 디바이스(180)의 제1 간략화된 개략도이다.
디바이스(180)는 전술된 디바이스(100)와 유사하며, 따라서, 하우징(102) 및 전술된 그의 특징부들을 포함한다. 전술된 솔리드 스테이트 스위칭 요소들을 통하는 3개의 스위칭가능한 경로들을 갖는 3-폴 회로 보호 디바이스로서 도시되어 있는 디바이스(100)와는 달리, 디바이스(100)는 단일 폴 디바이스이며, 따라서, 하나의 솔리드 스테이트 스위치 배열물(140)을 통해 단 하나의 솔리드 스테이트 스위칭가능한 경로를 갖는다. 디바이스(100)와는 달리, 디바이스(180)는 NEC 디비전 1 또는 2 위치 및 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 하우징 구성, 열 관리 특징부들, 및 가능한 발화 우려들을 다루는 아크리스 스위칭 특징부들을 특징으로 하며, 따라서, 디바이스(180)는, 통상적으로 제공되는 별도의 방폭 인클로저에 대한 요구 없이 NEC 디비전 1 또는 2 위치 및 IEC 구역 1 또는 2 위치에서 활용될 수 있다.
도 4의 예에서의 기계식 스위치 디바이스(182)는 또한, 보호 하우징(186), 및 기계식 스위치 콘택트들(188)의 하나의 세트에 의해 한정되는 단일의 스위칭가능한 경로를 포함한다. 따라서, 기계식 스위치 디바이스(182)는, 정상 동작에서, 단지 예를 들어, 디바이스(182)의 부하 측 상의 단상 전기 모터만에 대한 접속을 완료할 수 있는 단일 폴 스위칭 디바이스이다. 고려되는 실시예들에서, 하우징(186)은 디바이스(100)의 하우징(102)이 동작 중의 디바이스(182)의 과도한 표면 온도들로 인한 발화 우려들을 회피시키기 위해 전술된 것들과 유사한 열 문제들을 염두에 두고 설계 및 구성된다.
추가적으로, 하우징(186)은 절연 재료들을 추가로 포함할 수 있고, 봉지재들이 하우징(186) 내에 제공될 수 있고, 인클로저 또는 챔버가 하우징(186) 내에 포함되어 주변 환경으로부터 스위치 콘택트들을 물리적으로 격리시켜서, 기계식 스위치 디바이스(182)가 개방 및 폐쇄됨에 따라 스위치 콘택트들에서 어떠한 전기적 아킹이 발생하더라도 주변 환경에서 가스들 또는 증기들을 발화시킬 수 없도록 할 수 있다. 디바이스(182)는 또한, 밀폐 밀봉된 하우징 구성, 전기적 아킹의 임의의 경향을 억제하기 위한 진공 챔버를 포함할 수 있거나, 또는 전기적 아킹 및 세기를 가능한 최대 범위까지 금지 또는 억압하기 위해 불활성 가스들 등으로 충전될 수 있다. 하우징(186)의 그러한 구성을 고려하여, 기계식 스위치 디바이스(182)는 마찬가지로, 통상적으로 제공되는 방폭 인클로저에 대한 요구 없이, NEC 디비전 1 또는 2 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들과 같은 위험 위치에서 안전하게 활용될 수 있다.
기계식 스위치 디바이스(182)에 병렬로 접속되는 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스(180)는, 전력 시스템의 소정의 동작 조건들에 대한 응답 시간들을 개선하면서 기계식 스위치 디바이스(182)의 동작에서 전기적 아킹 우려들을 유익하게 감소시킨다. 전력 시스템의 정상 동작에서, 기계식 스위치 디바이스(182)는 보통 폐쇄되어 전기적 부하(136)에 전력을 공급한다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 대체적으로, 전력 시스템의 정상 동작에서 오프 또는 비전도성이 되어, 모든 전류가 기계식 스위치 디바이스(182)를 통해 흐르게 한다.
전술된 센서들로 검출될 수 있는 과전류 조건 또는 전기적 결함 조건에서, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 전류를 전도하도록 솔리드 스테이트 스위치를 턴온시키도록 제어되어, 전류가 병렬 회로 경로에서 기계식 스위치 디바이스(182)로 흐를 수 있게 한다. 전류는 기계식 스위치 디바이스(182) 및 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)에 걸쳐 분할되어, 기계식 스위치 디바이스(182) 상의 전류 부하를 감소시킨다. 이어서, 디바이스(182) 내의 스위치 콘택트들(188)은 문제가 되는 아킹이 발생할 가능성이 감소된 상태로 개방될 수 있다. 전류 부하는 기계식 스위치 디바이스(182)의 스위치 콘택트들(188)에서의 전기적 아킹을 야기하기에 불충분한 레벨로 감소될 수 있거나, 또는 아킹의 세기는 동작 중에 기계식 스위치 디바이스(182)에 대한 발화 우려들을 제기하지 않는 더 낮은 레벨로 감소된다.
마찬가지로, 정상 동작 중의 기계식 스위치 디바이스(182)의 스위칭에, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 미리 제어되어, 스위칭-온되고 기계식 스위치 디바이스(182)의 스위칭을 위한 전류 부하를 감소시켜서 아킹의 임의의 가능성을 감소시키거나 아킹의 세기를 감소시킬 수 있다. 대안적으로, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 내의 센서들은 기계식 스위치 디바이스(182)가 개방됨에 따라 전류 및 전압 조건들을 검출하여, 다시 병렬 회로 경로 내에 전류를 전도시키고 기계식 스위치 콘택트들(188)에 걸친 전류 부하 및 전압을 감소시켜 아킹 조건들을 억압하거나 회피할 수 있다.
도 4는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 및 기계식 스위치 디바이스(182)의 일대일 상관관계를 포함하는 예시적인 하이브리드 회로 보호 디바이스의 제1 간략화된 개략도를 도시한다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 및 기계식 스위치 디바이스(182)는 여러가지 상이한 조합들 및 접속 스킴들로 하기에서 추가로 기술되는 모듈형 디바이스들로서 제공될 수 있다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 기계식 스위치 디바이스(182)보다 훨씬 더 고가인 경향이 있기 때문에, 안전성 또는 회로 보호 성능을 포함하지 않고서 모듈형 디바이스들(180, 182)의 더 낮은 비용의 배열물들이 가능하다.
도 5는 복수의 기계식 스위치 디바이스들(182)과 조합한 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 포함하는 예시적인 하이브리드 회로 보호 디바이스의 제2 간략화된 개략도이다. 기계식 스위치 디바이스들(182)은 디바이스들의 쌍으로서 배열되며, 그들 각각은 라인 측 전력 공급부(132)와 부하 측 회로(136) 사이의 스위칭가능한 경로 및 각자의 전기적 부하를 각자 한정하여, 이에 의해, 조합하여, 정상 동작에서, 예를 들어 디바이스들(182)의 부하 측 상의 2-상 전기 모터에 대해서만 접속을 완료할 수 있는 2-폴 스위칭 디바이스를 한정한다.
솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 기계식 스위치 디바이스들(182) 각각에 병렬로 접속되고, 전술된 바와 같이 기능한다. 온 및 오프로 제어될 때, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 전류를 전도하지 않거나, 또는 전류를 기계식 스위치 디바이스들(182) 및 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)에 걸쳐 분할한다. 전류는 디바이스들을 통해 완료되는 전기 전력의 각자의 상 각각의 전기 회로 조건들에 따라 기계식 스위치 디바이스들(182) 및 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 중 단 하나만을 가로질러, 또는 기계식 스위치 디바이스들(182) 및 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 둘 모두 사이에서 공유될 수 있다.
솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 스위치 디바이스들(182)을 통해 접속된 전력 시스템 위상들 각각에서의 동시 결함들을 안전하게 차단할 수 있는 한, 도 5의 배열물은 도 4에 도시된 일대일 배열물보다 더 낮은 비용으로 안전한 동작을 제공한다. 2-상 부하에 적용될 때, 일대일 배열물은 2개의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180) 및 2개의 기계식 스위치 디바이스들(182)을 필요로 한다. 도 5의 배열물은 비슷한 안전성 및 회로 보호 성능을 여전히 제공하면서, 단일 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 사용하여 비교에 의해 동작가능하다. 다시, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)이 기계식 스위치 디바이스들(182)보다 훨씬 더 고가임을 고려하면, 기계식 스위치 디바이스들(182)과 단일 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)의 쌍을 포함하는 도 5의 배열물은 유의미한 비용 절감들을 나타낸다. 또한, 도 5의 배열물은 도 4에 도시된 배열물과 같은 대안적인 일대일 배열물들에 비해 감소된 열로 동작할 수 있다. 디바이스들(180, 182)은 원하는 대로 또는 위험 환경에서 최종 사용 응용물에 의해 필요한 대로 상호접속될 수 있는(또는 그렇지 않을 수 있는) 모듈형 디바이스들로서 제공될 수 있다.
도 5의 모듈형 배열물은 3-상 전기 모터와 같은 3-상 전기적 부하에 전력을 공급하기 위해 제3 기계식 스위치 디바이스(182)를 포함하도록 확장될 수 있다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 3개의 상들에서 나타나는 동시 결함들을 안전하게 처리할 수 있다고 가정하면, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 응용물에 대한 안전한 동작이 보장될 수 있다. 이와 같이, 3개의 기계식 스위치 디바이스들(182) 및 3-상 부하를 보호하는 단일 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 3개의 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들을 포함하는 디바이스(100)(도 1)의 사용에 비해 유의미한 비용 절감들을 나타낸다. 이와 관련하여, 디바이스(100)는 멀티폴 디바이스이지만, 각각의 폴마다 도 4에 도시된 일대일 배열물을 갖는다.
모듈형 배열물은 제4 기계식 스위치 디바이스(182)를 추가함으로써 4-상 전기 모터를 보호하기 위해 추가로 확장될 수 있다. 단일 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 모든 4개의 상들에 대한 동시 결함들을 안전하게 처리할 수 없는 경우, 3개의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180) 및 3개의 기계식 스위치 디바이스들(182)을 포함하는 일대일 배열물들에 비해 실질적으로 비용들을 여전히 낮추면서 제2 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 제공될 수 있다.
한편, 유사한 배열물들 및 이익들이 다른 응용예들에서 실현될 수 있다. 예를 들어, 도 5에 도시된 하나의 솔리드 스테이트 스위치 배열물에 대한 2-기계식 스위치는 디바이스들을 통해 접속된 별개의 단일 결함 회로들 각각에서의 동시 결함들을 안전하게 취급하면서 2개의 별개의 단일 폴 회로들을 접속시키는 데 사용될 수 있다.
상기에 입증된 모듈형 개념은 대체적으로, NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서의 원하는 회로 보호 및 안전한 동작을 여전히 제공하면서 비용들을 가급적 적게 감소시키기 위해 최소 개수의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)과 조합하여 가급적 또는 사실상 많이 기계식 스위치 디바이스들(182)을 수용하도록 스케일링가능하다. 상기의 배열물들을 일반화하면, n개의 상들을 갖는 전력 시스템에 대해, n개의 기계식 스위칭 디바이스(182)들은, n개의 기계식 스위칭 디바이스들(182) 중 선택된 기계식 스위칭 디바이스들의 전류 부하를 공유하기 위해 n개 미만의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)에 접속하면서 원하는 전기적 부하들에 전력을 공급하도록 제공될 수 있다.
모듈형 개념은 마찬가지로 다중 폴 스위칭 디바이스들에 적용된다. 예를 들어, 3-폴 회로 보호 디바이스(100)는 전술된 것들과 유사한 효과 및 비용 절감들을 갖고서 2개 이상의 3-폴 기계식 스위치 디바이스들(182)에 접속될 수 있다. 상이한 수의 스위칭 폴들을 갖는 디바이스들의 조합들이 마찬가지로 일부 실시예들에서 가능하다. 예를 들어, 4-상 전기적 부하가 3-폴 솔리드 스테이트 디바이스(100), 및 3-폴 기계식 스위치 디바이스 및 단일 폴 기계식 스위치 디바이스에 병렬로 접속된 단일 폴 솔리드 스테이트 디바이스(180)를 통해 접속될 수 있다. 4-상 전기적 부하는 마찬가지로, 3-폴 솔리드 스테이트 디바이스(100), 및 2-폴 기계식 스위치 디바이스들의 쌍에 병렬로 접속된 단일 폴 솔리드 스테이트 디바이스(180)를 통해 접속될 수 있다. 이와 관련하여, 상이한 수들의 스위칭 폴들을 갖는 모듈형 디바이스들을 사용하는 다수의 조합들이 가능하다.
마찬가지로, 다중-폴 스위치 디바이스들이 반드시 다상 전력 시스템들 및 다상 부하들과 함께 사용될 필요는 없다. 3-상 디바이스(100)는 3개의 단일 상 부하들에 전력을 공급하기 위해 3개의 기계식 스위치 디바이스들과 조합하여 사용될 수 있다. 다른 예로서, 3-상 디바이스(100)는 3개의 기계식 스위치 디바이스들과 조합하여 2-상 전기 모터, 및 예를 들어, 동작 중인 모터를 냉각시키기 위한 팬과 같은 단상 부하에 전력을 공급하면서 모터 및 팬에 회로 보호를 제공하는 데 사용될 수 있다. 이와 관련하여, 상이한 수들의 상들을 갖는 전기적 부하들 및 전력 시스템들을 상호접속시키기 위해 상이한 수들의 스위칭 폴들을 갖는 모듈형 디바이스들을 사용하는 다수의 조합들이 가능하다.
도 6은 전술된 모듈형 회로 보호 배열물들을 실현하기 위해 편리한 상호접속들을 용이하게 하는 모듈형 기계식 스위칭 디바이스(182) 및 단자 조립체를 도시한다. 도 6의 예에서, 단자 포스트들 또는 핀들(188)이 디바이스 하우징(186)의 후면으로부터 돌출하는 것으로 도시되어 있다. 디바이스(182)의 기계식 스위치(188)(도 4 및 도 5)는 기계식 스위칭 디바이스(182) 내의 단자 포스트들 또는 핀들(188) 사이에 접속된다.
단자들(190, 192)은 디바이스(182)와는 별도로 제공되고, 단자 포스트들 또는 핀들(188)을 수용하는 애퍼처들(194, 196)을 각각 포함한다. 기계식 스위칭 디바이스(182)의 포스트들 또는 핀들(188)과 단자들(190, 192)의 애퍼처들(194, 196)은 수형 및 암형 접속 특징부들을 한정하여, 디바이스(182)의 기계식 스위치(188) 및 단자들(190, 192)에 대한 그리고 이들을 통한 기계적 및 전기적 접속을 완료하는데, 이들은, 이어서, 여러가지 상이한 실시예들에서 분전반의 버스 구조물을 통해 또는 와이어들 또는 케이블들에 의해 라인 측 전력 공급부(132) 및 부하 측 전기 회로(136)에 접속한다.
도 6의 예에서의 버스 구조물은 또한, 도 4 및 도 5에서 상기에 기술된 회로 배열물들을 실현하기 위해 하나 이상의 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)에 대한 접속을 위한 분전반 내의 전도성 구조물을 각각 한정하는 도시된 바와 같은 버스 1 및 버스 2 접속들(198, 200)을 포함할 수 있다. 단자들(190, 192)은 고려되는 실시예에서 분전반의 버스 구조물에 고정되거나 또는 다른 지지 구조물 상에서 제위치에 고정되어, 라인 측 및 부하 측 회로부에 대한 단자들(190, 192)의 접속들을 방해하지 않고서 기계식 스위치 디바이스(182)가 제거 및 교체될 수 있도록 기계식 스위치 디바이스(182)가 단자들(190, 192)에 대해 선택적으로 포지셔닝가능하게 할 수 있다.
도 6에 도시된 수형 및 암형 접속 특징부들은 단지 예시적인 것이다. 기계식 스위치 디바이스(182)가 수형 커넥터 포스트들을 갖는 것으로 도시되어 있고 단자들(190, 192)이 암형 애퍼처들(194, 196)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이는 단자들 상에 수형 커넥터들을 제공하고 기계식 스위치 디바이스(182) 상에 암형 커넥터들을 제공하기 위해 다른 실시예에서 효과적으로 반전될 수 있다. 포스트들 및 애퍼처들의 크기 및 형상은 마찬가지로, 호환가능한 디바이스들만이 호환가능한 단자들과 함께 사용될 수 있음을 보장하기 위해, 그리고 또한, 반대 극성을 갖는 기계식 스위치 디바이스(182)를 설치하려는 의도하지 않은 시도를 방지하는 일방 설치를 보장하기 위해 수용/거절 특징부들을 한정하도록 변화될 수 있다. 수형 및 암형 커넥터들은, 서로에 대한 본질적으로 안전한 접속 및 분리를 제공하도록 구성될 수 있고, 핫 스왑(hot swap) 삽입 및 제거를 위해 구성될 수 있다. 동작 동안 그리고 모듈형 기계식 스위치 디바이스(182)의 제거 및 교체 시에 디바이스의 안전성을 보장하는 동안 기계식 스위치 디바이스(182)의 편리한 플러그-앤드-플레이(plug and play) 유형 설치 및 제거가 가능하다. 기계식 스위치 디바이스(182)를 고정하고 고품질 전기 접속을 보장하기 위해 로킹 또는 래칭 특징부들이 단자들(188, 190, 192) 상에 또는 하우징(186) 상에 제공될 수 있다. 느슨한 단자 접속들은, 그들이 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서의 발화 우려들을 제공할 수 있기 때문에 회피되어야 한다.
고려되는 대안적인 실시예들에서, 러그 단자들 등은 기계식 스위치 디바이스(182)와는 별도로 공급되는 대신에 기계식 스위치 디바이스(182)의 구성에 내장될 수 있다. 설치에 따라, 내장형 단자들을 포함하는 기계식 스위치 디바이스(182)는 내장형 단자들을 봉입하기 위한 추가적인 하우징 특징부들을 포함할 수 있다. 폭발성 환경에 대한 적절한 안전성 정도를 보장하면서 케이블링 또는 배선에 대한 고품질 전기적 상호접속들을 보장하기 위해 로킹 특징부들, 스프링-바이어스식 특징부들, 및 커넥터들을 통해 내장형 단자들에 안전 와이어 또는 케이블 접속들이 확립될 수 있다.
기계식 스위치 디바이스(182)는 도 6의 외부 제어기(202)에 접속된 것으로 도시되어 있다. 제어기(202)는 기계식 스위치 디바이스(182)를 통해 선택된 또는 미리결정된 시간-전류 프로파일에 따라 자동 회로 보호를 제공하도록 프로그래밍가능하다. 내부 제어기가 디바이스(182)에 이미 제공된 경우, 제어기(202)는 선택적일 수 있고 제공될 필요가 없을 수도 있다. 내부 또는 외부 제어기는 디바이스(182)의 원격 동작을 유익하게 실현할 수 있다.
도 7은 모듈형 기계식 스위치 디바이스들(282)(도 6)과 조합하여 전술된 모듈형 회로 보호 배열물들을 실현하기 위해 편리한 상호접속들을 용이하게 하는 예시적인 모듈형 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스(180) 및 단자 조립체를 도시한다.
모듈형 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스(180)는 디바이스 하우징(102)의 후면으로부터 도시된 바와 같이 돌출하는 단자 포스트들 또는 핀들(220)을 포함한다. 별도로 제공된 단자들(220, 224)은 모듈형 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스(180)의 단자 포스트들 또는 핀들(220)을 수용하는 애퍼처들(226, 228)을 포함한다. 포스트들 또는 핀들(220) 및 단자 애퍼처들(226, 228)은 수형 및 암형 접속 특징부들을 한정하여 디바이스(280) 및 단자들(222, 224) 내의 솔리드 스테이트 스위칭 요소에 대한 그리고 이들을 통한 기계 및 전기 접속들을 완료하는데, 이들은 이어서, 기계식 스위치 디바이스(182)와 병렬로의 라인(132) 및 부하(136)에 대한 접속을 위해, 분전반 내의 전도성 구조물을 한정하는 버스 1 및 버스 2 접속들(198, 200)(도 6에도 도시됨)에 접속한다. 단자들(220, 222)은 고려되는 실시예에서의 버스 구조물에 고정되거나 제위치에 와이어 또는 케이블 접속들을 갖는 다른 지지 구조물 상에 제위치에 고정되어, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 라인 측 및 부하 측 회로부에 대한 접속들을 방해하지 않고서 제거 및 교체될 수 있게 할 수 있다. 전술된 기계식 스위칭 디바이스(182)와 관련하여 전술된 대안적인 단자 구조물이 마찬가지로 가능하다.
도 7에 도시된 수형 및 암형 접속 특징부들은 단지 예시적인 것이다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)가 수형 커넥터 포스트들 또는 핀들을 갖는 것으로 도시되어 있고 단자들(220, 222)이 암형 애퍼처들(226, 228)을 갖는 것으로 도시되어 있지만, 이는 단자들 상에 수형 커넥터들을 제공하고 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 상에 암형 커넥터들을 제공하기 위해 다른 실시예에서 효과적으로 반전될 수 있다. 포스트들 및 애퍼처들의 크기 및 형상은 마찬가지로, 호환가능한 디바이스들만이 호환가능한 단자들과 함께 사용될 수 있음을 보장하기 위해, 그리고 또한, 반대 극성을 갖는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 설치하려는 의도하지 않은 시도를 방지하는 일방 설치를 보장하기 위해 수용/거절 특징부들을 한정하도록 변화될 수 있다. 수형 및 암형 커넥터들은, 서로에 대한 본질적으로 안전한 접속 및 분리를 제공하도록 구성될 수 있고, 핫 스왑 삽입 및 제거를 위해 구성될 수 있다. 안전성을 보장하면서 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)의 편리한 플러그-앤드-플레이 유형 설치 및 제거가 가능하다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 고정하고 고품질 전기 접속을 보장하기 위해 로킹 또는 래칭 특징부들이 단자들(220, 222, 224) 상에 또는 하우징(102) 상에 제공될 수 있다. 느슨한 단자 접속들은, 그들이 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서의 발화 우려들을 제공할 수 있기 때문에 회피되어야 한다.
고려되는 실시예들에서, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)의 수형 및 암형 단자 접속 특징부들은, 달리 가능할 수 있는 설치 시의 사람의 에러를 회피시키기 위해 기계식 스위치 디바이스(182)의 수형 및 암형 단자 접속 특징부들과 구별된다. 예를 들어, 디바이스(180)의 후면 상의 단자 포스트들 또는 핀들(220)의 측방향 및 종방향 간격 또는 포지셔닝은, 수용/거절 특징부들을 한정하여, 각각의 디바이스(180, 182)가 부적절한 위치에 그들을 설치하려는 임의의 시도를 거절하면서 적절한 위치에 설치될 수 있게 하기 위해 디바이스(182)의 단자 포스트들 또는 핀들의 측방향 및 종방향 간격 또는 포지셔닝과는 상이할 수 있다. 이와 같이, 기계식 스위치 디바이스(182)는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180) 대신에 부주의하게 설치될 수 없거나, 또는 그 역도 성립한다. 디바이스들(180, 182)의 조합의 적절한 동작은 도 4 및 도 5에 도시된 배열물들을 실현하기 위해 그들이 도 6 및 도 7에 도시된 각자의 단자들에 적절하게 접속되는 것에 의존한다.
솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 도 7의 외부 제어기(202)에 접속된 것으로 도시되어 있다. 제어기(202)는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 통해 입력된 시간-전류 프로파일에 자동 회로 보호 동작을 제공하도록 프로그래밍가능하다. 내부 제어기가 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)에 이미 제공된 경우, 제어기(202)는 선택적일 수 있고 제공될 필요가 없을 수도 있다. 내부 또는 외부 제어기는 디바이스(180)의 원격 동작을 유익하게 실현할 수 있다.
도 7 및 도 8을 비교하면, 제어기(202)는 각각의 디바이스(180, 182)에 접속되고, 따라서, 각각의 디바이스(180, 182)의 동작을 서로에 대해 조정할 수 있으며, 각각의 디바이스 내에서의 매칭되지 않은 시간-전류 특성들을 통해 사용 중의 원하는 회로 보호의 가능한 방해 동작(nuisance operation) 또는 의도하지 않은 파기(defeat)를 회피시키기 위해 각각의 디바이스 내에서 호환가능한 시간-전류 특성들이 선택되거나 실현됨을 보장할 수 있다.
예를 들어, 50 A의 전류용량 정격을 갖는 (또는 50 A 사용자 선택 설정에 따라 동작하는) 기계식 스위치 디바이스(182)와 조합하여, 100 A의 전류용량 정격을 갖는 (또는 100 A 사용자 선택 설정에 따라 동작하는) 솔리드 스테이트 디바이스(180)가 필요할 때 의도되는 부하 전류 공유를 손상시킬 수 있고, 따라서, 의도되는 회로 보호에 영향을 주어, 가능하게는, 각각의 디바이스의 특정 시간-전류 특성들에 따라 부하 전류 공유를 함께 파기할 수 있다. 마찬가지로, 100 A의 전류용량 정격을 갖는 (또는 100 A 사용자 선택 설정에 따라 동작하는) 기계식 스위치 디바이스(182)와 조합하여, 50 A의 전류용량 정격을 갖는 (또는 50 A 사용자 선택 설정에 따라 동작하는) 솔리드 스테이트 디바이스(180)는, 실제로 필요할 때 원하는 양의 부하 전류 공유를 발생시키지 않을 수 있다.
마찬가지로, 디바이스들이 충돌하는 과부하 설정들을 포함할 수 있는 결과로, 부하 전류 공유와 관련되지 않는 방해 동작이 초래될 수 있다. 예를 들어, 기계식 스위칭 디바이스(182)가 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)보다 훨씬 낮게 정격되는 경우 (또는 그의 선택된 설정이 솔리드 스테이트 스위치보다 훨씬 낮은 경우), 기계식 스위칭 디바이스(182)는 실제로 문제가 있지 않은 전류 조건들에 대해 과도하게 민감할 수 있고, 따라서, 불필요하게, 또는 달리 사용자 또는 설치자에 의해 의도되지 않는 방식으로, 부하를 개방 및 분리할 것이다.
따라서, 제어기(122)는 디바이스 정격들 및/또는 선택된 정격들을 비교 및 검정하여, 호환불가능한 디바이스들 및 디바이스들의 설정들을 검출하고/하거나 호환불가능한 설정들을 거절하고/하거나 호환가능한 디바이스 선택들에 대해 사용자를 프롬프트하고/하거나 입력 설정들을, 디바이스의 회로 보호 및 안전한 동작을 보장하는 최근접 호환가능한 설정으로 자동으로 조정하는 것과 같은 페일-세이프 조치들을 취하면서 통지 또는 경보를 생성할 수 있다. 대안적으로, 제어기(202)는 사용자 설정 입력들을 수용 또는 검출할 수 있고, 이들을 검정하여 임의의 비호환성을 식별할 수 있고, 따라서, 회로 보호를 손상시키지 않고서 원하는 안전성을 보장하는 각각의 디바이스(180, 182)에 대한 최적의 그리고 조정된 시간-전류 특성에 관하여 각각의 디바이스(180, 182) 내의 각자의 제어기들에게 지시할 수 있다.
도 8은 단자들(222, 224)의 세트 및 단자들(190, 192)의 세트들을 포함하는 예시적인 분전반(250)의 제1 부분 정면도이다. 도시된 예에서, 단자들(222, 224)의 하나의 세트 및 단자들(190, 192)의 3개의 세트들이 도시된 분전반의 영역 내의 분전반(250) 상에 실장된다. 단자들(222, 224)의 세트는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(182)의 단자 포스트들 또는 핀들(220)(도 7)을 수용하도록 포지셔닝된다. 단자들(190, 192)의 각각의 세트는 각자의 기계식 스위치 디바이스들(182)의 단자 포스트들 또는 핀들(188)(도 6)을 수용하도록 포지셔닝된다. 대응하는 단자들(224, 224, 190, 192)에 대한 디바이스들(180, 182)의 설치가 도 9에 도시되어 있다. 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)는 기술된 부하 전류 공유에 영향을 주기 위해 기계식 스위치 디바이스들(182)과 병렬로 솔리드 스테이트 스위치 디바이스(180)를 접속시키도록 전술된 모듈형 회로 배열물 개념들에 따라 분전반(250)의 버스 구조물을 통해 기계식 스위치 디바이스들(182) 각각에 의해 공유된다.
제어기(202)는 분전반(250)으로부터 원격으로 위치될 수 있거나, 또는 분전반(250) 상에 실장될 수 있다. 제어기(202)를 사용하여, 패널 내의 기계식 스위치 디바이스들(182) 및/또는 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)에 대한 트립 설정들은 특정 설치들에 대해 그리고 특정 부하들에 대해 변화될 수 있다. 마찬가지로, 패널(250)의 버스 구조물은, 전술된 것들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 원하는 회로 배열물들 내의 기계식 스위치 디바이스들(182)과 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(180)을 상호접속시키기 위해 소프트웨어 또는 하드웨어를 통해 이루어지도록 구성가능할 수 있다. 고려되는 실시예들에서, 분전반(400)은 단일 폴, 2-폴 및 3-폴 회로들의 원하는 조합을 수용하기 위해 다수의 프로그래밍가능 채널들을 갖는 단일 집적 회로 디바이스일 수 있다. 이와 같이, 그리고 도 9에 도시된 예에서, 3개의 기계식 스위치 디바이스들(182)은 기계식 스위치 디바이스들(182) 3개 모두, 기계식 스위치 디바이스들(182) 중 2개의 기계식 스위치 디바이스들만을 포함하는 2-상 전기적 부하, 또는 3개의 기계식 스위치 디바이스들(182) 중 각자의 기계식 스위치 디바이스들을 통해 접속된 3개의 단상 부하들 모두를 사용하여 3-상 전기적 부하에 전력을 공급하도록 구성될 수 있다. 모듈형 디바이스들, 모듈형 버스 구성가능성, 및 기술된 바와 같은 프로그래밍가능 제어부들 및 회로 배열물들을 사용하여, 분야 내의 광범위한 응용물을 충족시키기 위해 상이한 버전들의 분전반들 및 디바이스들, 또는 맞춤형 분전반들 및 디바이스들을 제공할 필요 없이 특정적인 최종 사용을 위해 분전반(250)의 상당한 변동이 가능하다.
고려되는 실시예들에서의 분전반(250)은 종래의 방폭 인클로저들에 대한 요구 없이 안전하게 동작될 수 있고, 따라서, 비용들을 낮추고 분전반 상에 위치된 디바이스들에 대한 유지보수 문제들을 단순화시킬 수 있다.
도 10은 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른, 순응성 위험 환경 아크리스 회로 보호 디바이스(300)의 사시도이다. 회로 보호 디바이스(300)는 디바이스(100)와 관련하여 전술된 하우징(102)을 포함하지만, 디바이스(100)(도 1)의 디지털 디스플레이(116)를 생략한다. 도 302에 도시된 바와 같이, 토글 스위치(302)는 디바이스(300)의 부하 측을 라인 측으로부터 접속시키고 분리하기 위해 "온" 상태와 "오프" 상태 사이에서의 디바이스(300)의 수동 활성화를 위해 하우징(102)의 상부 면 상에서 사용자가 액세스가능하다. 토글 스위치들 이외의 수동 액추에이터들이 다른 실시예들에서 채용될 수 있다. 일부 경우들에 있어서, 디스플레이(116)는 토글 스위치(302) 또는 다른 수동 액추에이터에 더하여 또는 그 대신에 제공될 수 있다.
디바이스(100)와 마찬가지로, 디바이스(300)는 라인 측 또는 전력 공급 회로부와, 교류(AC) 또는 직류(DC)를 통해 동작하는 전기적 부하들을 상호접속시킬 수 있다. 도시된 바와 같은 디바이스(300)는 회로 차단기로서 구성되고, 따라서, 소정 범위 내에서 사용자에 의해 선택될 수 있고, 로컬 또는 원격 사용자 인터페이스를 통해 디바이스에 입력될 수 있거나, 또는 다른 방식으로 디바이스 내에 사전프로그래밍될 수 있는 미리결정된 과전류 조건들에 응답하여, 자동 회로 보호를 제공한다. 디바이스(300)는 고려되는 실시예들에서의 UL 489 회로 차단기로서 리스팅에 필요한 특성들을 포함하지만 반드시 이들로 제한되지는 않는, 접속된 부하들에 대한 적절한 보호를 제공하는 데 적합한 특정된 시간-전류 특성들 또는 시간-전류 프로파일들에 따라 동작할 수 있다.
도 11은 예시적인 하이브리드 구성에서의 회로 보호 디바이스(130)의 간략화된 개략도이다. 디바이스(300)는 접속 케이블들, 도관들, 또는 와이어들을 통해 라인 측 회로부(132)로서 나타내진 3상 전력 공급부의 하나의 상에 각각 접속되는 입력 단자들(130a, 130b, 130c)을 포함한다. 디바이스(300)는 모터들, 팬들, 조명 디바이스들, 및 산업 시설 내의 다른 전기 장비와 같은 부하 측 회로부(136)에 각각 접속되는 출력 단자들(134a, 134b, 136c)을 추가로 포함하며, 여기서 발화가능 가스, 증기들 또는 물질들은 138로 나타내진 바와 같이 공기 중에 있을 수 있다.
각각의 쌍의 입력 단자들(130a, 130b, 130c)과 출력 단자들(134a, 134b, 136c) 사이에는, 140a, 140b 및 140c에서 나타내진 바와 같이 기계적 회로 차단기들(304a, 304b, 304c) 및 병렬 접속된 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들이 배열된다. 예시적인 솔리드 스테이트 스위치 배열물(140a, 140b, 140c)은 IGBT들의 직렬 접속 쌍들을 포함하며, 이때 각각의 쌍은 전술된 바와 같이 IGBT들에 병렬로 접속되는 배리스터 요소를 포함한다. 예시적인 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들이 도시되고 기술되어 있지만, 다른 것들은 아크리스 방식으로 솔리드 스테이트 스위칭 기능을 달성하는 것이 가능하다. 상기에서 논의된 바와 같이, 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스들은 아크리스 방식으로 동작하며, 따라서, 위험 위치에서 아킹이 우려되는 한 그 자체가 발화 위험을 제시하지 않는다.
기계적 회로 차단기들(304a, 304b, 304c)과 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들(140a, 140b, 140c)의 조합은 디바이스(100)의 응답 시간에 비해 디바이스(300)의 응답 시간들을 개선할 수 있다. 그러나, 기계적 회로 차단기들(304a, 304, 304c)은 기계식 스위치 콘택트들로 동작하고, 이에 따라, 아킹이 발화원일 수 있기 때문에 위험 위치 적용에 일부 유의할 만하다. 기계적 회로 차단기들(304a, 304b, 304c)에 병렬로 접속된 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들(140a, 140b, 140c)은 과부하 또는 단락 회로 이벤트에서 기계적 회로 차단기들(304a, 304, 304c) 내의 전류를 제한하여, 발생되는 임의의 아크의 세기를, 발화 우려를 제공하거나 달리 아킹을 함께 배제하는 데 필요한 레벨 미만의 레벨로 감소시킬 수 있다.
도 12는 디바이스(100) 내의 전술된 요소에 더하여, 수동 액추에이터(302)에 대한 제어 입력들, 및 기계식 스위치들을 포함하는 기계적 회로 차단기들(312)을 동작시키기 위한 트립 액추에이터(310)를 포함하는 회로 보호 디바이스(300)의 블록도이다. 미리결정된 과전류들이 예상될 때, 트립 유닛(160)은 트립 액추에이터(310)가 이동가능 스위치 콘택트들을 변위시키고 디바이스(300)를 통해 회로를 단선시키게 한다. 트립 액추에이터는 디바이스(300)에 제공된 각각의 기계적 차단기의 스위치 콘택트들을 동시에 변위시킬 수 있는 솔레노이드와 같은 전자기 부재일 수 있으며, 이때 솔리드 스테이트 스위칭 배열물들(140a, 140b, 140c)은 스위치 콘택트들의 변위가 발생함에 따라 전류를 제한한다. 그 후에, 수동 액추에이터(302)는 기계식 스위치들을 폐쇄함으로써 디바이스(300)를 재설정하는 데 사용될 수 있다.
추가적으로, 디바이스(300)는 하우징(102) 내부에 모터 시작 및 모터 과부하 컴포넌트들(314)을 추가로 포함한다. 디바이스 내의 센서들 및 디바이스(300) 내의 프로세서(150)는 알려진 방식으로 모터 동작들을 제어하기 위해 종래의 그리고 별도로 제공된 모터 스타터 컴포넌트들의 기능 및 센서 피드백을 구현한다. 모터 제어 동작들은 모터가 동작하고 있는 동안 전력 손실 이벤트들, 모터 과부하 이벤트들, 모터 정지 및 역전 이벤트들, 및 모터 시작 이벤트들(소위 소프트 스타트 이벤트들을 포함하지만 이들로 제한되지 않음)의 제어를 포함한다. 그러한 모터 제어 컴포넌트들 및 기능들은 전력 시스템 자체 내의 과전류 또는 전기적 결함 조건들에 관련될 수 있거나 또는 그렇지 않을 수 있는 특정 동작 조건들에서 모터의 안전한 동작을 보호 및 제공하는 것을 목표로 한다. 디바이스들(300) 내에 제공된 센서들 및 지능은, 전기 모터 제어부의 고유한 요구들을 고려하지 않는 더 간단한 회로 보호 관점으로부터 바람직하지 않은 것으로 달리 간주될 수 있는 미리결정된 한계들 내의 모터 돌입 전류들 및 다른 전기적 조건들을 고려하고 허용할 수 있다.
모터 스타터 및 과부하 컴포넌트들(314)이 기술되어 있지만, 디바이스(300) 내의 다른 이중 목적 또는 이중 기능 통합이 마찬가지로 가능한데, 이는 필요한 디바이스들과 연관된 종래의 방폭 인클로저들뿐만 아니라 전력 시스템에서 획득, 설치, 및 정비될 필요가 있는 디바이스들의 수를 더욱 추가로 감소시킴으로써 마찬가지로 전기 전력 시스템들을 설치하고 정비하는 비용들을 감소시킬 것이다.
따라서, 위험한 환경 및 모터 스타터 컴포넌트들에서의 회로 보호 능력들 및 안전한 동작을 향상시키기 위해 충분한 하우징 구조물, 기계적 회로 차단기들 및 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하는 하이브리드 디바이스(300)는 경제적으로, 방폭 인클로저를 필요로 하지 않는 단일 패키지로 제공된다. 디바이스(300)는 경제적으로, 서로 직렬로 접속되고 전형적으로 NEC 디비전 2 또는 디비전 1 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에서의 안전성을 위해 종래의 방폭 인클로저들이 제공되는, 별도로 제공되는 회로 차단기들, 콘택터들 및 모터 스타터 컴포넌트들의 종래의 배열물 대신에 제공될 수 있다. 디바이스들(300)은 전술된 단자 구조물들 및 조립체들을 포함하는 모듈형 형태로 제공될 수 있고, 원하는 수의 전기 모터들에 전력을 공급하기 위해 구성가능한 분전반 시설들에서 배열되고 제어될 수 있다.
디바이스(300)는 마찬가지로, 전술된 바와 같이 하우징 표면의 임의의 충전을 소산시키기 위해 전기 접지(146)에 접속되어, 이에 의해 전술된 바와 같이 정전기 방전을 통해 가능한 발화원을 배제할 수 있다. 고려되는 실시예들에서, 디바이스(300)의 하우징(102)은 금속 또는 비금속 재료들로부터 제조될 수 있다. 소정의 금속 또는 비-금속 재료들을 수반하는 일부 경우들에 있어서, 정전기 우려들을 다루기 위해 하우징 재료들, 충전제 재료들 및 봉지재 재료들의 전략적 선택이 필요하다. 디바이스(300) 내부 및 디바이스(300) 외부 둘 모두의 전도성 및 비전도성 재료들의 조합들은 적절하게 전기 접지로의 경로들을 제공하는 데 활용될 수 있다.
디바이스(300)의 예시적인 아키텍처가 기술되었지만, 도 12에 도시된 요소들 중 소정 요소들이 더 기본적인 기능을 제공하기 위해 선택적인 것으로 간주될 수 있을 뿐만 아니라, 추가적인 요소들이 디바이스(300)의 동작에서 여전히 추가의 정교성 및 지능을 실현하기 위해 추가될 수 있다는 것이 이해된다.
도 13은 도 10 내지 도 12에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다. 전술된 바와 같이, 하이브리드 디바이스(300)가 아크리스 방식으로 동작할 수 있지만, 아킹이 전기적 결함의 특성 및 전기적 결함 시의 동작 중인 전력 시스템의 전압 및 전류에 의존할 수 있기 때문에, 실현되는 임의의 아킹을 다루기 위한 추가적인 고려사항들이 고려되어야 한다.
도 13에 도시된 바와 같이, 그리고 도 9 및 디바이스(100)와 관련하여 전술된 열 관리 특징부들에 더하여, 디바이스(300)는, 기계적 스위치 콘택트들의 동작에서 발생하는 임의의 아킹이 주변 환경으로부터 격리되거나, 달리, 위험 위치에서의 발화를 야기하기에 불충분한 레벨로 감소됨을 보장하기 위해 추가적인 특징부들을 포함한다. 도 13은 제1 또는 1차 인클로저(320) 및 일련의 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)을 한정하는 디바이스(300)의 하우징(102)을 도시한다. 2차 인클로저들(322)은, 공기 중의 발화가능 가스들, 증기들 또는 물질들이 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)에 도달할 수 없고, 따라서, 기계적 스위치 콘택트들의 동작에 의해 발화될 수 없음을 보장하면서 2차 인클로저 내에 임의의 전기적 아킹을 포함하는 역할을 한다.
고려되는 실시예들에서, 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)은, 각자의 스위치 콘택트들을 포함하는 밀폐 밀봉된 챔버들일 수 있다. 밀폐 밀봉된 챔버들(322a, 322b, 322c)은 유체 기밀하여, 하우징(102)을 관통하여 디바이스 하우징(102) 내로 들어갈 수 있는 위험 위치의 임의의 발화가능한 요소가 밀봉된 챔버들(322a, 322b, 322c)에 진입할 수 없게 한다. 밀폐 밀봉된 챔버들은 추가로, 진공 챔버들일 수 있거나, 또는 스위치 콘택트들이 개방 및 폐쇄됨에 따라 아킹을 완전히 회피시키지 않는 경우에 아킹 세기 및 지속기간을 감소시킬 불활성 가스로 충전될 수 있다. 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c) 각각은 아킹과 연관된 임의의 열을 수용하고 이를 더 큰 인클로저(320) 내측의 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)에 국부화시키기 위한 추가적인 절연 및 재료를 제공받을 수 있다. 하우징(102)의 인클로저 구성 내의 인클로저는, 위험 위치에서 기계식 스위치 콘택트들의 추가적인 우려들을 다루는 동안, 전술된 다른 열 관리 특징부들을 수용한다.
2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)은 하우징(102)의 나머지와는 상이한 재료들, 또는 하우징의 나머지와 동일하거나 상이할 수 있는 재료들의 조합으로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 챔버들을 구성하기 위해 금속 및 플라스틱 재료들이 활용될 수 있는 한편, 1차 인클로저 및 하우징의 나머지는 전적으로 플라스틱일 수 있다. 이와 관련하여 다수의 변형들이 가능하다. 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)은 별개의 제조 단계에서 하우징(102)을 구비한 조립체를 위해 사전제조될 수 있다. 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)은, 스위치 콘택트들의 모션 경로 또는 그들의 이동 능력을 방해함이 없이, 기계적 회로 차단기 메커니즘의 일부 또는 전부를 둘러쌀 수 있다. 전기 전력 시스템의 정비를 용이하게 하기 위해 수동으로 작동될 때 또는 디바이스(100)를 통해 접속된 전기적 부하들을 보호하기 위해 자동으로 작동될 때, 다시, 신뢰성있는 분리 기능을 보장하기 위해 움직이는 스위치 콘택트들의 모션 경로 또는 그들의 능력을 저지하지 않고서, 봉지재 및 충전재 재료들은 열 성능에서의 다른 추가 변동을 제공하기 위해 2차 인클로저들(322a, 322b, 322c)의 내부 및 외부 표면들 상에 제공될 수 있다.
디바이스들(100 또는 300) 중 어느 하나는 종래의 별도로 제공된 방폭 인클로저들을 사용하지 않고서 IEC 구역 1 또는 2 및 NEC 디비전 1 또는 2 위험 위치들에서 안전하게 사용될 수 있다. 전술된 내장 발화 보호 특징부들은 발화원들을 제거하거나, 또는 그들을, 발화를 야기하기에 불충분한 레벨들로 감소시킨다. 따라서, 디바이스들(100 또는 300)은 때때로, 발화-보호되는 것으로 지칭되며, 따라서, 별개의 방폭 인클로저에 대한 임의의 필요성을 제거한다. 이와 같이, 디바이스들(100, 300)은 통상적으로 존재하는 방폭 인클로저가 가능한 폭발을 안전하게 수용하여 그를 방지한다. 따라서, 디바이스들(100, 300)은 위험 위치들에서 안전하게 동작할 수 있고, 전기 전력 시스템 내의 공간을 절약하면서 종래의 방폭 인클로저들의 비용들 및 부담들을 제거할 수 있다.
도 14는 디바이스들(402, 404)이 각각의 컬럼(column)에 나란히 위치되는 디바이스들의 2개의 컬럼들로서 배열된 디바이스들(402, 404)의 어레이를 포함하는 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반(400)을 도시한다. 각각의 컬럼 내의 디바이스들(402, 404)은 전술된 디바이스들(100, 180, 182 및/또는 300)을 포함할 수 있고, 디바이스들(402, 404)은 패널 및 그의 다양한 브랜치(branch)들에 의해 제공되는 부하들과 같은 여러 가지 상이한 부하들에 대한 상이한 수준들의 회로 보호를 제공하는 상이한 정격들로 표현될 수 있다. 분전반(400)은 전형적으로 그 자신의 인클로저를 포함하지만, 분전반 상에서 활용되는 발화 보호형 디바이스들(402, 404) 때문에, 그것은 방폭이 되도록 설계되지 않은 표준 환경 인클로저일 수 있다. 디바이스들(402, 404)이 발화 보호되기 때문에, 그들은 패널 인클로저 내의 종래의 방폭 인클로저들 없이 패널 인클로저 내에 존재할 수 있다. 패널 인클로저는 환경 조건들로부터 디바이스들(402, 404)에 약간의 보호를 제공하지만, 발화 보호형 디바이스들(402, 404) 덕분에 어떠한 방폭도 필요하지 않다. 알려진 분전반들이 최대 84개의 디바이스들을 수용할 수 있음을 고려하면, 별도로 제공된 개별적이고 집합적인 방폭 인클로저들의 제거는 위험 위치들에 있는 디바이스들(402, 404)의 동작을 위한 비용들을 실질적으로 낮춘다. 비용들은 상이한 위치들에 위치된 다수의 분전반들을 포함하는 대형 전기 전력 시스템들에 대해 훨씬 더 증대된다. 고려되는 실시예들에서, 분전반(400)은 또한, 단일 폴, 2-폴 및 3-폴 회로들의 원하는 조합을 수용하기 위해 다수의 프로그래밍가능 채널들을 갖는 단일 집적 회로 디바이스일 수 있다.
열 관리 우려들은, 동시에 그리고 서로 매우 근접하게 동작하는 다수의 디바이스들(402, 404)을 포함하는 그러한 분전반 설치에서 증대된다. 열 효과들은 누적될 수 있고, 인접한 디바이스들은, 개별적으로, 또는 적어도 서로로부터 더 멀리 떨어지게 이격되어 사용되는 경우에 그들이 그러한 것보다 더 고온으로(즉, 더 높은 표면 온도들을 갖고서) 작동할 수 있다. 컬럼들의 상부 부분들 내의 디바이스들(402, 404)은 추가로, 열이 하부 위치 디바이스들(402, 404)로부터 상승함에 따라 본 발명의 하부 부분들 내의 디바이스들(402, 404)보다 고온으로 작동될 수 있다. 이어서, 일부 경우들에 있어서, 능동 냉각 특징부들 및 시스템들은 디바이스들(402, 404) 중 동작 중인 일부 디바이스들에 대한 바람직하지 않은 온도 효과들을 회피하거나 상승된 표면 온도들을 다루기 위해 바람직할 수 있다. 상기에서 언급된 바와 같이, 능동 냉각 시스템은, 개별적으로와는 반대로, 시스템 레벨에서 디바이스들(402, 404)을 냉각시키기 위해 분전반 상에 또는 이와 관련하여 제공될 수 있다. 상이한 냉각 효과들을 달성하기 위해 능동 냉각 요소들 및 시스템들의 변형들 및 조합들이 가능하다.
분전반 및 분전반 인클로저가 디바이스들(400, 402)에 대해 전술되어 있지만, 유사한 이득들이 모터 제어 센터들 및 전기 전력 시스템 내의 다른 위치들에서 실현될 수 있으며, 여기서 회로 보호 디바이스들(402, 404)은 마찬가지로, 비-방폭 인클로저들에 위치된다.
도 15 내지 도 17은 달리 통상적으로 제공되는 방폭 인클로저들의 제거 이후에 위험 위치에서의 비용 감소 및 공간 절감들을 달성할 수 있는, 단일 디바이스 패키지 내에 상이한 및/또는 대안적인 유형들의 회로 보호를 제공하기 위한 전술된 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 이중 기능 능력들을 도시한다.
도 15는 소정 설치들 시에 원하는 목적들을 달성하기 위해 과전류 보호 퓨즈의 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성되는 전술된 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404) 중 하나의 디바이스와 같은 구성가능한 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다.
도 15의 예에 도시된 바와 같이, 소정의 전기적 부하들을 보호하기 위해 상이한 유형들의 회로 보호기들의 조합이 때때로 바람직하고, 최적의 회로 보호가 달성되도록 하기 위해 상이한 회로 보호기들의 시간-전류 응답 특성들의 조정이 요구된다. 예를 들어, 회로 보호기들 자체 중 어느 것도 개별적으로 제공할 수 없는 향상된 회로 보호 특성들을 제공하기 위해 상이한 회로 보호기들로 각각 구현될 수 있는 3개의 시간-전류 곡선들이 도 15에서 450, 460, 470으로서 도시되어 있다.
시간-전류 곡선(450)은 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404) 중 하나의 디바이스 내에 프로그래밍될 수 있는 회로 차단기의 전자적 트립 프로파일의 시간-전류 응답 프로파일을 나타내거나, 또는 시간-전류 프로파일(450)에 의해 나타내지는 미리결정된 시간-전류 조건들에서 차단기를 통한 전류 흐름을 방해하기 위해 전자적 트립 유닛을 갖는 별도로 제공되는 그 외의 종래의 회로 차단기에서 구현될 수 있다. 시간-전류 프로파일(450)은 회로 차단기보다 더 제한적인 범위의 과전류 회로 보호 능력을 갖는 더 일반적인 스위치 디바이스들과는 반대로 "회로 차단기"의 전술된 정의들에 따라 소위 "장시간", "단시간", 및 "순간적" 과전류 조건들 하에서 미리결정된 회로 차단을 제공할 수 있다.
시간-전류 곡선(460)은 소위 "장시간", "단시간" 및 "순간적" 과전류 조건들 하에서 미리결정된 회로 차단을 마찬가지로 제공하는 열-자기 회로 차단기의 시간-전류 응답 프로파일을 나타낸다. 도 15의 예에서의 시간-전류 곡선(460)은 시간-전류 곡선(450)의 외측에 그리고 우측에 놓인다. 이와 같이, 시간-전류 곡선(460)을 갖는 디바이스가 시간-전류 곡선(450)을 갖는 디바이스와 직렬로 접속될 때, 디바이스들의 시간-전류 특성들은 서로 충돌하지 않을 것이고, 디바이스들 중 하나의 디바이스의 방해 트립핑은 발생할 수 없다. 도시된 예에서, 시간-전류 곡선(460)을 갖는 디바이스는 시간-전류 곡선(450)을 갖는 디바이스 앞의 회로를 결코 개방하지 않을 것이다.
디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 시간-전류 응답의 프로그래밍가능한 구성가능성에 의해, 그들 각각은, 시간-전류 곡선(450 또는 460) 중 어느 하나를 구현하고, 별도로 제공된 방폭 인클로저를 필요로 하지 않고서 위험 위치에서 안전하게 동작하도록 선택적으로 구성 및 사용될 수 있다. 즉, 2개의 그러한 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)은 서로 직렬로 접속되고, 위험 위치에서의 안전한 사용을 위해 발화 보호 방식으로 상이한 회로 보호기들의 종래의 조정과 유사한 효과들을 실현하기 위해 상이한 시간-전류 프로파일들에 따라 각각 동작할 수 있다. 특정 시간-전류 프로파일들(이들은 예시적인 시간-전류 곡선들(450 또는 460)과 유사하거나 상이할 수 있음)에 대한 설정들 및 입력들은 원하는 방식으로 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 동작을 위해 국부적으로 또는 원격으로 선택될 수 있다.
마찬가지로, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402, 404)는 그들 각각이 시간-전류 곡선(450 또는 460) 중 하나를 각각 구현하는 종래의 회로 차단기 디바이스에 접속되어, 도시된 회로 차단기 디바이스들의 조합에서의 조정을 실현할 수 있다. 그러한 종래의 차단기 디바이스는 위험 위치에서 별도로 제공된 방폭 인클로저 내에 봉입될 수 있지만, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402, 404)가 반드시 봉입될 필요는 없다. 따라서, 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)은 위험 위치에서 사용하기 위한 종래의 비순응성 디바이스들과 조합하여 기존의 전력 시스템들에서 개보수(retrofit) 방식으로 설치될 수 있으며, 따라서 별도의 방폭 인클로저들을 필요로 한다.
도 15에 도시된 시간-전류 곡선(470)은 시간-전류 곡선(450 및/또는 460)을 갖는 디바이스들과 조합하여 사용될 수 있는 과전류 보호 퓨즈의 시간-전류 응답 프로파일을 나타낸다. 별개의 소위 "장시간", "단시간" 및 "순간적" 특성 회로 차단기 보호를 제공하기 위해 도시된 바와 같이 본질적으로 불연속적인 회로 차단기 시간-전류 곡선들(450, 460)과는 달리, 퓨즈의 시간-전류 곡선(470)은 연속적이고, 또한, 시간-전류 곡선(460)의 외측에 그리고 우측에 놓인다. 이와 같이, 시간-전류 곡선(470)을 갖는 디바이스가 시간-전류 곡선(460)을 갖는 디바이스와 직렬로 접속될 때, 디바이스들의 시간-전류 특성들은 충돌하지 않을 것이고, 디바이스들 중 하나의 디바이스의 방해 개방은 발생할 수 없다. 도시된 예에서, 시간-전류 곡선(470)을 갖는 디바이스는 시간-전류 곡선(460)을 갖는 디바이스 앞의 회로를 결코 개방하지 않을 것이다.
디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 시간-전류 응답의 프로그래밍가능한 구성가능성에 의해, 그들 각각은, 시간-전류 곡선(470 또는 460) 중 어느 하나를 구현하고, 별도로 제공된 방폭 인클로저를 필요로 하지 않고서 위험 위치에서 안전하게 동작하도록 선택적으로 구성 및 사용될 수 있다. 즉, 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404) 각각은 (예컨대, 예시적인 프로파일들(450, 460)을 통해) 회로 차단기의 회로 보호 특성들을 나타내도록 또는 (예컨대, 예시적인 프로파일(470)을 통해) 퓨즈의 회로 보호 특성들을 나타내도록 사용하기 위해 구성될 수 있다. 따라서, 2개의 그러한 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)은 시간-전류 곡선(470 또는 460)을 각각 구현하는 각각의 디바이스에 직렬로 접속되어, 도시된 회로 차단기 디바이스들의 조합에서의 조정을 실현할 수 있다. 특정 시간-전류 프로파일들(이들은 예시적인 시간-전류 곡선들(470, 460 또는 450)과 유사하거나 상이할 수 있음)에 대한 설정들 및 입력들은 원하는 방식으로 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 동작을 위해 국부적으로 또는 원격으로 선택될 수 있다.
또한, 시간-전류 곡선(470)은 디바이스(100, 180, 182, 300, 402, 404) 중 하나의 디바이스에서 구현될 수 있고, 시간-전류 곡선(460)은 위험 위치에서 사용하기 위해 별도로 제공된 방폭 인클로저 내에 봉입될 필요가 있을 종래의 회로 차단기 디바이스에서, 또는 별도로 제공된 방폭 인클로저를 필요로 할 수 있는 종래의 과전류 보호 퓨즈에서 구현될 수 있다.
디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)가 시간-전류 곡선(470)을 실현하도록 구현될 때, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)는 영향을 받은 회로부의 전체 동작을 복원하기 위해 편리하게 재설정가능한 디바이스를 여전히 제공하면서 퓨즈가 달리 그러할 것과 거의 동일한 시간-전류 조건들에서의 트립핑 개방에 의해 과전류 보호 퓨즈의 원하는 회로 보호 성능을 에뮬레이트한다. 그러나, 소정 설치들 및 소정 회로 조건들에서, 실제 과전류 보호 퓨즈가 본질적으로, 퓨즈들 및 회로 차단기들이 전류를 어떻게 차단하는지에 있어서의 기본적인 차이들로 인해 소정 유형들의 회로 차단기들보다 단락 회로 조건들에 더 빠르게 응답할 것임이 실현되어야 하며, 퓨즈들의 더 빠른 응답 시간은 시간-전류 곡선들(470 및 460 또는 450)의 조정이 바람직한 주된 이유이다. 그럼에도 불구하고, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)에 의한 퓨즈의 에뮬레이션은, 일부 경우들에 있어서, 실제 과전류 보호 퓨즈가 유사한 목적으로 제공되는 경우에 요구될 단락 회로 이벤트 후에 보호된 회로부를 복구하기 위해 교체 퓨즈를 위치시키기 위한 임의의 요구 없이 가융 회로 보호의 이익들 중 대부분을 제공할 수 있다.
도 16은 모터 회로 보호기의 시간-전류 프로파일 회로 보호를 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다. 도 16에 도시된 바와 같이, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)는 모터 시작 이벤트의 경우에 502로 표현된 피크 돌입 전류 곡선의 외측에 그리고 바로 우측에 놓이는 시간-전류 프로파일(500)을 나타내도록 프로그램에 따라 구성된다. 이와 같이, 그리고 시간-전류 프로파일(500)에 의해, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)는 모터 시작의 돌입 전류에 응답하여 트립 개방하지 않을 것이다. 따라서, 디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)의 방해 트립핑이 회피되는 한편, 달리 비-모터 시작 과전류 조건들을 위해 회로 보호가 제공된다.
디바이스(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)의 구성가능한 프로그래밍가능성은 상이한 유형들의 모터들과 함께 보편적으로 사용될 수 있는 단일 디바이스를 갖는 상이한 모터 응용물들에 대한 여러가지 상이한 돌입 전류들을 수용할 수 있다. 또한, 시간-전류 프로파일(502)은 피크 돌입 전류와 거의 일치하는 최소 설정으로 도 16에 도시되어 있는 반면, 디바이스의 구성가능한 프로그래밍가능성은 마찬가지로, 용이하게 시간-전류 프로파일(502)이 우측으로 더 시프트되고 따라서 도 16에 도시된 것보다 돌입 전류의 더 외측에서 동작할 수 있게 할 수 있다. 특정 돌입 전류 프로파일들에 대해 선택될 수 있는 특정 시간-전류 프로파일들에 대한 설정들 및 입력들은 원하는 방식으로 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402, 404)의 동작을 위해 국부적으로 또는 원격으로 선택될 수 있다.
도 17은 모터 회로 보호기에 대한 열 과부하 시간-전류 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성된 본 발명의 다른 예시적인 실시예에 따른 구성가능한 순응성의 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 예시적인 시간-전류 프로파일을 도시한다. 도 17의 예에서, 조합하여, 모터에 대한 회로 보호를 제공하기 위해 회로 보호기들 자체 중 어느 것도 개별적으로 제공할 수 없는 향상된 회로 보호 특성들을 제공하는 3개의 시간-전류 곡선들이 520, 522, 524로서 도시되어 있다.
시간-전류 곡선(520)은 전술된 구성가능한 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402 또는 404) 중 하나의 구성가능한 디바이스에서 프로그램에 따라 구현될 수 있는 회로 차단기의 것이다.
도 17의 시간-전류 곡선(520)의 좌측에는, 시간-전류 프로파일(520)을 갖는 직렬 접속된 회로 차단기 디바이스와 조합하여 제공되는 열 과부하 계전기에 의해 통상적으로 실현되는 시간-전류 프로파일(522)이 있다. 이와 같이, 과부하 프로파일(522)은 시간-전류 프로파일(520)이 그러하기 전에 과부하 조건에 먼저 응답할 것이다.
도 17의 시간-전류 곡선(520)의 우측에는, 초과되는 경우에, 모터 배선 또는 모터 자체 내의 다른 컴포넌트들에 손상을 야기할 임계 시간-전류 조건들을 나타내는 모터 손상 곡선(524)이 있다. 구성가능한 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402 또는 404) 중 하나의 구성가능한 디바이스에서 구현될 수 있는 회로 차단기의 시간-전류 곡선(520)은 항상 모터로의 전류 흐름이 모터 손상 곡선(524) 아래에서 유지됨을 보장함으로써 모터를 보호한다.
구성가능한 디바이스들(100, 180, 182, 300, 402 또는 404)의 범용성은 그들이 과부하 프로파일(522)의 회로 보호를 포함할 수 있게 하여, 종래의 직렬 접속된 계전기들 및 회로 차단기들에 다른 방식으로 비슷한 회로 보호를 제공하면서 열 계전기가 제거될 수 있게 한다.
전술된 것들과 같은 솔리드 스테이트 또는 하이브리드 디바이스들은 여러 가지 상이한 솔리드 스테이트 스위칭 요소들, 솔리드 스테이트 스위칭 요소들의 상이한 배열들을 사용하여 구성될 수 있고, 또한 여러 가지 상이한 전력 전자기기 토폴로지들로 구현될 수 있다. 다양한 온-상태 손실 수준들, 동작 중의 아킹 성향, 전도 손실, 컴포넌트 카운트, 상대적 복잡성, 특정 응답 시간 특성들을 충족시키는 능력, 동작 알고리즘들의 단순성 또는 복잡성, 및 원할 때 모터 소프트-시작 또는 다른 특징부들을 통합하는 능력을 수반하는 여러가지 상이한 실시예들이 고려된다. 솔리드 스테이트 스위칭 요소들은 모듈형 배열물들을 사용하여 바람직한 전압 정격 스케일링 또는 바람직한 전류 정격 스케일링을 달성하기 위해 직렬로 또는 병렬로 접속될 수 있다. 바이패스 콘택트들이 바람직하게 구현되는 결과로, 제공되는 바이패스 콘택트(들)를 위한 봉지 재료들 및 열 관리 특징부들이 바람직할 수 있다.
도시되고 전술된 솔리드 스테이트 및 하이브리드 스위치 배열물들 중 임의의 배열물은 소정 과전류 조건들에 대한 솔리드 스테이트 스위칭 요소들의 임의의 결점을 다룸으로써 회로 보호 보증을 향상시키기 위해 또는 소정 동작 조건들에 대한 응답 시간들을 개선하기 위해 라인 측 전기 퓨즈들을 포함할 수 있거나 또는 이들에 접속될 수 있다.
전술된 원리들은 회로 차단기 디바이스들이 아니지만, 그럼에도 불구하고, 별도의 방폭 인클로저들 없이 IEC 구역 1 및 NEC 디비전 2의 위험 위치들에서 사용하기 위해 발화 보호되는 회로 보호 디바이스들을 실현하는 데 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 퓨즈들과 조합하여 기계식 스위치들을 포함하는 가융 스위치 분리 디바이스들이 상기에 논의되어 있다. 전술된 아크프리 동작, 열 관리 특징부들, 및 모듈형 개념들을 적용하면, 솔리드 스테이트 가융 스위치 분리 디바이스 또는 하이브리드 가융 스위치 분리 디바이스는 유사한 이익들을 갖도록 용이하게 구성될 수 있지만, 상이한 수준의 회로 보호를 제공할 수 있다.
마찬가지로, 전술된 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 열 관리 디바이스들은 자체로 회로 보호를 제공하지 않지만, 그럼에도 불구하고, 별도의 방폭 인클로저들 없이 IEC 구역 1 또는 2 위치들 및 NEC 디비전 1 및 디비전 2 위험 위치들에서 사용하기 위해 발화 보호되는 스위칭 디바이스들을 실현하는 데 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 과전류 조건들에 대항하여 보호하는 능력 없이 분리 기능을 제공하는 기계식 계전기 스위치들 및 콘택터들이 알려져 있다. 전술된 아크프리 동작, 열 관리 특징부들, 및 모듈형 개념들을 적용하면, 솔리드 스테이트 계전기 디바이스 또는 하이브리드 계전기 디바이스, 및 솔리드 스테이트 콘택터 디바이스 또는 하이브리드 콘택터 디바이스는 전술된 것들과 유사한 이익들을 갖도록 용이하게 구성될 수 있다.
기술된 것들과 같은 발화 보호 디바이스들에는 IEC 구역 1 또는 2 및 NEC 디비전 1 또는 2 위험 위치들에서의 사용을 위해 보편적으로 발화 보호를 제공하면서, 예를 들어 다중상 전력 시스템들 및 다상 전력 시스템들을 포함하는 임의의 유형의 전력 시스템에 대한 요구들을 수용하기 위한 오직 싱글-폴 디바이스들, 2-폴 디바이스들, 3-폴 디바이스들, 및 4-폴 디바이스들을 포함하는 임의의 원하는 수의 스위칭 폴들이 제공될 수 있다.
전술된 바에 따라 디바이스들 및 적용가능한 동작 알고리즘들을 기능적으로 기술했지만, 당업자들은 이에 따라 제어기들 또는 다른 프로세서 기반 디바이스들의 프로그래밍을 통해 알고리즘들을 구현할 수 있다. 기술된 알고리즘 개념들의 그러한 프로그래밍 또는 구현은 당업자의 시계 내에 있는 것으로 여겨지며, 추가로 기술되지 않을 것이다.
본 발명의 개념들의 이익들 및 이점들은 이제, 개시된 예시적인 실시예들과 관련하여 충분히 예시된 것으로 여겨진다.
위험한 환경을 위한 구성가능한 모듈형 위험 위치 순응성 회로 보호 시스템의 일 실시예가 개시되었다. 시스템은 하우징, 하우징에 커플링된 라인 측 단자 및 부하 측 단자, 및 부하 측 단자를 라인 측 단자에 접속시키고 부하 측 단자를 라인 측 단자로부터 분리하기 위해 아크프리 방식으로 동작가능한 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 포함한다. 시스템은 또한, 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜서 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스와 전류 부하를 공유하여 아킹 에너지를 일정 레벨 - 이 레벨 아래에서는 위험 위치에서 발화 우려를 제공하여, 이에 의해, 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스 및 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스 각각은 별도로 제공된 방폭 인클로저를 요구하지 않고서 폭발성 환경 내에서 사용하기 위해 순응성이 됨 - 로 제한하도록 구성된 제어기를 포함한다.
선택적으로, 시스템은 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스와 조합될 수 있고, 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와는 별도의 모듈형 패키지 내에 제공될 수 있다. 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 단일 폴 디바이스일 수 있고, 적어도 하나의 기계식 스위치 디바이스는 또한 단일 폴 디바이스일 수 있다. 기계식 스위치 디바이스들의 수는 시스템 내의 모듈형 스위치 디바이스들의 수보다 클 수 있다.
추가 옵션들로서, 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들에 대한 플러그-인 접속을 위해 구성된 라인 및 부하 단자들을 포함할 수 있다. 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스의 단자들은 별도로 제공된 단자들과의 플러그-인 접속을 위한 포스트들 또는 단자들 중 어느 하나일 수 있다. 라인 측 및 부하 측 단자들 및 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들은 조합하여, 호환불가능한 디바이스들이 접속되는 것을 거절하도록 구성될 수 있다. 라인 측 및 부하 측 단자들 및 별도로 제공된 라인 측 및 부하 측 단자들은 조합하여, 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와 적절한 극성만의 접속을 허용하도록 구성된다. 별도로 제공된 라인 측 및 부하 측 단자들은 분전반 조립체 상에 제공될 수 있다.
제어기는 선택적으로, 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와는 별도로 제공될 수 있다. 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스 및 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 각각 회로 차단기로서 구성될 수 있다. 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 과전류 보호 퓨즈의 회로 보호를 에뮬레이트하도록 구성가능할 수 있고/있거나, 그의 시간-전류 프로파일을 별도의 회로 보호기로 조정하도록 구성가능할 수 있고/있거나, 그의 시간-전류 프로파일을 전기적 부하의 돌입 전류로 조정하도록 구성가능할 수 있다. 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 마찬가지로, 열 모터 보호기의 회로 보호 프로파일을 에뮬레이트하도록 그리고/또는 모터 손상 곡선으로 조정되도록 구성가능할 수 있다.
솔리드 스테이트 스위칭 요소는 봉지될 수 있다. 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 위험 위치 내의 발화가능 요소들의 유입을 방지하기 위해 밀봉될 수 있다. 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 진공 밀봉될 수 있거나, 또는 유전체 재료, 유전체 유체, 포팅 재료(potting material), 또는 모래(sand)로 충전되어, 솔리드 스테이트 스위칭 요소의 동작에서 열 및 에너지를 수용, 흡수, 또는 소산하여, 기계식 스위칭 디바이스의 표면 온도가 위험 환경에 대한 선택된 타깃 온도 아래에서 유지될 것임을 보장하게 할 수 있다.
이러한 기재된 설명은 예들을 사용하여 최상의 모드를 포함한 본 발명을 개시하고, 또한, 당업자가 임의의 디바이스들 또는 시스템들을 제조 및 사용하는 것 및 임의의 포함된 방법들을 수행하는 것을 포함한, 본 발명을 실시할 수 있게 한다. 본 발명의 특허가능한 범주는 청구범위에 의해 한정되며, 당업자가 떠올리는 다른 예들을 포함할 수 있다. 그러한 다른 예들은, 그들이 청구범위의 문자 언어 그대로와 상이하지 않는 구조적 요소들을 갖는 경우, 또는 그들이 청구범위의 문자 언어 그대로와 실질적으로 차이들이 없는 동등한 구조적 요소들을 갖는 경우에 청구범위의 범주 내에 있는 것으로 의도된다.
Claims (20)
- 위험한 환경에 대해 구성가능한 모듈형 위험 위치 순응성 회로 보호 시스템으로서,
적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는,
하우징;
상기 하우징에 커플링되는 라인 측 단자 및 부하 측 단자;
상기 부하 측 단자를 상기 라인 측 단자에 접속시키고 상기 부하 측 단자를 라인 측 단자로부터 분리하기 위해 아크프리 방식으로 동작가능한 솔리드 스테이트 스위칭 요소; 및
상기 위험 위치에서 발화 우려를 제공하는 레벨 미만의 레벨로 아킹 에너지를 제한하기 위해 상기 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜 전류 부하를 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스와 공유하도록 구성된 제어기를 포함하며,
이에 의해 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스 및 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스 각각은 별도로 제공되는 방폭 인클로저를 필요로 하지 않고서 상기 폭발성 환경에서 사용하기 위해 순응성인, 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스와 조합하여, 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와는 별도의 모듈형 패키지 내에 제공되는, 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 단일 폴 디바이스인, 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계식 스위치 디바이스는 단일 폴 디바이스인, 시스템.
- 제4항에 있어서, 기계식 스위치 디바이스들의 수는 모듈형 스위치 디바이스들의 수보다 큰, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들에 대한 플러그-인 접속을 위해 구성된 라인 및 부하 단자들을 포함하는, 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스의 라인 측 및 부하 측 단자들은 별도로 제공된 단자들과의 플러그-인 접속을 위한 포스트들 또는 단자들 중 어느 하나인, 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 라인 측 및 부하 측 단자들 및 상기 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들은 조합하여, 호환불가능한 디바이스들이 접속되는 것을 거절하도록 구성되는, 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 라인 측 및 부하 측 단자들 및 상기 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들은 조합하여, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와 적절한 극성만의 접속을 허용하도록 구성되는, 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 별도로 제공된 라인 및 부하 단자들은 분전반 조립체 상에 제공되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스와는 별개로 제공되는, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스 및 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스 각각은 회로 차단기로서 구성되는, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 과전류 보호 퓨즈의 회로 보호를 에뮬레이트하도록 구성가능한, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 그의 시간-전류 프로파일을 별도의 회로 보호기로 조정하도록 구성가능한, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 그의 시간-전류 프로파일을 전기적 부하의 돌입 전류로 조정하도록 구성가능한, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 열 모터 보호기의 회로 보호 프로파일을 에뮬레이트하도록 구성가능한, 시스템.
- 제12항에 있어서, 상기 적어도 하나의 모듈형 스위치 디바이스는 모터 손상 곡선으로 조정되도록 구성가능한, 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 상기 위험 위치 내의 발화가능 요소들의 유입을 방지하기 위해 밀봉되는, 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 진공 밀봉되는, 시스템.
- 제18항에 있어서, 상기 적어도 하나의 기계식 스위칭 디바이스는 유전체 재료, 유전체 유체, 포팅 재료(potting material), 또는 모래(sand)로 충전되어, 상기 솔리드 스테이트 스위칭 요소의 동작에서 열 및 에너지를 수용, 흡수, 또는 소산하여, 상기 기계식 스위칭 디바이스의 표면 온도가 상기 위험 환경에 대한 선택된 타깃 온도 아래에서 유지될 것임을 보장하게 하는, 시스템.
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