KR20210107795A - 순응성 위험 환경 회로 보호 디바이스들, 시스템들 및 방법들 - Google Patents
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Abstract
솔리드 스테이트 및 하이브리드 회로 보호 디바이스들은 개선된 아크리스 스위칭 능력 및 과전류 보호, 개선된 단자 조립체들, 및 위험한 환경들에 대한 발화원들을 감소시키거나 제거하는 개선된 열 관리 특징부들을 포함한다. 솔리드 스테이트 및 하이브리드 회로 보호 디바이스들은 발화 보호되고, 가능한 폭발들을 회피시키고, 따라서, 위험 위치들에서 전기 전력 시스템의 안전한 동작을 보장하기 위해 종래의 방폭 인클로저들에 대한 필요성을 제거한다.
Description
본 발명의 분야는 대체적으로 회로 보호 디바이스들에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 위험한 환경들에서의 동작을 위한 적용가능한 표준들 및 요건들을 충족시키거나 초과하는 순응성 전기 회로 보호 디바이스들에 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 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제1 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제2 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제3 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제4 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 8은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제5 예시적 단자 조립체의 사시도이다.
도 9는 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 예시적인 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다.
도 10은 본 발명의 제2 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 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 보호 디바이스를 위한 대안적인 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스 배열물이다.
도 17은 도 16에 도시된 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
도 18은 솔리드 스테이트 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
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 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제1 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 5는 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제2 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 6은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제3 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제4 예시적 단자 조립체의 단면도이다.
도 8은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 제5 예시적 단자 조립체의 사시도이다.
도 9는 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 예시적인 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다.
도 10은 본 발명의 제2 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 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 보호 디바이스를 위한 대안적인 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스 배열물이다.
도 17은 도 16에 도시된 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
도 18은 솔리드 스테이트 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
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, 주변 환경에서의 일관된 또는 휘발성 조건들이 존재할 수 있는 다른 산업 시설들 중에서도, 석유 정제소들, 석유 화학 공장들, 곡물 사일로(grain silo)들, 폐수 및/또는 처리 시설들에서 발생할 수 있고, 높아진 화재 또는 폭발 위험을 제공할 수 있다. 공기 중 발화가능 가스, 발화가능 증기들 또는 발화가능 분진, 또는 이와 다른 인화성 물질들의 가끔의 또는 계속적인 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, 위험한 환경들에서의 전기 제품 사용에 관한 다수의 표준들이 발표되어 왔다.
예를 들어, "UL(Underwriter's Laboratories)" 표준 UL1203은 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 표준 UL1203을 수용하는 임의의 다른 시장에 성공적으로 내놓는 제조업자의 능력에 대한 중요한 태양이다.
NEC(National Electric Code) 조항 500은 위험 위치 코딩 시스템을 제시하고, NEC는 대체적으로 클래스 및 디비전별로 위험 위치들을 분류한다. 클래스 I 위치들은 인화성 증기들 및 가스들이 존재할 수 있는 그들 위치들이다. 클래스 II 위치들은 가연성 분진이 발견될 수 있는 위치들이다. 클래스 III 위치들은 쉽게 발화가능한 섬유들 또는 비산물들의 존재로 인해 위험한 위치들이다. 클래스 I, 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. 클래스 I, 디비전 2는 인화성 가스들, 증기들 또는 휘발성 액체들이 폐쇄 시스템 내에서 다뤄지거나 적합한 인클로저들 내에 한정되는 위치들, 또는 위험한 농도들이 보통, 확실한 기계적 환기에 의해 미리처리되는 위치들을 커버한다. 가스들이 가끔 흘러들어갈 수 있는, 디비전 1 위치들에 인접한 영역들이 또한 디비전 2가 될 것이다. 나머지 클래스들에 대해 유사한 디비전들이 NEC에서 정의된다.
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 정상 동작 조건들 하에 존재할 가능성이 있는 위치이거나; 또는, 수리 또는 유지보수 동작들 때문에 또는 누출 때문에, 발화가능 농도들의 인화성 가스들 또는 증기들이 빈번하게 존재하는 위치이거나; 또는 장비 파손 또는 결함 동작들이 발화가능 농도들의 인화성 가스들 또는 증기들의 해제를 초래할 수 있고, 또한 전기 장비가 발화원이 되게 하는 모드에서 전기 장비의 동시 고장을 야기할 수 있는 그러한 특성을 갖는, 장비가 동작되거나 프로세스들이 수행되는 위치이거나; 또는 발화가능 농도들의 증기들을 전달할 수 있는 구역 1 위치에 인접해 있는 위치이다.
비트로 상이하게 표현되지만, IEC 구역 1 및 NEC 디비전 2는 실제로, 대체적으로, 위험한 환경들의 평가 시에 공통 위치들로 수렴한다. 최신 환경 조절 및 디비전 1 및 구역 0 응용물들의 농도 특성을 고려하면, 대부분의 위험 장비, 특히 전기 전력 시스템의 스위치 기어 제품들이 디비전 2 또는 구역 1(또는 2) 영역들에서 사용하기 위해 설치된다. 후술되는 것들과 같은 전기 디바이스들이 소정 환경들 내의 발화원들일 수 있음을 고려하면, 방폭, 방염, 또는 발화방지(ignition proof) 인클로저들이 통상적으로 NEC 디비전 2 위치들 및/또는 IEC 구역 1 위치들에 제공되어, 이와 달리 가능한 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 인클로저들은 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 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. 적어도 이러한 이유로, 기계식 스위치 콘택트들을 포함하는 알려진 디바이스들은 때때로, 통상적으로 개별 방폭 인클로저들에 위치되고, 필요한 보호를 제공하기 위해 NEC 디비전 1 또는 2, 또는 IEC 구역 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 온도가 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 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, 그것은, 일부 경우들에 있어서, 방폭 인클로저들이 위험한 환경에서 안전한 분리 기능을 여전히 제공하면서 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 위치에서 제거될 수 있는 경우에 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 제공할 수 있다. 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 2 또는 IEC 구역 1 위치들에서 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, 단자들의 위치들에서의 소정 조건들 하에, 전기적 아킹이 아닌 경우, 과열 및 가능한 발화원들을 야기할 수 있다. 단자들에서의 불량한 품질 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 2 또는 IEC 구역 1 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 2 또는 IEC 구역 1 위치에서의 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, 별도의 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저를 반드시 요구하지는 않으면서 NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 위치들에서 적용가능한 표준들에 순응하여 향상된 정도의 안전성을 제공하는 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들이 본 명세서에 기술된다. 이와 같이, 그리고 별도로 제공되는 방염 또는 발화방지 인클로저들의 제거에 의해, 본 명세서에 기술된 예시적인 회로 보호 디바이스들은 전기 전력 시스템들에 대한 설치 비용들을 감소시키고, 전기 패널들, 제어 센터들 등에서의 귀중한 공간을 절약하고, 전기 전력 시스템의 더 효율적인 유지보수 및 관리감독(oversight)을 제공한다. 방법 태양들은 부분적으로 명시적으로 논의되고, 하기의 설명으로부터 부분적으로 명백할 것이다.
일 태양에서, 예시적인 회로 보호 디바이스들은 솔리드 스테이트 스위치 디바이스의 형태로 구현될 수 있는데, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스는 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 내의 도체들의 잠재적 과열을 다루기 위한 열 관리 특징부들을 포함한다. 따라서, 솔리드 스테이트 회로 차단기 디바이스의 형태로 구현될 때, 그러한 솔리드 스테이트 회로 차단기들은, 종래의 회로 차단기들과는 달리, NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 위치들에 적용가능한 위험 위치 표준들에 순응하고, 이에 따라, 종래의 방폭, 방염 또는 발화방지 인클로저들을 소정 응용물들에 대해 쓸모없게 만든다.
다른 태양에서, 하이브리드 회로 보호 디바이스가, 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스와 기계식 스위치 디바이스의 조합의 형태로, 그리고 추가로, 기계식 스위치 콘택트들 사이의 전기적 아킹을 주변 환경으로부터 격리시켜 발화를 방지하기 위한 향상된 특징부들과 조합하여 구현될 수 있을 뿐만 아니라, 접속 단자들에서 가능한 발화원들을 다루고/다루거나 열 관리 특징부들을 포함하여 하이브리드 디바이스 내부에서 전도성 요소들의 잠재적 과열을 회피시키도록 구현될 수 있다. 따라서, 그러한 하이브리드 회로 보호 디바이스들은, 종래의 하이브리드 회로 보호 디바이스들과는 달리, NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 위치들에 적용가능한 위험 위치 표준들에 순응하고, 종래의 방복 인클로저들을 소정 응용물들에 대해 쓸모없게 만든다.
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 2 또는 IEC 구역 1 위치들과 같은 위험 위치들의 맥락에서 기술되지만, 기술된 개념들의 이익들이 반드시 NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 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 제1 예시적인 실시예에 따른, 순응성 위험 환경 아크리스 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 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.
디스플레이(116)는 다기능일 수 있고, 따라서, 사용자 활동에 응답하여 상이한 스크린들을 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 디스플레이(116)는 사용자가 프롬프트된 바와 같이 디스플레이의 선택된 영역들을 터치함으로써 선택들을 행하는 것에 의한 터치 감응성일 수 있다. 버튼들, 노브들 등과 같은 입력 선택자들은, 디스플레이와 관련하여 사용자와의 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 스위치로서의 역할을 하도록 디스플레이(116)와는 별개로 제공될 수 있다. 토글 스위치는 전통적인 토글 스위치를 에뮬레이트하여 "온" 또는 "오프"로의 상태 변화에 영향을 미칠 수 있지만, 그것은 기계식 스위치 콘택트들의 어떠한 변위 없이도 그러한데, 그 이유는, 하기에 설명되는 바와 같이, 디바이스(100)가 기계식 스위치 콘택트들을 포함하지 않기 때문이다.
대안적으로, 접속된 부하 측 장비에 대한 분리 스위치 기능을 달성하기 위해 사용자/조작자에 의한 편리한 사용을 위해 온/오프 특징부가 디스플레이(116) 내에 내장될 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.
측방향 면들(108, 110)은 각각, 라인 측 및 부하 측 회로부에 대한 각자의 접속을 가능하게 하기 위한 접속 리세스들(118, 120, 122)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 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 부하들은 교류(AC) 또는 직류(DC)로 각각 동작할 수 있다. 도시된 바와 같은 디바이스(100)는 회로 차단기로서 구성되고, 따라서, 미리결정된 과전류 조건들에 응답하여 자동 회로 보호를 제공한다. 미리결정된 과전류 조건들은 소정 범위 내에서 사용자에 의해 선택될 수 있고/있거나, 디스플레이 스크린(116)을 통해, 원격 인터페이스를 포함하는 다른 사용자 인터페이스를 통해 디바이스(100)에 입력될 수 있고/있거나, 디바이스 내에 사전프로그래밍될 수 있다. 디바이스(100)는 접속된 부하들에 대한 적절한 보호를 제공하기에 적합한 특정된 시간-전류 곡선들 또는 트립 프로파일들에 따라 동작할 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 대한 접속을 가능하게 하는 출력 단자들(134a, 134b, 136c)을 추가로 포함하며, 여기서 발화가능 가스, 증기들 또는 물질들은 138로 나타내진 바와 같이 공기 중에 있을 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.
각자의 쌍의 입력 단자들(130a, 130b, 130c)과 출력 단자들(134a, 134b, 136c) 각각 사이에는, 140a, 140b 및 140c에서 나타내진 바와 같이 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들이 배열된다. 예시적인 솔리드 스테이트 스위치 배열물(140a, 140b, 140c) 각각은 서로 반대로 각각 접속되는 IGBT들의 직렬 접속 쌍들(142a, 142b, 142c, 142d)을 포함하고, 이때 각각의 쌍(142a, 142b, 142c, 144d)은 IGBT들에 병렬로 접속되는 배리스터 요소(146)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 IGBT들 각각의 게이트 단자에 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 형성하고, 따라서 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 선택적으로 인에이블 또는 디스에이블될 수 있다. IGBT 요소들 이외의 동등한 유형들의 반도체 스위치 요소들이 마찬가지로 채용될 수 있는데, 이들은 MOSFET 요소들, 바이폴라 트랜지스터 요소들, 실리콘 제어 정류기 요소들(때때로, 사이리스터(thyristor)들로 지칭됨) 등과 같은 동등한 유형들의 반도체 스위치 요소들을 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(146)은, 정상 동작 전압에 노출될 때 비교적 높은 저항을 나타내고, 과전압 조건들과 연관된 것과 같은 더 큰 전압에 노출될 때 훨씬 낮은 저항을 나타낸다. 배리스터들(146)을 통한 전류 경로의 임피던스는, 배리스터들이 저임피던스 모드에서 동작할 때 IGBT들의 임피던스보다 실질적으로 더 낮으며, 그렇지 않을 때에는 IGBT들의 임피던스보다 실질적으로 높다. 이는 정상 조건들에서, 배리스터들의 고임피던스가 모든 전류가 IGBT들을 통해 흐르게 한다는 것을 의미한다. 그러나, 과전압 조건들이 발생함에 따라, 배리스터들은 고임피던스 모드로부터 저임피던스 모드로 스위칭하고, 고전압 유도 전류 서지(surge)들을 IGBT들로부터 부하 측 회로부(136)로 션트시키거나 우회시킨다. 과전압 조건들이 감소(subside)함에 따라, 배리스터들은 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 흐를 수 있게 한다. 그러나, 다른 응용예들에서, 배리스터들(146)은 선택적인 것으로 간주될 수 있고 생략될 수 있다.
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 가능한 발화원인 것을 피한다.
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 위치들에서의 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 트립 프로파일과 같은 기준 전류 조건과 비교된다. 검출된 전류를 기준 전류 조건과 비교함으로써, 전류를 전도시키는 것을 중지하여 손상 전류(damaging current)들로부터 부하 측 회로부를 보호하기 위해 전술된 IGBT 내의 게이트-이미터 전압에 대한 출력 전압을 제어함으로써 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스들(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. 일례로서, 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 곡선 또는 시간-전류 프로파일을 적용한다.
검출된 전압은 마찬가지로 모니터링되고, 부정적인 동작 조건들로부터 부하 측 회로부 및 컴포넌트들을 보호하기 위해 솔리드 스테이트 스위칭 요소들(162)을 동작시킬지 여부와 같은 제어 결정들을 이루는 데 있어서의 기반으로서 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 스위치들(162)을 동작시켜서, 온도 센서들에 의해 나타내진 바와 같은 동작 온도가 위험 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 상에 구현될 수 있으며, 이때 알고리즘 제어 특징부들은 디바이스 메모리에 프로그래밍 및 저장된다.
더 큰 전기 전력 시스템의 동작을 평가하기 위해 데이터를 원격 위치로 통신할 수 있는 통신 요소(164)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 4 내지 도 8은 도 2에 도시된 바와 같이, 라인 측 및 부하 측 회로들 및 장비에 대한 전기 접속을 확립하는 디바이스(100)를 위한 안전 단자 조립체들을 도시하며, 이들 중 임의의 것은 라인 측 단자들(130a, 130b 또는 130c) 또는 부하 측 단자들(134a, 134b, 134c)로서 사용될 수 있다. 안전 단자 조립체들은 열 사이클링, 진동, 또는 위험한 환경들에서의 다른 요구하는 동작 조건들에 처해질 때 시간 경과에 따라 느슨해지는 경향이 있는 종래의 단자들과 연관된 문제들을, 제거하지 않는 경우, 감소시키는 것을 용이하게 한다. 느슨한 단자 접속들은 단자들에서 저항을 증가시킬 수 있고, 디바이스의 동작 시에 과도한 열을 발생시킬 수 있다. 일부 경우들에 있어서, 그러한 증가된 저항 또는 열은 고장 지점에 대한 접속을 열화시킬 수 있고, 단자들에서의 전기적 아킹이 발생할 수 있다. 따라서, 디바이스(100)에 대한 케이블 접속들을 더 안전하게 고정하고 유지시키는 개선된 단자 조립체들은, 제거하지 않는 경우, 사용 중인 케이블 접속들의 열화에 기인하는 가능한 발화원들을 감소시키기 위해 필요하다. 또한, 개선된 단자 조립체들은 마찬가지로, 필요에 따라 또는 원하는 대로, 보조 접속들, 입력/출력 접속들 등을 확립하기 위해 케이블들에 대한 안전한 전기 접속들을 확립하는 데 활용될 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 안전 단자 조립체(180)는 박스 러그(182) 및 나사와 같은 단자 체결구(184)를 포함한다. 박스 러그(182)는 도시된 예에서 도 4의 페이지의 평면 내로 연장되는 제1 축을 따라 케이블 도체의 선단부를 수용하는 개구 또는 애퍼처(186)를 한정한다. 박스 러그(182)는 또한, 도시된 바와 같이, 도 4의 수직 평면 내의 제1 축에 수직으로 연장되는 제2 축을 따라 체결구(184)를 수용하기 위해 박스 러그(182)의 상부 면 상에 형성되는 나사형성 애퍼처(188)를 한정한다.
사용 중에, 라인 측 또는 부하 측 접속을 확립하는 데 사용되는 케이블 도체가 제1 축을 따라 박스 러그(182)의 애퍼처(186) 내에 수용되고, 이어서, 체결구(184)의 헤드가 회전되어, 체결구(194)의 반대편 단부를 케이블 도체를 향해 애퍼처(186) 내로 전진할 수 있다. 일단 체결구의 단부가 박스 러그 애퍼처(186) 내의 케이블 도체와 물리적 접촉을 이루면, 나사 체결구(184)의 추가의 전진은 전기 접속을 완료하기 위해 박스 러그(182)와 표면 접촉하여 제위치에 케이블 도체를 견고하게 유지시키는 조임력을 발생시킨다.
체결구(184)가 디바이스의 후속 동작에서 느슨해지는 것을 방지하기 위해, 코일 스프링(190)이 박스 러그(182)의 상부 표면과 나사 헤드 사이에서 나사 체결구의 몸체 둘레에 연장된다. 나사가 원하는 콘택트 조임력을 확립하기 위해 케이블 도체와 접촉하여 조여질 때, 스프링(190)은 본질적으로 나사 및 박스 러그를 함께 로킹(lock) 또는 재밍(jam)한다. 원하는 포지션에서의 체결구(184)의 그러한 로킹은 케이블 커넥터와 단자 사이의 느슨한 접속이 시간 경과에 따라 발생하는 것을 방지하는 방진 접속을 실현한다. 추가적으로, 원하는 포지션에서의 체결구(184)의 로킹은 열 사이클링에 처할 때 나사가 시간 경과에 따라 느슨해지는 임의의 경향을 회피시킨다. 품질 단자 접속들을 보장함으로써, 도 4의 단자 로킹 조립체는 단자들에서의 과도한 열 및/또는 전기적 아킹을 회피시키며, 단자들 및 도체 버스 구조물의 동작 온도들이 위험 위치에서 사용하기 위해 디바이스에 설계된 적절한 온도 한계들 내에 유지될 수 있음을 보장한다.
도 5에 도시된 안전 단자 조립체에서, 도시된 바와 같이 박스 러그(182)를 둘러싸는 스프링 플레이트(200) 형태의 대안적인 로킹 요소가 제공된다. 체결구(184)가 원하는 양의 콘택트 조임력으로 케이블 도체를 조일 때, 스프링 플레이트(200)는 마찬가지로, 나사 및 박스 러그를 함께 효과적으로 로킹 및 재밍하여, 이에 의해, 도 4에 도시된 코일 스프링(190)과 유사한 효과를 실현한다. 도 5의 배열물이 스프링 플레이트(200)를 위해 로킹 스프링(190)을 생략하지만, 스프링(190) 및 스프링 플레이트(200)는 조합하여, 나사가 느슨해지는 것을 방지하기 위해 나사를 로킹 및 재밍하는 데 사용될 수 있다.
도 6은 다른 형태의 러그 단자(220) 및 단자(220)의 상부 부분 상에서만 연장되는 스프링 플레이트(222)를 구비한 단자 로킹 배열물을 포함하는 안전 단자 조립체를 도시한다. 스프링 플레이트(222)는 마찬가지로, 원하는 접촉력으로 케이블 도체를 조이는 나사로 나사 및 러그 단자를 함께 효과적으로 로킹 및 재밍하여, 이에 의해, 전술된 것과 유사한 효과를 실현한다. 도 6의 스프링 플레이트(222)는 단자 러그(220) 내부의 위치에서 로킹 효과를 달성하는 한편, 도 4 및 도 5의 예들은 단자 러그 외부의 위치에 로킹 효과를 달성한다. 물론, 예컨대 도 4의 스프링(190) 및 도 6의 스프링 플레이트(202)를 포함함으로써, 내부 및 외부 로킹 요소들이 조합이 가능하다.
스프링 및 스프링 플레이트들의 형태의 로킹 요소들의 예시적인 기하구조들 및 위치들이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있지만, 디바이스의 후속 동작에서 단자 접속들의 바람직하지 않은 느슨해짐을 방지하기 위해 동일한 또는 상이한 위치들에서 원하는 이로운 로킹 또는 재밍을 달성하기 위해 다른 유형들 및 기하구조들의 로킹 요소들이 가능하다. 기술된 로킹 효과는 위험 위치의 진동, 열 사이클링, 및 다른 환경적 요구들에 대한 노출을 통해 느슨해지는 접속들의 임의의 경향을 극복하기에 충분하지만, 그럼에도 불구하고, 새로운 접속들을 용이하게 하기 위해 또는 디바이스(100)를 라인 측 및 부하 측 회로부로부터 필요 시에 함께 제거하기 위해 필요할 때 지나친 어려움 없이 극복될 수 있다는 것이 이해된다. 마찬가지로, 유사한 단자들에 대해 이루어진 보조 회로 접속들 또는 다른 단자 접속들은 새로운 접속들을 용이하게 하기 위해, 또는 정비 또는 교체를 위해 디바이스(100)를 제거하기 위해, 필요할 때 지나친 어려움 없이 극복될 수 있다.
단자 러그(232) 및 단자 러그(232)에 실장되는 회전가능 레버(234)를 포함하여, 단자 러그(232) 내에 수용되는 케이블 도체를 향해 레버(234)가 회전될 수 있도록 하는 다른 안전 단자 조립체(230)가 도 7에 도시되어 있다. 토션 스프링과 같은 바이어싱 요소(238)가 레버(234)의 일 단부에서 레버의 회전축을 중심으로 제공되어, 케이블 도체에 원하는 접촉력을 인가하고 이를 단자 러그(232) 내의 제위치에 유지시키며, 따라서, 와이어(236)는 단단히 고정되고 진동 또는 열 사이클링으로 인해 느슨해지지 않을 것이다. 바이어싱 요소(238)는 케이블 도체를 강제로 제위치에 유지시키고 효과적으로 로킹하여, 시간 경과에 따라 열 사이클링에 의해 악영향을 받지 않는 본질적인 방진 접속을 실현한다.
단자 조립체(230)는 이전의 조립체들의 종래의 체결구 나사를 회피하고, 따라서 추가의 이익들을 제공한다. 바이어싱 요소(238)는 설치자에 의존하지 않는 일관된 콘택트 조임력을 실현하는 반면, 도 4 내지 도 6의 체결구 조립체들은 상이한 사람들에 의해 다양한 정도들로 조여질 수 있으며, 따라서, 이루어진 접속들의 품질에서의 약간의 가변성이 생길 수 있다. 레버(234)를 포함하는 단자 조립체(230)는 또한, 도구의 사용 없이 수작업으로 신속하고 편리하게 로킹될 수 있는 반면, 도 4 내지 도 6의 체결구 조립체들은 원하는 로킹을 달성하기 위해 스크류드라이버와 같은 도구의 사용을 필요로 한다. 케이블 도체의 해제는 또한, 사용자가 체결구(284)를 느슨하게 하기 위해 스프링(190) 또는 스프링 플레이트들(200, 202)의 로킹 또는 재밍 효과를 극복할 필요가 없기 때문에 단자 조립체(230)에 대해 단순화되지만, 대신에, 토션 바이어싱 요소(238)의 조임력을 극복하고 이어서 케이블 도체(236)를 단자로부터 끌어당기기에 충분한 힘으로 레버(234)를 간단히 회전시킬 수 있다.
도 8은, 예를 들어 전술된 배열물들을 통해 케이블 도체에 안전하게 접속할 수 있는 단자 러그(242) 및 체결구(244)를 포함하는 안전 단자 조립체(240)의 또 다른 실시예를 도시한다. 그러나, 단자 러그(242)는 접속 애퍼처(248)를 포함하는 더 큰 단자 하우징(246) 내에 안착된다. 커넥터 핀(250)이 하우징(246) 내의 단자 러그(242)에 대한 전기 접속을 완성하기 위해 애퍼처 내에 수용될 수 있다.
특히, 그리고 디바이스(100)의 하우징(102)에 실장되는 도 4 내지 도 7의 전술된 안전 단자들과는 달리, 핀(250)은 애퍼처(248)를 통해 단자 조립체(240)로의 플러그-인 삽입 및 제거를 위해 디바이스(100)의 하우징(102)에 실장되거나 그로부터 돌출된다. 이와 같이, 일단 케이블 도체 접속들이 단자 러그(242)에 대해 이루어지면, 디바이스(100)는 케이블 도체 접속들을 방해하지 않고서 제거, 재설치, 또는 교체될 수 있다. 핀(250) 및/또는 디바이스 하우징(102)을 애퍼처(248) 및/또는 단자 하우징(246)에 고정된 관계로 고정시키기 위해 로킹 또는 래칭 요소들이 포함될 수 있다. 마찬가지로, 러그(242)는 위험 위치에서 사용하기 위해 케이블링을 고정하기 위한 임의의 적합한 구조물에 배열될 수 있다.
디바이스(100)가 솔리드 스테이트 스위치들을 포함하기 때문에, 디바이스(100)의 핀(250)은 스위치들이 디바이스를 통해 어떠한 전류도 흐르지 않음을 보장하도록 제어된 후에 애퍼처(248)로부터 제거되어, 전기적 아킹의 임의의 가능성을 배제하고 바람직한 "핫 스왑" 기능을 용이하게 할 수 있고, 여기서 디바이스(100)는 라인 측 회로가 "라이브"로 또는 동력을 공급받는 채로 유지되는 동안 제거될 수 있다. 대안적으로, 솔리드 스테이트 스위치들은 감지된 파라미터들에 응답하여 제어되어 전류를 제한할 수 있는데, 이는 핀(250)이 아킹을, 위험 위치에 대한 발화 우려들을 제공하기에 불충분한 레벨들로 감소시키도록 제거되고 있기 때문이다. 디바이스(100) 내의 솔리드 스테이트 스위칭 요소들은 마찬가지로, 디바이스(100)의 핀(250)이 애퍼처(248) 내로 삽입될 때 전류 흐름을 제한하도록 동작가능하여, 단자 러그(242) 및 접속된 케이블 도체에 대한 전기 접속을 완성한다. 디바이스(100)는, 플러그 및 소켓 접속을 실현하는 애퍼처(248) 및 핀(250)에 의해, 전기 접속이 애퍼처(248) 내측에서 이루어지거나 파손되어, 수작업으로 디바이스(100)를 설치 및 제거할 때 전기 쇼크로부터 사용자를 안전하게 보호한다는 점에서 이익이다. 특히 패널 상에 다수의 디바이스들(100)을 포함하는 분전반 설치들의 경우, 케이블 도체 접속들을 방해함이 없는 수작업의 핫 스왑 설치 및 제거의 용이성은 전기 전력 시스템을 정비하기 위한 시간 및 노동 비용들에 있어서 상당한 이익들을 제공한다.
예시된 예에서, 디바이스(100)는 핀(250)을 포함하고 단자 조립체(240)는 애퍼처(248)를 포함하지만, 이는 다른 실시예에서 효과적으로 반전될 수 있다. 즉, 디바이스(100)는 애퍼처를 포함할 수 있는 한편, 단자 조립체는, 전술된 이익들 중 적어도 일부를 조합하여 실현할 핀을 포함한다. 핀을 포함하는 단자 조립체의 경우에, 단자 핀들의 노출되고 동력을 공급받는 부분들로 인한 전기적 쇼크의 위험을 방지하기 위해 적절한 조치들이 취해져야 한다. 예를 들어, 디바이스(100)가 제거될 때 핀과의 사용자 콘택트를 방지하기 위해 핀을 둘러싸지만, 디바이스(100)와의 전기 접속을 방해하지 않는 절연 쉬라우드(shroud) 또는 차폐부가 단자 조립체 내에 포함될 수 있다. 다른 예시적인 안전성 조치는 디바이스(100)가 제거될 수 있기 전에 핀을 포함하는 단자를 분리하도록 수작업으로 또는 원격으로 동작가능한 추가적인 스위치 및 기계적 인터로크(interlock)를 포함할 수 있다. 마지막으로, 라인 측에는 상류 스위치 또는 회로 보호기의 동작을 통해 동력이 차단되어, 디바이스가 사용자에 대한 전기적 쇼크의 위험 없이 안전하게 제거 및 교체될 수 있게 할 수 있다.
예시적인 유형들의 수형 및 암형 커넥터 요소들이 이제 기술되었지만, 다른 실시예들에서 대안적인 유형들 및 형상들의 수형 및 암형 커넥터 요소들이 조합하여 제공될 수 있다.
단자 조립체(240)는, 그것이, 적절한 정격의 호환가능한 디바이스(100)만이 설치될 수 있음을 보장하기 위해 디바이스(100)에 대한 수용/거절 특징부를 실현하도록 구성될 수 있다는 점에서 추가의 이익들을 제공한다. 예를 들어, 상이한 전류용량 정격들을 갖는 상이한 디바이스들(100)에는 상이한 직경들의 핀들(250)이 제공될 수 있고, 단자 조립체(240)의 상이한 버전들에는 상이한 직경들의 애퍼처들(248)이 제공될 수 있다. 이와 같이, 그리고 예를 들어, 200 A의 전류용량 정격을 갖는 디바이스(100)는 100 A로 정격되고 100 A 케이블 도체들에 접속되는 단자 조립체(240)의 애퍼처(248)와 핀(250)의 호환불가능성을 통해 거절될 수 있는 한편, 100 A의 전류용량 정격을 갖는 디바이스(100) 및 대응하는 핀(250)이 100 A로 정격되고 100 A 케이블 도체들에 접속되는 단자 조립체(240)의 애퍼처(248) 내에 수용될 수 있다. 더 높은 전류세기 디바이스(100)가 부주의하게 설치되었다면, 그것은 부하 측 회로부에 대한 원하는 회로 보호를 파기하는 것은 말할 것도 없이, 100 A 케이블 도체들이 과열되고 가능하게는 고장나게 할 수 있는 과전류들에 응답하지 않을 것이지만, 수용/거절 특징부에 의해, 부정확하게 정격된 디바이스(100)를 설치함에 있어서의 인간 에러가 제거된다. 달리 혼동될 수 있는 다수의 상이하게 정격된 디바이스들(100)을 포함하는 분전반 응용물에서 특정 이익들이 여기에 축적될 수 있다.
원통형 핀들 및 애퍼처들을 포함하는 하나의 유형의 수용/거절 특징부가 기술되고 예시되어 있지만, 이와 관련하여 다수의 변형들이 가능하다. 별개의 수용/거절 특징부들을 갖는 여러가지 상이한 정격들의 디바이스들(100)을 구별하기 위해 핀들 및 애퍼처들의 상이한 기하구조들 및 형상들뿐만 아니라 상이한 치수가 제공될 수 있다. 예를 들어, 제1 세트의 디바이스들(100)에는 정사각형 핀들이 제공될 수 있고, 제2 세트의 디바이스들(100)에는 원형 핀들이 제공될 수 있고, 제3 세트의 디바이스들(100)에는 팔각형 핀들 등이 제공될 수 있다. 단자 조립체들(240)에는 마찬가지로 정사각형, 원형, 및 팔각형 애퍼처들이 제공될 수 있다. 정사각형, 원형, 그리고, 팔각형 애퍼처들 및 핀들의 치수들은 마찬가지로, 디바이스가 각각의 유형의 단자 조립체들(240)로 조정되는 기존의 배선과 호환가능함을 보장하도록 임의의 주어진 설치 시에 정확한 디바이스(100)를 선택 및 설치하기 위해 설치자에게 고유 수용/거절 특징부들 및 시각적 단서들을 제공하도록 변경될 수 있다.
다른 태양에서, 단자 조립체들(240)은 유익하게는, 주어진 디바이스(100)가 적절한 극성을 갖는 라인 측 및 부하 측 회로부에 접속됨을 보장하기 위해 수용/거절 특징부들로서 사용될 수 있다. 즉, 수형 및 암형 커넥터들을 한정하는 핀들 및 애퍼처들의 형상들 및/또는 치수들은, 디바이스가 적절한 극성을 갖고서 적절한 배향으로만 설치될 수 있고 디바이스(100)의 부하 측 단자가 라인 측 회로부에 부주의하게 접속되는 반대 배향으로는 설치될 수 없음을 보장하기 위해 디바이스(100)의 라인 측 및 부하 측 상에서 변화될 수 있다. 그러한 배향에서, 디바이스는 부적절한 설치가 방지된다는 점에서 본질적으로 실수 방지된다. 이와 같이, 그리고 예를 들어, 디바이스(100)의 라인 측 핀(250)은 디바이스(100)의 부하 측 핀(250)보다 더 큰 직경을 가질 수 있으므로, 라인 측 핀은 더 큰 직경의 애퍼처(248)를 갖는 라인 측 단자 조립체(240)의 라인 측 애퍼처(248) 내에만 수용될 수 있다. 따라서, 더 작은 직경의 애퍼처를 갖는 라인 측 단자 조립체(240) 내에 라인 측 핀(250)을 삽입하기 위한 부적절한 시도가 성공할 수 없다.
다른 예로서, 디바이스(100)의 라인 측 핀(250)은 정사각형 핀일 수 있는 한편, 디바이스의 부하 측 핀(250)은 아마도, 극성 의존적인 디바이스(100)의 적절한 설치에 대해 더 직관적인 시각적 단서(cue)를 제공하는 원통형 핀일 수 있으며, 이때 단자 조립체들(240)은 반대 극성을 갖는 디바이스(100)를 설치하려는 임의의 시도를 차단하도록 치수화되는 정사각형 및 원통형 애퍼처들(248)을 각각 포함한다. 다른 예로서, 디바이스(100)의 라인 측에는 수형 핀 커넥터가 제공될 수 있는 한편, 부하 측 디바이스에는 암형 커넥터가 제공되어, 다시, 반대 극성을 갖는 디바이스를 부정확하게 설치하려는 임의의 시도를 회피시킬 수 있는 시각적 단서를 설치자에게 제공할 수 있다. 또한, 핀 또는 애퍼처/수신자는, 콘택트 맞물림을 개선하고, 저항을 낮추고, 열화에 맞서 전기 접속의 추가의 무결성을 보장하기 위해 다수의 세그먼트들을 포함할 수 있다.
추가 실시예들에서, 컬러 코딩 및 라벨링 특징부들 등이 또한 디바이스 하우징(102) 및 단자 하우징(246)의 부분들 상에서 활용되어, 사용자가 어떻게 디바이스(100)를 적절하게 설치하는지 설치자에게 단서를 제공하고, 따라서 상이한 정격의 디바이스들(100)이 존재하는 다른 시설 또는 분전반 내의 디바이스들(100)의 적절한 설치를 도와줄 수 있다. 예를 들어, 흑색 및 적색의 컬러들은 디바이스(100)의 라인 측 및 부하 측을 나타낼 수 있고, 흑색 및 적색의 컬러들은 단자 조립체들의 라인 측 및 부하 측 단자들을 나타내어 설치자가 그 컬러들을 따라서 디바이스들(100)을 적절히 설치할 수 있게 할 수 있다. 양 및 음의 심볼들 + 및 -는 또한, 디바이스들(100) 및 단자 조립체들(240)에 대한 라인 측 및 부하 측 접속들을 식별하는 데 사용될 수 있다. 컬러 코딩, 라벨들, 및 심볼들은 단자 조립체(240)에 대한 형상들 및 핀들 및 애퍼처들과 조합되어, 설치자가 호환불가능한 디바이스(100)를 설치하거나 디바이스(100)의 의도된 극성을 반전시키려고 심지어 시도할 가능성을 감소시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 특히, 인간 에러의 증가된 기회에 따라 신속하게 제거되고 교체될 수 있는 핫 스왑 응용물들에서, 설치를 위한 적절한 디바이스의 호환성 및 극성을 보장하기 위해 적절한 수용/거절 특징부들을 제공하는 것은 위험 위치 내의 다수의 디바이스들의 안전 동작에 유의미하다. 인간 에러가 회피되는 한편, 전기 전력 시스템에 대한 설치 및 유지보수 완료 절차들의 편의성 및 용이성이 현저하게 개선된다.
도 9는 회로 보호 디바이스(100)를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 도시한다. 열 관리는, 사용 중에 디바이스(100)에 의해 발생된 열을 효과적으로 분산시키는 데, 그리고 임의의 발화 가능성을 회피시키기 위해 디바이스(100)의 표면 온도들을 위험 위치에 대한 적용가능한 온도 한계들 미만으로 유지하는 데 중요하다. 표면 온도를 관리하는 것은 하기의 고려사항들의 균형을 맞추는 다면적인 활동이다.
하우징(102)의 치수들 및 외부 표면적은, 전기 전력 시스템의 정상 및 과전류 조건들을 포함하는 예상 동작 조건들 하에서, 표면 온도 타깃을 초과하지 않고서 그를 달성하도록 변화될 수 있다. 더 큰 표면적을 갖는 더 큰 하우징(102)은 대체적으로, 더 큰 표면적에 걸쳐 열을 소산시킬 것이고, 따라서, 더 작은 표면적을 갖는 그 외의 유사한 디바이스보다 더 냉각된 채로 작동될 것이다. 여기서, 열 소산 핀들 및 하우징의 윤곽형성된 표면들을 포함함으로써 패키지 크기의 유의미한 증가 없이 더 큰 표면적이 얻어질 수 있다는 것에 유의한다.
라인 측 단자들(130a, 130b, 130c), 솔리드 스테이트 스위치 배열물들(140a, 140b, 140c) 및 부하 측 단자들(134a, 134b, 134c) 및 (도 2)과 상호접속하는 버스 구조물을 한정하는 디바이스(100)의 하우징(102) 내의 도체들(260a, 260b, 260c)의 크기 및 간격은 열 관리 관점으로부터의 다른 고려사항이다. 디바이스를 통해 흐르는 임의의 주어진 전류의 경우, 더 큰 도체들(260a, 260b, 260c)은 더 작은 도체들보다 더 적은 열을 발생시킬 것이다.
도체들(260a, 260b, 260c)의 경로 길이를 증가시키는 것은 더 짧은 경로 길이의 도체들에 비해 도체들의 감소된 가열을 초래할 것이다. 따라서, 구불구불한 경로 도체(260a, 260b, 260c)는 도 9에 도시된 바와 같이 대체로 직선형 도체(260a, 260b, 260c)보다 더 적은 열을 발생시킬 것이다.
도체들(260a, 260b, 260c) 사이의 상대적 간격은 사용 중인 디바이스에 의해 발생되는 열에 영향을 준다. 도체들 사이의 간격이 증가됨에 따라, 도체들(260a, 260b, 260c)의 열 커플링이 감소될 것이다.
하우징을 제조하는 데 사용되는 재료는 열 관리 및 동작 표면 온도 목표들을 달성하기 위해 변화될 수 있는데, 이는 일부 재료들이 다른 재료들보다 열을 분산시키고 소산하는 데 더 양호한 열 성능을 나타내기 때문이다. 예를 들어, 특정 중합체 수지들이 선택되거나 맞춤화될 수 있고, 또한, 내부적으로 그리고 그의 외부 표면적 둘 모두에서 하우징(102)의 열 성능을 개선할 재료를 조제하도록 프로세싱될 수 있다. 금속 및 플라스틱 하우징 요소들은 하우징(102)을 제조하기 위해 개별적으로 또는 조합하여 사용될 수 있다. 일부 경우들에 있어서, 하우징(102)은 유전체 재료, 유전체 충전재, 또는 하우징의 내부에서 열을 수용, 흡수 또는 분산할 수 있고 따라서 사용 중인 디바이스(100)의 표면 온도를 낮출 수 있는 다른 충전재 매체로 부분적으로 또는 전체적으로 충전될 수 있다.
하우징 구조물은 마찬가지로, 열 분산 및 소산을 염두에 두고 설계된 특정 특징부들을 포함할 수 있다. 원하는 영역들에서, 예컨대 인접 도체들(260a, 260b, 260c) 사이에서, 추가적인 단열을 달성하고 열 커플링을 회피하기 위해 하나 초과의 재료가 제공되거나 조립될 수 있다. 하우징의 벽 두께는 가장 바람직한 위치에서의 선택된 부분들 또는 영역들에서 더 큰 또는 더 적은 정도들의 열 소산을 제공하도록 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.
마지막으로, 능동 냉각 요소들은 디바이스(100)의 부분들을 통해 불활성 가스 또는 냉각 유체를 순환시켜 디바이스(100)의 열 성능을 개선하도록 제공될 수 있다. 그러한 능동 냉각 요소들은 자납식(self-contained)이거나 또는 외부적으로 제공될 수 있으며, 각각의 디바이스(100)에서 개별적으로 그리고 독립적으로 작용하거나 다수의 디바이스들(100) 상에 또는 그에 걸쳐 집합적으로 작용할 수 있다. 일례로서, 분전반 응용물에서, 냉각 팬들 또는 펌프들은 다수의 디바이스들(100) 내에서 또는 그 주위에서 유체들을 순환시켜 표면 온도들을 효과적으로 관리할 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 피드백하는 바와 같이 배치될 수 있다. 열 전기기기는 전술된 팬/펌프 냉각 방법들에 대한 대안으로서 사용될 수 있다.
추가의 열 관리 특징부로서, 솔리드 스테이트 스위치 디바이스들(140a, 140b, 140c)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.
상기에 기술된 열 관리 고려사항들은 여러 가지 상이한 조합들로 추구될 수 있는데, 이들 조합들 중 일부는 다른 고려사항들에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 예를 들어, 능동 냉각 요소들은 주어진 디바이스(100) 내의 수동(passive) 히트 싱크들에 대한 임의의 필요성을 제거할 수 있다. 다른 예로서, 하우징(102)의 기하구조 및 폼 팩터가 최적화되고 고성능 중합체로부터 제작된 경우, 그것은 능동 냉각 요소들에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 온도 감지는 또한, 온도들이 선택된 임계치들에 접근하거나 이들을 초과할 때 디바이스(100)의 페일-세이프 셧다운을 구현하는 데 사용될 수 있다. 즉, 반도체 스위치들은, 가능하게는 달리 디바이스가 트립핑하게 할 과전류 조건 또는 결함 조건이 존재하는지 여부에 관계없이, 부하 측을 분리하고 전류 흐름을 차단하여 표면 온도의 임의의 추가 상승을 저지하도록 제어될 수 있다.
도 10은 본 발명의 제2 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 10에 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 특성들에 따라 동작할 수 있다.
도 11는 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, 위험한 환경에서 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 12은 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 검출될 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 콘택트의 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 콘택트들을 폐쇄함으로써 디바이스(300)를 재설정하는 데 사용될 수 있다.
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 회로 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 또는 디바이스(100)를 통해 접속된 전기적 부하들을 보호하기 위해 자동으로 작동될 때, 다시, 신뢰성있게 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 방폭 인클로저들을 사용하지 않고서 IEC 구역 1 및 NEC 디비전 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, 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, 300)을 포함하고, 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, 그것은 방폭되도록 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)에 의해 패널에 대해 어떠한 별도로 제공된 방폭도 필요하지 않다. 알려진 분전반들이 최대 84개의 디바이스들을 수용할 수 있음을 고려하면, 방폭 인클로저들의 제거는 위험 위치들에 있는 디바이스들의 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. 디바이스들(402, 404)에 제공되는 센서들 및 지능, 및 디바이스들(402, 404)에 제공되는 모터 돌입 특징부들을 고려하면, 추가적인 모터 시동 컴포넌트들은, 각각이 위험 위치들에서의 사용을 위해 방폭 인클로저들을 필요로 하는 종래에 제공되고 별개로 패키징되고 직렬 접속된 회로 보호기들 및 모터 스타터 조립체들과는 반대로, 디바이스들(402, 404)의 설계에 통합될 수 있고, 단일 패키지에서 회로 보호기/모터 스타터의 조합을 제공할 수 있다. 전력 시스템에서 획득, 설치, 및 정비될 필요가 있는 디바이스들의 수를 심지어 추가로 감소시킴으로써 전기 전력 시스템들을 설치 및 정비하는 비용들을 감소시키는 다른 이중 목적 또는 이중 기능 디바이스들(400, 402)이 마찬가지로 가능하다.
도 15 내지 도 19는 전술된 것들과 같은 예시적인 솔리드 스테이트 또는 하이브리드 디바이스들에 대한 추가적인 회로도들을 도시한다. 도 15는 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 회로 보호 디바이스를 위한 대안적인 솔리드 스테이트 스위칭 디바이스 배열물이다. 도 17은 도 16에 도시된 하이브리드 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다. 도 18은 솔리드 스테이트 구성을 갖는 회로 보호 디바이스를 위한 전력 전자기기 토폴로지의 예시적인 회로도이다.
도 15 내지 도 18에 도시된 회로들 중에서, 도 11에 도시된 솔리드 스테이트 스위치 배열물로 구현될 수 있는 도 15의 회로는 최저 온 상태 손실들로 동작가능하다. 그러나, 그것은 개방 동안 기계식 바이패스 스위치의 저전압 아킹의 관점에서 불리할 수 있다. 제공되는 바이패스 콘택트(들)에 대한 봉지 재료들 및 열 관리 특징부들이 바람직할 것이다.
도 16 및 도 17에 도시된 배열물 및 회로들은, 어떠한 전류도 흐르고 있지 않는 동안 기계식 바이패스 스위치가 개방될 수 있고, 따라서, 어떠한 아킹도 초래되지 않을 것이라는 점에서 이익이다. 도 16 및 도 17에 도시된 배열물 및 회로들은 대체적으로, 다른 배열물들보다 더 높은 전도 손실들, 더 큰 컴포넌트 카운트, 추가적인 게이트 드라이버, 및 더 높은 복잡성을 수반한다. 추가적으로, 도 16 및 도 17에 도시된 배열물 및 회로들은 소정 응용물들에서 짧은 개방 시간에 대한 요건들을 용이하게 충족시키지 못할 수 있다.
도 18에 도시된 솔리드 스테이트 회로는 유익하게는, 어떠한 움직이는 기계적 부품들도 포함하지 않으며, 아크프리 방식으로 동작가능하다. 그것은 또한, 원할 때 모터 소프트-시동을 포함하는 비교적 간단한 스위칭 알고리즘으로 동작가능하다. 그러나, 이는 비교적 높은 온-상태 손실들로 동작한다.
다양한 회로들 및 전력 전자 토폴로지가 도시되고 기술되었지만, 다른 것들이 가능하고, 도시되고 전술된 예시적인 솔리드 스테이트 및 하이브리드 스위치 배열물들을 포함하는 디바이스들(100, 300)에 더하여 또는 이들 대신에 디바이스들의 추가 실시예들에서 사용될 수 있다. 솔리드 스테이트 스위칭 요소들은 모듈형 배열물들을 사용하여 바람직한 전압 정격 스케일링 또는 바람직한 전류 정격 스케일링을 달성하기 위해 직렬로 또는 병렬로 접속될 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 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 열 관리 디바이스들은 회로 차단기 디바이스들이 아니지만, 그럼에도 불구하고, 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 위에서 논의된 가융 스위치 분리 디바이스들은 이들을 위험 위치 사용을 위해 순응이 되게 하는 전술된 발화방지 특징부들 중 하나 이상을 통해 실현될 수 있다. 기술된 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 열 관리 디바이스들을 적용하면, 솔리드 스테이트 가융 스위치 분리 디바이스 또는 하이브리드 가융 스위치 분리 디바이스는 유사한 이익들을 갖지만, 상이한 수준의 회로 보호를 제공하도록 용이하게 구성될 수 있다.
마찬가지로, 전술된 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 열 관리 디바이스들은 자체로 회로 보호를 제공하지 않지만, 그럼에도 불구하고, 방폭 인클로저들 없이 IEC 구역 1 및 NEC 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. 기술된 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 열 관리 디바이스들을 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 보호형 디바이스들에는 IEC 구역 1 및 NEC 디비전 2 위험 위치들에서 사용하기 위해 보편적으로 발화 보호를 제공하면서, 예를 들어 단상 전력 시스템들, 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 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.
발화 보호형 스위치 디바이스의 일 실시예로서, 하우징, 하우징에 커플링되는 라인 측 단자 및 부하 측 단자, 하우징 내에 있고, 부하 측 단자를 라인 측 단자에 접속시키고 부하 측 단자를 라인 측 단자로부터 분리하기 위해 아크프리 방식으로 동작가능한 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 포함하는 버스 구조물, 및 버스 구조물에 대한 제1 동작 온도 한계를 기준으로 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키는 제어기를 포함하고, 이에 의해, 동작 버스 구조물이 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제하며, 이에 의해, 발화 보호형 스위치 디바이스는 별도로 제공된 방폭 인클로저를 요구하지 않고서 위험 위치에서 사용하기 위한 순응성이다.
선택적으로, 하우징은 제2 온도 한계 이하의 표면 온도에서 동작하도록 구성되고 설계되고, 이때 제어기는 제2 온도 한계를 기준으로 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키도록 추가로 구성되고, 이에 의해, 하우징이 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제한다. 발화 보호형 스위치 디바이스는 버스 구조물 내에 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 추가로 포함할 수 있고, 이때 하우징은 스위치 콘택트를 포함하는 밀봉된 내부 인클로저를 포함하여, 이에 의해, 스위치 콘택트가 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제한다.
라인 측 단자 및 부하 측 단자는 각각, 열 사이클링 또는 진동을 거칠 때 케이블 단자가 시간 경과에 따라 느슨해지는 것을 방지하는 로킹 요소를 포함하는 안전 케이블 단자 조립체를 포함할 수 있고, 이에 의해, 단자 조립체가 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제한다. 안전 케이블 단자 조립체는 러그 단자를 포함할 수 있고, 로킹 요소는 스프링 요소일 수 있다. 러그 단자는 체결구를 포함할 수 있고, 여기서 스프링 요소는 케이블 종단부가 느슨해지는 것을 방지하기 위해 체결구에 작용한다. 스프링 요소는 박스 러그에 내부적으로 작용할 수 있다. 스프링 요소는 코일 스프링 또는 스프링 플레이트 중 하나일 수 있다. 안전 단자 조립체는 또한 레버를 포함할 수 있고, 이때 스프링 요소는 레버의 단부에 작용한다.
라인 측 단자 및 부하 측 단자는 케이블에 접속하는 플러그 또는 소켓 중 어느 하나일 수 있다. 플러그 또는 소켓은 호환불가능한 스위치 디바이스에 대한 거절 특징부를 제공할 수 있다. 제어기는 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜 발화 보호형 스위치 디바이스에 대한 핫 스왑 특징부에 영향을 주도록 추가로 구성될 수 있다.
발화 보호형 스위치 디바이스는 디스플레이를 포함할 수 있다. 발화 보호형 스위치 디바이스는 또한 토글 스위치를 포함할 수 있고, 이때 제어기는 토글 스위치에 응답하여 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키도록 추가로 구성된다. 발화 보호형 스위치 디바이스는 또한 능동 냉각 요소, 또는 수동 냉각 요소를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소에 병렬로 접속되는 배리스터. 제어기는 모터 스타터 및 과부하 제어부를 제공하도록 구성될 수 있다. 디바이스는 솔리드 스테이트 회로 차단기로서 구성될 수 있거나, 또는 하이브리드 회로 차단기로서 구성될 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)
- 발화 보호형 스위치 디바이스로서,
하우징;
상기 하우징에 커플링되는 라인 측 단자 및 부하 측 단자;
상기 하우징 내에 있고, 상기 부하 측 단자를 상기 라인 측 단자에 접속시키고 상기 부하 측 단자를 라인 측 단자로부터 분리하기 위해 아크프리 방식으로 동작가능한 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 포함하는 버스 구조물; 및
상기 버스 구조물에 대한 제1 동작 온도 한계를 기준으로 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키는 제어기를 포함하고, 이에 의해, 상기 동작 버스 구조물이 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제하며, 이에 의해, 상기 발화 보호형 스위치 디바이스는 별도로 제공된 방폭 인클로저를 요구하지 않고서 상기 위험 위치에서 사용하기 위한 순응성인, 발화 보호형 스위치 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 하우징은 제2 온도 한계 이하의 표면 온도에서 동작하도록 구성되고 설계되고, 상기 제어기는 상기 제2 온도 한계를 기준으로 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키도록 추가로 구성되고, 이에 의해, 상기 하우징이 상기 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제2항에 있어서, 상기 버스 구조물 내에 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 추가로 포함하고, 상기 하우징은 상기 스위치 콘택트를 포함하는 밀봉된 내부 인클로저를 포함하여, 이에 의해, 상기 스위치 콘택트가 상기 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 라인 측 단자 및 상기 부하 측 단자는 각각, 열 사이클링 또는 진동을 거칠 때 케이블 종단부가 시간 경과에 따라 느슨해지는 것을 방지하는 로킹 요소를 포함하는 안전 케이블 단자 조립체를 포함하고, 이에 의해, 상기 단자 조립체가 상기 위험 위치에서의 발화원인 것으로부터 배제하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제4항에 있어서, 상기 안전 케이블 단자 조립체는 러그 단자를 추가로 포함하고, 상기 로킹 요소는 스프링 요소인, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 러그 단자는 체결구를 추가로 포함하고, 상기 스프링 요소는 상기 케이블 종단부가 느슨해지는 것을 방지하기 위해 상기 체결구에 작용하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 스프링 요소는 박스 러그에 내부적으로 작용하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제6항에 있어서, 상기 스프링 요소는 코일 스프링 또는 스프링 플레이트 중 하나인, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 안전 단자 조립체는 레버를 추가로 포함하고, 상기 스프링 요소는 상기 레버의 단부에 작용하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 라인 측 단자 및 상기 부하 측 단자는 케이블에 접속하는 플러그 또는 소켓 중 어느 하나를 포함하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 플러그 또는 소켓은 호환불가능한 스위치 디바이스에 대한 거절 특징부를 제공하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제10항에 있어서, 상기 제어기는 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜 상기 발화 보호형 스위치 디바이스에 대한 핫 스왑(hot swap) 특징부에 영향을 주도록 추가로 구성되는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 디스플레이를 추가로 포함하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 토글 스위치를 추가로 포함하고, 상기 제어기는 상기 토글 스위치에 응답하여 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시키도록 추가로 구성되는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 능동 냉각 요소를 추가로 포함하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 수동 냉각 요소를 추가로 포함하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소에 병렬로 접속되는 배리스터를 추가로 포함하는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 모터 스타터 및 과부하 제어부를 제공하도록 추가로 구성되는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 솔리드 스테이트 회로 차단기로서 구성되는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
- 제1항에 있어서, 상기 디바이스는 하이브리드 회로 차단기로서 구성되는, 발화 보호형 스위치 디바이스.
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