KR20210108999A - 향상된 안전성 지능을 갖는 위험 위치 순응성 회로 보호 디바이스들, 시스템들, 및 방법들 - Google Patents
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- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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- H02H9/008—Intrinsically safe circuits
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Abstract
잠재적 폭발성 환경 조건들에 대한 발화 위험들을 제시하지 않고서 위험한 환경들에서 사용하기 위한 순응성 전기 회로 보호 디바이스들이 기술된다. 감지 특징부들 및 시스템들은 호환성에 대한 배선 한계들 및 사용자 선택 설정들을 평가할 수 있고, 느슨한 접속들 및 동작 파라미터들을 검출하여, 디바이스의 안전 동작을 보장하고 회로 보호 디바이스들뿐만 아니라 더 큰 전기 전력 시스템에 대한 우려 문제들을 지능적으로 진단 및 관리할 수 있다.
Description
본 발명의 분야는 대체적으로 회로 보호 디바이스들에 관한 것이며, 더 구체적으로는, 위험한 환경 내에서 동작 중인 전기 전력 시스템 내의 회로 보호 디바이스의 적절한 설치 및 사용의 향상된 안전성, 동작 안전성, 및 정비(servicing)를 보장하기 위해 지능형 피드백 제어들을 포함하는 위험 환경 순응성(hazardous environment compliant) 회로 보호 디바이스에 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 디바이스들의 분전반 설치의 블록도이며, 상이한 전기적 부하들에 각각 전력을 공급하기 위한 선택가능 설정 입력들을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 회로 보호 디바이스들에 대한 설정 호환성 및 페일-세이프(fail-safe) 측정들을 보장하는 예시적인 프로세스 알고리즘의 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 알고리즘에 대한 배선 한계를 결정하기 위한 검출 기법을 도시한다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스들을 포함하는 전기 전력 센서 피드백 시스템을 도시한다.
도 8은 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 9는 예시적인 하이브리드 구성의 도 8에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 도시한다.
도 12는 순응성 폭발 위치 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반을 도시한다.
도 13은 본 발명의 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들로 검출 및 관리될 수 있는 여러 가지 상이한 전기적 부하들의 전력 공급 전압 및 전류 파형 시그니처(signature)들의 예시적인 파형들을 도시한다.
도 14는 본 발명의 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들로 검출 및 관리될 수 있는 보호되는 부하 회로부에서의 예시적인 전류 시그니처 변화를 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 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스들의 분전반 설치의 블록도이며, 상이한 전기적 부하들에 각각 전력을 공급하기 위한 선택가능 설정 입력들을 도시한다.
도 5는 도 4에 도시된 회로 보호 디바이스들에 대한 설정 호환성 및 페일-세이프(fail-safe) 측정들을 보장하는 예시적인 프로세스 알고리즘의 흐름도이다.
도 6은 도 5에 도시된 알고리즘에 대한 배선 한계를 결정하기 위한 검출 기법을 도시한다.
도 7은 도 1 내지 도 3에 도시된 회로 보호 디바이스들을 포함하는 전기 전력 센서 피드백 시스템을 도시한다.
도 8은 본 발명의 제2 예시적인 실시예에 따른 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스의 사시도이다.
도 9는 예시적인 하이브리드 구성의 도 8에 도시된 회로 보호 디바이스의 간략화된 개략도이다.
도 10은 도 8 및 도 9에 도시된 회로 보호 디바이스의 블록도이다.
도 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 도시한다.
도 12는 순응성 폭발 위치 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반을 도시한다.
도 13은 본 발명의 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들로 검출 및 관리될 수 있는 여러 가지 상이한 전기적 부하들의 전력 공급 전압 및 전류 파형 시그니처(signature)들의 예시적인 파형들을 도시한다.
도 14는 본 발명의 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들의 예시적인 실시예들로 검출 및 관리될 수 있는 보호되는 부하 회로부에서의 예시적인 전류 시그니처 변화를 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 또는 2 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. 추가적으로, 방폭 인클로저는 주변 대기에 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 공지된 디바이스들은 통상적으로, 필요한 보호를 제공하기 위해, 개별 방폭 인클로저들 내에 위치되고, 이어서, NEC 디비전 1 또는 디비전 2 위치, 또는 IEC 구역 1 또는 구역 2 위치 내에 제공된 스위치들에 대한 개별 방폭 인클로저들 없이 단일의 큰 방폭 인클로저 내에 설치될 수 있는 환경적 인클로저 또는 스위치들의 시스템(즉, 분전반) 내에 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 구역 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, 그것은, 일부 경우들에 있어서, 방폭 인클로저들이 위험한 환경들에서 안전한 분리 기능을 여전히 제공하면서 NEC 디비전 1 또는 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 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 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, 전기적 아킹이 아닌 경우, 소정 동작 조건들 하에 단자들의 위치들에서 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 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, 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 제거에 의해, 본 명세서에 기술된 예시적인 회로 보호 디바이스들은 유익하게도, 비용을 감소시키고 전기 패널들, 제어 센터들 등 내의 귀중한 공간을 절약한다. 본 명세서에 기술된 예시적인 회로 보호 디바이스들은 또한, 유익하게도, 전기 전력 시스템의 더 효율적인 유지보수 및 관리감독(oversight)을 실현한다. 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 내의 도체들의 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, 디바이스 설치자들에 의한 호환불가능 설치 및 설정 선택을 검출하고, 디바이스에 대한 부적절한 또는 느슨한 전기 접속들을 검출하고, 디바이스를 통해 접속되는 직접 및 간접 라인 측 및 부하 측 회로부의 동작 조건들을 평가하는 솔리드 스테이트 회로 보호 디바이스의 지능형 제어부들을 통해 추가적인 안전성 향상들이 이루어진다. 지능형 제어부들은 페일-세이프 조치들을 채택할 수 있고, 디바이스의 실제 위치에서 안전한 동작을 보장하기 위해 디바이스에 대해 문제가 있는 전기적 조건들 및 그들의 위치들을 식별하기 위한 진단 능력 및 전기 전력 시스템의 실제 상태에 대한 더 많은 인식을 갖는 통지된 분리 기능을 구현할 수 있다.
제3 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 위험 위치에서의 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 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, 디바이스 설치자들에 의한 호환불가능 설치 및 설정 선택을 검출하고, 디바이스에 대한 부적절한 또는 느슨한 전기 접속들을 검출하고, 디바이스를 통해 접속되는 직접 및 간접 라인 측 및 부하 측 회로부의 동작 조건들을 평가하는 하이브리드 회로 보호 디바이스의 지능형 제어부들을 통해 추가적인 안전성 향상들이 이루어진다. 지능형 제어부들은 페일-세이프 조치들을 채택할 수 있고, 디바이스의 실제 위치에서 안전한 동작을 보장하기 위해 디바이스에 대해 문제가 있는 전기적 조건들 및 그들의 위치들을 식별하기 위한 진단 능력 및 전기 전력 시스템의 실제 상태에 대한 더 많은 인식을 갖는 통지된 분리 기능을 구현할 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 입력/출력 요소로서 기능하는 선택적인 디지털 디스플레이(116)를 포함한다. 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 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.
UL 1203은 하우징(102)에 대한 후보 재료의 임의의 조제가 NEC 디비전 1의 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 하우징(또는 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. 미리결정된 기간 동안 노출된 후에, 샘플들의 하우징 구조물이 손상되어 있지 않거나, 예를 들어 변색, 팽윤, 수축, 잔금, 균열, 침출, 또는 용해를 통해 열화의 징후들을 보이고 있음을 보장하기 위해 하우징 샘플들의 검사가 이루어진다. 이어서, 검사를 통과하는 하우징 샘플들은 압괴 테스트(crush test)를 거치고, 화학적 노출 전의 압괴 테스팅의 결과들과 비교된다. 화학적으로 테스트된 하우징 샘플들의 압괴하중력(crushing force)이, 화학적으로 테스트된 하우징 샘플들이 화학 노출 전에 테스트된 바와 같은 대응하는 압괴력의 적어도 85%를 견딤을 나타내는 경우, 하우징 샘플들은 UL 1203 순응성이다. 그러한 UL(1203) 순응성은 NEC 디비전 1 위치가 아닌 위치, 즉 NEC 디비전 2 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치들, 및 위험 영역들을 정의하는 적용가능한 표준들을 충족시키지 않는 위치들(즉, 비-위험 위치)을 포함하지만 반드시 이들로 제한되지는 않는 위치 내에서 디바이스(100)의 사용에 대해 선택적인 것으로 간주될 수 있다.
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 위험한 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(100) 내의 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.
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, 다른 사용자 인터페이스를 통해 디바이스(100)에 입력될 수 있거나, 또는 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, 디스플레이 상에 제시된 프롬프트들 및 정보와 관련하여 사용자에 의한 상호작용을 위해 디스플레이(116)와는 별개로 공급될 수 있다. 토글 스위치들과 같은 입력 선택자들은 또한, 직관적으로 사용자에 의해 수동으로 동작될 수 있는 수동 조작가능 온/오프 스위치들로서의 역할을 하도록 디스플레이(116)와는 별개로 제공될 수 있다. 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. 그러나, 디스플레이(116)는 소정 실시예들에서 선택적인 것으로 간주될 수 있고, 전혀 포함될 필요가 없다는 것이 인식된다.
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. 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 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 솔리드 스테이트 스위치 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 배리스터들의 고임피던스가 모든 전류가 IGBT들을 통해 흐르게 하지만, 과전압 조건들이 발생함에 따라, 배리스터들이 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. 배리스터들(144)은 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, 배열물들(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 위치에 또는 IEC 구역 1 또는 2 위치에 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 보호기 디바이스를 통상적으로 포함할 종래의 더 크고 개별적으로 제공된 방폭 인클로저들보다, 제공하기에 비교적 더 작고 더 경제적인 하우징에도 불구하고 위험 위치들에 대한 적용가능한 표준들에 순응하여 전체적으로 또는 부분적으로 방폭일 수 있다. 단자들을 위해 인클로저들을 한정하는 하우징들(102) 및 그의 부분들은 마찬가지로 진공 챔버들을 포함할 수 있거나, 또는 단자/케이블 계면들 또는 다른 가능한 발화원들에서의 전기 아킹을 감소시키거나 지연시킬 유전체 유체, 유전체 재료 또는 불활성 가스로 충전될 수 있다. 모래 충전재들, 아크 소화 충전재들, 또는 다른 알려진 봉지 기법들이 마찬가지로, 디바이스(100) 내의 가능한 아킹 우려들을 다루는 데 활용될 수 있다. 후술되는 디바이스 지능 및 페일-세이프 특징부들은 단자/케이블 계면의 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(146)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.
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 또는 2 위치에서, 디바이스들은 전형적으로, 방폭 인클로저가 아닌 인클로저에 의해 보호될 것이고, 따라서, 정전기 문제들 및 방전 이벤트들에 취약하지 않다. 이와 같이, 접지(146)에 대한 접속은 NEC 디비전 2 위치 또는 IEC 구역 1 또는 2 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. 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(163)를 통해 라인 측 전력을 수신한다. 전력 컨버터 회로부(163)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, 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 국부적으로 그리고 원격으로 아카이빙(archive)될 수 있다. 후술되는 바와 같이, 배선 크기 데이터 및/또는 전류세기(amperage) 한계 데이터는 NEC 디비전 1 또는 2 위치들에 또는 IEC 1 위치들에 있는 디바이스의 안전성을 개선하도록 통신될 수 있다. 전기 전력 시스템의 수동 또는 자동 모니터링 및 관리를 용이하게 하는 다른 회로 보호 디바이스들 및/또는 원격 디바이스들과의 통신을 통한 전기 전력 시스템 유지보수 또는 조정되는 회로 보호를 위해 디바이스(100)의 원격 작동이 또한 통신 요소(164)를 통해 가능하다.
예시적인 아키텍처가 디바이스(100)에 대해 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 상이한 전류 요건들을 갖는 상이한 전기적 부하들에 각각 전력을 공급하기 위한 디바이스들의 선택가능한 설정 입력 특징부들을 예시하는 회로 보호 디바이스들(100)의 블록도이다. 3개의 회로 보호 디바이스들(100A, 100B, 100C)이 라인 측 전력 공급부(132)와 각자의 제1 전기적 부하(170), 제2 전기적 부하(172), 및 제3 전기적 부하(174) 사이에 접속된 것으로 도시되어 있다. 각각의 회로 보호 디바이스(100A, 100B, 100C)는, 예를 들어, 부하들(170, 172, 174)이 안전하게 취급할 수 있는, 때때로 전류용량 한계(ampacity limit)로 지칭되는 최대 전류 한계를 정의할 수 있는 사용자 선택가능 설정 입력(176)을 포함한다.
고려되는 실시예들에서, 각각의 디바이스(100A, 100B, 100C)는 상이한 부하들을 정비하기 위해 50 A 내지 100 A 범위의 전류용량 한계로 동작할 수 있으며, 이때 사용자는 제공된 범위 내에서 유효 전류용량 한계를 선택한다. 이와 같이, 그리고 예를 들어, 대응하는 전기적 부하들에 60 A 전류용량 한계, 80 A 전류용량 한계, 및 100 A 전류용량 한계로 전력을 공급하는 각각의 디바이스(100A, 100B 및/또는 100C)는 60 A 전류용량 한계, 80 A 전류용량 한계, 및 100 A 전류용량 한계로 동작할 수 있다. 다양한 비제한적인 예들에서, 각각의 디바이스(100A, 100B, 및/또는 100C)에 대한 전류용량 한계 설정은 디스플레이(116)(도 1), 디바이스 상에 제공된 다른 입력 요소, 또는 디바이스들(100A, 100B, 및/또는 100C)과 통신하는 원격 프로세서 기반 디바이스(178)를 통해 사용자에 의해 입력된다. 또한, 각각의 디바이스(100A, 100B, 및/또는 100C)에 대한 전류용량 한계들의 범위, 또는 이용가능한 전류용량 한계는 트립 유닛(160)(도 3)의 제거 및 교체를 통해 변화 또는 변경될 수 있다.
따라서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은 상이한 회로 보호 요건들을 갖는 전기적 부하들을 보호하기 위해 상이한 전압들 및 전류들로 동작하는 상이한 전력 시스템들과 함께 사용될 수 있다. 각각의 전류용량 설정은 그에 따라서 스위칭 디바이스의 동작을 제어하기 위해 각각의 상이한 시간-전류 곡선 또는 시간-전류 프로파일에 대응하여, 디바이스들이 제공된 전류용량 설정들의 범위 내에서 상이한 응용물들에서 보편적으로 사용될 수 있게 한다. 따라서, 동일한 디바이스들(100A, 100B, 100C)을 사용하여 여러 가지 상이한 전력 시스템들 및 전기적 부하들에 대한 여러 가지 상이한 회로 보호 요구들을 충족시키기 위해 상당한 범용성이 제공된다. AC 전력 시스템들 및 DC 전력 시스템들이 회로 보호 관점에서 상이한 문제들을 제시하고, 또한 위험 위치 관점에서 상이한 열 문제들을 제시함에 따라, 디바이스들(100A, 100B, 100C)의 상이한 버전들이 AC 및 DC 시스템들에 대해 고려된다.
도 4의 예에서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은 분전반 상에 설치되고, 이와 같이, 각각의 디바이스는 분전반의 버스 구조물을 통해 정상 동작에서 주어진 전압 및 전류로 동작가능한 동일한 라인 측 회로(132)에 접속된다. 전기적 부하들(170, 172, 174)은 디바이스들(100A, 100B, 100C)에 의해 보호되어, 과도한 전류가 라인 측 전력 공급부 회로(132)의 이상 조건들에서 전기적 부하들로 흐르는 것을 방지한다. 유사한 회로 보호 요건들을 갖는 동일한 유형의 전기적 부하들에 대해, 동일한 전류용량 설정(예컨대, 100 A)이 전형적으로 디바이스들(100A, 100B, 100C) 각각에서 사용될 것이다.
분전반을 포함할 수 있거나 포함하지 않을 수 있는 다른 실시예들에서, 디바이스들(100A, 100B, 및/또는 100C) 중 하나 이상의 디바이스들이 대안적으로, 정상 동작에서 상이한 전압들 및 전류들로 동작가능한 상이한 라인 측 회로들에 접속될 수 있고, 따라서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은 각각 상이한 전류용량 설정들에서 동작할 수 있다. 그럼에도 불구하고, 디바이스들(100A, 100B, 100C)의 조정가능한 설정들은, 원하는 회로 보호를 여전히 효과적으로 제공하면서, 그들이 라인 측 및 부하 측 회로부에서의 일부 변동을 수용할 수 있게 한다.
그러나, 원하는 회로 보호를 실제로 달성하는 것은, 라인 측 및/또는 부하 측 접속들을 확립하는 데 활용되는 배선이 임의의 주어진 설치 시에 디바이스들(100A, 100B, 100C)의 사용자 선택 전류용량 설정과 호환가능한지 여부에 의존적이다. 예를 들어, 부하 측 접속들을 이루는 데 활용되는 배선 또는 케이블링이 50 A의 전류용량 한계를 갖는 경우, 100 A의 디바이스 설정은 그들이 발생해야 하는 경우에 케이블링의 전류용량 한계를 상당히 초과하는 전류들을 통과시킬 것이다. 이는, 케이블링이 발화 우려를 상승시킬수 있고/있거나 디바이스의 단자들 또는 다른 어딘가가 고장나고 그들에서 아킹을 발생시킬 수 있는 지점까지 과열될 수 있음을 의미한다. 따라서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)에 접속하는 배선의 대응하는 한계를 초과하는 디바이스에 대한 호환불가능한 설정의 의도하지 않은 사용자 입력을 검출하기 위해 세이프가드(safeguard)들이 다음에 설명된 바와 같이 제공된다.
도 5는 디바이스 한계 설정 및 배선 한계 호환성을 보장하고 제위치의 배선을 갖는 임의의 충돌 디바이스 설정과 관련하여 회로 보호 디바이스들(100A, 100B, 100C)(도 4)에 대한 페일-세이프 조치들을 지능적으로 구현함에 있어서 사용을 위해 예시적인 프로세스 알고리즘(200)의 예시적인 흐름도이다. 알고리즘(200)은 디바이스(100)의 프로세서(150)(도 3)에 의해 그리고/또는 각각의 디바이스의 프로세서(150)와 통신하는 원격 프로세서 기반 디바이스(178)(도 4)와 같은 원격 프로세서 기반 디바이스를 통해 구현될 수 있다. 알고리즘(200)은 각각의 디바이스(100A, 100B, 100C)의 특정 설치 위치들에서 디바이스별로 수행될 수 있다.
단계(202)에서, 디바이스 설정(예컨대, 전류용량 설정)은 디바이스들(100A, 100B, 100C) 중 하나의 디바이스에서 수신된다. 디바이스 설정은 전술된 또는 이와 다르게 본 기술분야에 알려져 있는 임의의 방식으로 사용자에 의해 입력될 수 있으며, 따라서, 입력이 이루어진 후에, 디바이스 설정은 후술되는 바와 같은 배선 호환성과의 평가를 위해 그것이 입력되었던 각자의 디바이스의 프로세서(150) 또는 원격 디바이스(178)에 의해 수신된다.
단계(204)에서, 디바이스 위치 및 디바이스를 전력 시스템에 접속시키는 데 사용되는 배선에 대한 배선 전류용량 한계가 또한 수용된다. 배선 전류용량 한계는 전형적으로, 라인 측 또는 부하 측 와이어들의 와이어 게이지에 관한 것이다. 와이어 게이지는 전류를 전도시키기 위해 와이어 직경 및 그의 단면적의 측정치를 반영하며, 이는 이어서, 특정된 지속기간에 걸쳐 와이어가 안전하게 전달할 수 있는 전류의 양뿐만 아니라 그의 전기 저항 및 중량과 관련된다. 따라서, 더 큰 직경을 갖는 와이어는 더 작은 직경을 갖는 와이어보다 더 많은 양의 전류를 전달할 수 있다. 와이어 길이 및 특정 설치에 고유한 다른 인자들이 또한 배선 한계에 영향을 줄 수 있고, 고려되어야 한다.
본 논의의 경우, 배선 전류용량 한계는 구조물 고장 지점까지 가열되기 전에 미리결정된 시간 동안 배선이 견딜 수 있는 최대 또는 피크 전류 부하를 나타낸다. 임의의 특정 와이어에 대한 배선 전류용량 한계는 이론적으로 또는 경험적으로 결정될 수 있고, 대부분의 경우들에 있어서, 와이어 게이지로부터 추론될 수 있다. 배선 전류용량 한계는 새로운 전기 전력 시스템의 초기 설계 및 구성에서 특정될 수 있고, 디바이스들(100)에 입력될 수 있는데, 이는 전기 전력 시스템이 초기에 배선되고 디바이스들에 의해 완료되기 때문이다. 마찬가지로, 배선 전류용량 한계는 건설 청사진들 또는 다른 기록들로부터 알려져서 정해질 수 있고, 그에 따라 디바이스(100)에 입력될 수 있다.
소정의 고려되는 실시예들에서, 배선 전류용량 한계들은 사용자가 원하는 전류세기 설정들 중 하나의 전류세기 설정을 선택할 수 있게 하기 전에 디바이스들(100)에 의해 요구되는 초기 사용자 입력 파라미터들일 수 있다. 예를 들어, 접속들이 디바이스들(100)에 대해 이루어짐에 따라 사용자에게는 와이어 재료(예컨대, 구리 또는 알루미늄) 및 전류용량 한계를 식별할 것이 로컬 또는 원격 사용자 인터페이스를 통해 촉구될 수 있다. 디바이스들(100)은 또한, 원하는 디바이스 입력들을 제조하기 위한 사용자에 의한 참조를 위해, 또는 나중에, 적용가능한 배선 한계들보다 높은 디바이스 전류용량 설정들이 선택될 수 없음을 보장하기 위한 디바이스에 의한 참조를 위해 내장형 NEC 와이어 전류용량 차트(즉, 디바이스의 메모리에 저장된 전류용량 차트)를 가질 수 있다.
배선이 노출되는 경우들에 있어서, 배선 전류용량 한계는 그의 검사를 통해 알려질 수 있고, 디바이스(100)를 통해 제공되는 재료, 차트, 또는 다른 정보를 참조하지 않고서 사용자에 의해 디바이스(100)에 입력될 수 있다. 또 다른 경우들에 있어서, 배선 전류용량 한계는 알려져 있지 않거나 용이하게 결정될 수 있고, 이와 같이, 단계(204)는 선택적일 수 있고 수행될 필요가 없을 수 있다.
단계(206)에서, 배선 전류용량 한계는 또한, 후술되는 감지, 추론 및 계산 기법들을 통해 결정될 수 있다. 단계(206)에서의 결정은 라인 측 단자 및 부하 측 단자 각각에서의 배선 전류용량 한계를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 라인 및 부하 측 접속들을 평가함에 있어서, 위험 위치에 있는 디바이스(100)의 동작에 중요한 소정의 문제들이 검출될 수 있다. 구체적으로, 전기 전력 시스템의 설치에서 의도적이든 또는 의도하지 않든, 라인 측 배선 및 부하 측 배선에 대한 배선 한계들의 임의의 차이들이 고려되어야 하며, 위험 위치에서 발화 위험들을 피하기 위해 더 낮은 한계가 사용되어야 한다.
예를 들어, 부하 측 배선이 라인 측 배선보다 더 큰 전류용량 한계를 갖는 것으로 밝혀지는 경우, 디바이스(100)의 설정들은 부하 측 배선의 더 큰 한계가 아니라 라인 측 배선의 더 작은 한계에 따라 평가되어야 한다. 예를 들어, 라인 측 배선이 50 A의 한계를 갖고 부하 측 배선이 100 A의 한계를 갖는 경우, 100 A의 디바이스 설정은 전류 흐름이 50 A 한계 초과의 레벨들로 통과할 수 있게 할 것인데, 50 A 한계는 부하 측 배선에 대해서는 문제가 되지 않지만, 위험함 환경에서 회피되어야 하는 라인 측 배선에 대해서는 과열 위험 및 연관된 발화 위험을 제기한다. 이러한 시나리오에서, 디바이스(100)는 단지 50 A 설정에서만 동작되어야 한다.
마찬가지로, 부하 측 배선이 50 A의 한계를 갖고 라인 측 배선이 100 A의 한계를 갖는 경우, 100 A의 디바이스 설정은 전류 흐름이 50 A 한계 초과의 레벨들로 통과할 수 있게 할 것인데, 50 A 한계는 라인 측 배선에는 문제가 되지 않지만, 위험한 환경에서 회피되어야 하는 부하 측 배선에 대해서는 발화 위험을 제기한다. 라인 측 및 부하 측 배선이 많은 응용물들에서 동일한 전류용량 한계를 가질 것으로 예상될 수 있지만, 이는 단계(206)에서 확인될 수 있고, 라인 측 배선 및 부하 측 배선이 상이한 배선 한계들을 갖는 경우들에 있어서 허위 가정들을 회피시킬 수 있다.
또한, 배선 전류용량 한계가 온도에 의해 영향을 받을 수 있기 때문에, 단계(208)에서 온도 입력은 디바이스(100) 내의 온도 센서들 중 하나 이상의 온도 센서들로부터, 그리고/또는 디바이스(100) 외부의 다른 온도 센서로부터 수신될 수 있다. 이와 같이, 주변 온도들이 각각의 디바이스들(100)의 위치에서 상승될 때, 단계들(204, 206)로부터의 결정 또는 허용되는 배선 전류용량 한계들에 대해 조정들이 이루어질 수 있다. 구체적으로, 주변 온도들이 상승함에 따라, 배선 한계들은 주변 환경의 열 효과로서 하향 조정되어야 하고, 전류로부터의 가열 효과는 배선 내에서 누적된다. 이로 인해, 임의의 주어진 와이어의 경우, 배선 전류용량 한계는 실제로, 주변 환경이 더운지 아니면 추운지에 따라 다양한 전류 레벨들로 도달될 수 있다. 예를 들어, 온도 조절 전의 전류용량 한계가 100 A인 배선은 온도 조절 후의 전류용량 한계가 80 A일 수 있다. 이는 상승된 주변 온도 조건들에서 동작하는 동안 100 A로 설정된 디바이스(100)가 부하 측 배선으로 80 A 내지 100 A의 전류들을 여전히 통과시킬 수 있음을 의미하는데, 이는, 설정 한계 아래에 있는 동안, 그럼에도 불구하고, 와이어의 과열을 야기할 수 있고 위험 위치에서 발화 우려를 제기할 수 있다.
단계(208)에서의 온도 입력이 단계(206)에서의 결정된 배선 한계에 대한 미리결정된 임계치를 초과할 때, 프로세서는 단계(210)에서 담당 요원들 또는 다른 프로세서 기반 디바이스들에게로의 통지 또는 경보를 생성하여, 보정 액션들 또는 개입이 적절하게 착수되게 할 수 있다. 통지 또는 경보는, 상류 회로 차단기들 및 스위치들이 (국부적으로 또는 원격으로 뿐만 아니라 수동으로 또는 자동으로) 작동되게 하여 누적 가열 효과들로 인한 배선의 추가 가열을 회피시킬 수 있는 잠재적으로 위험한 동작 조건의 관련 데이터 및 설명을 포함할 수 있다. 단계(210)에서 생성된 통지 또는 경보는, 배선 전류용량 한계가 임의의 특정 문제를 제기함을 또는 임의의 과전류 조건이 존재함을 나타낼 필요가 없지만, 대신에, 배선의 과열 및 발화의 증가된 위험을 제시하는 과도한 열을 생성하는 외부 소스의 플래깅된 표시자로서 간주될 수 있고, 따라서, 전기 전력 시스템을 사전대책으로 셧다운시키기 위한 기반을 제공할 수 있다. 상승은, 주변 온도들이 계속해서 상승하거나 미리결정된 시간 프레임 내에 감소하지 않는다면, 가능한 경우에 통지 또는 경보한다. 선택적으로, 제어 피드백 루프는, 온도가 허용가능한 범위로 감소될 때까지 디바이스(100)를 통해 흐르는 전류를 감소 또는 제한하도록, 또는 대안적으로, 소정 온도 임계치가 충족되는 경우에 디바이스(100)를 통한 모든 전류 흐름을 분리 및 배제하도록 구현될 수 있다.
단계(212)에서, 결정된 배선 한계는, 예를 들어 유선 또는 무선 통신을 통해 다른 인근 디바이스(100)로부터 또는 유선 또는 무선 통신에 의해 원격 디바이스(178)로부터 수신된다. 단계(214)에서, 단계(206)로부터의 결정된 배선 한계는 단계(212)에서 인근 디바이스로부터의 결정된 배선 한계와 비교된다. 비교는 단계(216)에서 에러가 존재하는지 여부를 결정하기 위한 기반을 제공한다. 비교된 한계들이 매칭되거나 합리적으로 일관되는 경우, 어떠한 에러도 제시되지 않고, 단계(218)에서, 단계(214)로부터 결정된 배선 한계가 확인될 수 있다. 단계(216)에서, 비교된 한계들이 발산 또는 충돌하는 경우, 에러 조건이 제시되고, 단계(220)에서, 가능한 에러들을 조사하기 위한 적절한 단계들이 취해질 수 있도록 통지 또는 경보가 제시된다. 단계들(212 내지 218)은, 유사한 부하들이 유사한 배선에 접속되는 것으로 알려진 분전반 설치에서 가장 실용적일 수 있으며, 이는 디바이스들이 서로에 대한 비교에 의해 확인할 수 있다. 단계들(212 내지 218)이 결정적이지 않을 수 있고, 이에 의해, 인근 디바이스들(100)이 존재하지 않는 경우, 또는 유사한 부하들 및 배선이 존재하지 않는 경우들에 있어서, 단계들(212 내지 218)은 선택적인 것으로 간주될 수 있고, 생략될 수 있다.
단계(222)에서, 단계(202)에서의 사용자로부터 수신된 설정은 (적용가능하다면) 단계(204)에서의 허용되는 설정, 및 단계들(206 또는 218)의 결정된 또는 확인된 배선 한계들과 비교되는데, 이는 단계(208)에서의 온도에 대한 임의의 필요한 조절들을 포함한다. 다수의 및 상이한 데이터 포인트들은 기능부전 디바이스들 또는 달리 사용자에게 명백하지 않을 다른 문제들을 식별하기 위한 상태 체크 능력 및 시스템 리던던시를 제공한다.
단계(224)에서, 단계(206)에서의 사용자로부터 수신된 전류용량 설정이 단계들(204, 206, 218)의 전술된 입력들에 의해 통지되는 바와 같은 배선 한계를 초과하는지 여부에 대해 결정이 이루어진다. 수신된 사용자 설정에 의해 배선 전류용량 한계가 초과되지 않는 경우, 설정은 디바이스(100)에 의한 사용을 위한 유효하고 안전한 선택으로서 수용된다. 단계(228)에서, 수용된 설정은 다른 디바이스들(100) 및/또는 원격 디바이스(178)로 통신된다.
다른 디바이스들과 통신되는 수용된 설정은 다른 디바이스들의 설정들에 대한 에러 조건들 또는 불일치들을 비교 및 결정하기 위한 다른 기반일 수 있다. 예를 들어, 24개의 디바이스들을 포함하는 분전반 설치에서, 디바이스들(100) 중 23개의 디바이스들이 60 A로 설정되는 경우, 제24 디바이스(100)에 대한 50 A의 수신된 설정은, 그것이 배선 한계를 초과하지 않는 경우에도, 가능하게는 부정확한 것으로 플래깅될 수 있다. 너무 낮은 수신된 설정은, 실제로 회로 보호 관점에서 문제가 되지 않는 전류 조건들에 대해 과민한 것에 의해 디바이스(100)의 방해(nuisance) 동작을 초래할 수 있다. 마찬가지로, 24개의 디바이스들을 포함하는 분전반 설치에서, 디바이스들(100) 중 23개의 디바이스들이 60 A로 설정되는 경우, 70 A 한계가 배선 한계를 초과하지 않는 경우에도, 70 A의 마지막 디바이스에 대한 수신된 설정은 가능하게는 부정확한 것으로 플래깅될 수 있다. 너무 높은 수신된 설정은 디바이스(100)가 특정 부하의 요구들을 충족시키기 위해 전류 조건들에 충분히 민감하지 않게 할 수 있다.
단계(230)에서, 단계(226)에서 수용되는 단계(206)에서의 사용자로부터의 수신된 설정은, 대응하는 시간-전류 곡선 또는 시간-전류 프로파일을 선택하고, 선택된 설정에 따라 원하는 회로 보호를 구현하도록 스위칭 요소들을 그에 따라 동작시키는 데 사용된다. 상기의 평가에 의해, 사용자로부터의 수신된 설정은, 처리하기 위한 배선의 능력을 초과하는 사용자 설정으로 인해 배선이 과열되지 않을 것이고 가능한 발화원을 제공하지 않을 것이라는 보증 하에 안전하게 적용될 수 있다.
단계(224)에서, 단계(206)에서의 사용자로부터 수신된 설정이 배선 전류용량 한계를 초과하는 경우, 수신된 설정은 단계(232)에서 거절된다. 사용자는 단계(234)에서 다른 설정을 선택할 것이 촉구될 수 있고, 알고리즘은 다음으로 수신된 설정을 평가하기 위해 단계(202)로 복귀한다. 이와 같이, 디바이스(100)는 제위치의 배선과 호환가능한 설정이 수신되지 않는 한 사용될 수 없다. 배선과 호환불가능한 디바이스 설정들이 수용되지 않을 것이고, 위험 위치들에서의 사용을 위해 발화의 연관된 위험들이 회피된다.
단계들(232, 234)에 대한 대안으로서, 단계(206)에서의 사용자로부터 수신된 설정이 단계(224)에서의 배선 전류용량 한계를 초과하는 경우, 디바이스(100)는 단계(236)에서 페일-세이프 모드에 진입할 수 있다. 페일-세이프 모드에서, 디바이스(100)는 단계(238)에서, 배선 한계를 초과하지 않는 가장 가까운 설정으로 제어된다. 즉, 100 A 설정은 배선 한계 문제들로 인해 디바이스(100)의 프로세서(150) 또는 원격 디바이스(178)에 의해 80 A 설정으로 자동으로 변화될 수 있고, 단계(328)에서, 스위칭 요소들을 동작시켜서 이에 따라, 배선 한계를 초과하지 않는 회로 보호의 페일-세이프 모드를 구현하기 위해 대응하는 시간-전류 곡선 또는 시간-전류 프로파일이 선택된다. 단계(240)에서, 달리 제시될 수 있는 임의의 발화들을 회피시키기 위해, 적용가능한 배선 한계를 고려하여, 수신된 설정(예컨대, 100 A)이 다른 설정(예컨대, 80 A)으로 재설정되었다는 통지 또는 경보가 이루어진다. 디바이스(100)는, 사용자 입력 및 관련 프롬프트들의 거절이 디바이스를 설정하려고 시도하는 소정 사용자들을 혼란시키거나 좌절시킬 수 있는 다른 설정 선택을 이루게 하지 않으면서, 본질적으로 이들 태양들에서 극히 간단하다.
그러한 페일-세이프 동작 모드는 또한, 프로세서(150) 또는 원격 디바이스(178)에 의해 주변 온도 입력들 및 다른 고려사항들에 응답하여 사전대책으로 착수될 수 있다. 예를 들어, 알고리즘에서 이전에 검증되었던 100 A 설정은 주변 온도가 제1 미리결정된 임계치로 상승하는 경우에 80 A 설정으로 재설정될 수 있고, 조건들이 주변 환경 내에서 변화함에 따라 주변 온도가 발화 위험들을 관리하기 위해 제2 미리결정된 임계치로 상승하는 경우에 60 A 설정으로 다시 재설정된다. 설정들이 재설정됨에 따라, 전기 전력 시스템을 제어하는 다른 회로 보호기들 및 디바이스들을 사용하여 사용자 피드백을 위한 그리고 조정된 시스템 제어를 위한 통지들 및 경보들이 생성될 수 있다.
도 6은 알고리즘(200)(도 5)에 대한 배선 한계를 결정하기 위한 검출 기법을 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 단자 조립체(250)는 러그 단자(252) 및 나사와 같은 도체 체결구(254)를 포함한다. 러그 단자(252)는 케이블 재킷(260) 내에 포함된 단일 또는 다중-가닥 도체(258)를 위한 도체 통로(256)를 한정한다. 나사산이 있는 애퍼처(262)가 러그 단자(252)의 상부 면 상에 형성된다. 체결구(254)는, 예시적인 실시예에서, 도체 통로(256)를 향해 그리고 그로부터 멀어지게 전진하도록 구성된 나사이다. 도체(258)가 도체 통로(256) 내로 연장된 후에, 체결구(254)는 도체(258)와 단자 러그(252) 사이에 원하는 접촉력 및 안전한 전기 접속을 보장하기에 충분한 조임력(clamping force)으로 도체(258)와 물리적으로 접촉하고 맞물리도록 전진된다.
도체(258)의 전류용량 한계를 검출하는 한 가지 방법은 단자 러그(252) 및 도체(258)에 대한 도체 체결구(254)의 포지션을 검출하는 것이다. 도체에 맞물릴 때 체결구(254)의 포지션은 전기 도체(258)의 크기(예컨대, 직경)의 함수이다. 체결구 나사산의 각각의 회전은 케이블 도체(258)를 향해 알려진 거리만큼 체결구(254)를 전진시킨다. 체결구(254)의 나사산이 있는 몸체(shank)가 이동할 수 있는 도체 통로(256)의 전체 치수(도 6의 평면에서의 수직 치수)는 단자 러그(252)에서 고정되고, 따라서, 체결구 몸체가 도체 통로(256) 내로 연장되는 거리가 알려진 경우, 케이블 도체(258)의 치수는 전체 치수로부터 체결구 몸체가 연장되는 거리를 감산함으로써 계산될 수 있다. 이어서, 케이블 도체(258)의 치수는 알려진 와이어 게이지들의 대응하는 치수들과 비교될 수 있다.
일 실시예에서, 러그 단자(252) 내에 도체 체결구(254)의 맞물림 포지션을 검출하고 도체 체결구(254)의 검출된 포지션에 대응하는 신호를 생성하기 위한 포지션 센서(264)가 디바이스(100)의 프로세서(150)로 또는 원격 디바이스(178)(도 4)와 같은 다른 디바이스로 제공된다. 체결구의 맞물림 포지션은, 예를 들어 알려진 시작 포지션으로부터 그의 맞물림 포지션까지 체결구(254)의 턴(turn)들의 수를 검출함으로써 기계적으로 또는 전기적으로 검출될 수 있다. 맞물림 포지션은 또한, 체결구에 의해 점유된 도체 통로(256)의 부분을 결정하기 위해 그것이 맞물린 후에 기계적으로 또는 전기적으로 검출될 수 있다. 마찬가지로, 언급된 케이블 도체는, 일부 경우들에 있어서, 케이블 도체(256)가 삽입되기 전에 그리고 그 후에 도체 통로(256)의 비교 검출 및 분석을 통해 직접 검출될 수 있다.
프로세서(150)는 검출된 체결구 턴들로부터, 체결구의 맞물림 포지션으로부터, 또는 케이블 도체(258)의 검출된 치수로부터 도체 직경을 계산하거나 추론할 수 있고, 그들 각각을 알려진 와이어 게이지의 가장 가까운 속성과 상관시킬 수 있다. 이어서, 룩업 테이블 또는 다른 데이터베이스가 가장 가까운 매칭 와이어 게이지에 대한 적용가능한 배선 전류용량 한계(와이어 유형, 온도 정격, 재료 등)를 취출하도록 참조될 수 있다. 일부 고려되는 예들에서, 전도성 재료(예컨대, 구리)가 케이블/배선에서 이루어지는 접속들에 대해 가정될 수 있다. 그러나, 상이한 도체 재료들(예컨대, 알루미늄)을 갖는 와이어들 또는 케이블들이 존재할 수 있는 이벤트에서, 추가적인 룩업 테이블들 및 입력들 또는 결정들이 구현될 수 있다. 배선 이어짐(예컨대, 길이)이 알려져 있거나 양 단부들에서 감지된 접속들로부터의 전압 강하를 통해 계산될 수 있는 일부 경우들에 있어서, 배선 성능을 개선하기 위해 시스템에 의해 배선 확대 권고들이 이루어질 수 있다.
소정 실시예들에서, 체결구 포지션을 검출하는 것은 또한, 초기에, 또는 위험 위치에서 진동 또는 열 사이클링으로 인해 그것이 느슨해지는 이벤트에서 시간 경과에 따라 체결구(254)의 포지션 변화로 인해, 느슨한 단자 접속들을 검출할 수 있다. 예를 들어 각각의 와이어 게이지에 대한 최적의 조임력 및 접촉력을 달성하는 체결구(254)의 기준 포지션을 경험적으로 또는 이론적으로 결정하고, 검출된 포지션을 기준 포지션과 비교함으로써 초기의 느슨한 접속이 검출될 수 있다. 피드백은 디바이스 디스플레이(116)(도 1) 상에서, 또는 적절한 접속들이 확립됨을 보장하기 위한 다른 수단에 의해 사용자에게 제공될 수 있다. 체결구(254)의 느슨해짐은 마찬가지로, 검출된 체결구 포지션을 주기적으로 검사하고 기준 포지션과 비교함으로써 결정될 수 있다. 느슨한 접속들은, 그들이 저항을 증가시키고 단자에서 열을 발생시켜서 가능한 발화 우려들을 제기하기 때문에 회피되어야 한다. 일부 경우들에 있어서, 디바이스(100)는 디바이스의 각각의 단자들에서의 저항의 검출된 증가를 통해 느슨한 접속들을 검출할 수 있다. 바람직하게는 또는 필요한 대로, 디바이스(100) 내의 스위칭 요소들은 느슨한 단자 접속들이 보정될 수 있을 때까지 전류를 제한하도록 동작될 수 있다.
소정 실시예들에서, 체결구들을 포함하는 단자들은, 체결구에 대한 와이어의 포지션(또는 그 역도 성립함)의 일관적인 평가를 용이하게 하는, 사용자에 의한 또는 디바이스(100)에 의한 참조를 위한 포지티브 표시 특징부를 포함할 수 있다.
일부 경우들에 있어서, 단자 러그들은, 체결구 포지션으로부터 와이어 게이지를 추론하려고 시도할 때 고려되어야 하는, 와이어들이 삽입될 상이한 위치들을 포함할 수 있는데, 이는 상이한 위치들에 삽입된 와이어들이, 체결구가 조여질 때 상이한 포지션들에서 끝나게 될 수 있기 때문이다. 그러한 다양한 가능성들을 수용하기 위해, 사용자는 일부 경우들에 있어서 (미리결정된 시작 포지션으로부터 시작하는) 체결구의 턴들의 수를 입력할 수 있거나, 또는 와이어 게이지 및 대응하는 배선 한계들의 검출을 용이하게 하기 위해 러그 내의 어느 특정 위치에 와이어가 삽입되고 있는지를 입력할 수 있다.
추가의 그리고/또는 대안적인 실시예들에서, 상이한 와이어 유형들(예컨대, 솔리드 와이어 대 연선 와이어)에 관한 추가 입력들이, 상이한 와이어 유형들을 고려하여 배선 한계들을 일관되게 결정하기 위해 알고리즘에서 적절한 보상으로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 센서들 등이 디바이스(100)에 포함되어, 디바이스 제어부들이 배선 및 단자 변동들을 자동으로 검출하고 구별할 수 있게 할 수 있다.
규정된 허용가능한 와이어 유형이 다른 가능성들을 배제하는 실시예들에서, 전술된 바와 같은 배선 유형 및 속성들의 상세한 사용자 입력들 없이 간략화된 알고리즘이 가능하다.
다른 추가 실시예들에서, 디바이스들(100)은 서로 통신할 수 있고, 예를 들어 와이어 유형, 길이 등의 입력들을 갖는 각자의 디바이스들 사이의 유선 접속들에서의 저항을 비교할 수 있다. 동작 온도와 관련된 결정한 저항이 허용가능한 범위 내에 있는 경우, 전기 시스템의 안전한 동작이 확인될 수 있다. 그러나, 결정된 저항이 미리결정된 임계치를 초과하는 경우, 상기에서 논의된 것들을 포함하는 응답으로 적절한 조치들 및 액션들이 취해질 수 있다.
배선 전류용량 한계들을 결정하기 위한 예시적인 기법들이 기술되지만, 디바이스들 및 시스템들의 추가의 그리고/또는 대안적인 실시예들에서는 다른 기법들이 가능하다.
도 7은 회로 보호기들(100A, 100B, 100C, 100D), 원격 디바이스(178)(도 4에 또한 도시됨), 및 디바이스들 외부에 있는 전력 시스템 피드백 센서들(180)을 포함하는 전기 전력 센서 피드백 시스템을 도시한다. 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)은 각각 서로와, 원격 디바이스(178)와, 그리고 직접적으로 또는 간접적으로 전력 시스템 피드백 센서들(180)과 통신하며, 다루어지지 않는 경우에 발화 위험들을 제공할 수 있는 조건들의 검출 및 제어를 추가로 허용할 수 있는 확장된 센서 시스템 또는 네트워크를 제공한다.
각각의 디바이스(100A, 100B, 100C, 100D)는 전술된 바와 같은 전력 시스템에서의 특정 설치 지점들에 관한 정교한 감지 및 평가 능력들을 포함하는 지능형 디바이스이다. 전력 시스템 피드백 센서들(180)과 조합하여, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)의 지능은, 그들이 접속되는 더 큰 전기 전력 시스템에 관하여 추가로 향상되어, 시스템 조작자들에게 실질적인 이익을 갖는 다른 추가 기능을 전하고, 위험한 환경들에서의 동작 안전성을 심지어 추가로 향상시킬 수 있다.
예를 들어, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)은 원격 디바이스 또는 개별 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 자체에 의해 분석될 수 있는 피드백 루프들을 서로에게 그리고 전력 시스템 피드백 센서들(180)에게 제공하여, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및 연관된 배선뿐만 아니라 전력 시스템 내의 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 이외의 디바이스들의 표면 온도들을 능동적으로 관리하면서 동작 중인 전력 시스템을 더 효과적으로 조절한다.
예를 들어, 전력 시스템 피드백 센서들(180)은 주변 환경에 대한, 그리고 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)이 존재하는 곳 이외의 위치들에 있는 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 이외의 컴포넌트들의 동작 온도들에 대한 온도 센서들을 포함할 수 있다. 전력 시스템 피드백 센서들(180)로부터의 검출된 온도들은 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)에 의해 검출된 온도들과 비교될 수 있고, 또한 미리결정된 기준과 비교될 수 있다. 상태 검사들 및 에러 조건들이 검출될 수 있고, 통지들 및 경보들이 발생될 수 있다. 전력 시스템에서 서로로부터 상류 및 하류의 디바이스들은 검출된 온도들을 통신 및 비교할 수 있고, 검출된 조건들에 응답하여 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 스위치들 및 사전대책 회로 보호기들을 동작시키기 위해 사전대책 단계들이 취해질 수 있다. 예를 들어, 하류에서 검출된 높은 주변 온도들은, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)에 의해 과도한 주변 온도들이 검출되지 않았다 하더라도, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 중 하나 이상의 디바이스들이 전류를 하류 디바이스들로 제한하게 할 수 있다. 마찬가지로, 원격 디바이스(178)는 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 이외의 디바이스들을 동작시켜, 그들 디바이스들의 위치들에서 검출되지 않았을 수 있는 문제들을 완화시킬 수 있다.
다른 예에서, 상류 또는 하류에서의 회로 보호기들의 트립핑은 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)의 위치들에서 검출되지 않았던 전기적 문제들(과도한 과부하들 또는 단락 회로 조건들)을 나타낼 수 있지만, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D)의 동작을 통해 완화되어 전류를 특정 위치들로 제한할 수 있다. 제공되고 이용가능해진 집합적 피드백 데이터는 전력 시스템의 문제들 및 그들 문제들의 소스들을 특정 위치별로 진단하도록 활용될 수 있다. 서로 매우 근접해 있는 디바이스들에 대한 온도 데이터의 비교는 주변 온도 차이들 또는 실제 동작 전류 조건들에 의해 설명되지 않는 비교적 더 높은 온도들에서 동작하는 느슨한 단자 접속들을 드러낼 수 있다.
디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및/또는 전력 시스템 피드백 센서들(180) 내의 다른 디바이스들은 각각의 디바이스의 단자들에서의 열 시그니처들을 결정하기 위한 적외선 감지를 구현하여, 진단될 필요가 있는 전력 시스템 문제들에 대한 실마리들 또는 전력 시스템의 적절한 동작의 확인을 제공할 수 있다. 그러한 문제들은 증가된 저항 및 증가된 동작 온도들을 야기하는 느슨한 접속들을 포함할 수 있다. 비교를 위한 미리결정된 기준선들이 저장될 수 있고, 느슨한 단자 접속들, 오버사이즈 또는 언더사이즈 배선, 과부하 조건들 등을 검출하는 데 활용될 수 있다.
디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및/또는 전력 시스템 피드백 센서들(180) 내의 다른 디바이스들은 또한, AFCI(arc-fault circuit interrupter) 컴포넌트들 또는 GFCI(ground fault circuit interrupter) 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 아크 시그니처들이 검출될 수 있고/있거나, 그러한 컴포넌트들의 동작은 전력 시스템 동작, 문제 지점들의 진단, 및/또는 시스템 내의 특정 위치들에서의 회로 보호기들의 트립핑 이벤트들에 대한 설명을 용이하게 할 수 있다. 아킹이 느슨한 단자 접속에 의해 야기될 수 있는 결과로, 그러한 컴포넌트들은 향상된 회로 보호, 및 발화 우려들을 제공하기에 충분한 레벨들 아래의 레벨들로의 아킹의 억압 또는 회피를 제공하면서 그들을 검출 및 식별할 수 있다.
조합하여, 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및/또는 전력 시스템 피드백 센서들(180) 내의 다른 디바이스들에 의한 다양한 파라미터들의 검출 및 감지는, 달리 존재할 수 있는 불명료성들을 해결하거나 문제들을 효율적으로 진단하기 위해 시스템 리던던시를 제공한다.
예를 들어, 다른 유사하게 위치된 단자들과 비교할 때 예상되는 것보다 더 고온인, 작동 중인 단자는 위에 언급된 바와 같이 느슨한 접속을 나타낼 수 있다. 단자 체결구 포지션 검출은, 접속이 실제로 느슨한지 여부를 포지티브로 또는 네거티브로 확인할 수 있고, 따라서, 느슨한 단자들을 식별함에 있어서 위양성(false positive)들을 제거할 수 있다. 단자가 느슨하지 않고 고온으로 작동 중인 경우, 전압 및 전류 센서들은 과전류가 단자 온도를 설명하는지의 여부를 포지티브로 또는 네거티브로 확인할 수 있다. 과전류가 존재하지 않는 경우, 호환불가능한 디바이스 설정 때문에 단자 온도가 상승될 수 있는데, 이는 상기에서 설명된 바와 같이 평가될 수 있다. 디바이스 설정이 호환불가능하지 않은 경우, 배선 전류용량 한계에 에러가 있을 수 있으며, 이는 다른 디바이스들의 전압 및 전류 판독치들에 의해 확인될 수 있다. 그러한 분석은 결론이 내려질 때까지 반복적으로 진행될 수 있으며, 시스템이 결론에 도달할 수 없는 경우, 그것은 가능한 진단들을 용인하거나 배제하기 위해 검사되었던 데이터를 포함하는 통지 또는 경보를 전송할 수 있다.
분석 및 진단들은 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및 원격 디바이스(178)의 동작에 대한 귀중한 통찰을 제공하고/하거나, 고장수리 및 진단 목적들을 위해 시간 경과에 따른 전력 시스템의 동작에 대한 통찰을 제공하기 위해 보고되고 아카이빙될 수 있다. 디바이스들(100A, 100B, 100C, 100D) 및/또는 센서들과 통신하는 원격 디바이스(178)는 추가적으로, 모든 가능성들을 철저히 고려할 필요 없이 동작 조건들을 정확하게 추론하기 위해 시스템이 더 효율적이고 신뢰성이 있게 하기 위해, 이벤트들이 진단될 때 시간 경과에 따라 자가-학습될 수 있다.
디바이스들(100A, 100B, 100C)은 또한, 개별적으로 그리고 조합하여, 상 대 상(phase to phase) 또는 상 대 지(phase to ground) 단락들과 같은 것들을 감지할 수 있다. 예를 들어, 유지보수자가 상 대 지 또는 상 대 다른 상으로 단락시키는 방식으로 서비스 이벤트 뒤에 스크류드라이버를 남겼다면, 디바이스(100) 내의 센서들 및 지능은 그러한 조건을 검출할 수 있고, 디바이스의 여자(energization) 및 임의의 생성된 아킹 이벤트를 방지할 수 있다.
다른 태양에서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)에서의 지능형 감지는 개별적으로 그리고 조합하여, 전력 시스템에서의 상 손실 또는 상 불균형뿐만 아니라 디바이스들의 접속 시의 사람 에러를 식별할 수 있다. 예를 들어, 3-폴 디바이스가 전력 시스템의 단지 2개의 폴들에만 설치되는 경우, 디바이스들(100A, 100B, 또는 100C)은 이러한 조건을 검출할 수 있고, 모든 접속들이 적절히 완료될 때까지 각자의 디바이스(들)가 동력을 공급받는 것을 방지할 수 있다. 다른 예로서, 지능형 감지는 (예컨대, 적절히 접속된 3상 전력 공급부의 3개의 상들 중 단 2개만이 존재할 때의) 상 손실 조건을 다른 조건들(예컨대, 제3 상을 접속시키기 위한 전술된 에러)로부터 구별하는 데 사용될 수 있다.
다른 태양에서, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은 개별적으로 그리고 조합하여, 디바이스 하우징에 관련된 상태 또는 조건을 감지하여, 디바이스에 동력을 공급하기 위해 또는 그의 상태를 원격으로 변화시키기 위해 소정 요건들이 충족됨을 보장할 수 있다. 예를 들어, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은, 디바이스들(100A, 100B, 또는 100C)이 국부적으로 또는 원격으로 동작되기 전에 방관자 요원이 디바이스들(100A, 100B, 100C) 중 하나 이상의 디바이스들에 대해 안전하게 포지셔닝됨을 보장하기 위해 디바이스에 피드백하는 주변 센서들을 포함할 수 있다.
다른 태양에서, 디바이스들(100A, 100B, 100C) 내의 지능형 감지는 사용 중인 각각의 디바이스(100A, 100B 또는 100C)의 구조적 조건으로 연장될 수 있다. 예를 들어, 디바이스들(100A, 100B, 100C)은, 위험 보호를 제공하는 디바이스들(100A, 100B, 100C)의 환경적 및/또는 구조적 무결성을 모니터링하는 데 모두 사용되어, 이에 의해, 디바이스들(100A, 100B, 100C)이 초기 설치 후에 관리 표준들을 잘 순응한 채로 남아 있음을 보장할 수 있는 스트레인 게이지들, 가속도계들, 압력 센서들, 화학적 센서들 등을 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 예시적인 실시예에 따른, 순응성 폭발 위치 회로 보호 디바이스(300)의 사시도이다. 회로 보호 디바이스(300)는 디바이스(100)와 관련하여 전술된 내화학성, 내충격성 및 열 관리 특징부들을 갖는 기술된 하우징(102)을 포함하지만, 디바이스(100)(도 1)의 디지털 디스플레이(116)를 생략한다. 도 8에 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 접속된 부하들에 대한 적절한 보호를 제공하기에 적합한 특정된 시간-전류 곡선들 또는 시간-전류 프로파일들에 따라 동작할 수 있다.
도 9는 예시적인 하이브리드 구성에서의 회로 보호 디바이스(130)의 간략화된 개략도이다. 디바이스(300)는 접속 케이블들 또는 도관들을 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 있어서 폭발성 환경을 발생시킬 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.
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 배제한다. 라인 및 부하 측 접속들은, 폭발성 환경들에 대한 향상된 안전성 보증을 제공하기 위해, 외장 케이블 및 케이블 글랜드들을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 전술된 안전 단자 조립체들 중 임의의 것을 사용하여 확립될 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.
도 10은 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 과전류 조건들이 발생할 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.
예시적인 디바이스 아키텍처가 디바이스(300)에 대해 기술되었지만, 도 10에 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 11은 도 8 내지 도 10에 도시된 회로 보호 디바이스를 위한 열 관리 특징부들을 도식으로 예시한다. 전술된 바와 같이, 하이브리드 디바이스(300)가 많은 경우들에 있어서 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 11에 도시된 바와 같이, 그리고 디바이스(100)와 관련하여 전술된 열 관리 특징부들에 더하여, 디바이스(300)는, 기계적 회로 차단기들의 동작에서 발생하는 임의의 아킹이 주변 환경으로부터 격리되거나, 달리, 폭발 위치에서의 발화를 야기하기에 불충분한 레벨로 감소됨을 보장하기 위해 추가적인 특징부들을 포함한다. 도 11은 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 회로 차단기들의 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 1차 인클로저(102) 내로 침투시킬 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, 폭발성 환경에서 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.
디바이스들(100 또는 300) 각각은 종래의 별개로 제공된 방폭 인클로저들 없이, IEC 구역 1 또는 2 및 NEC 디비전 1 위험 위치들에서 안전하게 사용될 수 있으며, 디바이스(100)와 관련하여 전술된 바와 같은 문제들의 지능형 진단 및 관리와 배선 한계들 및 페일-세이프 동작에 관한 향상된 안전성 특징부들은 동등하게 디바이스(300)에 적용된다. 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, 별도로 제공된 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 폭발 위치들에서 안전하게 동작할 수 있고, 전기 전력 시스템 내의 공간을 절약하면서 종래의 방폭 인클로저들의 비용들 및 부담들을 제거할 수 있다.
도 12는 디바이스들의 2개의 컬럼(column)들로서 배열된 디바이스들(402, 404)의 어레이를 포함하는 순응성 위험 위치 회로 보호 디바이스들을 포함하는 예시적인 분전반(400)을 도시한다. 각각의 컬럼 내의 디바이스들(402, 404)은 전술된 디바이스들(100 또는 300)을 포함하고, 디바이스들(402, 404)은 패널 및 그의 다양한 브랜치(branch)들에 의해 제공되는 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 기술된 발화 보호형 디바이스들 때문에, 그것은 방폭이 되도록 설계되지 않은 표준 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.
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. 능동 냉각 시스템은 전술된 바와 같이, 주변 온도 감지, 배선 한계들 또는 단자 온도들의 평가 등에 의해 트리거될 수 있다.
분전반 및 분전반 인클로저가 디바이스들(402, 404)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, 통상적으로 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. 이와 관련하여, 모터 회로 보호는 모터 정격들(FLA 또는 아마도 단지 모델 번호 - 이는, 예를 들어 FLA를 제공할 것임) 및 와이어 크기들의 입력에 기초하여 자동으로 프로그래밍될 수 있다.
회로 보호기/모터 스타터의 조합이 기술되었지만, 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(402, 404)이 마찬가지로 가능하다.
도 13은 전술된 디바이스들(100, 300)과 같은 순응성 위험 위치 아크리스 회로 보호 디바이스들로 검출 및 관리될 수 있는 여러 가지 상이한 전기적 부하들의 전력 공급 전압 및 전류 파형 시그니처(signature)들의 예시적인 파형들을 도시한다. 그러한 전류 시그니처 검출 및 관리는, 배선 한계들 등의 검출에 관한 전술된 특징부들을 보완하고 위험한 환경에서 전기 전력 시스템의 동작에서 위험들을 사전대책으로 관리할 추가 능력을 제공하도록 디바이스(100 또는 300)의 제어부들에서 알고리즘적으로 구현될 수 있다.
도 13의 상단에, 디바이스(100 또는 300)의 라인 측 단자들에 접속된 라인 측 회로부 또는 전력 공급부를 나타내는 전압 입력 플롯(510)이 도시되어 있다. 플롯(510)은 교류(AC) 전력 공급에 대응하는 것으로 인식될 수 있다. 미리 정의된 과전류 조건의 부재 시, 디바이스(100 또는 300)는 디바이스(100 또는 300)의 부하 측 단자들에 접속된 부하들에 전류를 전도시킨다. 그러나, 동일한 디바이스(100 또는 300)에 접속된 상이한 부하들은 서로 구별될 수 있는 상이한 전류들을 인출한다.
예를 들어, 파형(520)은 디바이스(100 또는 300)에 의해 보호될 수 있는 에너지 절약형 백열 전구에 의한 예시적인 전류 인출을 나타내는 한편, 파형(530)은 디바이스(100 또는 300)에 의해 보호될 수 있는 종래의 밸러스트(ballast)를 갖는 형광 램프에 의한 예시적인 전류 인출을 나타내고, 파형(540)은 전자 밸러스트를 갖는 형광 램프에 의한 예시적인 전류 인출을 나타낸다. 파형들(520, 530, 540)은 서로 현저하게 상이하여, 특정 유형들의 부하들 및 시간 경과에 따른 부하들의 변화들을 식별하는 디바이스(100 또는 300)의 능력을 제공한다.
추가의 예들로서, 파형들(550, 560)은, 대기 상태에서 그리고 실제로 문서를 인쇄하도록 동작할 때, 레이저 프린터에 의한 예시적인 전류 인출을 나타낸다. 파형들(550, 560)은 서로 현저하게 상이하여, 접속된 부하들의 상태(예컨대, 대기 또는 비-대기), 및 또한, 시간 경과에 따른 부하들의 상태와 연관된 전류 인출의 변화들을 식별하는 디바이스(100 또는 300)의 능력을 제공한다. 파형들(550, 560)은 파형들(520, 530, 540)과 현저하게 상이함을 또한 알 수 있다.
예시적인 파형(570)은 파형들(520, 530, 540, 550, 560)의 집합이다. 이와 같이, 파형(570)은, 디바이스(100 또는 300)를 통해 보호되고 전력 공급 입력 전압(510)으로부터 전류를 동시에 인출하는 복수의 부하들을 나타낸다. 파형(570)은 개별 파형들(520, 530, 540, 550, 560)과 현저하게 상이하여, 디바이스(100 또는 300)가 부하들의 동작을 모니터링하고 시간 경과에 따른 부하들의 동작의 변화들을 검출하는 능력을 제공하는 것으로 보인다. 파형들의 그러한 차이들은, 개별적으로 또는 집합으로, 디바이스(100)가 접속된 부하에 의한 최적의 동작을 위해 자체로 지능적으로 자가-구성할 수 있게 하는 고유 식별 시그니처들을 제시한다.
예를 들어, 접속된 부하의 고유 전류 시그니처의 검출은, 디바이스(100 또는 300)가 시작 이벤트 시의 돌입 전류와 연관되고 이에 따라 디바이스(100 또는 300)가 접속된 부하의 돌입 전류를 용인하면서 원하는 회로 보호를 제공하는 동작 모드를 자가-선택할 수 있음을 통지할 수 있다. 고유 시그니처들은 검출된 부하들이 접속될 때 디바이스의 그러한 자동화된 자가-구성을 허용하기 위해, 국부적으로 또는 원격으로 또는 디바이스의 제어부들의 초기 프로그래밍을 통해 디바이스(100 또는 300)에 입력될 수 있다.
그러한 자가-구성가능성은 디바이스(100 또는 300)가 고정될 수 있지만 접속된 부하(들)가 시간 경과에 따라 변할 수 있는 휴대용 전력 응용물들에 대해 이상적일 수 있다. 고려되는 예에서, 조명 요소는 디바이스(100 또는 300)에 일시적으로 연결될 수 있으며, 조명 요소가 더 이상 접속되지 않게 된 후에, 모터 또는 용접 장비와 같은 다른 부하가 디바이스(100 또는 300)에 일시적으로 접속될 수 있다. 각각의 경우에, 디바이스(100 또는 300)는 검출된 부하들과의 그의 사용을 최적화하기 위해 그의 시간-전류 특성들을 자동으로 조정할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 입력 선택들은 디바이스(100 또는 300)를 부하에 대한 원하는 설정으로 설정하기 위해 국부적으로 또는 원격으로 이루어질 수 있고, 지능형 디바이스(100 또는 300)는 임의의 입력 설정을, 디바이스(100 또는 300)가 독립적으로 검증 및 확인할 수 있는 부하의 검출된 시그니처와 비교할 수 있다. 따라서, 수동으로 선택된 디바이스 설정들 및 접속된 부하들의 임의의 호환불가능성에 대한 에러 조건들이 검출 및 관리될 수 있다. 검출된 에러 조건들의 관리는 사용자 선택 설정들의 거절, 통지 또는 경보들의 생성, 또는 디바이스(100 또는 300)가 위험 위치에서의 안전성을 보장하기 위해 전류를 제한하거나 다른 원하는 조치들을 취함으로써 페일-세이프 측정들로 복귀하는 것을 포함할 수 있다.
디바이스들(100, 300)에서 검출될 수 있는 부하들의 전류 파형들 및 시그니처들의 차이들은, 개별적으로 또는 집합으로, 디바이스들(100 또는 300)이 접속되는 더 큰 전기 시스템을 모니터링하기 위한 향상된 지능 및 능력을 추가로 허용한다. 고유한 전류 시그니처들에서의 검출된 변화들이, 접속된 부하들의 정상적인 예상된 시그니처들로부터 벗어날 수 있는 결과로, 사전대책 조치들은 불리한 결과들을 회피시키기 위해 디바이스(100 또는 300)에 의해 개시될 수 있다.
예를 들어, 디바이스(100 또는 300)의 제어부들에서 알고리즘적으로 구현될 수 있는 그러한 사전대책 조치들은, 담당 요원에게 통지들 또는 경보들을 생성하여 접속된 부하들에서의 가능한 문제들을 조사하는 것, 디바이스(100 또는 300)를 통해 전류를 제한하여 부하들 중 하나 이상의 부하들의 과열에 의한 위험 위치 내의 발화 위험들을 감소시키는 것, 디바이스(100 또는 300)를 통해 전류 흐름을 함께 중지하는 것, 및 검출된 문제들의 상류 또는 하류 회로 보호 디바이스들(이들은 추가적인 디바이스들(100 또는 300)을 포함할 수 있음)로 통신하거나 메시징하여 상류 또는 하류 디바이스들이 그들 자체에서 사전대책 또는 보정 조치들을 취할 수 있도록 하는 것을 포함할 수 있지만, 이들로 제한되지 않는다. 특정 디바이스(100 또는 300)의 상류 및 하류의 지능형 디바이스들은 또한, 부하들의 동작 온도들 및 다른 관심 파라미터들이 위험 위치에 대한 대응하는 안전성 한계들 미만이고, 통지들 및 경보들이 필요에 따라 확대되거나 점감될 수 있음을 확인할 수 있다.
추가적으로, 지능형 디바이스들(100, 300) 사이의 통신을 통해 에러 조건들이 식별될 수 있다. 예를 들어, 직렬 접속된 디바이스들(100 또는 300)의 경우에, 상류 디바이스가 문제가 있는 부하 측 시그니처를 나타내지만, 하류 디바이스는 그렇지 않은 경우에, 2개의 직렬 접속된 디바이스 중 하나의 디바이스가 기능부전 중이고, 보정 조치들을 조사하고 취하기 위해 통지 또는 경보가 생성될 수 있다는 것이 추론될 수 있다. 상류 및 하류 디바이스들에 의한 검출된 조건들의 확인은 각각의 디바이스의 적절한 동작을 확인할 수 있는 한편, 불일치들은, 전력 시스템 감독관들에게 달리 명백하지 않을 에러 조건들을 드러낼 수 있다. 따라서, 전류 시그니처 검출 및 모니터링, 및 또한, 검출된 시그니처들과 다른 디바이스들에 의해 만들어진 시그니처들의 비교는, 위험 위치에서의 전력 시스템의 안전 동작을 보장하기 위한 더 큰 전기 시스템에 더하여 디바이스들(100 또는 300) 자체의 상태 검사 평가들로서의 역할을 지능적으로 할 수 있다. 위험 위치들에서의 위험들을 관리하는 사전 경고 능력으로 연속적인 비상 셧다운 절차들이 가능하다.
도 14는 추가 이익들을 갖도록 검출 및 관리될 수 있는 디바이스(100 또는 300)의 보호된 부하 회로부에서의 예시적인 전류 시그니처 변화를 도시한다. 구체적으로, 도 14는 경과된 기간에 걸친 제1 및 제2 파형들(600, 602)을 도시한다. 부하가 동작하는 시간이 경과함에 따라, 전류 시그니처는 변화할 수 있는데, 이는 소정 부하들 내의 컴포넌트들(예컨대, 펌프들 또는 모터들)이 부하의 작동 수명에 걸쳐 기계적으로 그리고 전기적으로 마모되는 경향이 있기 때문이다. 따라서, 미리결정된 양의 변화를 검출하는 디바이스(100 또는 300)는 서비스 수명의 끝에 가능한 장비 고장에 앞서 전력 시스템 요원에게 통지 또는 경보를 개시할 수 있다. 따라서, 디바이스(100 또는 300)의 모니터링 및 지능 능력을 고려하여 위험 위치에서의 발화 위험들을 관리할 뿐만 아니라 예상치 못한 중단 및 예견가능한 이벤트들로 인한 시스템 정지시간을 회피시키기 위한 전력 시스템의 사전대책 관리가 가능하다.
또한, 검출된 부하의 예상치 못한 변화들은 부하를 디바이스(100 또는 300)에 접속시킴에 있어서 사용자 에러의 사전대책 관리 또는 응답을 제공할 수 있다. 예를 들어, 그리고 전술된 휴대용 전력 응용물 시나리오에서, 사용자는 디바이스(100 또는 300)와 호환불가능하거나 그와의 사용에 대해 비승인된 디바이스 또는 부하를 부주의하게 접속시킬 수 있다. 이어서, 디바이스(100 또는 300)는 불리한 결과를 회피하기 위해 페일-세이프 동작 모드들 또는 셧다운 절차들을 착수할 수 있을 뿐만 아니라, 호환불가능한 또는 비승인된 디바이스가 제거될 수 있도록 통지들 또는 경보들을 제공할 수 있다.
전술된 것들과 같은 솔리드 스테이트 또는 하이브리드 디바이스들은 여러 가지 상이한 솔리드 스테이트 스위칭 요소들, 솔리드 스테이트 스위칭 요소들의 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.
회로 차단기 디바이스들이 아니지만, 그럼에도 불구하고, 별개의 방폭 인클로저들 없이, NEC 디비전 1 또는 2 위험 위치들뿐만 아니라 IEC 구역 1 또는 2 위치들에서의 사용을 위해 발화 보호되는 회로 보호 디바이스들을 구현하기 위해 전술된 내화학성 및 내충격성 하우징 구성, 아크프리 동작, 안전 단자 조립체들 및 고급 지능 및 열 관리 특징부들이 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 퓨즈들과 조합하여 기계식 스위치들을 포함하는 가융 스위치 분리 디바이스들이 상기에 논의되어 있다. 기술된 내화학성 및 내충격성 하우징 구성들, 아크프리 스위칭 동작, 안전 단자 조립체들, 및 열 관리 특징부들을 적용하면, 유사한 이익들을 갖지만 상이한 수준의 회로 보호를 제공하는 솔리드 스테이트 가융 스위치 분리 디바이스 또는 하이브리드 가융 스위치 분리 디바이스가 용이하게 구성될 수 있다.
마찬가지로, 자체로 회로 보호를 제공하지는 않지만, 그럼에도 불구하고, 방폭 인클로저들 없이, NEC 디비전 1 또는 2 위험 위치들 또는 IEC 구역 1 위치들에서의 사용을 위해 발화 보호되는 스위칭 디바이스들을 실현하기 위해 전술된 내화학성 및 내충격성 하우징 구성, 아크프리 스위칭 동작, 안전 단자 조립체들, 및 지능 및 열 관리 특징부들 중 소정의 특징부가 용이하게 적용될 수 있다. 예를 들어, 과전류 조건들에 대항하여 보호하는 능력 없이 분리 기능을 제공하는 기계식 계전기 스위치들 및 콘택터들이 알려져 있다. 기술된 내화학성 및 내충격성 하우징 구성, 아크프리 스위칭 동작, 안전 단자 조립체들, 및 열 관리 특징부들을 적용하면, 전술된 이익들 중 적어도 일부를 실현하기 위해 배선 한계들 및 느슨한 접속들의 지능형 검출에 의한 폭발성 환경에서의 안전한 동작을 위한 솔리드 스테이트 계전기 디바이스 또는 하이브리드 계전기 디바이스, 및 솔리드 스테이트 콘택터 디바이스 또는 하이브리드 콘택터 디바이스가 용이하게 구성될 수 있다.
기술된 것들과 같은 발화 보호 디바이스들에는 NEC 디비전 1 또는 2 또는 IEC 구역 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.
폭발성 환경을 위한 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템의 일 실시예가 개시되었다. 시스템은 하우징, 하우징에 커플링된 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 아크 프리 방식으로 동작가능한 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 포함하는 버스 구조물, 및 제어기를 포함하는 적어도 하나의 스위치 디바이스를 포함하며, 제어기는, 접속된 전기적 부하를 보호하기 위해 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소의 동작을 위한 복수의 상이한 설정들 중 선택된 하나의 설정을 수신하도록; 그리고 수신된 설정이 폭발성 환경에 대한 배선 한계를 초과하는지 여부를 결정하도록 구성되고; 이에 의해, 스위치 디바이스는 별도로 제공된 방폭 인클로저를 필요로 하지 않으면서 폭발성 환경에서의 사용에 순응적이다.
선택적으로, 제어기는 배선 한계를 결정하도록 추가로 구성된다. 제어기는 또한, 수용된 배선 한계와 결정된 배선 한계를 비교하도록 구성될 수 있다. 제어기는 라인 측 단자 및 부하 측 단자에 대해 이루어진 접속에 대한 와이어 게이지를 결정하도록 구성될 수 있다. 제어기는 라인 측 또는 부하 측 단자에 대한 접속을 완료하는 체결구의 포지션에 따라 와이어 게이지를 결정하도록 구성된다.
제어기는 온도 입력을 수용하도록 구성될 수 있고, 온도 입력에 기초하여, 제어기는 배선 한계가 초과되었는지 여부를 결정하도록 구성된다. 제어기는 온도 입력에 응답하여 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜서 하우징의 표면 온도를 폭발성 환경에 대한 정격 온도 이하로 유지시키도록 구성되어, 이에 의해, 하우징이 폭발성 환경에서의 발화원인 것으로부터 배제할 수 있다.
제어기는 수용된 설정을 스위치 디바이스들의 네트워크 내의 적어도 하나의 다른 스위치 디바이스에 통신하도록 구성될 수 있다. 제어기는 라인 측 또는 부하 측 단자에 접속된 배선의 에러를 식별하도록, 그리고 식별된 에러의 통지 또는 경보를 생성하도록 구성될 수 있다. 제어기는, 배선 한계가 초과되지 않을 때에만, 수신된 설정을 수용하도록 그리고 수용된 설정에 따라 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 제어하도록 구성될 수 있다. 제어기는 대안적으로, 배선 한계가 초과될 때 수신된 설정을 거절하도록, 그리고 복수의 설정들 중 대안적인 하나의 설정의 선택을 프롬프트하도록 구성될 수 있다. 제어기는 수신된 설정이 배선 한계를 초과할 때 페일-세이프 모드를 가능하게 하도록 구성될 수 있다.
제어기는, 적어도 하나의 접속된 부하의 고유 전류 시그니처를 검출하고 시간 경과에 따른 고유 전류 시그니처의 변화를 모니터링하도록; 그리고 고유의 전류 시그니처의 모니터링된 변화에 기초하여 통지 또는 경보를 생성하도록 구성될 수 있다. 제어기는 검출된 고유 전류 시그니처에 기초하여 복수의 상이한 설정들 중 하나의 설정을 자동으로 선택하도록 구성될 수 있다.
적어도 하나의 스위치 디바이스는 또한, 버스 구조물 내에 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 포함할 수 있으며, 이때 하우징은 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 포함하는 밀봉된 내부 인클로저를 포함하여, 이에 의해, 스위치 콘택트가 폭발성 환경에서의 발화원인 것을 배제할 수 있다. 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소가 봉지될 수 있다.
적어도 하나의 스위칭 디바이스는 솔리드 스테이트 회로 차단기로서 구성될 수 있거나, 또는 하이브리드 회로 차단기로서 구성될 수 있다. 하우징은 위험 위치 내의 요소들에 대해 내화학성일 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)
- 폭발성 환경을 위한 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템으로서,
적어도 하나의 스위치 디바이스를 포함하고, 상기 적어도 하나의 스위치 디바이스는,
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
제어기를 포함하고, 상기 제어기는,
접속된 전기적 부하를 보호하기 위해 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소의 동작을 위한 복수의 상이한 설정들 중 선택된 하나의 설정을 수신하도록; 그리고
상기 수신된 설정이 상기 폭발성 환경에 대한 배선 한계를 초과하는지 여부를 결정하도록 구성되고;
이에 의해, 상기 스위치 디바이스는 별도로 제공된 방폭(Explosion-Proof) 인클로저를 필요로 하지 않으면서 상기 폭발성 환경에서의 사용에 순응성인, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 배선 한계를 결정하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 수용된 배선 한계와 상기 결정된 배선 한계를 비교하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 라인 측 단자 및 상기 부하 측 단자에 대해 이루어진 접속에 대한 와이어 게이지를 결정하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 제어기는 상기 라인 측 또는 상기 부하 측 단자에 대한 접속을 완료하는 체결구의 포지션에 따라 상기 와이어 게이지를 결정하도록 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 온도 입력을 수용하도록 추가로 구성되고, 상기 온도 입력에 기초하여, 상기 제어기는 배선 한계가 초과되었는지 여부를 결정하도록 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 제어기는 상기 온도 입력에 응답하여 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 동작시켜서 상기 하우징의 표면 온도를 상기 폭발성 환경에 대한 정격 온도 이하로 유지시키도록 추가로 구성되어, 이에 의해, 상기 하우징이 상기 폭발성 환경에서의 발화원인 것으로부터 배제하는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 수용된 설정을 스위치 디바이스들의 네트워크 내의 적어도 하나의 다른 스위치 디바이스에 통신하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는 상기 라인 측 또는 상기 부하 측 단자에 접속된 배선의 에러를 식별하도록, 그리고 상기 식별된 에러의 통지 또는 경보를 생성하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
상기 배선 한계가 초과되지 않을 때에만 상기 수신된 설정을 수용하도록; 그리고
상기 수용된 설정에 따라 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소를 제어하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
상기 배선 한계가 초과될 때 상기 수신된 설정을 거절하도록; 그리고
상기 복수의 설정들 중 대안적인 하나의 설정의 선택을 프롬프트하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제어기는,
상기 수신된 설정이 상기 배선 한계를 초과할 때 페일-세이프(fail-safe) 모드를 가능하게 하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 제어기는 적어도 하나의 접속된 부하의 고유 전류 시그니처를 검출하도록 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제13항에 있어서, 상기 제어기는,
시간 경과에 따라 상기 고유 전류 시그니처의 변화를 모니터링하도록; 그리고
상기 고유 전류 시그니처의 모니터링된 변화에 기초하여 통지 또는 경보를 생성하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템. - 제13항에 있어서, 상기 제어기는 상기 검출된 고유 전류 시그니처에 기초하여 상기 복수의 상이한 설정들 중 하나의 설정을 자동으로 선택하도록 추가로 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위치 디바이스는 상기 버스 구조물 내에 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 추가로 포함하고, 상기 하우징은 상기 적어도 하나의 기계식 스위치 콘택트를 포함하는 밀봉된 내부 인클로저를 포함하여, 이에 의해, 상기 스위치 콘택트가 상기 폭발성 환경에서의 발화원인 것을 배제하는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 솔리드 스테이트 스위칭 요소는 봉지되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위칭 디바이스는 솔리드 스테이트 회로 차단기로서 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 스위칭 디바이스는 하이브리드 회로 차단기로서 구성되는, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 하우징은 위험 위치 내의 요소들에 대해 내화학성인, 구성가능한 순응성 회로 보호 시스템.
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