全量程的高压限流熔断器 【技术领域】
本发明总的涉及一种熔线元件或熔断片组件，并特别涉及一种用于通用的或全量程熔断器的熔线元件组件。
背景技术
熔线被广泛地用作过载电流保护装置，以防对电路的损坏。熔线端子一般在电源和电子元件或分布在电路中的元件组之间形成电连接。在熔线端子之间连接一个或多个可熔的熔断片或元件、或熔线元件组件，使得当经过熔线的电流超过预定限度时，可熔元件熔化或通过熔线断开一个或多个电路，以免电子元件被损坏。
通用的或全量程的高压限流熔断器可以以相同的效率安全地中断较高的故障电路和较低的故障电路。至少一种类型的通用的或全量程的熔断器采用一个具有两个不同部分的熔线元件。一部分的构成用于断开较低故障电流状态下的电路，另一部分的构成用于断开较高故障电流状态下的电路。第一部分包括多个包含于绝缘套管中地并包括大致位于每个熔线元件的中心或中点的一个弱熔点和/或低熔点的合金点。第二部分包括多个由高导电性金属制造的并且并联连结的熔线元件。第一和第二熔线元件部分连续缠绕到一个绝缘线圈架上并置于熔线体内的电弧熄灭材料中。
在较高的故障电路状态下，熔线元件组件的第二部分局部地蒸发，并且电弧熄灭材料吸收能量并达到很高的电阻，安全且有效地中断通过熔线的电流。在较低故障电流的状态下，熔线元件组件的第一部分通过熔化一个或多个绝缘套管内的熔线元件而中断电流。套管内产生的电弧产生电离的气体，该气体从套管的开口端排出。
但是，已经发现在电压和电流很高的应用中，例如对以高达100kVA的额定值增大的通用的12kV变压器的保护，常规的全量程熔断器是不足的。当全量程熔断器的电流额定值和电压额定值增大时，熔线操作中的熔线易于受到电离气体喷气所产生的增大的能量带来的不希望有的外部和内部损害。虽然熔线元件组件第一部分的绝缘套管的增强在产生全量程熔断器的较高额定电流和额定电压中有一定的用处，但套管的增强易于使组件复杂并提高熔线的制造成本，不能克服过度的电离气体喷气问题以及熔线操作期间的最终损害。
另外，虽然全量程熔断器的额定电流和额定电压可以通过使用熔线元件和较大横截面积和容量的熔线结构来增大，但这样也增大了全量程熔断器的物理尺寸。尤其当采用大量的熔线时，熔线尺寸的增大是很成问题的。
【发明内容】
在本发明的实施例中，全量程熔断器的熔线元件组件包括一个具有相对的第一和第二端的绝缘线圈架。第一导电连结器耦接到线圈架的第一端，第二导电连结器耦接到线圈架的第二端。至少一个熔线元件在第一连结器和第二连结器用绕绝缘线圈架延伸。熔线元件包括一个从第一连结器延伸的中断弱电流的熔线元件部分，一个从第二连结器延伸的强电流限幅熔线元件部分，中断弱电流的熔线元件部分和强电流限幅熔线元件部分耦接到第一和第二连结器的另一个中间。绝缘套管包围中断弱电流的熔线元件部分，每个套管包括一个邻接第一连结器的第一端和一个邻接强电流限幅熔线元件的第二端。中断弱电流的熔线元件部分包括一个邻近各个套管的第二端的弱熔点。或者，弱熔点位于套管长度从套管第二端量起的0～25％的范围内。
通过使中断弱电流的熔线元件的弱熔点位于绝缘套管的与连结器相对的一端，其中中断弱电流的熔线元件从该连结器延伸，熔线工作中产生的电离气体的喷气主要导向熔线的中心而非接近端帽的熔线端部。因此，通过从绝缘套管中更有效地且更高效地排出电离气体，熔线元件组件避免对熔线主体和常规的熔线中观察到的端帽的损害，并且不增大熔线元件尺寸的建立较高的额定电压和额定电流。由此提供一种比已知的全量程熔断器更小巧、更节省空间结构的性能优越的全量程熔断器。
【附图说明】
图1是全量程熔断器的第一实施例截面图；和
图2是全量程熔断器的第二实施例截面图。
【具体实施方式】
图1表示的全量程熔断器10包括一个绝缘熔线主体12，主体12内的熔线元件组件14，耦接到闭合的主体12并且电连结到熔线元件组件14的导电端帽16，和一种包围主体12内熔线元件组件14的电弧熄灭材料18。因而，当端帽16连结到一个激励的电路(未示出)时，熔断器10经熔线元件组件14完成一个电路。当流经熔断器10的电流接近一个不能接受的水平时，根据熔线元件组件14的特性以及因此的熔断器10的额定电流，熔线元件组件14至少部分地工作、熔化、蒸发或者断开，从而限制电流并中断流经熔断器10的损伤电流，详述如下。因而，连线一侧的电路和设备可以与产生故障的负载侧电路及设备电绝缘，从而避免对负载和连线侧电路及设备的极大损伤。
在一个实施例中，主体12由一种已知的绝缘、即非导电材料制成，如陶瓷材料，并且基本上在端帽16之间柱状延伸。但是，本发明的优点可以在采用非柱状体并由其它材料制造的熔线实现。另外，在一个实施例中，电弧熄灭介质18是一种纯的晶状硅颗粒或粉状石英，完全包围熔线元件组件14并基本上消除主体12内熔线元件组件14周围的气隙。但在另一实施例中，熔断器10中用其它已知的电弧熄灭材料和介质代替纯硅颗粒或粉状石英。
熔线元件组件14包括一个具有第一部分22和第二部分24的绝缘线圈架20，其中第二部分具有大于第一部分22的截面积。更具体地说，在一个实施例中，线圈架20整体形成，并基本上沿阶梯增大的直径柱状延伸，分别把线圈架第一部分22和线圈架第二部分24刻划成较窄的部分和较宽的部分。但在另一实施例中，分开的较窄部分22和较宽部分24在线圈架20的制造中相互固定。另外，本发明的优点可以利用另外形状，即非圆柱形的线圈架22实现，其中包括但不限于椭圆截面形、多边形、罗纹的或星形截面。另外，虽然注意到可能会导致熔线元件组件14和主体12之间基本上非均匀的间隙，除非主体12随之调整，但本发明可以应用到基本上具有恒定的或均匀的横截面的线圈架22。
导电连结器28、30相对地耦接到线圈架20的两端，即远离阶梯状增大的直径26的线圈架第一部分22和线圈架第二部分24这两端。每个连结器28、30可以包括与端帽16建立电连结的延伸部31。因而，可以通过熔线元件建立一个电路，熔线缠绕到线圈架20并电耦合到连结器28、30。
线圈架第一部分22上缠绕多条中断弱电流的熔线元件32，并且这些熔线部分从连结器28以螺旋形式向线圈架阶梯增大部分26纵向延伸。每个中断弱电流的熔线元件32由一种较低熔点的合金或金属如锡制成，或由例如具有M效应表层(合金低熔点)34或M点并位于连结器28和线圈架阶梯状增大的直径26之间的银或铜制成。
更具体地说，在实施例中，每个中断弱电流的熔线元件32的表面至少涂覆一层成份不同于熔线元件32的导体金属的表层34。在另一实施例中，例如熔线元件32由铜或银制成，表层34由锡制成。因为锡具有比银或铜低的熔化温度，所以在过载电路状态下表层34在铜熔线元件32之前加热到熔化温度。然后熔化的表层与铜或银熔线元件32反应并形成一种具有比金属各自本身的熔化温度低的锡-铜合金。这样将熔线元件32的工作温度降到过载电流状态，并且避免每个熔线元件32达到银或铜的较高的熔点。因而铜或银的导电特性及优点得以利用，同时避免不希望的工作温度。在另一实施例中，可以用其它的导体材料制作熔线元件32和表层34，从而实现相似的效果，这些材料包括但不限于铜银合金以及锡合金。在另一实施例中，表层34由锑或铟制作。
利用已知的技术把表层34施加到各个熔线元件32上，这些技术例如包括煤气火焰和焊接技术。或者，也可以采用其它的方法，包括电解液镀槽、薄膜沉积技术以及蒸汽沉积法等，但不局限于这些。在各个实施例中利用这些技术把表层34施加到一些或所有的熔线元件32上。例如在一个实施例中，置于熔线元件32的中心部分包括表层34，在另一实施例中，熔线元件32的整个表面区域都包含表层34。在另一实施例中，表层34只施加到熔线元件32的一侧，而在另一不同的实施例中，熔线元件32的两侧都包含M效应表层34。
每个中断弱电流的熔线元件32还包含一个横截面减小的较窄部分或弱熔点36，其中的熔线元件32设计成熔化、断开或断开经熔断器10的电连结。因为弱熔点36具有相对于熔线元件32其余部分减小的横截面，所以当电流流经弱熔点36而非熔线元件32的区域部分时，弱熔点36被加热到较高的温度，并因此在熔线元件32其余部分之前到达熔线元件32的熔点。因而，在弱熔点36区域熔线元件32可以在其它部分之前预先断开。本领域的技术人员可以理解，也可以根据其它已知的方法和技术形成弱熔点36，如在熔线元件32中较窄区域以外形成孔。
每个中断弱电流的熔线元件32还嵌入直径稍大于每个熔线元件32宽度的挠性绝热套管38中。绝热套管38由熔断器10工作时能够耐高温的、并具有足够大的用于绝缘目的的电阻材料制作。在一个实施例中，套管38由硅橡胶制作。在另一实施例中，用其它已知的材料代替硅橡胶制作套管38。在另一实施例中，硅润滑油加入在邻近连结器28的敞口套管38和线圈架阶梯状增大的直径26的每一端，避免电弧熄灭介质18进入套管38，同时，当熔断器10工作时，允许电离的气体溢出套管38。
注意，与常规的全量程熔断器不同，每个中断弱电流的熔线元件32的弱熔点36位于接近熔线组件线圈架14的阶梯状增大的直径26处或朝着熔断器10的中心处。换言之，在一个实施例中，中断弱电流的熔线元件32的弱熔点36尽可能地远离连结器18和端帽16，但仍然处于各个套管38内。当熔线元件32接近弱熔点处断开时，在套管38内的弱熔点36的断开截面上产生电弧。电离气体导致的喷气主要从套管38经套管38位于与连结器28相对的闭合端朝向熔断器10的中心、即接近线圈架阶梯状增大的直径26处排出。因此，在图解的实施例中只有电离气体的一小部分经过套管38到达邻近连结器28的端部，并且套管38中产生的过度抽空的压强主要并且是无害地在包围远离连结器28和端帽16或邻近线圈架阶梯状增大的直径26的熔线元件组件14的电弧熄灭介质18中耗散。只有一小部分抽空的压强纵向穿过套管38并从邻近连结器28和端帽16的套管穿出。因而，与已知的全量程熔断器不同，从工作在强电流即高达100A和高电压即12kV～38kV下的元件32喷出的电离气体的增大能量，可以在不使邻近连结器28的端帽16近处的熔断器主体12断裂以及不损害或移动端帽16的情况下安全且有效地耗尽。
还预计本发明的优点可以通过使每个中断弱电流的熔线元件32的弱熔点36位于朝向熔断器10的中心并远离各个中断弱电流的熔线元件32的中心区域的范围内而达到。更具体地说，上述所有或部分优点使熔线元件32的弱熔点36增长到套管38从套管相对连结器28的一端、即套管38最接近熔断器10中心的一端量起的总长度的25％。
在图示的实施例中，在绝缘套管38上使用一种增强介质40，以便在熔断器10工作时防止套管38中的抽空压强其余损害套管38。在一个实施例中，增强介质是玻璃纤维带，当然，在其它的实施例中也可以采用已知的增强介质来实现相同的目的。但是，每个远离连结器38并朝向熔断器10中心的中断弱电流的熔线元件32的定位封装点36都可以通过有效扩散远离连结器28和端帽16的套管38中的抽空压强消除在特定的额定熔断器中对增强截止40的需求，熔断器10不易受到损坏，由此简化了熔断器10的制造过程并降低了制造成本。
多条强电流限幅熔线元件44缠绕在线圈架第二部分24并与线圈架20和连结器28相对的端电耦接。每个强电流限幅熔线元件44由较高熔点的材料制造，如银或铜，并且从连结器30向熔线元件组件线圈架22的阶梯增大的直径26以螺旋形式延伸。每个高于限流熔线元件经连结器30并联，并包括多个弱熔点46或位于连结器30和中断弱电流的熔线元件32之间间隙处的截面积减小的窄小区域。本领域的技术人员将会理解，也可以根据其它已知的方法和技术形成弱熔点46，例如在熔线元件44中而非窄小区域内形成孔。
每个强电流限幅熔线元件44耦接到一个中断弱电流的熔线元件32，形成具有部分强电流限幅熔线元件24和部分弱电流限幅熔线元件32的连续延伸的熔线元件。连续延伸的熔线元件以螺旋形式缠绕到线圈架22上，并且在连结器28和30之间彼此并联连接。
在另一实施例中，中断弱电流的熔线元件32和强电流限幅熔线元件44连结到设置在中断弱电流的熔线元件32与强电流限幅熔线元件24之间阶梯增大的直径26附近的互连元件(未示出)。这样可以采用不同数量的与强电流限幅熔线元件44有关的中断弱电流的熔线元件32，从而使熔断器10应用于不同额定电压和电流。本领域的技术人员将会理解，熔断器10的实际电压和额定电流可以通过改变中断弱电流的熔线元件32和强电流限幅熔线元件44的尺寸特性而变换。
熔断器10操作如下。在较小的过载电流状态、即小于熔线元件组件14额定电流六倍时，强电流限幅熔线元件44通过电弧熄灭介质18和在套管38内M点34处断开的中断弱电流的熔线元件32冷却。所得电弧得到的低压电离气体从套管38的任何一端排出，不损害熔断器主体12或邻近连结器28的端帽16。
在强电流限幅熔线元件44承担故障中断任务的点之前的较强电离条件下，在M效应点34具有足够的时间工作并中断经过熔线元件32的电离之前，由于绝热套管38的温度效应，熔线元件32在套管38内的弱熔点36处断开。熔线元件32在弱熔点36处断开时所得的电弧通过上述在套管38中电离气体的排放过程而在套管38中熄灭。因为气体主要是无害地朝着熔断器10的中心并远离连结器28和端帽16排入到电弧熄灭介质18，所以避免了解决连结器28处的高抽空压强的损害效果。通过适当选定弱熔点36的尺寸，可以确保在熔线元件32于M点38附近预定的电流水平下断开之前，熔线元件32的操作出现在弱熔点36，其中预定的电流水平接近足以操纵强电流限幅熔线元件44的电流值。
在更高的过载电流值时，熔线元件在弱熔点36的断开以及熔线元件44在弱熔点46的断开几乎同时出现。随之电弧能量在熔线元件32的每个弱熔点36中耗尽。但是，在这种强电流下，会在套管38中产生更大的喷气。因而，各个弱电流中断元件32的弱熔点36的位置接近熔断器的中心以及线圈架阶梯增大的直径26的附近，否则就会损害熔断器10端部远离连结器28的喷气。
因此设置一个熔断器10，控制全量程故障电流时套管38中的电离气体喷气，全量程故障电流包括接管电流值，即中断电离的任务从中断弱电流的熔线元件32转移给强电流限幅熔线元件44。因此，熔断器10能够在高于已知全量程熔断器的额定电压和电流下工作。因此由于套管38中受控的电离气体喷气，可以将熔断器10的使用应用到更宽的范围。例如，具有10kV额定电压和100A额定电流的全量程熔断器10可以用于保护1000kVA或更大的变压器。类似地，可以构造具有高达38kV的额定电压的全量程熔断器10。
另外，通过使中断弱电流的熔线元件32的弱熔点36位于绝热套管38与连结器28相反的一端并因此将电流气体的喷气主要导向熔断器10的中心而非熔断器10的端部，熔断器10能够达到较高的额定电压和电流，而不增大熔线组件的尺寸。因而提供了一种与已知的全量程熔断器相比，结构更小巧、空间更节省的性能优越的全量程熔断器10。
图2是全量程熔断器60的第二实施例截面图，其中熔断器10的共同特征(图1中及上述所示)用相同的标号表示。比较熔断器10和60可以看出，熔断器60包括一个位于接近每个中断弱电离的熔线元件32的弱熔点36处的M点62，与位于每个熔线元件32中心部分的M点34相反(图1所示)。因此，除熔线元件32在弱熔点36断开时的上述优点之外，熔线元件32在M点34工作时产生的电离气体也无害地经套管38朝着熔断器60的中心扩散到电弧熄灭介质中。熔断器60也基本上与上述熔断器10同样地工作，并且也可以达到图1所示的优点。M点34在各个套管38的中心(图1所示)或接近弱熔点36(图2所示)的任何一处的定位都可通过熔线组件的特定材料的热参数表示。
本发明的优点可以利用单个中断弱电流的元件32和单个高压限流元件44得到较低额定的熔断器。另外，在另一实施例中，中断弱电流的元件32可以采用更多的位于朝着熔断器10的中心并远离熔线元件中心区域处的弱熔点36。另外，在另一实施例中，熔断器不用螺旋缠绕到线圈架20上，而电连接到端帽16，例如通过在端帽16之间是采用基本上为线性的熔线元件而使用或不使用线圈架20。
虽然以上就各种特定的实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员可以理解，在权利要求的实质和范围之内可以对本发明做各种实践。