CN101310352B - 自复原的电流限制元件 - Google Patents
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Abstract
自复原的电流限制元件的一种实施形式是“Permanent Power Fuse(PPF)”。其有一种形状封闭地封闭在绝缘体内的金属材料，该金属材料具有一种由电流引发的与温度有关的电阻增大并由此造成电流限制。按本发明，这种在额定工作电流时固态的金属导体用这样的材料制成，这种材料具有与绝缘体相比低的熔点，以及在那里的电流限制效果主要通过部分相变为蒸汽状态造成。作为材料一些合金是适用的，它们包括由良好导电的材料组成的第一种成分和由汽化点较低的金属材料组成的第二种成分，从而在这种二元系统中在总体上降低了汽化点。看来尤其适用的是锡(Sn)-锌(Zn)系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种自复原的电流限制元件。这种电流限制元件称为“永久电力熔断器(PPF：Permanent Power Fuse)”。
背景技术
为克制在能量分配系统的低压电网内发生短路时出现的大电流，按现有技术使用保护元件，它在短路的情况下足够迅速地切断电路，从而既不会在电网中也不会在耗电器中进一步形成直接或间接的破坏。
上述保护元件应能够不仅有目的地从外部引入断开过程，亦即起开关的作用，而且在故障的情况下采取恰当的内部措施能导致自动分离。此外，这种保护元件还应能够在排除故障后重新恢复原始状态。
尤其是，要求所述的切断和重新接通的过程能在无须采取维修措施的情况下多次实施。在作为开关时这可以通过就地接通、通过遥控间接接通实现，亦即作为保护装置，或通过更换一个仅能使用一次的元件实现，亦即作为保险装置。
按现有技术，为了解决上述问题主要采用两种不同设计方案，但有时也可以组合这两种方案，具体地说：
-机电式开关装置，
-保险装置。
机电式开关关置(简称开关)按现有技术设计为，使它们通过将触点分离时形成的电弧排入预定区域内，例如灭弧室内，强烈地限制电流。在那里电弧的熄灭通过冷却和分成许多前后连接的电弧进行。灭弧室必须按可能的短路条件设计为，使得能在所有可能的工作情况下克制电弧。因此在电网内流动的电流被限制为导通电流值，该导通电流值可以在自然的电流过零后实现灭弧。
通常上述开关有一个用于提前识别短路的内部系统，该系统大多是热和/或电磁式的致动器，在短路的情况下招致引发断开过程。
这种开关中灭弧室的设计对于大的额定电流和短路电流需要比较大的主要用于麻烦地控制开关的费用，在正常工作时，亦即在工作电流导通时是不必要的。
这些开关的优点是，在实现了短路切断后以很少的费用便可以实现使电网和/或耗电器重新投入运行。
保险装置在电网中使用在那些在短路的情况下从属的开关装置其断流容量可能不足以保证电网可靠断开的地方。它们的功能大多基于通过短路电流熔断并汽化金属丝的原理，在这种情况下不得不持续地切断电流分路。基于所述原理，保险装置原则上只能使用一次，以及，相应地在如此切断的电路能重新投入运行前，必须用许多时间和耗费材料重新替换。在公开出版的(专业杂志Electrica 4，1979，第85页起)“Permanentsicherung inNiederspannungs-Leistungsschaltern”中已知一种按“Permanent Power Fuse(PPF)”原理自复原的保险装置，其中，被形状封闭地封闭的在工作温度下液态的金属导体或金属合金，通过一种与温度有关的电阻增大造成电流限制。
在后面还要详细说明的上述出版物的附图中，表示出了在未受影响的情况下在50Hz的相位中电流变化过程，以及一个具体的PPF元件可达到的电流或电压变化过程和对Permanent Power Fuse(PPF)短路电流的限制情况及计算出的温度和内阻。由此得出在三相电网中导通电流的范围作为所涉及的金属合金可达到的最大电阻变化的函数。
然而迄今使用的金属和与之相关的合金，汽化点(以及进而电流限制元件的足够高的单位电阻)要在很高的温度和相应地也要在很高的压力下才达到。由此大多超过构成这些金属容器的工业陶瓷的强度。
因此在现有技术中使用低汽化点的金属，尤其钠(Na)、钾(Ka)和它们的混合物。当然在有故障情况下这些金属被腐蚀以及甚至可能导致引发燃烧。因此与这种已知的“Permanent Power Fuse(PPF)”相联的是设备和人员的高风险。此外，由US3670282A和US3909763A已知，作为液态金属尤其采用镓-铟合金，以及一种三元合金可附加地含有锌。此外，由US4890186A(≡FR2631752A)已知一种故障电流限制器，其中，从上述现有技术出发，在绝缘材料构件中布设碳微粒，它们按串联和/或开联地导电连接，通过表面层汽化产生蒸汽压力，这种蒸汽压力可使用于短时间限制电流。
发明内容
因此从上述现有技述出发，本发明所要解决的技术问题是提供一种改进的自复原的电流限制元件，它使用可以在压力和温度尽可能低的情况下达到大电阻变化目的的金属合金或混合物。与此同时，在故障情况下同样要既不促进燃烧也不引发燃烧或甚至也不导致有毒或腐蚀的效应。
按本发明上述技术问题通过权利要求1的特征得以解决。在从属权利要求中给出一些有利的有利的扩展设计。
本发明的技术主题是一种用于“Permanent Power Fuse(PPF)”的特殊材料，在这方面已知，在电子技术中常用的和能良好导电的有比较低的熔点的基本金属内，特殊添加一些在比较低的温度下已能促使部分相变为蒸汽状态的物质。
按照本发明，电流的限制现在这样造成，即，金属导体在工作温度和额定工作电流下是固态的，并且该金属导体用一种材料制成，这种材料具有与绝缘体相比更低的熔点和汽化点，以及在那里的电流限制效果通过部分相变为蒸汽状态造成。在这里，所述材料是一种包括至少两种成分的多成分材料，其中一种成分保证在工作条件下足够低的内阻，以及另一种成分在温度低于绝缘体软化点时已经促使相变为蒸汽状态。在这里内阻典型地小于10mΩ。
优选地，所述材料是这样一种双成分材料，它的第一种成分保证低的熔点，以及它的第二种成分在比较低的温度已经促使相变为蒸汽状态。在这里尤其双成分材料中的一种成分保证在工作条件下有足够低的在0.1mΩ至几个10mΩ范围内的内阻，以及另一种成分在温度低于绝缘体软化点时已经促使相变为蒸汽状态。也可以是更多成分的材料，尤其系统。
在这里基本金属优选地是锡(Sn)、铝(Al)、银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)以及它们的混合物，而添加物优选地是锑(Sb)、镓(Ga)、铟(In)、碲(Te)和尤其锌(Zn)。
在本发明中特别有利的是，由上述成分组成的合金或金属间化合的化合物，在本发明的自复原保险装置的工作温度下始终保持处于固体状态，从而不再需要造成并维持在kW范围内的静压。尤其在室温时已成液态的合金，例如已知的镓铟合金，这种合金在易熔的成分占24.5％的重量百分比时在室温下已经是液化，因此在本发明中明确地将它们排除在外。
附图说明
由下面借助附图对实施例的说明并结合其他权利要求，给出本发明的其他详情和优点。其中：
图1示意表示一种已知的“Permanent Power Fuse(PPF)”；
图2表示在单相短路的情况下电流和电压与数量的关系的变化过程曲线图；
图3表示获知的导通电流与电阻相对变化的关系；以及
图4表示一种特别适用于达到上述目的的合金的状态图。
具体实施方式
图1表示一种作为保险装置已知的自复原的电流限制元件1，在专业界也称它为“Permanent Power Fuse(PPF)”。保险装置1由陶瓷容器2构成，它有一个平行于纵向的内腔3，其中置入一种金属合金作为电流导体5。端侧存在两个触点接通装置6和7。
图2中在横坐标上标注单相短路情况的时间，而纵坐标按选择表示电流齐次方程式的计算值Isim、温度变化过程T、电压变化过程Usim和电阻变化过程R。在这里以一种预计的短路电流Iprosp为28kA的短路为出发点。
具体而言，图2中曲线21作为包络线表征针对模拟电压预计的短路电流Iprosp。曲线22表征模拟电流强度Isim，曲线23表征相关的电压Usim，曲线24表征计算的电阻以及25表征温度或压力变化过程。为此在纵坐标上右边标示在0与30kA之间的电流，而左边标示0至300V的电压。其他参数T、P和R在纵坐标上按专用的单位标注。
按图2，采用PPF预计为28kA的峰值电流Iprosp减小到在横坐标值约为2.5ms时的最大值17kA。接着，此值减小到典型的7至8kA。
图3中在横坐标上标注电阻的相对变化R/R0，在纵坐标上表示计算出的最大导通电流ID或可由此导出的最大I2t值，它在这里称为开关负荷QS。具体而言，区域31表征最大导通电流ID的变化过程，以及区域32表征QS的变化过程。由这两个区域得出，导电的临界值取决于借助图1说明的PPF的材料5的电阻相对变化。
图4举例表示锡-锌状态图。由此状态图可以看出，纯锡(Sn)在熔点为232℃时有比较高的汽化点约为2500℃。对于熔点为419.4℃的纯锌(Zn)而言，汽化点在约1000℃便已达到。因此存在一个非常宽广的液态-气态二相区。
对于双成分合金SnZnx，尤其可以通过规定恰当的锌份额达到在二相区内在明显地降低熔点的同时有低的汽化点。在易熔成分Zn约为15％时熔点最低为198℃。锡的份额从10％起看来是恰当的，其中，在模型计算的框架内详细研究了一种SnZn25合金。在这种合金中至少部分相变为含生成的锌蒸汽的汽态，可以为了某种目的利用于作为上面介绍的PPF的材料。
按照图4的锡(Sn)-锌(Zn)状态图，当Zn的份额约为10％以及温度约为1200℃时，便已经存在一种汽/液混合物。对于上面列举的SnZn25合金此温度为1100℃。提高Zn的份额在环境压力为1bar时汽化温度降到1000℃。合金SnZn75看来也是可能的。
除了上述示例外，能良好导电的低熔点金属、如锡(Sn)、铟(In)、铝(Al)、银(Ag)、铜(Cu))与锌(Zn)的所有混合物均适合使用于作为PPF的材料。尤其基于锌的高的蒸汽压力，在温度和压力比较低时通过相变已经达到电阻有大的改变。铝(Al)-锌(Zn)合金看来是适用的，例如一种Al50Zn50合金。
具体而言，在这里重要的是可达到的电阻增大，在前提条件是Tmax＞＞Tboil(1bar)，亦即在工作范围扩展至汽相时，可达到的值为Rmax/Ro≈60-70。对于锡(Sn)-锌(Zn)合金SnZn75，还在值为Rmax/Ro≈40-50时存在电阻增大。
除了锌(Zn)外，当基本金属为锡(Sn)时也可以采用其他添加物，例如锑(Sb)、镓(Ga)、铟(In)、碲(Te)或它们的混合物。在这种情况下在各自的状态图中需要一个鲜明的液态-气态二相区，用于至少部分相变为气态。
总之，除包含由上面列举的两组中的金属的二元合金外，还可以考虑由各种成分组成的三元或四元合金，但在室温下已成液态的合金排除在外。
Claims (9)
1.一种自复原的电流限制元件，其中，一个形状封闭地封闭在绝缘体内的金属导体通过一种由电流引发的与温度有关的电阻增大造成电流限制，其中，该金属导体在工作温度和额定工作电流下是固态的，并且该金属导体用这样的材料制成，这种材料具有与绝缘体相比更低的熔点和汽化点，以及在那里的电流限制效果通过部分相变为蒸汽状态造成，其中，所述材料是一种包括至少两种成分的多成分材料，它的第一种成分保证在工作条件下有在0.1至几个10mΩ范围内的内阻，其中，所述材料的第一种成分是锡(Sn)、铝(Al)、银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)或它们的混合物，并且所述材料的第二种成分是锌。
2.按照权利要求1所述的电流限制元件，其特征为，所述材料是一种由锡(Sn)和锌(Zn)组成的双成分合金。
3.按照权利要求2所述的电流限制元件，其特征为，所述双成分合金中Zn份额的下限为10％的重量百分比。
4.按照权利要求2或3所述的电流限制元件，其特征为，所述材料是一种Sn75Zn25合金。
5.按照权利要求2或3所述的电流限制元件，其特征为，所述材料是一种Sn25Zn75合金。
6.按照权利要求1所述的电流限制元件，其特征为，所述材料是一种由铝(Al)和锌(Zn)组成的双成分合金。
7.按照权利要求6所述的电流限制元件，其特征为，所述材料是一种Al50Zn50合金。
8.按照上述权利要求1所述的电流限制元件，其特征为，多成分材料包含两种以上的成分以及由三元和/或四元合金或化合物构成。
9.按照权利要求1所述的电流限制元件，其特征为，第一种金属成分内阻的值小于10mΩ。
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