CN104303254A - 熔断器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于中断外部直流电路中的故障电流的熔断器组件(1)。熔断器组件(1)包括可熔断导体元件(6a...6d)，其基本上沿着熔断器组件的纵向轴线延伸，并且围绕该纵向轴线周向地。可熔断导体元件(6a...6d)串联连接在一起，以限定熔断器元件(18,24)，并且可熔断导体元件(6a...6d)定向在熔断器组件(1)内，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流处于与沿着与其相邻的可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向。这在可熔断导体元件(6a...6d)之间产生了相互排斥力。熔断器组件(1)还包括连接于第一熔断器元件(18)的端部并且能够连接于直流供电的第一供电端子(10a)、连接于第一熔断器元件(18)的相对端并且能够连接于电负载的第一负载端子(10b)、连接于第二熔断器元件(24)的端部并且能够连接于直流供电的第二供电端子(10d)，以及连接于第二熔断器元件(24)的相对端并且能够连接于电负载的第二负载端子(10c)。

Description

熔断器

技术领域

本发明涉及熔断器，并且尤其涉及可用于中断外部直流电路中的故障电流的熔断器。

背景技术

故障-额定熔断器是众所周知的，该故障-额定熔断器断裂并且随后形成足够的电弧电压，以便中断外部直流电路中的电流流动。还已知熔断器中的灭弧由通过一定数量的冷却过程将热从电弧除去而引起，该一定数量的冷却过程被环绕电弧的材料的性质影响。在1982年的Wright & P G Newbery的‘Electric Fuses’中描述了这些熔断器和它们的基础原理。

已知的是通过各种偏转和屏蔽方法来延长电弧的长度，从而增大能够在熔断器组件大小中的特别大小内获得的电弧电压。然而，这些方法对于高功率系统而言是最佳的，并且因此与一定程度的复杂性相关联，该一定程度的复杂性在用于在相对低电流下使用的保护装置的情况下将是不必要的。

发明内容

在第一布置中，本发明提供了一种熔断器组件，包括：

2n个可熔断导体元件，其中n是整数，可熔断导体元件基本上沿着熔断器组件的纵向轴线延伸，并且围绕该纵向轴线周向地间隔；

其中可熔断导体元件串联连接在一起，以限定熔断器元件，可熔断导体元件定向在熔断器组件内，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流处于与沿着与其相邻的可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向(即，可熔断导体元件经历相互排斥力，或者至少不经历相互吸引力)；

熔断器组件还包括：

供电端子，其连接于熔断器元件的端部，并且能够连接于直流供电；和

负载端子，其连接于熔断器元件的相对端，并且能够连接于电负载。

此类布置特别适合于与单极直流供电一起使用，并且供电端子可连接于直流供电的正(+ve)端子，而负载端子可连接于电负载的正端子。电负载的负(-ve)端子可连接于直流供电的负端子。根据常规的电流流动按顺序的串联连接因此可为：直流供电(+ve端子)-[供电端子-熔断器元件-负载端子]-电负载(+ve端子)-电负载(-ve端子)-直流供电(-ve端子)，其中[...]指示熔断器组件的构件。

在第二布置中，本发明提供了一种熔断器组件，其包括：

2n个可熔断导体元件，其中n是整数，可熔断导体元件基本上沿着熔断器组件的纵向轴线延伸，并且围绕该纵向轴线周向地间隔；

其中第一熔断器元件由串联连接在一起的n个可熔断导体元件限定，而第二熔断器元件由串联连接的n个可熔断导体元件限定，可熔断导体元件定向在熔断器组件内，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流处于与沿着与其相邻的可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向；

熔断器组件还包括：

第一供电端子，其连接于第一熔断器元件的端部，并且能够连接于直流供电；

第一负载端子，其连接于第一熔断器元件的相对端，并且能够连接于电负载；

第二供电端子，其连接于第二熔断器元件的端部，并且能够连接于直流供电；以及

第二负载端子，其连接于第二熔断器元件的相对端，并且能够连接于电负载。

此类布置特别适合于与双极直流供电一起使用。第一供电端子可连接于直流供电的正端子，第一负载端子可连接于电负载的正端子，第二负载端子可连接于电负载的负端子，并且第二供电端子可连接于直流供电的负端子。根据常规的电流流动按顺序的串联连接因此可为：直流供电(+ve端子)-[第一供电端子-第一熔断器元件-第一负载端子]-电负载(+ve端子)-电负载(-ve端子)-[第二负载端子-第二熔断器元件-第二供电端子]-直流供电(-ve端子)，其中[…]指示熔断器组件的构件。

可熔断导体元件典型地将携带相同或相反极性的相同的直流电流，分别取决于熔断器组件与单极或双极直流供电一起使用。然而，在某些保护模式下，熔断器元件中的此类非对称的接地故障电流可不为相等的。只要经历故障电流的熔断器元件包括偶数的串联连接在一起的可熔断导体元件，则下面所述的相互排斥力将施加于受到故障影响的可熔断导体元件，并且在较小程度上施加于未受故障影响的可熔断导体元件。在该情况下，可优选的是，使用双极直流供电，其具有“刚性地”接地的中心抽头或“电阻”接地的中心抽头，具有足够低的电阻以引起故障电流超过熔断器切断电流(即，在该电流下，可熔断导体元件将断裂)。将容易认识到，将更常规的是双极直流供电具有“浮动的”或高电阻的中心抽头，以便限制非对称的故障电流。

可熔断导体元件可被认为位于多边形阵列的顶点处(例如对于四个元件，位于正方形或矩形阵列的顶点处，对于六个元件，位于六边形阵列的顶点处等)。可熔断导体元件优选相等地间隔开，以使由各个元件经历的相互排斥力为基本上相等的。然而，如果在相邻的端子之间存在特别高的电压，则可使用增大的间距，以减少端子之间的闪络的风险。

对于待实现的熔断器组件结构的优点而言，相互排斥力不必是对称或相等的。其中熔断器组件经历非对称的故障电流的上面所述的情形是相关示例。重要的是，当熔断器组件中断故障电流时，可熔断导体元件和在端子之间建立的电弧不是相互吸引的。

可熔断导体元件典型地将是圆形线元件，但可使用箔片元件。可熔断导体元件可为基本上笔直的，或者具有蛇形或螺旋形的形式，以增大它们的总长。在蛇形或螺旋形的可熔断导体元件的情况下，接着其中性轴线典型地将基本上平行于熔断器组件的纵向轴线。

本发明的熔断器组件可用于保护高压直流(HVDC)电路，其通常在低电流水平(例如<5A)下操作以免持续的热超负载和高故障电流(例如>20A)。为了中断故障电流，熔断器组件可形成基本上超过供应电压的电弧电压，其典型地可>100kV。

各个熔断器元件可浸没在液体电介质中，诸如恰当的变压器绝缘流体，像例如MIDEL7131。如下面更详细地描述的，液体电介质改进电弧电压的冷却和产生。具体地说，本发明的熔断器组件可利用液体电介质内的电弧特征在低于特别阈值的电流下具有负电阻区域的事实。将容易认识到，可熔断导体元件的预放电电阻和串联连接的最小的预期故障电阻的组合必须足够大，以将预期的故障电流限制在一水平，其通过(i)处于电弧特征的负电阻区域，和(ii)处于其中形成熔断器元件长度的每米足够高电弧电压的电弧特征区域，确保熔断器组件的有效操作。长熔断器元件意味着长电弧和因此期望的高电弧电压。2米的熔断器元件长度可为典型的，并且这将通常需要2.5米或更大的总熔断器组件长度。在本发明的熔断器组件中，单独串联连接的可熔断导体元件物理地布置在熔断器组件内，以限定“折叠式”熔断器元件，其显著地减小了熔断器组件的长度。

折叠熔断器元件并将单个可熔断导体元件定向在熔断器组件内，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流处于与沿着与其相邻的可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向，这意味着可熔断导体元件经历相互排斥力。在其中熔断器元件只包括两个可熔断导体元件(即，n=1)的简单情况下，它们可串联连接在一起，以限定基本上U形的熔断器元件，或者在其中熔断器组件与双极直流供电一起使用，其中各个可熔断导体元件携带相同但相反极性的直流电流的情况下，接着各个单独可熔断导体元件可布置在熔断器组件内，使得在相应的负载和供电端子之间沿着各个熔断器元件的电流流动的方向是相反的。可熔断导体元件因此由于它们之间的电磁相互作用而经历相互排斥力。在可熔断导体元件最初开始熔化(例如在预放电阶段期间)时以及当故障电流不再能够流过可熔断导体元件，并且建立电弧(早先和完全建立电弧放电阶段)时，也经历该相互排斥力。因此，将容易认识到，相互排斥力通过保持它们的物理分开而降低在单独可熔断传导元件之间的闪络的风险，而不管在平行延伸的元件之间是否放置了绝缘屏蔽罩。这意味着，可熔断传导元件可相对紧密地间隔，这进一步减小了熔断器组件的物理大小。在其中n=1且双极直流供电的情况下，接着在非对称故障电流的情况下，相互排斥力将不施加于未受故障影响的可熔断导体元件。

如果熔断器组件将提供免于非对称故障电流的恰当保护，则各个熔断器元件优选包括偶数的可熔断导体元件(即，n=2,4,6等)。在优选的结构中，熔断器组件包括四个可熔断导体元件(即，n=2)，其布置在具有一个或两个熔断器元件的正方形或矩形阵列中。在其中熔断器组件包括两个熔断器元件的情况下，接着各个熔断器元件为基本上U形的(或“折叠的”并且连接在一对外部端子之间)。流过各个熔断器元件的直流电流具有相反的极性。

当各个熔断器元件熔化并且建立电弧时，接着密封高的热引起周围液体电介质的化学分解，并且迅速地形成包围电弧的气泡。在变压器绝缘流体(诸如MIDEL7131)的情况下，气泡典型地将包括大约80%的氢气，其压力在过程中迅速地升高，经历湍流并获得高热导率。该高热导率和与湍流相关联的对流冷却提取了来自电弧的热量，使电弧去电离，并且使其被熄灭。在灭弧过程期间必须由电弧耗散的能量通过储存在整个直流电路的电感中来支配，该整个直流电路包括直流电源、熔断器组件以及故障电负载，因为一旦电弧放电已经启动，则灭弧过程是极其快速的。电流下降时间典型地小于50μβ，并且因此较少能量在直流电路的电阻中耗散。该耗散的能量对分解的液体电介质的体积具有直接影响，并且因此对所得的气泡的体积和压力具有直接影响。熔断器组件因此可包括用于调节气体压力和跟着发生的冲击波的器件，以便保持熔断器组件的结构完整性。在一种布置中，用于使冲击波耗散的充气的可折叠的蓄能器可定位成接近并基本上沿着熔断器元件的整个长度。气泡的压力引起液体电介质移位，并且相关联的液体流动优选进入之前被蓄能器占据的空间中，从而引起蓄能器的压力增大并使其折叠。蓄能器可设计成允许一定程度的气体压力控制，其对灭弧而言已知为有益的。任何合适的蓄能器设计可被使用，并且蓄能器可通过任何合适的固定方法或定位方法而恰当地定位在熔断器组件内(和更具体地说在导管内)。

由于相互排斥力，故对在可熔断导体元件之间具有固体绝缘屏蔽罩没有要求。然而，可提供此类屏蔽罩以便形成呈导管或管路形式的方便的容器，其可填充有液体电介质。各个可熔断导体元件和相关联的蓄能器可位于其自身导管内。内部端子可便于在熔断器组件内的单独可熔断导体元件之间的串联连接，并且可延伸穿过固体绝缘屏蔽罩(例如导管壁)。

在一种布置中，导管或管路并联地固定或紧固在一起，以形成导管组件，并且被端板密封，外部负载和供电端子例如通过端子衬套安装在该端板上。小开口设在端板中，以使液体电介质可供应至导管并且从导管中除去。导管典型地将在使用时定向成基本上水平，但还可使用基本上竖直定向的导管。导管组件可被用以提供结构增强件的条带等环绕。电绝缘条带通常将是优选的。

可熔断导体元件可通过压缩触头连接于各个端子，该压缩触头并入应变消除件，以适应不同的热膨胀和热循环。

各个可熔断导体元件可具有相关联的静电屏蔽罩，以抑制表面放电以及在电介质液体内的传导流的潜在形成。各个静电屏蔽罩可由金属化的薄膜形成，例如金属化的聚丙烯薄膜。在对应的可熔断导体元件的端部处，金属化优选通过任何方便的手段电连接于端子。金属化屏蔽罩因此与对应的可熔断导体元件并联地电连接。

各个静电屏蔽罩可围绕对应的可熔断导体元件弯曲。例如，各个静电屏蔽罩可呈弯曲部件的形式，具有关于对应的可熔断导体元件的纵向轴线的半径。各个静电屏蔽罩可通过其端部末端保持在相关联的导管内的合适位置，以使沿着基本上其整个长度保持屏蔽罩的轮廓。当熔断器组件浸没在液体电介质中时，接着可选择半径r，以最小化屏蔽罩之间的液体电介质中的电场增强因素。

本发明进一步提供一种熔断器组件，其包括：

熔断器元件，其由至少一个可熔断导体元件限定；

第一端子，其连接于熔断器元件的端部；

第二端子，其连接于熔断器元件的相对端；以及

定位在各个可熔断导体元件附近的静电屏蔽罩。

熔断器组件的另外的特征可如本文中所述。

附图说明

图1是根据本发明的熔断器组件的端部横截面图(其中n=2)；

图2是图1的熔断器组件的侧视横截面图；

图3A是示意图，其显示了连接于单极直流供电的熔断器组件(其中n=1)；

图3B是示意图，其显示了连接于单极直流供电的熔断器组件(其中n=2)；

图3C是示意图，其显示了连接于双极直流供电的熔断器组件(其中n=2)；

图4是显示作用在熔断器组件的可熔断导体元件上的力的图(其中n=2)；

图5显示了第一固定布置，其用于固定图1的熔断器组件的端板；

图6显示了第二固定布置，其用于固定图1的熔断器组件的端板；

图7显示了第三固定布置，其用于固定图1的熔断器组件的端板；

图8显示了用于根据本发明的熔断器组件的备选布置的侧视横截面图，其中各个蓄能器延伸穿过端板；

图9显示了用于根据本发明的熔断器组件的备选布置的端部横截面图，其中各个蓄能器呈基本上平的弹性体片或隔膜的形式；并且

图10显示了用于根据本发明的熔断器组件的备选布置的端部和侧视横截面图，该备选布置并入静电屏蔽罩。

具体实施方式

遍及以下描述，相似的构件被给予相同的附图标记。

熔断器组件1在图1和图2中示出，并且包括导管组件2或外壳，其具有2x2阵列的四个导管4a...4d。各个导管包含可熔断导体元件6(或圆形横截面的熔断器线元件)和浸没在液体电介质诸如MIDEL7131中的蓄能器8。更具体地说，各个导管4a...4d的内部填充有液体电介质，使得可熔断导体元件6和蓄能器8在电介质环境中操作。可熔断导体元件6基本上平行于导管组件2的纵向轴线延伸。熔断器组件1因此包括四个可熔断导体元件6a...6d(即，n=2)。

第一外部端子10a位于第一导管4a的第一端部处。第二外部端子10b位于第二导管4b的第一端部处。第一内部端子12位于第一导管4a和第二导管4b的第二端部处，并且位于导管组件2内。第一内部端子12延伸穿过第一导管4a和第二导管4b的相邻壁，以使第一内部端子的部分14a位于第一导管4a内，而部分14b位于第二导管4b内。

第一可熔断导体元件6a的第一端部在导管组件内连接于第一外部端子10a(即，连接于第一外部端子的位于第一导管4a内的部分16a)。第一可熔断导体元件6a的第二端部连接于第一内部端子12的位于第一导管4a内的部分14a。第一可熔断导体元件6a因此沿着第一导管4a在第一外部端子10a和第一内部端子12之间延伸。第二可熔断导体元件6b的第一端部在导管组件内连接于第二外部端子10b(即，连接于第二外部端子的位于第二导管4b内的部分16b)。第二可熔断导体元件6b的第二端部连接于第一内部端子12的位于第二导管6b内的部分14b。第二可熔断导体元件6b因此沿着第二导管4b在第二外部端子10b和第一内部端子12之间延伸。第一可熔断导体元件6a和第二可熔断导体元件6b借助于第一内部端子12串联连接在一起，以限定基本上U形的第一熔断器元件18。

第三外部端子10c位于第三导管4c的第一端部处。第四外部端子10d位于第四导管4c的第一端部处。第二内部端子20位于第三导管4c和第四导管4d的第二端部处，并且位于导管组件2内。第二内部端子20延伸穿过第三导管4c和第四导管4d的相邻壁，以使第二内部端子的部分22a位于第三导管4c内，而部分22b位于第四导管4d内。

第三可熔断导体元件6c的第一端部在导管组件内连接于第三外部端子10c(即，连接于第三外部端子的位于第三导管内的一部分)。第三可熔断导体元件的第二端部连接于第二内部端子20的位于第三导管4c内的部分22a。第三可熔断导体元件6c因此沿着第三导管4c在第三外部端子10c和第二内部端子20之间延伸。第四可熔断导体元件6d的第一端部在导管组件内连接于第四外部端子10d(即，连接于第四外部端子的位于第四导管4d内的一部分)。第四可熔断导体元件6d的第二端部连接于第二内部端子20的位于第四导管4d内的部分22b。第四可熔断导体元件6d因此沿着第四导管4d在第四外部端子10d和第二内部端子20之间延伸。第三可熔断导体元件6c和第四可熔断导体元件6d借助于第二内部端子20串联连接在一起，以限定基本上U形的第二熔断器元件24。

将容易认识到，以其最基本形式，熔断器组件1可仅由两个可熔断导体元件组成(即，n=1)。例如，第一可熔断导体元件可连接在第一外部端子和第二外部端子之间，而第二可熔断导体元件可连接在第三外部端子和第四外部端子之间，其中，各个外部端子以与图3C中所示相似的方式连接于具有双极HVDC供电的外部直流电路。在备选布置中，可仅使用由串联连接的第一可熔断导体元件6a和第二可熔断导体元件6b组成的基本上U形的第一熔断器元件18，其中第一外部端子10a和第二外部端子10b连接于具有单极HVDC供电的外部直流电路，如图3A中所示。更具体地说，第一外部端子10a可为供电端子，其连接于单极HVDC供电的正端子，而第二外部端子10b可为负载端子，其连接于电负载的正端子。

在单极HVDC供电的情况下，还将容易认识到，第二外部端子10b和第三外部端子10c实际上可由导管组件内的第三内部端子26(在图3B中示意性地显示，其中n=2)(即，延伸穿过第二导管4b和第三导管4c的相邻壁，以使第三内部端子的一部分位于第二导管内，并且一部分位于第三导管内)替换，以使第二可熔断导体元件6b和第三可熔断导体元件6c可串联连接在一起，以限定在第一外部端子10a和第四外部端子10d之间延伸的单个熔断器元件。在该情况下，第一外部端子10a和第四外部端子10d可分别连接于外部直流电路的单极HVDC供电的正(+ve)端子和电负载的正端子，如图3B中所示。

图1和图2中所示的熔断器组件意图与包括双极HVDC供电的外部直流电路一起使用，如图3C中示意性地显示，其中n=2。更具体地说，第一外部端子10a可为供电端子，其连接于双极HVDC供电的正(+ve)端子，第二外部端子10b可为负载端子，其连接于电负载的正端子，第三外部端子10c可为负载端子，其连接于电负载的负(-ve)端子，并且第四外部端子10d可为供电端子，其连接于HVDC供电的负端子。图3C中所示的熔断器组件是用于利用双极直流供电的免于非对称故障电流的恰当保护的最基本形式。

当负载或故障电流流过熔断器组件1时，所有可熔断导体元件6a...6d串联连接，并且因此携带相同的电流。在图3C中所示的布置中，流过第一可熔断导体元件6a和第二可熔断导体元件6b(即，基本上U形的第一熔断器元件18)的电流具有正极性，而流过第三可熔断导体元件6c和第四可熔断导体元件6d(即，基本上U形的第二熔断器元件24)的电流具有负极性。可熔断导体元件6a...6d还经历电磁相互耦合。众所周知的是，具有沿相反方向流动的电流的平行导体经历相互排斥力。可归因于且环绕各个可熔断导体元件6a...6d的磁通量密度随着离元件的半径而相反变化，并且相关联的排斥力与间隔成反比，并且与电流成正比。在图4中显示了正方形阵列中的四个可熔断导体元件6a...6d上的磁通链和所得的力的相对大小的矢量关系，其中各个元件携带相同大小的电流。由可熔断导体元件6a...6d携带的相反的电流极性由行业标准符号●和x表示。在图1和图2中所示的熔断器组件中，电流沿着第一可熔断导体元件6a从第一外部端子10a流至第一内部端子12(即，如图2中所示从右至左进入纸张的平面中)，并且沿着第二可熔断导体元件6b从第一内部端子12流至第二外部端子10b(即，如图2中所示从左至右离开纸张的平面)。类似地，电流沿着第三可熔断导体元件6c从第三外部端子10c流至第二内部端子20(进入纸张的平面中)，并且沿着第四可熔断导体元件6d从第二内部端子20流至第四外部端子10d(例如，离开纸张的平面)。因此，可看到，可熔断导体元件6a...6d定向在导管组件2内，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流在与沿着与其相邻的可熔断导体元件流动的电流相反的方向上。

可归因于来自可熔断的第二导体元件6b的磁通量的、作用在可熔断的第一导体元件6a上的力以F₂标注，并且是相互排斥的。可归因于来自可熔断的第三导体元件6c的磁通量的、作用在可熔断的第一导体元件6a上的力以F₃标注，并且是相互排斥的。可归因于来自可熔断的第四导体元件6b的磁通量的、作用在可熔断的第一导体元件6a上的力以F₄标注，并且是相互吸引的。作用在可熔断的第一导体元件6a上的矢量合成的力以F标注。由于对称，故作用在可熔断的第二、第三和第四导体元件6b…6d上的矢量合成的力具有相等的大小，并且也以F标注。所有四个可熔断导体元件6a...6d经历相互排斥力，并且可显示，当四个可熔断导体元件以与图4中所示的正方形阵列相对的矩形阵列设置时，该相互推斥为类似有效的。下面更详细地描述该相互排斥力的优点。在非对称故障的情况下，接着矢量关系将是不同的。更具体地说，两个受到故障影响的可熔断导体元件中的电流支配两个未受故障影响的可熔断导体元件中的电流，其实际上减小了，因为负载仅经历其正常供电电压的一半。

各个导管4a...4d由结构的且电绝缘的复合材料构成，该复合材料与液体电介质相适应。显示了玻璃增强的环氧树脂角度轮廓，并且成对地利用环氧树脂粘合在一起，以便形成各个管状导管。可选地，可使用单件箱式轮廓。导管4a...4d用环氧树脂粘合在一起。导管4a...4d还粘合于张力卷绕的玻璃纤维增强的环氧树脂条带系统28，其用于在当导管暴露于比它们的环境更高的液体压力时的条件下确保结构完整性。条带系统28可卷绕在填密片(未显示)上面，以便给予带一曲率，该曲率对于将其拉力负载转变成在导管的外壁上的径向(防破裂)力是必要的。在其它情况下，导管4a...4d的平壁可具有足够的刚度，以承受与内部压力相关联的弯矩而不挠曲，并且使用条带，以便刚性地压缩单独导管构件的配合边缘，其形成了完整的导管组件2。

参照图2，可看到，对于它们的基本上整个长度而言，可熔断导体元件6a...6d基本上平行于熔断器组件2的纵向轴线。它们端接的端部利用机械应变消除件30紧固于各种外部端子10a...10d和内部端子12,20的螺纹部分。可熔断导体元件6a...6d压缩在应变消除件30的配合部分之间。应变消除件30的极端具有半径，以便在可熔断导体元件进入应变消除件的地方避免点接触和应力集中。应变消除件30设置为使得各个可熔断导体元件6a...6d的两端经由足够半径的直角弯曲过渡到端子中，以减弱在操纵和服务期间的冲击影响，以及在熔断器元件和导管温度的变化期间的差别热膨胀。

一个或更多个中间支承件(未显示)可用于将可熔断导体元件6a...6d支承在它们的端接端部之间。可使用任何方便的中间支承器件，其优选地布置成使得可熔断导体元件6a...6d和相关联的支承件分开，以基本上防止支承件热分解并形成低电阻率路径，其使来自电弧的电流转向。

虽然许多线材料可用于可熔断导体元件6a...6d，但是优选的线材料是奥氏体不锈钢级304或具有显著的正热电阻系数的其它合金。该特别的线具有有利地高的电阻率、有利地高的正温度电阻系数、足够的机械强度和疲劳阻力，已经显示出对优选的液体电介质的热分解不施加显著的催化效应，并且已经显示出当在优选的最大连续工作温度下浸没在优选的液体电介质中时是耐腐蚀的。线的优选的最大连续工作温度是大约150°C。液体电介质的优选的最大连续工作温度是大约70°C。

可熔断导体元件6a...6d的电阻与耗散相关联，并且因为使用了物理上长的(但“折叠的”)熔断器元件，所以耗散是显著的，并且影响外部直流电路中的设备的效率。因为本发明的熔断器组件1典型地意图与具有相对于HVDC供电电压的相对低额定功率的设备一起使用，并且更具体地说，与具有高额定功率(例如典型地>3MW)的功率转换设备的辅助电源一起使用，对总功率转换系统效率的影响是不成比例地低的，并且是完全可接受的，尤其当考虑到熔断器组件1的简单性时。通过减小预放电故障电流并且因此减小在电弧放电期间耗散的电感能量，可熔断导体元件6a...6d的预放电电阻施加了有利的影响。预放电电流和电弧放电能量的减小显著地有利于熔断器组件1的操作。

通过增大它们的长度，接着使各个可熔断导体元件弯曲成蛇形或螺旋形形式而可进一步增大可熔断导体元件6a...6d的电阻。出于以上描述的相互排斥力的目的，具有蛇形或螺旋形形式的此类可熔断导体元件仍将被认为基本上沿着熔断器组件1的纵向轴线延伸。更具体地说，各个蛇形或螺旋形可熔断导体元件的中性轴线将基本上平行于熔断器组件1的纵向轴线。当接近预放电阶段的结束时，增大的可熔断导体元件的电阻将有利于限制故障电流。类似地，在电弧放电阶段的早期阶段，蛇形或螺旋形形式的电弧的增大的电弧电压将有利于限制故障电流。认可的是，电弧将迅速地再对准，以遵循端子之间的最短路径，所以电弧长度将随着再对准过程而缩短。在螺旋形形式的情况下，接着各个可熔断导体元件可卷绕在其相关联的蓄能器周围，或者基本上环绕其相关联的蓄能器。然而，电弧放电不应导致相关联的蓄能器在特别的可熔断导体元件的端子之间形成低电阻电气路径。

通过将熔断器组件1与至少一个电阻器串联连接可进一步减少预期的故障电流，这还可受益于液体电介质中的浸没。

在使用时，熔断器组件1的纵向轴线优选是基本上水平的。导管组件2完全浸没在液体电介质中，并且器件必须提供成确保各个导管4a...4d基本上填充有液体电介质，而空气基本上被取代，即，组件必须是自渗出的。因此，液体电介质通过管32供应成进出导管4a...4c，这可受益于泵送的强制循环或对流循环。如果熔断器组件1不在使用时安装成具有基本上水平的其纵向轴线，则可添加用于液体电介质的附加出口，以帮助自渗出过程。

可熔断导体元件6a...6d在使用时固有地经受电阻加热，并且受益于局部的对流冷却，因为当其纵向轴线为基本上水平的时，重力垂直于各个元件的纵向轴线。因此，可熔断导体元件6a...6d相对于周围液体电介质的温度上升是基本上均匀的并且是有限的，而周围液体电介质自身相对于周围导管和之后相对于环绕导管的液体电介质经受温度上升-熔断器组件1可放置在填充有液体电介质的储槽或外壳(未显示)中。在导管4a...4d的外表面上面和穿过装管的入口和出口32的自然对流可足以限制导管内的液体电介质的温度上升并使其均匀，并且这是优选的。如果熔断器组件1浸没在用于强制循环的其它设备的储槽或外壳中，则穿过导管4a...4d的流可来源于该强制循环系统。

入口管和出口管32优选具有足够小的孔口，以防止显著的或不受控制的液体电介质的流出，以及由于电弧放电期间形成的气体压力而引起的其气态分解副产物。虽然当受到电弧放电的副产物污染时，在各个导管4a...4d内的端子之间的相应距离固有地足以承受灭弧之后的施加的电压，但是如果周围液体电介质类似地被污染，则在导管组件2的端部处的外部端子10a…10d的暴露的金属表面之间的相应的间隙(视线)和漏电(痕迹)距离可不足以避免闪络。更具体地说，由于电弧放电引起的任何流出可包含夹带在流中的电离或电阻或传导成分，并且在导管组件2的端部处的跟着发生的闪络风险优选通过隔离的管路线来消除。当熔断器组件1浸没在用于其它设备的储槽或外壳中时，或者当其它设备共享公共液体电介质储池时，器件还优选提供成从大量液体电介质中过滤或沉积或另外分离这些副产物。

导管4a...4d的端板优选是可除去的，以便容许可熔断导体元件6a...6d连接于它们相应的端子。端板还优选以压力密闭方式密封于导管4a…4c的端部。任何合适且方便的固定布置可用于将端板紧固于导管4a...4d的端部，并且提供必要的结构完整性，只要不损害在端子10a…10d之间的电绝缘。在图5至7中显示了合适的固定布置的三个示例。图5中所示的第一固定布置使用任何合适的数量和尺寸的双头螺栓34，其拧入到导管4a...4d的端面36中。凸出的双头螺栓34的端部容纳在设在端板38a，38b中的对应地对准的开口中，并且合适的螺母和垫片用于将端板紧固于导管4a...4d，并且提供压力密闭的密封。在图6中所示的第二固定布置中，端板40a，40b通过横向部件42a，42b压缩到导管4a...4d的端面36上，横向部件42a，42b通过定位在导管组件2外部的支承杆44而被电隔离压缩。支承杆44使用合适的螺母和垫片紧固于横向部件42a，42b。图7中所示的第三固定布置可由第二固定布置改变而来，其中端板(只显示了一个端板46a)定大小成使得支承杆44可直接紧固于端板，从而省去横向部件。无论使用什么固定布置，附加密封器件(诸如o型环密封件(未显示)或非永久密封剂(未显示))可用于填充可存在于导管和端板的表面不规则之间的小空间。端子衬套48和端板以及它们的固定器可适合于实现规定的压力密闭的结构完整性和绝缘完整性。

带有外部端子10a...10d的端板包括四个衬套48，其尺寸和形式适合于设计的工作电压。如所示，玻璃增强的环氧树脂或其它合适的复合材料的圆形横截面衬套48可用环氧树脂粘合于端板，而该粘合的界面通过适当地张紧端子接线柱而被附加地压缩，该端子接线柱穿过衬套和端板。在衬套48内且与其接触的端子接线柱50的表面(图7)可定尺寸、定轮廓或另外改变和用环氧树脂粘合，以降低接线柱的意外旋转的风险，并防止来自导管内的液体电介质和气体的不受控制的泄漏。衬套48的外面可并入梭道(shedding)。

如以上所述，导管组件2优选能够承受特别的内部压力，而液体电介质和气体的流出被入口管和出口管32控制。该特别的内部压力必须不被超过，并且可通过位于导管4a...4d内的可折叠的充气式蓄能器8a…8d执行必要的内部压力的调节。

在安装时，以及在熔断器组件1的正常工作条件期间，充气式蓄能器8a…8d是内部加压的，并且在图1中所示的布置中，在没有任何外部液体电介质加压的情况下具有圆筒形的横截面。各个蓄能器8a…8d包括弹性管道，其在处于标准大气压时收缩或粘合或压缩(未显示压缩环或其它装置)到两个端部插头上，从而产生气密性的子组件，其内部压力之后被周围液体电介质的温度和压力影响。弹性体管道的柔性使得其内部压力基本上等于周围液体电介质的压力。端部插头具有内螺纹，其适应接线柱固定器。蓄能器8a…8d以如下方式紧固于端板，该方式防止由于之前上述原因而发生的液体电介质的泄漏。

当可熔断导体元件6a...6d熔化并且建立电弧时，接着密度高的热引起周围液体电介质的化学分解，并且迅速地形成了包围电弧的气泡。在气泡的体积和压力与耗散在电弧中的能量之间的关系的理解允许限定安装的蓄能器8a…8d的体积，以便调节紧接在电弧放电之后存在于导管4a...4d中的峰值压力，使得保持导管组件2的压力密闭的结构完整性。蓄能器8a…8d的体积可增大，以使熔断器组件1适应增大的电弧能量和/或减小的导管压力。受控制的导管4a...4d的加压对于灭弧过程是有利的。

图8显示了可选布置，其中各个蓄能器52a，52b在没有端子衬套的情况下延伸穿过端板54。虽然蓄能器的直径可调整成控制导管4a...4d的内部压力，但存在如下可能性，即，蓄能器的直径可足够大，以对导管的横截面施加不合理的影响，从而增大熔断器组件的总体大小。该可选布置使用导管所占据的空间之外的蓄能器52a，52b的连续。虽然在相关联的导管内的各个蓄能器52a，52b的区段的体积可仅仅折叠成接近零的内部体积，但是能够在内部压力下这样做，该内部压力取决于在相关联的导管外部的各个蓄能器的区段的体积。如所示，在导管外部的各个蓄能器的区段可被密封，或者其可通向大气或任何方便的室，从而便于对相关联的导管内的峰值压力的一定程度的控制。如图8中所示，蓄能器52a，52b通过插入刚性或可压缩的套圈56而密封于端板54，从而将各个蓄能器的弹性体壁压缩在端板中的相应的孔的孔口和外径或套圈之间。然而，可使用其它密封方法，例如螺纹配件，并且这些密封方法可被附加地使用，以容许任何方便形式的外部管道系统连接于各个蓄能器52a，52b的端部。至外部管道系统的该连接可附加地并入任何方便形式的限流口。如在入口管和出口管的情况下，优选使用隔离的管。

图9显示了另一个可选布置，其中各个蓄能器58a…58d呈基本上平的弹性体片或隔膜的形式。各个蓄能器58a…58d优选呈现安装时的矩形横截面，并且可为结构整装的，即具有四个纵向面和两个端面，它们粘合或另外紧固和密封于彼此，或者可使用相关联的导管壁作为其结构的一部分。如图9中所示，矩形的壁框架60粘合于导管壁，并且平的弹性体片62接着粘合于壁框架。任何方便的构造方法可被使用。相对于导管体积，具有矩形横截面的导管4a…4d可用于最大化蓄能器58a…58d的体积。该类型的蓄能器还最大化蓄能器的可变形的表面面积，其在与相关联的可熔断导体元件6a...6d通信的视线中，同时以如下方式最小化视线距离，该方式有利于减轻从电弧辐射的冲击波的影响。

各种蓄能器可通过任何方便的方法加压，并且蓄能器永久变形或者由于熔断器组件的操作而被损坏将是可接受的。除了其中可熔断导体元件卷绕在相关联的蓄能器周围的任何布置之外，通常的情况将是，在蓄能器材料和导管内的可熔断导体元件之间的物理分开将足以在电弧放电期间为蓄能器提供显著的热保护。

将容易认识到，可熔断导体元件和蓄能器是此类熔断器组件1的可消耗构件，并且虽然此类熔断器组件典型地意图是可修理的，但是将不预期在其寿命内中断许多操作上的故障。

图1和图2中所示的熔断器组件提供了方便、成本有效且实际的布置，该熔断器组件带有四个可熔断导体元件6a...6d和具有矩形横截面的导管4a...4d。但其它布置也是可行的。例如，上述总原理可应用于任何偶数的可熔断导体元件，只要可熔断导体元件串联连接在一起以限定至少一个熔断器元件，并定向在熔断器组件内，使得它们经历相互排斥力。可熔断导体元件必须基本上沿着熔断器组件的纵向轴线延伸。可熔断导体元件还必须围绕熔断器组件的纵向轴线周向地间隔，例如对于四个元件，它们优选布置在正方形或矩形阵列的各个顶点处，对于六个元件，它们优选布置在六边形阵列的各个顶点处，并且对于任何合适的多边形阵列也是如此，其具有与可熔断导体元件的总数相同的边数。在熔断器组件具有六个可熔断导体元件的情况下，接着它们可全部串联连接在一起以限定一个熔断器元件(适合于单极HVDC供电)，或者三个可熔断导体元件可连接在一起以限定第一基本上蛇形形状(或“折叠”)的熔断器元件，并且三个可熔断导体元件可连接在一起以限定第二基本上蛇形形状的熔断器元件。在该情况下，因为各个熔断器元件包括奇数的可熔断导体元件(即，n=3)，接着双极直流供电的非对称的故障电流将不受益于受故障影响的可熔断导体元件的相互推斥力，但其为适合于单极直流供电和对称故障电流情形的组件。不同于图1和图2中所示的熔断器组件，第一和第四外部端子将位于熔断器组件的一个端部处，而第二和第三外部端子将位于熔断器组件的另一个端部处。

导管不限于矩形横截面。例如，可使用具有圆形横截面的导管。此类导管可固有地更能容忍内部压力，并且在矩形导管的情况下使用的外部条带不是必需的，并且可任选地省略。在四个导管之间存在中心空间，并且是图7中所示的第三固定布置的衍生物，电绝缘的支承杆可插入穿过该空间，以将端板压缩到圆形导管的端面上。放出孔可位于两个端板中，与中心空间的顶部和底部对准，以便允许中心空间填充有液体电介质。在这些特别的放出孔上不需要通风管，因为中心空间不经受电弧放电和压力。对于圆形横截面导管，内部端子可凹陷到导管壁中形成的平座部中，或者可使用隔片，其提供了平座部并且与导管壁的内表面相符。此类特征将设计成对圆形导管的破裂强度具有最小的影响。可根据需要使用其它导管横截面。

熔断器元件、应变消除件和端子可受益于任选的静电屏蔽罩，其构造成抑制表面放电和传导流的潜在形成，该潜在形成可扩散并导致这些构件之间的击穿。在图10中显示了一种可能的屏蔽罩布置，但将容易认识到，合适的屏蔽罩元件可与上述熔断器组件中的任一个一起使用。在图10中，已经省略了熔断器组件的某些构件(例如蓄能器)，以使静电屏蔽罩能够被清楚地看到。最易于受表面放电影响的构件是基本上平行延伸的可熔断导体元件6a...6d，其横截面尺寸基本上小于熔断器组件内的可熔断导体元件之间的相应间距。因此，各个可熔断导体元件6a...6d设有对应的静电屏蔽罩70a…70d，其由金属化的聚丙烯薄膜形成。在可熔断导体元件的对应端部处，金属化薄膜71a…71d通过任何方便的手段电连接于端子10a，10b，10c，10d，12和20。金属化屏蔽罩因此与对应的可熔断导体元件并联地电连接。

在其端部末端处，各个静电屏蔽罩70a…70d的表面关于对应的可熔断导体元件6a...6d的轴线形成了半径r，并且通过由恰当成形的末端保持张力而基本上沿着屏蔽罩的长度保持该轮廓。由于其与对应的可熔断导体元件的电并联连接，故各个屏蔽罩的金属化表面采用轴向的电压分布，当熔断器组件在低于其切断容量的电流下操作时，其基本上相当于沿着对应的可熔断导体元件的电压分布。金属化相对于其电阻率和横截面积是足够薄的，以便携带电流，其是在对应的可熔断导体元件6a...6d中流动的小比例(典型地小于1%)的电流。就此而言，熔断器组件的熔断器预放电特性由可熔断导体元件6a...6d的预放电特性支配，并且基本上消除了金属化中的过早断裂或电阻不稳定性的风险。金属化和薄膜成分可与金属化聚丙烯薄膜电容器中使用的成分是相同的。半径r选择成最小化屏蔽罩之间的液体电介质中的电场增强因素。

在延长的热超负载或在负载下的低电阻故障的应用之后，可熔断导体元件6a...6d将熔化并断裂，并且将沿着它们的长度建立电弧。在熔化和电弧建立期间，在各个可熔断导体元件6a...6d的端部处的端子之间将存在对应增大的电压降，从而导致金属化屏蔽罩中的电流增大和金属化屏蔽罩断裂。屏蔽罩因此是第二可熔断导体元件。

熔断器组件的可折叠的蓄能器还暴露于在可熔断导体元件(和使用时的屏蔽罩)之间的一定比例的电压，并且可遭受内部放电。任选地，蓄能器的弹性体壁材料可并入非线性的电阻应力分级特征，以便抑制内部表面放电。蓄能器可任选地填充有放电抑制气体，例如六氟化硫。还可选择蓄能器的位置，以便减少它们对任何电场的暴露。由于电弧放电而形成的气泡可具有由可折叠的蓄能器调节的其压力，该可折叠的蓄能器位于绝缘材料导管内的任何方便的位置。

Claims (15)

1. 一种熔断器组件(1)，包括：

2n个可熔断导体元件(6a，6b)，其中n是整数，所述可熔断导体元件(6a，6b)基本上沿着所述熔断器组件(1)的纵向轴线延伸，并且围绕所述纵向轴线周向地间隔；

其中所述可熔断导体元件(6a，6b)串联连接在一起，以限定熔断器元件(18)，所述可熔断导体元件(6a，6b)定向在所述熔断器组件(1)内，使得沿着各个可熔断导体元件(6a，6b)流动的电流处于与沿着与其相邻的所述可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向；

所述熔断器组件(1)还包括：

供电端子(10a)，其连接于所述熔断器元件(18)的端部，并且能够连接于直流供电；和

负载端子(10b)，其连接于所述熔断器元件(18)的相对端，并且能够连接于电负载。

2. 一种熔断器组件(1)，包括：

2n个可熔断导体元件(6a...6d)，其中n是整数，所述可熔断导体元件(6a...6d)基本上沿着所述熔断器组件(1)的纵向轴线延伸，并且围绕所述纵向轴线周向地间隔；

其中第一熔断器元件(18)由串联连接在一起的n个可熔断导体元件(6a，6b)限定，并且第二熔断器元件(24)由串联连接的n个可熔断导体元件(6c，6d)限定，所述可熔断导体元件(6a...6d)定向在所述熔断器组件(1)中，使得沿着各个可熔断导体元件流动的电流处于与沿着与其相邻的所述可熔断导体元件或多个可熔断导体元件流动的电流相反的方向；

所述熔断器组件(1)还包括：

第一供电端子(10a)，其连接于所述第一熔断器元件(18)的端部，并且能够连接于直流供电；

第一负载端子(10b)，其连接于所述第一熔断器元件(18)的相对端，并且能够连接于电负载；

第二供电端子(10d)，其连接于所述第二熔断器元件(24)的端部，并且能够连接于所述直流供电；以及

第二负载端子(10c)，其连接于所述第二熔断器元件(24)的相对端，并且能够连接于所述电负载。

3. 根据权利要求1或权利要求2所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述可熔断导体元件(6a...6d)围绕所述熔断器组件(1)的纵向轴线基本上相等地间隔。

4. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述可熔断导体元件是圆形的线元件(6a...6d)或箔片元件。

5. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述可熔断导体元件(6a...6d)是基本上笔直的，并且与所述熔断器组件(1)的纵向轴线基本上平行。

6. 根据权利要求1至4中的任一权项所述的熔断器组件，其特征在于，所述可熔断导体元件具有蛇形或螺旋形形式，各个可熔断导体元件的中性轴线与所述熔断器组件的纵向轴线基本上平行。

7. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，包括以正方形或矩形阵列布置的四个可熔断导体元件(6a...6d)。

8. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，浸没在液体电介质中。

9. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，各个可熔断导体元件(6a...6d)定位在对应的导管(4a...4d)内。

10. 根据权利要求9所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述导管(4a...4d)填充有液体电介质。

11. 根据权利要求9或权利要求10所述的熔断器组件(1)，其特征在于，还包括定位在各个导管(4a...4d)内的可折叠的蓄能器(8)。

12. 根据权利要求8所述的熔断器组件(1)，其特征在于，还包括至少一个可折叠的蓄能器(8)。

13. 根据权利要求9至11中的任一权项所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述导管(4a...4d)的端部通过端板(38a，38b；40a，40b；46a)密封。

14. 根据权利要求13所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述端板包括小开口，通过所述细小开口，液体电介质可以任选地通过入口管和出口管(32)供应至所述导管(4a...4d)，并从所述导管(4a...4d)中除去。

15. 根据任何前述权利要求所述的熔断器组件(1)，其特征在于，所述可熔断导体元件(6a...6d)通过压缩触头连接于所述端子，所述压缩触头并入应变消除件(30)。