CN105280451A - 一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，该熔断器包括两端设置有铜帽的壳体，所述壳体内设置有连通两个铜帽的熔体单元，所述壳体内填充有石英砂；所述熔体单元包括熔体，所述熔体上设置有熔点低于熔体的金属或合金。本发明熔断器结构简单、合理、紧凑，采取冶金效应结合多断口的设计提高了开断能力，采取石英砂填充以及熔体两端连接拉伸状态弹簧增强了熔断器的灭弧能力，实现了大电流故障下断口处切断电路，短路故障下熔体直接切断电路的限流保护功能。该熔断器开断能力强，灭弧效果好，将其设置在臭氧发生器放电单元一侧，可以有效地规避因过流，短路等故障损坏臭氧发生器的风险。

Description

一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器

技术领域

本发明涉及熔断器技术，尤其涉及一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器。

背景技术

臭氧的产生是利用介质阻挡放电技术，在高压条件下将氧气电离，再将氧原子与氧气合成臭氧分子。介质阻挡放电属于电晕放电，放电过程中，气体部分离子化，并发出淡蓝色辉光产物。

一台大型的臭氧反应器是由多个放电单元组成，每个放电单元的制作工艺要求较高。经实验分析，单个放电单元正常工作时有功电流不大，若出现过电流或短路等故障，且未及时切除，不仅影响单个放电单元的工作状态，而且影响臭氧发生器电源及变压器的工作状态，进而波及其他放电单元，严重会导致臭氧发生器停机。因此，对每个放电单元加以熔断器保护是必不可少的。具体实验分析如下。

熔断器串联在变压器二次侧回路中，二次侧电压通过调压器调节到最大值7kv，电源频率设置8.7kHz，占空比为25。分别统计不同负载工作时变压器二次侧的电流。统计表如表1所示。

表1二次侧电流、负载功率变化表

负载功率(W)	200	400	600	800	1000
						二次侧电流有效值(A)	0.73	0.9	0.95	1.07	1.14
二次侧电流最大值(A)	1.45	1.68	1.84	2	2.08

实验结果：

分析：二次侧有功功率为200W时，电压为最大值为7kv，有效值 $U=\frac{U_{max}}{\sqrt{2}}=\frac{7000}{\sqrt{2}}=4.95kv\≈5kv,$ 则有功电流

由表1每增加一根放电管电流有效值的差值估算出1根放电管工作时二次侧电流约为0.1A，即I_二次≈0.1A。

根据：

分析可知：二次电流中无功电流占有很大比例，有功电流分量很小。因此臭氧发生器领域单根放电管熔断器设计考虑的是小电流设计。

国内外对于熔断器技术的研究与应用多在电力系统领域，应用在臭氧发生器领域的熔断器相关文献介绍不多。但是已有的熔断器技术也可以应用在臭氧发生器领域的熔断器。电力系统中熔断器的设计用来保护电力变压器，同样，臭氧发生器中所用高频变压器以及臭氧发生器电源也需要熔断器的保护。电力变压器和高频变压器的区别之一在于工作频率不一样，电力变压器的频率为工频50Hz，臭氧反应器工作在高频9kHz左右，气体放电时，变压器二次侧会产生大量微放电电流脉冲，毛刺电流的频率一般在MHz级别，高频条件下，高频毛刺电流流过熔断器会产生集肤效应。由于集肤效应的影响，较小的高频电流可以引起熔断器较高温升，温度升高到一定阶段，熔体开始熔断。因此，熔断器的设计需要考虑集肤效应对熔体温升的影响。

根据实验验证了高频高压条件下毛刺电流产生的集肤效应会使温升略高于直流条件下相同电流引起的温升。具体实验如下。

单根放电管测试二次侧电流较小，引起熔体温升不明显，因而选择测试五根放电管同时工作时熔断器温度时间特性。五根放电管工作时变压器二次侧电流为0.5A，熔断器串联在变压器二次侧。对比直流条件下电流为0.5A的温度时间特性。并做出熔断器温度时间特性曲线如图2所示。

由图2可以看出，相同电流时，高频熔体温升高于直流熔体温升，说明高频条件下集肤效应影响导体温升。其理论分析如下。

直流条件下导体电阻的计算公式为：

$R_Z=\frac{\mathrm{\ρ}l}{S}$

高频条件下导体电阻的计算公式为如下，出自《工程电磁兼容》148页。

$R_j=\frac{\mathrm{\ρ}l}{2\mathrm{\π}a\mathrm{\δ}}$

式中ρ为电阻率，l为导线长度，a为导线半径，δ是集肤深度。高频条件下铜导线的集肤深度为

$\mathrm{\δ}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\ω}\mathrm{\μ}}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{\mathrm{\π}f\mathrm{\μ}}}$

进而推导出：

$R_j=\frac{\mathrm{\ρ}l}{2\mathrm{\π}a\mathrm{\δ}}=\frac{l\sqrt{f\mathrm{\μ}\mathrm{\ρ}}}{3.5a}$

本实验中频率f＝8.7kHz，铜的电阻率为ρ＝1.7×10^-8Ω·m，μ为磁场的磁导率，取μ＝4π×10^-7H/m，导体半径选择a＝0.04mm。

直流条件下的电阻值：

$R_Z=\frac{\mathrm{\ρ}l}{S}=3.38l\mathrm{\Ω}$

由于臭氧发生器容性负载的非线性，电流中的高频谐波分量幅值大，根据实验测得变压器二次侧电流频谱图得知毛刺电流频率15MHz，高频条件下电阻值计算如下：

$R_j=\frac{\mathrm{\ρ}l}{2\mathrm{\π}a\mathrm{\δ}}=4.04l\mathrm{\Ω}$

由计算结果可以看出高频条件下导体电阻大于直流条件下导体电阻。

导体电阻发热公式Q＝I²Rt

这也是高频条件下熔体温升高于直流条件熔体温升的原因。因此确定熔断器的额定电流和熔化电流值时需要考虑高频条件下集肤效应引起熔丝表面温升的影响。

目前国内臭氧发生器领域熔断器产品设计多为结构简单的壳体加熔体，仅依靠熔体本身的熔断，切断故障电路，因而开断能力不高。同时，部分现有熔断器没有采取相应的灭弧措施，导致限流保护能力大大减弱。在高压条件下现有熔断器会出现拉弧现象，直接影响了臭氧发生器的正常工作。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述现有熔断器开断能力不强，灭弧效果不好的缺点，提出一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，该熔断器可以有效地切断故障电流，良好地灭弧，进而规避放电单元因过流，短路等故障损坏臭氧发生器的风险。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，包括两端设置有铜帽的壳体，所述壳体内设置有连通两个铜帽的熔体单元，所述壳体内填充有石英砂；所述熔体单元包括熔体，所述熔体上设置有熔点低于熔体的金属或合金。

进一步地，所述熔体单元还包括弹簧，所述弹簧和熔体间隔设置，所述弹簧和熔体连接处设置熔点低于熔体的金属或合金，所述弹簧处于拉伸状态。

进一步地，所述熔体为单质铜或铜合金，所述熔点低于熔体的金属为锡，所述熔点低于熔体的合金为锡合金。

进一步地，所述壳体为陶瓷管或环氧树脂管。

进一步地，所述熔体大于等于两段。

进一步地，所述弹簧为三段，所述熔体为两段，即所述熔体单元为顺次连接的弹簧、熔体、弹簧、熔体和弹簧。上述结构两段熔体和三段弹簧连接在一起，形成四处断口，独特的多断口设计提高了熔断器的开断能力。

进一步地，所述熔体单元两端弹簧通过铜片与铜帽压紧，即将连接铜片压紧在铜帽与壳体之间。

进一步地，所述熔体为铜合金。

进一步地，所述铜帽上设置有用于与臭氧发生器电极连接的螺母，具体地，所述螺母内侧车有与螺丝杆配合的螺纹，所述螺丝杆与臭氧发生器电极连接。

进一步地，所述壳体长150-300mm，优选为200-280mm，更优选为240mm；所述壳体外径为10-20mm，优选为12-18mm，更优选为15mm；所述壳体厚度为1-3mm，优选为1.5-2.5mm，更优选为2mm；每段所述熔体长度为40-70mm，优选为50-60mm，更优选为55mm；所述熔体直径为0.05-0.1mm，优选为0.06-0.09mm，更优选为0.08mm。

进一步地，所述石英砂填充率为85％-95％，优选为87-92％。

本发明公开了一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其结构简单、合理、紧凑，与现有技术相比较具有以下优点：

(1)本发明采取冶金效应技术，在熔断器中熔体上设置熔点低于熔体的金属或合金(熔体上直接设置或在弹簧和熔体连接处设置)。以降低熔体的熔点，出现过载电流时，温度先达到熔点低于熔体的金属或合金的熔点，熔点低于熔体的金属或合金熔化并扩散至熔体内，使该部分电阻变大，加快熔体熔断，从而切断电路。实现过载电流条件下断口处切断，短路条件下熔体直接切断的功能。例如当熔体为单质铜，熔点低于熔体的合金为锡，单质铜的熔点是1080℃，锡的熔点在220℃左右，锡点能降低断口处熔体的熔点，经实验测得点有锡点的铜熔体在180℃左右可以熔断。

(2)本发明熔断器可由一段熔体组成，也可包括多段熔体和多段弹簧，通过冶金效应在弹簧与熔体的连接出形成多处断口。相同故障电流下，多断口故障电流切除时间小于单断口以及无断口故障电流切除时间。因此多断口的设计提高了臭氧高频放电单元保护用限流熔断器的开断能力，增强了熔断器及时切断电路的性能，确保了放电单元安全可靠的运行。

(3)本发明熔断器间隔设置拉伸弹簧，一方面若出现故障电流，断口处切断电流或者熔体直接切断电流的同时，处于拉伸状态的弹簧迅速收缩回来，可以有效避免拉弧现象发生；另一方面由于臭氧反应器电极在放电单元内部，考虑到熔断器的安装，需要适当加长熔断器长度。若熔体过长熔断器阻值较大，温升较快，易于熔断，相同长度弹簧比熔体电阻值小很多，既可以限制熔断器的温升，也可以起到连接作用，还可以有效的灭弧，一举多得。

(4)本发明熔断器的壳体内填充有石英砂，石英砂熔点高，单位质量吸收的电弧能量高，若出现短路故障时，在短路电流未达到峰值之前，通过石英砂的灭弧能力，将短路电流限制在了峰值以下，起到限流保护的功能。以及利用弹簧防止拉弧现象的发生。

综上，该熔断器开断能力强，灭弧效果好，将其设置在臭氧发生器放电单元一侧，可以有效地切断故障电流，规避因过流，短路等故障损坏反应器的风险。

附图说明

图1为本发明臭氧高频放电单元保护用限流熔断器的剖视图；

图2为熔断器温度时间特性曲线；

图3为熔断器与放电单元电极连接剖面示意图。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明进一步说明：

实施例1

本实施例公开了一种能在故障状态下及时切断电路的臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其结构如图1所示；同时也公开了部分反应器电极的结构，如图3所示。包括圆柱形壳体3，该壳体3为环氧树脂管。所述圆柱形壳体3两端分别通过铜帽2压紧，两个铜帽2上均设置有螺母1，螺母1内侧车有与螺丝杆12配合的螺纹，螺母1通过螺丝杆连接臭氧反应器内的铜杆10连接，铜杆10连接反应器电极11。所述壳体3长度是根据熔丝管最小长度要求确定的，熔丝管的长度为240mm，壳体的截面根据机械强度的要求选取，外径为15mm，壁厚2mm。

壳体3内设置有连通两个铜帽的熔体单元，所述熔体单元包括间隔设置的三段弹簧6和两段熔体4，即所述熔体单元为顺次连接的弹簧、熔体、弹簧、熔体和弹簧，所述熔体4为铜合金。所述弹簧6和熔体4之间通过锡点5固定，所述熔体单元两端的弹簧6通过铜片与铜帽2压紧，所述弹簧6位于拉伸状态。上述结构两段熔体4、三段弹簧6顺次连接形成四处断口，独特的多断口设计提高了熔断器的开断能力。

根据实验数据分析以及熔体熔化电流的经验公式，为熔断器熔体的线径选取提供了参考依据，确定了熔体4最佳直径为0.08mm。

熔体4直径的计算过程如下：

熔体的最小熔断电流与熔体的额定电流之比称为最小熔化系数。一般为1.1-1.5。通常认为是1.25，即额定电流为1A的熔断器，电流为1.25A时不会断。

以下为熔断器选取的参考公式：

I_R≥(1.5-2.5)I_E

I_R：熔体额定电流。

I_E：放电管额定电流。

若放电管的额定电流为0.3A，则熔体的额定电流

I_R≥(1.5-2.5)×0.3＝0.45-0.75A

取I_R≥0.75A。

根据熔化系数的定义可知熔体的熔化电流

I_熔化≥0.75×(1.1-1.5)＝(0.82-1.2)A

取I_熔化≥1.2A。

因此放电管额定电流为0.3A时，熔体的熔化电流应设计不小于1.2A，同时考虑到集肤效应对熔体温升的影响，以及熔断器在180℃左右会熔断的温度标准，熔丝的熔化电流不宜选择较大。本发明熔体直径为选为0.08mm，熔化电流为1.45A，符合设计要求。

熔断器的温升主要来自熔体，熔体的长度影响熔体的发热状态，熔体太长发热严重，熔断器容易熔断。中间弹簧的设置一方面连接两段熔体，另一方面相同长度的弹簧阻值小于熔体的阻值，减少了温升。从而确定每段熔体长度为55mm。

所述壳体3内填充有填充率为90％的石英砂7，石英砂7既可以传递熔体4表面热量也可以起到灭弧的作用。

本实施例臭氧高频放电单元保护用限流熔断器采用冶金效应的技术，使熔体的熔点大为降低，经实验测得180℃左右熔体即可熔断。利用冶金效应形成多断口，提高了熔断器的开断能力。壳体内断口选择在熔体连接弹簧处，并且壳体内填充石英砂可以有效的灭弧，二者保证了良好的灭弧效果。确保了放电单元，变压器，电源安全可靠的运行。

经检测，本实施例臭氧高频放电单元保护用限流熔断器开断能力强，灭弧效果好，适合应用在臭氧发生器放电单元一侧。

实施例2

本实施例公开了一种能在故障状态下及时切断电路的臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其结构与实施例1结构基本相同，不同的是本实施例壳体为陶瓷管，且由于反应器内部电极位置不同，考虑到绝缘问题，需要改变熔断器长度，即熔体和壳体长度适当做出调整，所述壳体长260mm，外径18mm，厚度为2.5mm。所述熔体长65mm，直径为0.09mm。石英砂的填充率为92％。

实施例3

本实施例公开了一种能在故障状态下及时切断电路的臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，包括两端设置有铜帽的壳体，所述壳体内设置有连通两个铜帽的熔体单元，所述壳体内填充有石英砂；所述熔体单元包括熔体，所述熔体上设置有熔点低于熔体的金属或合金。所述熔体为单质铜，所述熔点低于熔体的金属为锡。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，包括两端设置有铜帽的壳体，所述壳体内设置有连通两个铜帽的熔体单元，所述壳体内填充有石英砂；所述熔体单元包括熔体，所述熔体上设置有熔点低于熔体的金属或合金。

2.根据权利要求1所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述熔体单元还包括弹簧，所述弹簧和熔体间隔设置，所述弹簧和熔体连接处设置熔点低于熔体的金属或合金，所述弹簧处于拉伸状态。

3.根据权利要求1或2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述熔体为单质铜或铜合金，熔点低于熔体的金属为锡，熔点低于熔体的合金为锡合金。

4.根据权利要求1或2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述壳体为陶瓷管或环氧树脂管。

5.根据权利要求2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述熔体大于等于两段。

6.根据权利要求2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述弹簧为三段，所述熔体为两段。

7.根据权利要求2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述熔体单元两端弹簧通过铜片与铜帽压紧。

8.根据权利要求1或2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述铜帽上设置有用于与臭氧放电单元电极连接的螺母。

9.根据权利要求1或2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述壳体长150-300mm；所述壳体外径为10-20mm；所述壳体厚度为1-3mm；每段所述熔体长度为40-70mm；所述熔体直径为0.05-0.1mm。

10.根据权利要求1或2所述臭氧高频放电单元保护用限流熔断器，其特征在于，所述石英砂填充率为85％-95％。