CN107430966B - 具有磁弧偏转的高电压紧凑型熔断器组件 - Google Patents

Abstract

熔断器块和熔断器座形式的熔断器组件包括嵌入永磁体电弧抑制特征，其便于可熔电路保护的更高电压操作而不增加熔断器组件尺寸。嵌入磁体将外部磁场施加在过电流保护熔断器上并且产生电弧偏转力以增强熔断器的灭弧能力而不增加其形状因数。

Description

具有磁弧偏转的高电压紧凑型熔断器组件

技术领域

本发明的领域大体上涉及电路保护装置，并且更具体地涉及用于接收过电流保护熔断器的熔断器组件，例如熔断器块和熔断器座装置。

背景技术

熔断器广泛用作过电流保护装置以防止对电路造成昂贵的损坏。熔断器端子典型地在电源和电部件或布置在电路中的部件的组合之间形成电连接。一个或多个可熔连接件或元件或熔断器元件组件连接在熔断器端子之间，使得当流动通过熔断器的电流超过预定极限时，可熔元件熔化并且打开通过熔断器的一个或多个电路以防止电部件损坏。

为了完成与外部电路的电连接，已提供各种熔断器块和熔断器座，其限定熔断器插座或隔室以接收过电流保护熔断器，并且设有线路和负载侧熔断器接触部件以通过熔断器中的可熔元件建立电连接。

鉴于电力系统在越来越大的系统电压下运行的趋势，以及鉴于保持尺寸形状因数等于或小于现有熔断器块和熔断器座的工业偏好，已知的熔断器块和熔断器座在一些方面是不利的并且需要改进。

附图说明

参考以下附图描述非限制性和非穷尽性实施例，其中在各种视图中相似的附图标记始终表示的相似的部件，除非另有说明。

图1是根据本发明的示例性实施例的包括配备有第一磁弧抑制系统的熔断器块的示例性熔断器组件的俯视图。

图2是图1中所示的熔断器块的部分端视图，示出了第一熔断器和磁体组件配置。

图3是根据本发明的示例性实施例的包括配备有第二磁弧抑制系统的熔断器块的另一示例性熔断器组件的俯视图。

图4是图3中所示的熔断器块的部分端视图，示出了第二熔断器和磁体组件配置。

图5是根据本发明的用于熔断器块的第三熔断器和磁体组件配置的部分端视图。

图6是根据本发明的用于熔断器块的第四熔断器和磁体组件配置的部分端视图。

图7是根据本发明的磁弧抑制系统的示意图，并且示出了其操作原理。

图8是包含图2中所示的第一熔断器和磁体组件配置的熔断器块的另一实施例的透视图。

图9是包含图4中所示的第二熔断器和磁体组件配置的熔断器块的另一实施例的透视图。

图10是包含图5中所示的第三熔断器和磁体组件配置的熔断器块的另一实施例的透视图。

图11是包含图6中所示的第四熔断器和磁体组件配置的熔断器块的另一实施例的透视图。

图12是根据本发明的包括磁弧抑制系统的示例性熔断器座的第一实施例的透视图。

图13是根据本发明的包括磁弧抑制系统的示例性熔断器座的第二实施例的透视图。

图14是在短路操作条件下的示例性过电流保护熔断器的截面图，其中电弧放电已开始。

图15是类似于图14的视图，但是示出了由根据本发明的磁弧抑制系统产生的熔断器的内部的电弧冷却效果。

图16是在过载操作条件下的图13中所示的过电流保护熔断器的另一截面图，其中电弧放电已开始。

图17是类似于图16的视图，但是示出了由根据本发明的磁弧抑制系统产生的熔断器的内部的电弧冷却效果。

图18是在过载操作条件下的另一过电流保护熔断器的截面图，其中电弧放电已开始。

图19是类似于图18的视图，但是示出了由根据本发明的磁弧抑制系统产生的熔断器的内部的电弧冷却效果。

具体实施方式

由于系统电压在诸如可再生能源、数据中心和采矿业等的各个工业部分中不断增加，因此一般地对电路保护制造商并且具体地对过电流保护熔断器制造商提出了实际挑战。所提出的挑战之一是在市场上提供具有增加的性能能力的熔断器和熔断器组件的期望增加，同时保持或减小熔断器和熔断器组件的现有形状因数(即，尺寸)。

例如，在现有技术的光伏(PV)应用中，电系统工作电压从600VDC增加到1000VDC，并且在一些情况下增加到1500VDC。在以常规方式保持现有熔断器和熔断器组件的形状因数的同时在这样的增加系统电压下操作过电流熔断器以中断电路是不足的，原因是在熔断器内经历的电弧能量比在设计使用具有现有形状因数的熔断器和熔断器组件的较低电压系统中严重得多。在不扩大熔断器或熔断器组件的尺寸的情况下有效地包含和耗散增加的电弧能量提出了超出现有的和常规的熔断器和熔断器组件的能力的实际挑战。

解决较高系统电压下的增加电弧能量问题(但在现有熔断器的形状因数限制内)的一种可能的方法是在熔断器元件构造中提供减小横截面面积的附加区域(通常称为“弱点”)。因此，在短路条件下在弱点位置处发生的电弧放电可以在更大数量的弱点上分配，每个位置处具有更高的电弧电压以限制和中断故障电流。然而，关于可以将多少个弱点设计到熔断器元件中存在实际限制，并且因此扩大弱点的数量不是在1000VDC或1500VDC的更高系统电压下响应短路条件实现令人满意的熔断器操作的有效解决方案。

对于设计用于响应电过载条件的熔断器，适应增加的电弧能量提出了现有熔断器组件中未能有效解决的进一步挑战。

在下文中描述熔断器组件(例如熔断器座和熔断器块)的示例性实施例，其解决了本领域中的以上问题，并且促进过电流保护熔断器的更高功率操作而不会使形状因数从现有水平相增加。熔断器座和熔断器块经由永磁体电弧偏转系统的提供在紧凑的尺寸中实现更高的电压操作。永磁体电弧偏转系统在接收在熔断器块或熔断器座中时生成跨过熔断器的主体的外部磁场。因此，在熔断器的主体的内部的可熔元件受到与由流动通过熔断器的电流产生的内部磁场组合的外部磁场。组合的外部和内部磁场产生机械力，响应该机械力，当熔断器元件操作或打开以中断电路时，这又导致电弧在熔断器主体的内部偏转或弯曲。这增加了电弧的冷却。因此，可以在不改变熔断器构造的情况下增强电弧抑制。

更具体地，电弧的弯曲和偏转可以定向成将电弧放电延伸到比电弧未被偏转或导致弯曲更冷的灭弧材料中，并且因此相同物理尺寸的熔断器可以在也具有与现有熔断器块和熔断器座相同的物理尺寸和形状因数的熔断器块和熔断器座中在高得多的电压下操作。可以以低成本的方式将磁体容易地应用于熔断器座或熔断器块，而不会增加熔断器座或熔断器块的形状因数。方法方面将在下面的描述中部分地显而易见并且部分地明确地讨论。

图1是熔断器块52的形式的示例性熔断器组件50的俯视图，其包括形成有底壁56和从底壁56的相对纵向边缘延伸的直立侧壁58、60的不导电壳体54。侧壁58、60大体上彼此平行地延伸并且包括位于中心的切口部分62和在其每一侧延伸以终止底壁56的相应端部边缘68、70的屏障部分64、66。侧壁58、60与底壁56组合限定在底壁56上方和侧壁58、60之间延伸的熔断器插座72。熔断器插座72大体上为长形，并且如图1中所示从顶部敞开和可接近，并且也从端部边缘68、70敞开和可接近。因而，熔断器块52可以被识别为开放型熔断器块。

底壁56设有在靠近端部边缘70的熔断器插座72的一侧上的第一熔断器接触端子74和在靠近端部边缘68的熔断器插座72的另一侧上的第二熔断器接触端子76的形式的一组熔断器接触端子。线路和负载侧端子78、80也邻近熔断器接触端子74、76设置，并且配置成用于连接到外部线路和负载侧电路。在预期的实施例中，熔断器接触端子74、76配置为弹性熔断器夹，并且线路和负载侧端子78、80配置成接收相应导线的剥离端部并用螺丝夹装置固定就位，如图所示。各种替代的终端结构和配置是已知的，并且可以在另外的和/或替代的实施例中被使用。

可去除的过电流保护熔断器82可以在侧壁58、60之间接收在熔断器插座72中，如图所示。在所示的示例中，过电流保护熔断器82包括由非导电材料制造的长形和大体圆柱形的壳体84，以及端帽或套圈86、88的形式的导电熔断器端子元件。熔断器壳体84的内部是可熔元件(在图1中未示出，但在下面进一步描述)，其由导电材料制造并且连接到和限定熔断器端子元件86、88之间的电流路径，并且通过暗示完成线路和负载侧端子78、80之间的电路，此时熔断器82接收在熔断器插座72中，相应的端帽或套圈86、88与熔断器接触端子74、76接合。

在预期的实施例中，可熔元件可以包括短路元件和/或过载熔断器元件，其被校准为响应指定的过电流条件而熔化、分解或以其它方式结构地不传导电流。可熔元件的结构故障产生熔断器端子元件86、88之间的开路，但是另外承受其它电流条件。可熔元件从完整的载流状态到非载流状态或打开状态的该操作期望地电隔离通过熔断器82连接的负载侧电路，并且保护负载侧电路免受另外可能由过电流条件导致的损坏。一旦熔断器82操作以打开或中断线路和负载侧端子78、80之间的电路，必须更换它以恢复线路和负载侧端子78、80以及关联的线路和负载侧电路之间的连接。

当可熔元件打开时从600VDC到1000VDC或1500VDC的系统电压的增加导致电弧电压需求的显著增加以便中断熔断器壳体84内的电弧的电路。有效地抑制熔断器工作时的电弧放电是为较高电压电路提供可熔电路保护，同时保持熔断器82与设计用于较低电压系统的现有熔断器的相同形状因数(例如，物理尺寸和尺度)，以及保持熔断器块52与设计用于较低电压系统的块的相同形状因数的主要限制。不幸的是，常规熔断器块和常规熔断器不配备成解决与增加的电弧强度相关的问题。

为了更有效地解决与较高电压操作相关的电弧中断问题，熔断器块52配备有包括嵌入磁体结构的磁弧抑制系统，如以下实施例中进一步解释。

根据图1的示例，其一部分也在图2中示出，磁弧抑制系统90包括沿着熔断器块壳体54的侧壁58延伸的第一永磁体92和沿着熔断器块壳体54的侧壁60延伸的第二永久磁体94。永磁体92、94彼此间隔开，但是彼此平行并排并在熔断器82的相对侧面上延伸，并且更具体地熔断器壳体84的中心部分在永磁体92、94之间延伸。因而，永磁体92、94在熔断器82的任一侧面上直径地相对并且施加在磁体92、94之间并且也横向地延伸穿越熔断器插座72的磁场B(图2)。当可熔元件操作时在磁体92、94之间生成的磁场B作用于熔断器壳体84的内部的电弧(或多个电弧)，如下面进一步解释。横向磁场B在发生电弧时偏转和拉伸电弧，使得它们可以更有效地淬灭。

永磁体92和94可以以任何期望的方式附接到壳体侧壁58、60或以其它方式安装到壳体54。尽管在图1和2中示出了两个磁体92、94，但是应当理解，附加的永磁体可以具有相似的效果。磁体92、94被示出为在壳体54的端部边缘68、70之间的大致居中的位置，并且因此也相对于熔断器82大致居中。然而，磁体的其它布置是可能的，并且可以被利用，只要当熔断器操作时磁场可以横向地引导到熔断器中的电弧的相应位置。应当理解，电弧的位置可以由包括在熔断器82中的可熔元件的几何形状和配置确定。

图3是包括熔断器块52的示例性熔断器组件50的俯视图，其中磁弧抑制系统90(在图4中以端视图示出)包括第一和第二永磁体92和94，以及U形铁磁板96，其不仅沿着熔断器块壳体54的侧壁58、60延伸，而且在熔断器82的下方延伸，如图3和4中所示。铁磁板96在一个示例中可以由钢制造，并且可以促进将磁体94和96安装在熔断器插座72中，以及改善在磁体92和94之间产生的横向磁场的作用以在电弧发生时偏转和抑制熔断器82中的电弧。

尽管在图1和2中示出了具有特定形状的一个铁磁板96，但是应当认识到，可以替代地邻近每个磁体92和94设置一个以上的铁磁板96。也可以预料，在具有附加磁体的实施例中，可以提供附加的铁磁板。无论在哪里使用，铁磁板可以用于增加磁场强度超过由磁体本身提供的值，或者减小所使用的磁体的尺寸和强度，同时仍然生成期望强度的磁场。

图5是包括位于熔断器82下方的仅仅一个永磁体92的磁弧抑制系统90的另一配置的端视图。磁体92可以例如安装在熔断器块壳体54的底壁56上，并且当熔断器82接收在熔断器块54中时，熔断器82上覆并基本上覆盖磁体92。示出为包括单个磁体92的磁弧抑制系统90在图5中所示的取向上建立磁场B，所述磁场向上或竖直地而不是如图2和4所示的布置水平地延伸。也就是说，在图5的布置中，在与熔断器块壳体54的侧壁58、60平行的方向上而不是如图2和4的布置垂直于侧壁58、60建立磁场。然而，应当认识到，如果需要，单个磁体仍然可以通过将磁体92放置在熔断器82的侧面上而不是如图4中所示放置在熔断器82下方而生成横向磁场。

图6是包括与铁磁板96组合的单个磁体92的磁弧抑制系统90的另一配置的端视图。在图5的示例中，单个磁体92位于U形铁磁板96的底部上并且熔断器82也位于U形板96的内部以便改善磁效应以抑制熔断器82内部的电弧放电。如上所述，一个以上铁磁板以及不同形状和配置的铁磁板可以在另外的和/或替代的实施例中使用以产生类似的效果。

图7是例如在1000VDC或1500VDC下操作的直流电力系统中提供磁弧偏转并且增强熔断器82的性能能力的磁弧抑制系统90的示意图。磁弧抑制系统90有助于快速和有效地耗散与电弧放电关联的增加电弧能量，生成高于1000VDC或1500VDC的电弧电压以在每个熔断器82工作时中断电路。使用下面所述的磁弧抑制系统90的原理，可以实现如下面进一步描述的熔断器块和熔断器座，其可以在以1000VDC或更大操作的电力系统中安全和可靠地操作。熔断器82的中断能力因此可以经由磁弧抑制系统90的实现而大大增加。由于磁弧抑制系统90从熔断器82的外部被提供，因此可以实现增强的性能能力而不修改熔断器或其形状因数并且也不增加熔断器块或熔断器座的形状因数。

如图7中所示，磁弧抑制系统90包括布置在导体98的每一侧上的一对永磁体92、94，其可对应于上述的熔断器82中的熔断器元件。在预期实施例中，每个磁体92、94是相应地施加在一对磁体92、94之间具有第一极性的磁场100的永磁体，并且导体98位于磁场100中。如图7中所示，磁体92具有相对的极S和N，并且磁体94也具有相对的极S和N。在磁体92的极N和磁体94的极S之间磁场B(也表示为元件100)被建立并且如图所示大体上在从磁体92延伸到磁体94的方向上(即，在图7的图中从左到右)定向。磁场B具有取决于磁体92和94的性质和间隔的强度。取决于所使用的磁体92和94，磁场B可以以期望的强度被建立。如上所述，磁场B可以由单个磁体而不是一对磁体建立。在预期的实施例中，磁场B的强度应当优选地高于约30mT，但是更高和更低的限制是可能的并且可以在其它实施例中被使用。

当电流I在垂直于图7的页面的方向并且更具体地在流出图7的页面的方向流动通过导体98时，引起独立的磁场102并且如图7中所示，磁场102围绕导体98周向地延伸。然而，磁场102的强度或大小取决于流动通过导体98的电流的幅度。电流幅度I越大，引起的磁场102的强度越大。类似地，当没有电流流动通过导体98时，不建立磁场102。

在图7所示的示例中在导体98的上方，磁场100和磁场102大体上彼此相对并且至少部分地相互抵消，而在导体98下面，如图7中所示，磁场100并且磁场102组合以产生增加强度和密度的磁场。由导体98下方的磁场102、104的组合产生的集中磁场产生作用于导体98的机械力F。力F在图7的图中向上或大体竖直地延伸，其又垂直于磁场B 100定向。力F可以被识别为具有由以下关系确定的大小F的洛伦兹力：

F＝I L x B (1)

现在应当明显的是，可以通过施加不同的磁场、不同的电流量和导体98的不同长度(L)来改变力F的大小。力F的取向显示为在图7的页面中在竖直方向上延伸，但是通常可以在根据弗莱明的左手规则(本领域中已知的助记方法)期望的任何方向上定向。

简而言之，弗莱明的左手规则说明，当电流在导线(例如，导体98)中流动时，并且当外部磁场(例如，由线100示出的磁场B)跨过该电流的流动被施加时，导线经历与磁场垂直并且也与电流方向垂直定向的力(例如，力F)。因而，左手可以保持为在拇指、食指和中指上表示三个相互正交的轴。每个手指表示电流I、磁场B和作为响应产生的力F中的一个。作为一个说明性示例，并且考虑图7中所示的示例，食指可以表示磁场B的方向(例如，在图7中向右)，中指可以表示电流I的流动方向(例如，在图7中离开页面)，并且拇指表示力F。因此，当左手的食指指向右并且中指离开图7中的页面定向时，拇指的位置显示出产生的力F指向所示的竖直方向(即，朝着图7中的页面的顶部)。

通过使电流I在不同的方向上通过磁场B定向，并且也通过使磁场B在不同方向上定向，可以生成在不同于竖直方向的方向上延伸的力F。在上述的熔断器块的熔断器插座72内，磁力F因此可以在特定方向上定向。例如，并且根据弗莱明的左手规则，如果电流I被引导到纸中而不是如先前关于图7所述被引导到纸外，同时保持磁场B如图7中所示定向(即，在图7中朝右)，生成的力F将在与所示的方向相反的方向(即，在朝着图7中的页面底部的方向)上定向。类似地，如果磁场B垂直地而不是如图7中所示水平地定向(例如，与图5和5中所示的布置一样)，则可以根据弗莱明的左手规则在水平方向上生成力F而不是先前示例的竖直取向的力。因而，通过改变磁体的取向和电流的方向，可以生成横向于熔断器插座72和相关熔断器82的轴线延伸的力F，或者可以生成在关联的熔断器82处在熔断器插座中轴向或纵向延伸的力F。也就是说，力F可以大体上相对于熔断器82的纵向轴线侧向地或纵向地延伸。无论如何，当熔断器元件操作时当导体98对应于电弧的位置时，当电弧发生时力F可以偏转电弧104并且显著地减小电弧放电时间和严重性。

在另外的实施例中，力F可以施加到熔断器82的导体98以提供不同的效果。也就是说，多方向电弧偏转配置可能具有相对于熔断器的导体98在各种不同方向上作用的力F。取决于磁体92、94的放置以在实现这样的电弧偏转配置所需的方向上产生磁场和力，力F可以相对于熔断器82以及平面和边缘偏转配置在轴向和径向方向上生成。在限定多个熔断器插座或隔室的多极熔断器座中，可以设置多组磁体以为每个隔室中的每个相应的熔断器提供相同或不同的电弧偏转配置。

在某些预期的实施例中，并联熔断器和熔断器座可相互共享它们之间的单个磁体位置以在不同的熔断器隔室或插座中建立磁场。例如，可以使用下面阐述的磁体和熔断器的布置

S/N熔断器S/N熔断器S/N熔断器S/N

其中S/N表示相应磁体的南极和北极，并且其中中间磁体用作作用于位于磁体的第一侧上的第一熔断器的第一磁场的南极，并且同时用作作用于位于相对侧上的第二熔断器的第二磁场的北极。该效果可以在并排放置的多极熔断器座或单极熔断器座中实现。

图8是包含图1和2中所示的第一熔断器和磁体组件配置的熔断器块52的透视图。如图所示，附加熔断器块52可以并排设置以形成三极熔断器块。尽管磁弧抑制系统90仅在图8中所示的第一熔断器块中示出，但是应当理解，也存在于其它熔断器块中。熔断器块52可以作为可以根据需要组合在一起的模块被提供。替代地，可以提供多极熔断器块，其形成有单个壳体和多组熔断器接触部件以及线路和负载侧端子。

图9是包含图3和4中所示的第一熔断器和磁体组件配置的熔断器块52的透视图。如图所示，附加熔断器块52可以并排设置以形成三极熔断器块。尽管磁弧抑制系统90仅在图9中所示的第一熔断器块中示出，但是应当理解，也存在于其它熔断器块中。熔断器块52可以作为可以根据需要组合在一起的模块被提供。替代地，可以提供多极熔断器块，其形成有单个壳体和多组熔断器接触部件以及线路和负载侧端子。

图10是包含图5中所示的第一熔断器和磁体组件配置的熔断器块52的透视图。如图所示，附加熔断器块52可以并排设置以形成三极熔断器块。尽管磁弧抑制系统90仅在图9中所示的第一熔断器块中示出，但是应当理解，也存在于其它熔断器块中。熔断器块52可以作为可以根据需要组合在一起的模块被提供。替代地，可以提供多极熔断器块，其形成有单个壳体和多组熔断器接触部件以及线路和负载侧端子。

图11是包含图6中所示的第一熔断器和磁体组件配置的熔断器块52的透视图。如图所示，附加熔断器块52可以并排设置以形成三极熔断器块。尽管磁弧抑制系统90仅在图10中所示的第一熔断器块中示出，但是应当理解，也存在于其它熔断器块中。熔断器块52可以作为可以根据需要组合在一起的模块被提供。替代地，可以提供多极熔断器块，其形成有单个壳体和多组熔断器接触部件以及线路和负载侧端子。

图12是以熔断器座120的形式的示例性熔断器组件的透视图。熔断器座120包括形成为分离壳体(其中仅一个在图12中示出)的非导电壳体122。当组装时，分离壳体共同地围绕并封闭所示的部件。壳体122尤其限定接收过电流保护熔断器82的熔断器插座124。与上述熔断器块52不同，熔断器座壳体122中的熔断器插座124在壳体122中被封闭，并且帽126被提供以封闭熔断器插座124的端部，熔断器82可以通过所述熔断器插座沿着插入轴线128插入或去除。

如图所示，熔断器82在熔断器座壳体122中竖直地定向，并且熔断器插座82设有线路和负载侧熔断器接触部件，所述负载侧熔断器接触部件又电连接到线路和负载侧端子130、132。可选地，提供一组开关触点134和旋转开关致动器136，其中开关触点134响应开关致动器136的位置提供线路侧端子130和熔断器182之间的电路路径的连接和断开。当开关触点134闭合时并且当熔断器82存在并且尚未打开(即，可熔元件处于完整、载流条件)时，电流可能在线路和负载侧端子130、132之间流动通过熔断器座120并通过熔断器82。当开关触点134打开时，在线路侧端子130和熔断器82之间在熔断器座120中建立开路。当开关触点130闭合时，熔断器82经由可熔元件的操作提供过电流保护。到目前为止描述的图12中所示的实施例大体上可以被认为是可从密苏里州圣路易斯的Bussmann by Eaton可获得的紧凑型电路保护器基座(CCPB)装置。

为了解决与1000VDC或1500VDC的较高系统电压相关的电弧放电问题，根据本发明的包括永磁体92的磁弧抑制系统90设在熔断器座120中。在图12的示例中，磁弧抑制系统90包括单个永磁体92，其跨过熔断器插座124中的熔断器82施加磁场B，从而当其中的可熔元件操作时偏转熔断器82内部的电弧。在所示的位置和取向，永磁体92大体垂直于壳体122的主侧表面延伸，并且因此建立在熔断器插座124内平行于壳体122的主侧表面延伸的磁场B。磁场B在大体垂直于熔断器插入轴线128的方向上横向延伸穿过熔断器插座124。响应磁场B和流动通过熔断器82的电流I生成力F以影响如上所述并且在下面的示例中具体说明的电弧条件。

尽管在图12的实施例中在电弧抑制中示出单个磁体92，但是可以提供一个以上的磁体，并且可以将磁体放置在除了所示的位置以外的位置，同时产生相似的效果。图2、4、5和6中所示的任何磁性布置可以在熔断器座120中实现，并且使用的磁体可以以任何期望的位置或取向联接到熔断器座120以产生预期的磁场电弧抑制和影响。

而且，在预期实施例中，可以省略开关触点134和开关致动器136，并且可以以模块化形式提供熔断器座而没有开关能力。模块可以组合在一起以提供多极熔断器座，或者替代地，壳体可以限定多个熔断器插座124和接触端子以容纳多个熔断器82。根据已知的模块化熔断器座，熔断器座122在这样的情况下可以包括熔断器插入抽屉或在熔断器插座中接受熔断器的其它替代手段。可以进行各种适应性修改以提供具有嵌入磁弧抑制系统的许多类型的熔断器座以便于在1000VDC或1500VDC的系统电压下操作的电路的可熔电路保护。

图13是在大多数方面与图12中所示的熔断器座相似，但是包括根据本发明的不同配置的磁弧抑制系统90的熔断器座120的另一实施例的透视图。

为了解决与1000VDC或1500VDC的较高系统电压相关的电弧放电问题，提供根据本发明的包括永磁体92的磁弧抑制系统90。比较图12和13，在图13的熔断器座120中，单个永磁体92从图12中所示的位置移动90°。因而，在图13所示的位置和取向上，永磁体92大体平行于壳体122的主侧表面延伸并且因此建立在熔断器插座124内垂直于壳体122的主侧表面延伸的磁场B。磁场B在大体垂直于熔断器插入轴线128的方向上横向延伸穿过熔断器插座124。响应磁场B和流动通过熔断器82的电流I生成力F以影响如上所述并且在下面的示例中具体说明的电弧条件。也可以提供附加磁体和磁体的取向以在另外的方向上并且以变化的强度建立磁场。

图14是示出示例性内部构造的过电流保护熔断器82的截面图。熔断器壳体84限定内部孔或通道，其容纳在熔断器壳体84的每个相对端部处连接到导电端帽或套圈86、88的熔断器元件组件152。在所示的示例中，熔断器元件组件152包括短路元件154和过载元件156，其彼此串联连接并且组合建立导电端帽或套圈86、88之间的电流路径。短路元件154和过载元件156的构造和操作是常规的，但是通过上述的熔断器块或熔断器座中的磁弧抑制系统增强。

短路元件154由导电材料条制造并且设有通过其中形成的多个开口。在开口之间是在短路电流条件下受到增加的热量的横截面面积减小的区域(在本领域中被称为“弱点”)。因而，短路电流元件154在受到短路电流条件时开始在弱点的位置处熔化和分解。图14示出了在短路操作条件下在弱点的位置处发生的多个电弧157。为了抑制电弧157，熔断器壳体150可以填充有诸如硅砂的灭弧介质158。紧紧围绕电弧157的位置的灭弧介质158经由散热吸收电弧能量。对于高达600VDC的系统电压下的熔断器操作，这样的技术通常是有效的，但在1000VDC或1500VDC的较高系统电压下是有问题的。在较高系统电压下的电弧157的冷却不足以用常规熔断器和熔断器座或常规熔断器和熔断器块生成比源电压(例如1000VDC或1500VDC)更高的电弧电压。

图15示出了由上述的磁弧抑制系统90在相同熔断器82中产生的电弧冷却效果。在图15中，磁弧抑制系统90在图15的附图中施加从页面向外延伸的磁场B。当电流I通过熔断器元件组件152从端帽86流动到端帽88(即，在图15中从左向右)时，力F在所示的方向上侧向地、径向地或直径地穿过熔断器和熔断元件被施加。当电弧157(图14)已开始时，力F将电弧157驱动并拉伸到更远离短路元件154的灭弧介质158中，其中灭弧介质158比紧紧围绕短路元件154的灭弧介质158相对更冷。通过相对更冷的灭弧介质158更容易地消散热，这导致高于源电压的电弧电压，并且电弧可以更轻易且容易地淬灭。冷却效果在图15中示出，其中电弧在熔断器82的内部有效地向上移动。磁弧偏转大大改善了熔断器82的中断能力，而不影响熔断器82的构造及其形状因数。相反，电弧抑制磁体(或磁体)以相对低的成本应用于熔断器座或熔断器块，而不增加熔断器座或熔断器块的形状因数。

尽管上述的示例性过电流保护熔断器82包括诸如硅砂的灭弧介质，但是应当认识到，为了相似的目的可以在熔断器内部使用另一已知的灭弧介质，包括但不限于生成灭弧气体的组合物或化合物。在该类型的预期实施例中，组合物可以例如施加在熔断器壳体84的内表面上，并且短路熔断器元件154可被空气围绕。力F可以由电弧抑制系统的(一个或多个)永磁体生成以使电弧横过空气拉伸和偏转直到它到达组合物，这又释放灭弧气体。气体的释放使能够冷却电弧，增加熔断器壳体84内部的压力，并有助于压缩与电弧相关的电离气体。增加的压力也快速增加电弧电压，并将故障电流驱动到零，使得电弧停止存在。作为该类型的一个非限制性示例，可以使用灭弧组合物(如三聚氰胺及其相关化合物)以用灭弧气体填充熔断器壳体84的内部，并且与所述的磁弧抑制系统组合抑制具有减小强度的电弧。

在另外的其它实施例中，在不存在灭弧化合物的情况下，熔断器壳体84可以填充有空气。磁弧抑制系统仍然施加力F，所述力使电弧远离短路熔断器元件154拉伸并偏转到熔断器壳体102内部的空气中以增加电弧电压并减少电弧中断持续时间。在该类型的某些实施例中，电弧可以到达熔断器壳体82的内壁，并且相对更冷的壁可以有助于消散电弧能量。然而，应当注意确保电弧能量不会穿透熔断器壳体84的壁。

图16是过电流保护熔断器82的截面图，示出了过载操作条件下的过载元件156的操作，其中电弧放电已开始。在所示的示例中，过载元件156在位置160中包括三个焊接连接。在电过载条件下的焊料的加热弱化焊接连接，并且弹簧元件162最终强制释放过载熔断器元件156并且物理地切断其到短路熔断器元件154的连接并且断开端帽86、88之间的通过熔断器82的电连接。如图16中所示，当过载元件156和短路元件154之间的机械和电连接断开时，短路元件154和过载元件156的端部之间的电弧开始。在这发生时弹簧加载过载元件156被推动离开短路元件154的端部，最终沿着电弧长度充分延伸，因此电弧不能再持续，但是处于高系统电压(例如1000VDC或1500VDC)，电弧电压可能不够高并且仍然存在问题。

当熔断器82操作时为了解决与较高系统电压相关的电弧中断问题，图17示出了根据本发明的磁弧抑制系统产生的电弧冷却效果。如图17中所示，由熔断器座或熔断器块中的(一个或多个)永磁体生成的力F使电弧远离电弧开始的初始位置拉伸，并且因此相对于另一种情况来讲，电弧接触灭弧介质158的较冷部分以更快地经由热传递消散电弧能量。上述的其它灭弧介质技术同样可以替代地根据需要与磁弧抑制组合使用以解决熔断器82的过载电流操作。

可以预料，在其中过载电流保护是可熔电路保护的主要关注点的一些实施例中，磁弧抑制系统可以配置成生成纵向而不是如先前所述的示例中径向定向的力F(图17中以虚线示出)。也就是说，可以建立磁场以便提供在平行于熔断器的纵向轴线的方向上延伸而不是横向穿过熔断器的力F。纵向定向的力F可以有助于过载元件156的断开和/或其远离短路熔断器元件154的移动。当过载元件156操作时，通过由(一个或多个)磁体产生的力F和弹簧元件162的偏压力的组合的这样的改善断开力将有助于减小电弧持续时间。

图18是包括连接在熔断器端帽86和88之间的另一替代的过电流保护熔断器元件170熔断器82的截面图。如图所示，熔断器元件170可以配置为具有通过其中形成的限定如上所述的弱点的多个开口的导电材料条。然而，过载熔断器元件170的一部分包括Metcalf效应(M效应)涂层252，其中纯锡(Sn)邻近熔断器元件170中的选定弱点施加到在该示例中由铜制造的熔断器元件170，如图所示。在过载加热期间，Sn和Cu一起扩散以试图形成共晶材料。结果是在预期实施例中，在Cu和Sn之间的某处的较低的熔融温度或约600℃。因此过载熔断器元件170(特别是包括M效应涂层172的其部分或部段)将对不会影响熔断器元件170的剩余部分的过载电流条件作出响应。当熔断器元件开始在M效应涂层172的位置处打开时，电弧在熔断器壳体84的内部开始。在更高的系统电压(例如1000VDC或1500VDC)下，灭弧介质158本身可能不足以快速地包含或消散电弧能量以生成高于系统电压的电弧电压以用于成功的电路中断。

当熔断器82操作时为了解决与较高系统电压相关的电弧能量问题，图19示出了根据本发明的磁弧抑制系统产生的电弧冷却效果。如图19中所示，由熔断器座或熔断器块中的(一个或多个)永磁体生成的力F使电弧远离熔断器元件170拉伸，并且因此电弧接触灭弧介质158的较冷部分以更快地经由热传递消散电弧能量。上述的其它灭弧介质技术同样可以替代地根据需要与磁弧抑制组合使用以解决熔断器82的过载电流操作。

尽管已关于本发明的熔断器块和熔断器座描述了示例性熔断器和熔断器元件，但是另外的其它类型的熔断器和熔断器元件是可能的并且类似地可以被使用。各种类型的替代熔断器和熔断器元件是已知的并且不在本文中详细描述，其中任何一种将由于与上述类似的原因受益于所描述的磁弧抑制技术。

而且，尽管关于示例性熔断器块和熔断器座描述了嵌入磁弧抑制系统，但是磁弧抑制不必限于所描述和示出的实施例。磁弧抑制的优点更广泛地应用于除了本文中具体描述的熔断器组件之外的熔断器组件。

最后，尽管已在用于较高电压的DC系统电压和电路的特定应用的上下文中描述了本发明，但是本发明不限于所描述的特定应用和电压范围。磁弧抑制系统可以有利地用于更宽范围的应用和系统电压，并且因此本文所提及的示例性应用和系统电压是为了说明而不是限制而被阐述。

相对于所公开的示例性实施例，本文中公开的发明构思的益处和优点现在被认为已得到充分证明。

已公开了一种熔断器组件的实施例，其包括：非导电壳体，所述非导电壳体限定尺寸确定成接收过电流保护熔断器的至少一个熔断器插座；至少一组熔断器接触端子，所述至少一组熔断器接触端子配置成当接收在所述至少一个熔断器插座中时通过所述过电流保护熔断器建立电连接；以及至少一个永磁体，所述至少一个永磁体联接到所述非导电壳体并且在所述熔断器插座中施加磁场；其中当接收在所述熔断器插座中时所述过电流保护熔断器的至少一部分布置在所述磁场中。

可选地，所述至少一个永磁体可以包括第一永磁体和与所述第一磁体间隔开的第二永磁体，所述磁场在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间建立。所述第一永磁体和所述第二永磁体可以位于所述熔断器插座的相对侧上，并且当所述过电流保护熔断器接收在所述熔断器插座中时，所述过电流保护熔断器的至少一部分可以布置在所述第一磁体和所述第二磁体之间。所述熔断器组件还可以包括邻近所述第一永磁体和所述第二永磁体的铁磁板。所述铁磁板可以为U形。

也可选地，当所述过电流保护熔断器接收在所述熔断器插座中时，所述至少一个永磁体可以由所述过电流保护熔断器大致覆盖。所述熔断器组件还可以包括邻近所述至少一个永磁体的铁磁板。所述铁磁板可以为U形。

所述过电流保护熔断器沿着插入轴线接收在所述熔断器插座中，所述至少一个磁体施加垂直于所述插入轴线延伸的磁场。所述组件还可以包括设在所述非导电壳体中的至少一个开关触点。所述非导电壳体包括主侧壁，所述至少一个磁体平行于所述主侧壁延伸。替代地，所述至少一个磁体可以垂直于所述主侧壁延伸。

所述过电流保护熔断器可以封闭在所述至少一个熔断器插座中。所述非导电壳体可以配置为开放型熔断器块。所述非导电壳体也可以配置为熔断器座。所述熔断器组件可以包括覆盖所述熔断器插座的端部的帽。

当所述过电流保护熔断器接收在所述熔断器插座中时，所述磁场可以在所述熔断器插座的内部定向成提供作用于所述过电流保护熔断器的径向电弧偏转力和轴向电弧偏转力中的一个。

所述第一和第二熔断器接触端子可以包括弹性弹簧夹。所述弹性弹簧夹可以配置成接收所述过电流保护熔断器的相应端帽。

所述熔断器组件可以与所述过电流保护熔断器组合。所述过电流保护熔断器可以包括短路熔断器元件和过载熔断器元件中的至少一个。

也公开了一种熔断器组件的实施例，其包括：非导电壳体，所述非导电壳体限定尺寸确定成接收圆柱形过电流保护熔断器的至少一个长形熔断器插座，所述圆柱形过电流保护熔断器包括相对端帽和至少一个可熔元件；至少一组熔断器接触端子，所述至少一组熔断器接触端子配置成当接收在所述至少一个可熔元件中时通过所述相对端帽和所述至少一个可熔元件建立电连接；以及至少一个永磁体，所述至少一个永磁体联接到所述非导电壳体并且在所述熔断器插座中并跨过所述至少一个可熔元件施加磁场。

可选地，所述长形熔断器插座由相对侧壁限定，并且所述磁场可以垂直于所述相对侧壁定向。所述长形熔断器插座由相对侧壁限定，并且所述磁场平行于所述相对侧壁定向。所述熔断器组件也可以包括邻近所述至少一个磁体的至少一个铁磁板。所述磁场可以相对于所述圆柱形熔断器在轴向方向和径向方向中的一个上定向。所述非导电壳体可以限定开放型熔断器块和熔断器座中的一个。所述至少一个永磁体可以包括第一永磁体和第二永磁体，所述磁场施加在所述第一磁体和所述第二磁体之间。

也公开了一种熔断器组件的另一实施例，其包括：非导电壳体，所述非导电壳体限定至少一个熔断器块和熔断器座，所述非导电壳体包括在其间限定至少一个长形熔断器插座的至少一对相对侧壁，所述至少一个熔断器插座尺寸确定成接收包括相对端帽和至少一个可熔元件的圆柱形过电流保护熔断器；至少一组弹性熔断器夹，所述至少一组弹性熔断器夹配置成接收所述相对端帽并且当接收在所述至少一个可熔元件中时通过所述至少一个可熔元件建立电连接；以及至少一个永磁体，所述至少一个永磁体位于所述熔断器插座中并且跨过所述至少一个可熔元件施加外部磁场，由此当所述至少一个熔断器元件操作以中断电路连接时流动通过所述至少一个熔断器元件并通过所述外部磁场的电流产生机械电弧偏转力；并且其中所述机械电弧偏转力在相对于所述圆柱形熔断器的径向方向和相对于所述熔断器的纵向方向中的一个上定向。

该书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明，并且也使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制造和使用任何装置或系统并且执行任何包含的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域的技术人员想到的其它示例。这样的其它示例旨在属于权利要求的范围内，只要它们具有与权利要求的文字语言没有区别的结构元件，或者只要它们包括与权利要求的文字语言无实质区别的等效结构元件。

Claims (20)

1.一种熔断器组件，其包括：

非导电壳体，所述非导电壳体限定尺寸确定成接收过电流保护熔断器的至少一个熔断器插座，所述过电流保护熔断器包括熔断器端子元件；

设置在所述非导电壳体中的至少一组熔断器接触端子，所述至少一组熔断器接触端子配置成当所述过电流保护熔断器接收在所述至少一个熔断器插座中时通过所述过电流保护熔断器的熔断器端子元件建立电连接；

至少一个永磁体，所述至少一个永磁体可去除地联接到所述非导电壳体并且在所述至少一个熔断器插座中施加磁场；以及

至少一组线路侧端子和负载侧端子，其能够从所述非导电壳体的外部接近并且配置成将所述至少一组熔断器接触端子和所述过电流保护熔断器电连接到电力系统中的外部电路；

其中当所述过电流保护熔断器接收在所述至少一个熔断器插座中时所述过电流保护熔断器的至少一部分布置在所述磁场中。

2.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述至少一个永磁体包括第一永磁体和与所述第一永磁体间隔开的第二永磁体，所述磁场在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间建立。

3.根据权利要求2所述的熔断器组件，其中所述第一永磁体和所述第二永磁体位于所述至少一个熔断器插座的相对侧上，并且其中当所述过电流保护熔断器接收在所述至少一个熔断器插座中时，所述过电流保护熔断器的至少一部分布置在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间。

4.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中当所述过电流保护熔断器接收在所述至少一个熔断器插座中时，所述至少一个永磁体由所述过电流保护熔断器覆盖。

5.根据权利要求1所述的熔断器组件，其还包括铁磁板，所述铁磁板邻近所述至少一个永磁体并且便于将所述至少一个永磁体安装在所述至少一个熔断器插座中。

6.根据权利要求5所述的熔断器组件，其中所述铁磁板为U形。

7.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述过电流保护熔断器沿着插入轴线接收在所述至少一个熔断器插座中，所述至少一个永磁体施加垂直于所述插入轴线延伸的磁场。

8.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述熔断器组件还包括旋转开关致动器和设在所述非导电壳体中的至少一个开关触点，其中所述至少一个开关触点响应所述旋转开关致动器的位置断开或闭合形成于线路侧端子和所述过电流保护熔断器之间的电路。

9.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述非导电壳体配置为开放型熔断器块。

10.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述非导电壳体配置为熔断器座。

11.根据权利要求10所述的熔断器组件，其还包括覆盖所述至少一个熔断器插座的端部的帽。

12.根据权利要求1所述的熔断器组件，其中所述非导电壳体包括至少一个侧壁和底壁，所述至少一个侧壁和所述底壁限定所述至少一个熔断器插座，所述至少一个永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体沿着所述至少一个侧壁布置，所述第二永磁体布置在所述底壁上，并且当所述过电流保护熔断器接收在所述至少一个熔断器插座中时，由所述第一永磁体和所述第二永磁体产生的磁场在所述至少一个熔断器插座的内部定向成提供作用于所述过电流保护熔断器的径向电弧偏转力和轴向电弧偏转力中的一个。

13.一种熔断器组件，其包括：

非导电壳体，所述非导电壳体限定尺寸确定成接收圆柱形过电流保护熔断器的至少一个长形熔断器插座，所述圆柱形过电流保护熔断器包括相对端帽和至少一个可熔元件；

至少一组熔断器接触端子，所述至少一组熔断器接触端子设置在所述非导电壳体上并且配置成当所述圆柱形过电流保护熔断器接收在所述至少一个长形熔断器插座中时通过所述相对端帽和所述至少一个可熔元件建立电连接；

至少一个永磁体，所述至少一个永磁体联接到所述非导电壳体并且在所述至少一个长形熔断器插座中并跨过所述至少一个可熔元件施加磁场；以及

至少一组线路侧端子和负载侧端子，其能够从所述非导电壳体的外部接近并且配置成将所述至少一组熔断器接触端子和所述圆柱形过电流保护熔断器电连接到电力系统中的外部电路。

14.根据权利要求13所述的熔断器组件，其中所述至少一个长形熔断器插座由相对侧壁限定，并且其中所述磁场垂直于所述相对侧壁定向。

15.根据权利要求13所述的熔断器组件，其中所述圆柱形过电流保护熔断器还包括过载元件并且沿着插入轴线接收在所述至少一个长形熔断器插座中，并且其中由所述至少一个永磁体产生的力平行于所述插入轴线定向。

16.根据权利要求13所述的熔断器组件，其还包括至少一个铁磁板，所述至少一个铁磁板邻近所述至少一个永磁体并且便于将所述至少一个永磁体安装在所述至少一个长形熔断器插座中。

17.根据权利要求13所述的熔断器组件，其中所述非导电壳体包括至少一个侧壁和底壁，所述至少一个侧壁和所述底壁限定所述至少一个长形熔断器插座，所述至少一个永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，所述第一永磁体沿着所述至少一个侧壁布置，所述第二永磁体布置在所述底壁上，由所述第一永磁体和所述第二永磁体产生的磁场相对于所述圆柱形过电流保护熔断器在轴向方向和径向方向中的一个上定向。

18.根据权利要求13所述的熔断器组件，其中所述非导电壳体限定开放型熔断器块和熔断器座中的一个。

19.根据权利要求13所述的熔断器组件，其中所述至少一个永磁体包括第一永磁体和第二永磁体，所述磁场施加在所述第一永磁体和所述第二永磁体之间。

20.一种熔断器组件，其包括：

非导电壳体，所述非导电壳体限定熔断器块和熔断器座中的一个，所述非导电壳体包括在其间限定至少一个长形熔断器插座的至少一对相对侧壁，所述至少一个长形熔断器插座尺寸确定成接收包括相对端帽和至少一个可熔元件的圆柱形过电流保护熔断器；

至少一组弹性熔断器夹，所述至少一组弹性熔断器夹设置在所述非导电壳体上并且配置成接收所述相对端帽并且当所述圆柱形过电流保护熔断器接收在所述至少一个长形熔断器插座中时通过所述至少一个可熔元件建立电连接；

至少一个永磁体，所述至少一个永磁体位于所述长形熔断器插座中并且跨过所述至少一个可熔元件施加外部磁场，由此当所述至少一个可熔元件操作以通过所述至少一个可熔元件中断所述电连接时流动通过所述至少一个可熔元件的电流通过所述外部磁场产生机械电弧偏转力；以及

至少一组线路侧端子和负载侧端子，其能够从所述非导电壳体的外部接近并且配置成将所述至少一组弹性熔断器夹和所述圆柱形过电流保护熔断器电连接到电力系统中的外部电路；

其中所述机械电弧偏转力在相对于所述圆柱形过电流保护熔断器的径向方向和相对于所述圆柱形过电流保护熔断器的纵向方向中的一个上定向。

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