CN108604518A - 具有内部开关元件的负载电流保险丝 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有内部开关元件的负载电流保险丝，该负载电流保险丝具有保护元件（F），其中保护元件（F）具有第一触点（FA1）和第二触点（FA2），第一触点用于连接到供电系统的第一电势（L），第二触点通过被保护设备（Z）连接到供电系统的第二电势（N），其中保护元件（F）具有连接保护元件（F）的第一触点（FA1）和第二触点（FA2）的可熔导体熔丝元件（D），其中保护元件（F）进一步具有第三触点（FA3），该第三触点可以连接到供电系统的第二电势（N）并且布置为邻近可熔导体熔丝元件（D）但是与其电绝缘，其中可熔导体熔丝元件（D）在相邻触点（FA3）的区域中具有收缩部分（E），其中该收缩部分被设计为使得可熔导体熔丝元件（D）在收缩部分（E）的区域中具有导电熔剂（SM），其中该熔剂（SM）具有比熔丝元件（D）本身更低的熔点，其中负载电流保险丝进一步具有开关元件（TVS），该开关元件在内部监测保护元件（F）并且可以实现定向断开，开关元件（TVS）的一个触点连接到第一触点（FA1），开关元件（TVS）的另一触点与可熔导体熔丝元件（D）在靠近第三触点（FA3）处相邻并与其电绝缘。

Description

具有内部开关元件的负载电流保险丝

技术领域

本发明涉及一种具有内部开关元件的负载电流保险丝。

电气负载必须得到保护。

该保护取决于供电网络的类型以及负载的类型，可以针对该目的使用不同的熔丝。

特别是在直流网络中，断开引起重大问题，这是因为不像在交流网络中，不存在周期性过零点，因此不能自动地熄灭可能的开关电弧。

过去，已经利用复杂的方法来设计许多类型的熔丝以用于抑制电弧。

现有熔丝被设计成在发生过电流时进行切断。

然而，对同样可以在发生适度电流时可靠地跳闸的熔丝元件的需求正不断增加。

现有的熔丝仅在存在显著升高电流时可靠地切断。这应归于它们跳闸的方式。具体地，如果现有熔丝的保护等级被设定地过低，则甚至在发生瞬时过电流时熔丝跳闸，比如例如，当对电容性负载充电或在发动机起动时。为此，相对于过电流现有的熔丝倾向于被宽大（过度）进行尺寸设计。

另一方面，越来越多的应用正在出现，其中存在连续的轻微过载，这尽管是有害的，但是并不被认为是过电流。

在具有限制短路的网络中，比如例如，PV（光电）系统，其中工作电流仅低于短路电流的大约10%，在发生短路时电流如此之小以至于普通熔丝不会跳闸。

在PV和风力涡轮发电机中，另一个困难是，部分负载运转（例如，局部多云，和风）时的电流如此远低于系统的最大电流，以至于所出现的短路电流因此处于范围内并低于对应熔丝的额定电流值。 因此，希望提供一种在上述情况下同样能够实现可靠跳闸的成本划算的负载电流承载熔丝。

发明内容

本发明的目的通过具有内部开关元件的负载电流保险丝来实现。负载电流保险丝具有保护元件，该保护元件具有第一触点和第二触点，第一触点用于连接到供电网络的第一电势，第二触点可以经由被保护设备连接到供电网络的第二电势。保护元件具有连接保护元件的第一触点和第二触点的熔丝元件，该保护元件进一步包括第三触点，该第三触点可以连接到供电网络的第二电势并且布置为靠近熔丝元件但是与其电绝缘。在相邻触点的区域中，熔丝元件具有收缩部分，该收缩部分体现为使得熔丝元件在收缩部分的区域中具有导电熔剂，该熔剂具有比熔丝元件本身更低的熔点。熔丝元件进一步包括开关元件，该开关元件在内部监测保护元件并且实现目标切断，该开关元件的一个触点连接到第一触点，开关元件的另一触点与熔丝元件在靠近第三触点处相邻并与其电绝缘。

本发明的其他有利实施例在从属权利要求和说明书中指出。

附图说明

在下文中，将在优选实施例的基础上参考附图更详细地解释本发明。

图1示出了根据本发明的具有内部开关元件的负载电流保险丝的示意图；

图2a示出了本发明的一个方面；

图2b示出了本发明的另一个方面；

图3示出了本发明的又另一个方面；以及

图4示出了根据本发明的实施例的触点和熔丝元件的示范性构造。

附图标记列表

负载电流保险丝1

被保护设备Z

保护元件F

设备触点ZA1，ZA2

保护元件触点FA1、FA2、FA3、FA4

电势L、N

熔丝元件D

收缩部分E

熔剂SM

开关元件TVS

绝缘材料ISO。

具体实施方式

以下将参考附图更详细地解释本发明。应当注意的是，描述了不同的方面，它们的每一个可以单独地或组合地利用。也就是说，任一方面可以与本发明的不同实施例一起使用，前提是其未明确地描绘为仅作为替代方案。

此外，为了简洁起见，以下通常仅对一个实体作出标记。然而，如目前还未明确指出的，本发明还可以具有所涉及的若干个实体。因此，词语“一”、“一个”、“某一的”以及“某一个的”应当仅被理解为指示在单个实施例中使用至少一个实体的结果。

尽管在下文中参考了交流网络的电势N、L，本发明并不局限于此，而是可以在任何配置的供电网络中使用，无论是以直流网络的形式还是以交流网络的单相或多相形式。

在其最一般的形式中，根据本发明的具有内部开关元件的负载电流保险丝1具有保护元件F。

保护元件F具有第一触点FA1和第二触点FA2，第一触点FA1用于连接到供电网络的第一电势L，第二触点FA2经由被保护设备Z连接到供电网络的第二电势N。

即使此后在进行描述时参考被保护设备Z，但是其并不必须指的是电气负载。类似地，被保护设备还可以是发电设备，比如风力涡轮或太阳能发电机。

保护元件F具有连接保护元件F的第一触点FA1和第二触点FA2的熔丝元件D，该保护元件F进一步包括第三触点FA3，该第三触点FA3连接到供电网络的第二电势N并且布置为靠近熔丝元件D但是与其电绝缘，熔丝元件D在相邻触点FA3的部位区域中具有收缩部分E，围绕所述熔丝元件D的收缩部分E附有导电熔剂SM，该熔剂SM具有比熔丝元件D本身更低的熔点。

负载电流保险丝进一步包括有开关元件TVS，该开关元件在内部监测所述保护元件并且实现根据设定目标切断，该开关元件可以为电压敏感元件，开关元件的一个触点连接第一触点FA1，开关元件TVS的另一触点FA4布置为与熔丝元件D在靠近第三触点FA3处相邻但是与其电绝缘。

通过收缩部分的构造，负载电流保险丝1可以以此方式进行设计：使得即使持续时间较长的过电流导致可靠的断开。

如果过电流过高，比如在短路的情况下，则熔丝元件将立即在收缩部分E的区域中熔断并由此跳闸。

也就是说，收缩部分E热过载使得熔丝元件在收缩部分E处熔断并且形成电弧，电弧继而传到设置在收缩部分E附近的第三触点FA3，以致被保护设备Z被放电，电流熄灭且被保护设备Z与网络断开。被保护设备Z由此从保护元件F的电弧整体释放并且最终按照安全绝缘的方式从网络断开。

在过载的第二种情况下，被保护设备Z的过载的等级在某范围内移动，其中被保护设备Z不会被直接损坏而是可以预期其电气特性的改变。

为此目的，熔丝元件D在收缩部分附有导电熔剂SM。当加热时导电熔剂SM扩散到熔丝元件内并降低其导电性。由于导电熔剂SM设置在收缩部分，归因于此处现在存在更大电阻的事实，可以预期相应更快的加热。

该技术能够改进保护元件F的触发。通过收缩部分的适当的尺寸设计、材料选择以及几何形状，以及温度暴露时间的指定影响，可以适当地调节收缩部分E的老化过程。

也就是说，为了在长持续时间的较小过电流的情况下使熔丝跳闸的目的，可以按照设定方式使用收缩部分E的老化。

另一方面，开关元件TVS还为触发提供了另一种可能性。在该可选方案中，对熔丝元件D两端的电压进行估计。这使得能够做出关于流动通过熔丝元件D的电流的推断。如果电压已经达到用于切断开关元件TVS的特征电压，则类似于过电流的情形，在收缩部分E的区域中发生点燃。

换言之，如上所述，可以通过对切断电压的适当选择来影响切断点。即使是在传统熔丝元件中不会引起跳闸的过电流可以由此用于切断。

以此方式，可以进一步降低保护级别而不会损害系统可用性。

在一个有利实施例中，其在图2 a和2 b中示出，熔丝元件至少在收缩部分E附近具有穿孔（或一排穿孔）P（如图2 a中所示）或者具有若干穿孔（或多排穿孔）P（如图2 b中所示）。合适的穿孔当然也可以设置在熔丝元件D的其他位置中，例如如图2 a中可见。穿孔P的结构为圆形仅为了举例。其也可以采用其他形状。

如果收缩部分E具有熔剂SM渗透于其中的孔口，则是特别有利的。由此可以加速扩散到熔丝元件D内的过程。扩散导致电阻改变（增大），由此增加了局部热转换并促进了迅速的断开。

在图1中，开关元件TVS显示为瞬态电压抑制二极管。尽管如此，本发明并不限制于此，并且可以是用任何类型的电压敏感元件，具体地包括任何其他电气/电子部件，比如热敏电阻（例如，负温度系数热敏电阻（NTC）或正温度系数热敏电阻（PTC））、抑制二极管、气体放电管或者设置时双金属开关。当然，也可以按照任何合适的并联或串联连接设置这些元件。

图3中示出了本发明的另一方面。此处，除了开关元件TVS之外，还集成了延时电路用于过压延时（死区时间），延时电路与内部开关元件TVS连接，延时电路通过诸如电阻器R和电容器C的低通元件组成。

利用这种设置，能够例如吸收发动机起动或电容性负载充电所引起的负载峰值，也就是说，在死区时间期间电力充分平息，从而不再存在触发条件。

优选地，负载电流保险丝1设置在耐压密闭和/或绝缘壳体中。

如果出现较小的短路电流，在第三触点FA3和熔丝元件D之间可能有点燃，但是之后燃烧的电弧可能是不稳定的。也就是说，会出现这种情况，其中电弧被熄灭而不用完全中断熔丝元件。

于是熔丝元件通常仅在该区域中部分熔断，也就是最接近第三触点FA3的部分-即大体上在收缩部分E处。更远的区域是完好的，因为归于逐渐增加的长度电弧无法稳定地燃烧到那些点。

特别是在交流网络的情况下，这种行为可以通过以下事实解释，即在低短路电流值下，熔断熔丝元件D所需的能量无法在半波内聚集。

为了能够实现电弧更稳定的燃烧，特别是也对于交流，建议熔丝元件D和第三触点FA3是平面结合。这确保了最初在熔丝元件D的整个宽度上在熔丝元件D和第三触点FA3之间存在限定的距离。

图4中示出了就这一点而言根据一实施例的另一方面。

此时，熔丝元件D与熔丝元件F的第三触点FA3在正常工作状态下通过绝缘材料ISO电隔离，第三触点和绝缘材料ISO被设置成使得当绝缘材料ISO附近被点燃导致绝缘材料ISO的表面劣化，由此表面失去其绝缘特性并且允许电流在熔丝元件D和第三触点FA3之间流动。

熔丝元件D（以纵向影线示出）显示为设有收缩部分E。熔丝元件D通过绝缘材料ISO（显示为白色层）与第三触点FA3（以斜影线示出）隔离。此外，设置了第四触点FA4（以交叉影线示出），同时第三触点和第四触点FA4能够通过（类似或不同的）绝缘材料ISO进行隔离。第四触点FA4和第三触点FA3的顺序还可以不同地进行设置，也就是说，第四触点FA4还可以设置成邻近熔丝元件D。例如，不同的触点FA3、FA4以及熔丝元件D可以制造为薄金属膜或板。各个元件可以包含在绝缘外壳内（示出为虚线）。

如果通过第三触点FA3或第四触点FA4（如果存在的话）触发，则电弧朝向熔丝元件D出现，破坏位于附近（在D和FA3之间）的绝缘材料ISO，使得绝缘材料ISO由于其低CTI值（例如，具有约150V的FR4 CTI值）和电弧所引起（例如，熏黑、炭化）的（局部表面）劣化，现在导致（较小）电弧继续被保持（或者也在交流电压工作的情况下在相位的零点之后再次点燃），这“吞噬”了其从起始点开始沿边界表面（朝两个方向）的路径，由此最终将熔丝元件D切断。

尽管在此假设了在FA4和FA3之间发生点燃，任何点燃（即，以及从FA4到熔丝元件D的点燃）可以导致（先前）绝缘材料ISO的相当的（表面）劣化。

绝缘材料ISO可以具有低CTI值的塑料或复合材料，例如，酚树脂（PF树脂）、聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）或者诸如FR4的环氧树脂填充玻璃纤维复合材料，或者诸如此类。CTI值（也被称为耐电痕性）根据例如IEC60112来确定。示范性材料被分类为绝缘子组IIIa和/或绝缘子组IIIb。

Claims (7)

1.一种具有内部开关元件的负载电流保险丝，所述保险丝具有保护元件（F），其特征在于，

所述保护元件（F）具有第一触点（FA1）和第二触点（FA2），所述第一触点用于连接到供电网络的第一电势（L），所述第二触点经由被保护设备（Z）连接到所述供电网络的第二电势（N）；

所述保护元件（F）还具有至少一个熔丝元件（D），所述熔丝元件连接所述保护元件（F）的所述第一触点（FA1）和所述第二触点（FA2）；

所述保护元件（F）还具有第三触点（FA3），所述第三触点连接到所述供电网络的所述第二电势（N）并且布置为靠近所述熔丝元件（D）但是与其电绝缘，

所述熔丝元件（D）在靠近第三触点（FA3）的部位为具有收缩部分（E），围绕所述熔丝元件（D）的所述收缩部分（E）附有导电熔剂（SM），所述导电熔剂（SM）具有比所述熔丝元件（D）本身更低的熔点；

所述保险丝进一步包括有开关元件（TVS），所述开关元件在内部监测所述保护元件（F）并且可以实现设定切断，

所述开关元件（TVS）的一个触点连接所述第一触点（FA1），所述开关元件（TVS）的另一触点与所述熔丝元件（D）在靠近所述第三触点（FA3）处相邻并与其电绝缘。

2.根据权利要求1所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述收缩部分（E）具有穿孔，所述熔剂（SM）渗透于所述穿孔中。

3.根据权利要求1所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述开关元件（TVS）为电压敏感开关元件或双金属开关，或者热敏电阻、抑制二极管，或者气体放电管，或者它们的串联或并联电路。

4.根据权利要求3所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述开关元件（TVS）连接有延时电路，用于开关元件的延时开关，延时电路由低通元件（R，C）组成。

5.根据权利要求1所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述开关元件（TVS）设置在耐压壳体中。

6.根据权利要求1所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述熔丝元件（D）与第三触点在正常工作状态下通过绝缘材料（ISO）电隔离，在该情况下所述第三触点和所述绝缘材料（ISO）被设置成使得当所述绝缘材料（ISO）附近被点燃后、会导致所述绝缘材料（ISO）表面劣化，由此所述表面失去其绝缘特性并且允许电流在所述熔丝元件（D）和所述第三触点（FA3）之间流动。

7.根据权利要求6所述的负载电流保险丝，其特征在于，所述绝缘材料（ISO）是具有低CTI值的塑料，例如，聚醚醚酮（PEEK）、聚酰亚胺（PI）或者是FR4环氧树脂玻璃布板。