CN116490951A - 包括双金属熔丝元件的浪涌保护设备 - Google Patents

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R·罗兹曼
A·梅萨里奇
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Abstract

一种电熔丝组件包括导电的第一和第二电极，以及双金属熔丝元件。所述双金属熔丝元件电连接所述第一和第二电极。所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。

Description

包括双金属熔丝元件的浪涌保护设备
相关申请
本申请要求于2020年11月9日提出申请的美国临时专利申请第63/111，195号的权利和优先权，该美国临时专利申请的公开内容以引用方式并入本文中。
技术领域
本发明涉及浪涌保护设备(SPD)，并且更特定来说，涉及保护浪涌保护设备免于短路电流。
背景技术
通常，在向住宅以及商业和机构设施输送电力的服务线路两端施加过大的电压或电流。例如，这种过量的电压或电流尖峰(瞬态过电压和浪涌电流)可能由雷击引起。以上事件在电信分配中心、医院和其他设施中可能特别令人担忧，在这些地方，由过电压和/或电流浪涌引起的装备损坏是不可接受的，并且所导致的停机时间可能非常昂贵。
通常，可以使用浪涌保护设备(SPD)保护敏感电子装备免于瞬态过电压和浪涌电流。例如，过压保护设备可以安装在要保护的装备的电力输入处，通常在要保护的装备发生故障时保护其免于过电流。SPD的典型故障模式是短路。通常使用的过电流保护是用于保护SPD免于因增加的泄漏电流所致的过热的内部热切断器与用于保护SPD免于更高的故障电流的外部熔丝的组合。不同的SPD技术可以避免使用内部热切断器，因为在故障的情况下，其将其操作模式改变为低欧姆电阻。
SPD可以使用诸如变阻器或气体放电管的一个或多个有源电压开关/限制部件来提供过压保护。这些有源电压开关/限制部件在其接近其操作寿命的终点时可能快速降级，这可能导致其展现持续的短路行为。现在参考图1，包括常规SPD配置的电气供电装置或电路100包括SPD 110，SPD110与并联连接在敏感装备两端的外部熔丝140串联。SPD 110被设计成保护敏感装备免于过电压和电流浪涌，并且包括金属氧化物变阻器(MOV) 120和热切断器130。
在图1中所示的实例性SPD配置100中，SPD 110与标准的外部熔丝140串联连接，并且还经由第二熔丝或断路器150在上游连接到电源。然而，常规的熔丝可能无法经受例如由闪电事件产生的大浪涌电流和/或过电压。因此，其可能响应于此类事件而熔断或跳闸。为实现所期望的高浪涌额定电流，熔丝大小通常必须相对大。另外，施加到敏感装备的电压可能相对高，因为其是SPD 110两端的电压(VSPD)与在连接电缆VL1和VL2两端形成的电压的总和。由于在设计中使用大的分立部件，因此外部熔丝/断路器设计也可能增加安装成本。
发明内容
根据一些实施例，一种电熔丝组件包括导电的第一和第二电极，以及双金属熔丝元件。所述双金属熔丝元件电连接所述第一和第二电极。所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体(disintegrate)，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
在一些实施例中，所述所规定的触发电流是当过压保护电路由于短路(作为短路电路，as a circuit)而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件被配置成承载高达25kA的电流达长达5ms的时间，而所述双金属熔丝不断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件被配置成响应于承载短路电流达不大于最大短路响应时间阈值而断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
在一些实施例中，所述短路电流在约300A-1000A的范围内，并且所述最大短路响应时间阈值不大于5秒。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件被配置成承载来自过压保护电路的泄漏电流，而所述双金属熔丝不断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
在一些实施例中，所述泄漏电流在约1A-15A的范围内。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括具有第一热膨胀系数的第一金属层，以及具有第二热膨胀系数的第二金属层。所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
在一些实施例中，所述第一金属层包括FeNi22Cr3，并且所述第二金属层包括FeNi36。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件具有在1x10-6至30x10-6[K-1]的范围内的比热曲率和在1x10-8至1x10-6[Ωm]的范围内的比电阻。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件的厚度在约0.1mm-3mm的范围内。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件的宽度在约2-10mm的范围内。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括通过本体部分耦接的第一端部和第二端部，所述第一端部以相对于所述本体部分约70至110度的范围内的第一弯折角度和以所述本体部分的厚度约0.25至2倍的范围内的第一弯折半径弯折，所述第二端部以相对于所述本体部分约70至110度的范围内的第二弯折角度和以所述本体部分的所述厚度约0.25至2倍的范围内的第二弯折角度弯折。
所述电熔丝组件可以包括环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂(electric arc extinguishingagent)。
在一些实施例中，所述电弧熄灭剂是可流动介质。
在一些实施例中，所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形和解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括与所述第一电极电气接触的第一端部；所述双金属熔丝元件包括与所述第二电极电气接触的第二端部；所述第二端部未固接到所述第二电极；并且所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所述所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形、并且从而使所述第二端部移位而脱离与所述第二电极的电气接触，从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
根据一些实施例，所述第一端部固接到所述第一电极。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括第一端部和相对的第二端部，所述第一端部固接到所述第一电极，并且所述第二端部固接到所述第二电极。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一与第二电极之间并联地传导电流的至少两个分支。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一与第二电极之间并联地传导电流的至少三个分支。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括至少一个预成型薄弱点；并且所述双金属熔丝元件被配置成响应于短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而在所述至少一个预成型薄弱点处解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
根据一些实施例，所述电熔丝组件具有大于1mΩ的总电阻和响应于10/350浪涌电流脉冲形状的至少25kA的浪涌冲击额定电流。在一些实施例中，所述电熔丝组件具有在约1mΩ-5mΩ的范围内的总电阻。在一些实施例中，所述电熔丝组件具有约20A的持续额定电流。在一些实施例中，所述熔丝元件包括比电阻在约1x10-7Ωm-5x10-7Ωm的范围内的材料。在一些实施例中，所述电熔丝组件具有在约800V-900V的范围内的与其相关联的电弧电压。
根据本发明的一些实施例，一种熔断式浪涌保护设备(SPD)模块包括：第一电气端子；第二电气端子；连接在所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的过压保护电路；以及双金属熔丝，所述双金属熔丝包括与所述第一与第二电气端子之间的所述过压保护电路串联连接的双金属熔丝元件。
所述熔断式SPD模块可以包括模块壳体，其中所述过压保护电路和所述双金属熔丝各自安装在所述模块壳体中。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而使所述第一电气端子与所述第二电气端子断开连接。
在一些实施例中，所述所规定的触发电流是当过压保护电路由于短路而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
根据一些实施例，所述双金属熔丝被配置成承载高达25kA的电流达长达5ms的时间，而所述双金属熔丝不断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
在一些实施例中，所述双金属熔丝被配置成响应于承载来自所述过压保护电路的短路电流达不大于最大短路响应时间阈值而断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
根据一些实施例，来自所述过压保护电路的所述短路电流在约300A-1000A的范围内，并且所述最大短路响应时间阈值不大于5秒。
根据一些实施例，所述过压保护电路包括具有与其相关联的泄漏电流的金属氧化物变阻器(MOV)，并且所述双金属熔丝被配置成承载所述泄漏电流，而所述双金属熔丝不断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
在一些实施例中，所述泄漏电流在约1A-15A的范围内。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件包括：具有第一热膨胀系数的第一金属层；以及具有第二热膨胀系数的第二金属层。所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
在一些实施例中，所述第一金属层包括FeNi22Cr3，并且所述第二金属层包括FeNi36。
所述熔断式SPD模块可以进一步包括与所述过压保护电路串联连接的热切断器，所述热切断器机构被配置成响应于热事件而使所述第一电气端子与所述第二电气端子电气断开连接。
在一些实施例中，所述过压保护电路包括至少一个有源电压开关/限制部件。
在一些实施例中，所述至少一个有源电压开关/限制部件包括变阻器。
根据一些实施例，所述至少一个有源电压开关/限制部件包括气体放电管。
根据一些实施例，所述双金属熔丝包括环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂。
在一些实施例中，所述电弧熄灭剂是可流动介质。
在一些实施例中，所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流而变形和解体，从而使所述第一电气端子与所述第二电气端子断开连接。
根据一些实施例，所述熔断式SPD模块包括第一和第二导电电极；所述双金属熔丝元件电连接所述第一和第二电极；所述双金属熔丝元件包括与所述第一电极电气接触的第一端部；所述双金属熔丝元件包括与所述第二电极电气接触的第二端部；所述第二端部未固接到所述第二电极；并且所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流而变形、并且从而使所述第二端部移位而脱离与所述第二电极的电气接触，从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
在一些实施例中，所述第一端部固接到所述第一电极。
根据一些实施例，所述熔断式SPD模块包括第一和第二导电电极；所述双金属熔丝元件电连接所述第一和第二电极；所述双金属熔丝元件包括第一端部和相对的第二端部；所述第一端部固接到所述第一电极；并且所述第二端部固接到所述第二电极。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一与第二电极之间并联地传导电流的至少两个分支。
根据一些实施例，所述双金属熔丝元件包括至少一个预成型薄弱点；并且所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的电流而在所述至少一个预成型薄弱点处解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
根据一些实施例，一种受保护的电气供电电路包括过压保护电路，以及与所述过压保护电路电气串联连接的双金属熔丝元件。所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而中断所述受保护的电气供电电路。
根据一些实施例，所述所规定的触发电流是当过压保护电路由于短路而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
在一些实施例中，所述过压保护电路包括有源电压开关/限制部件。
在一些实施例中，所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所述所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形和解体，并且从而中断所述受保护的电气供电电路。
根据一些实施例，一种电熔丝组件包括导电的第一和第二电极、电连接所述第一和第二电极的双金属熔丝元件以及环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂。
根据一些实施例，所述电弧熄灭剂是可流动介质。
在一些实施例中，所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
根据一些实施例，一种设备包括熔丝组件，所述熔丝组件包括导电的第一和第二电极，以及电连接所述第一和第二电极的熔丝元件。所述熔丝组件具有大于1mΩ的总电阻和响应于10/350浪涌电流脉冲形状的至少25kA的浪涌冲击额定电流。
在一些实施例中，所述熔丝组件具有在约1mΩ-5mΩ的范围内的总电阻。
在一些实施例中，所述熔丝组件具有约20A的持续额定电流。
根据一些实施例，所述熔丝元件包括单块(整体式，monolithic)金属合金。
在一些实施例中，所述熔丝元件包括双金属合金，所述双金属合金包括多个金属层。
根据一些实施例，所述熔丝元件包括比电阻在约1x10-7Ωm-5x10-7Ωm的范围内的材料。
根据一些实施例，所述熔丝组件具有在约800V-900V的范围内的与其相关联的电弧电压。
附图说明
形成说明书的一部分的附图图示本发明的实施例。
图1是图示包括常规浪涌保护设备(SPD)配置的电气供电电路的框图。
图2是图示根据本发明构思的一些实施例的包括浪涌保护设备(SPD)配置的电气供电电路的框图。
图3是根据本发明构思的一些实施例的包括双金属熔丝组件的熔断式SPD电路和模块的框图。
图4是安装在DIN导轨上的图3的熔断式SPD模块的前部透视图。
图5是图3的双金属熔丝组件的透视图。
图6是图5的双金属熔丝组件的分解透视图。
图7是形成图5的双金属熔丝组件的一部分的双金属熔丝元件的正视图。
图8是图7的双金属熔丝组件沿着图7的线8-8截取的横截面视图。
图9是图7的双金属熔丝元件的右侧视图。
图10是图3的双金属熔丝组件沿着图5的线10-10截取的横截面视图。
图11和图12是图3的双金属熔丝组件沿着图5的线10-10截取并且图示双金属熔丝组件的操作的横截面视图。
图13是根据其他实施例的双金属熔丝组件的透视图。
图14是图13的双金属熔丝组件的分解透视图。
图15是图13的双金属熔丝组件沿着图13的线15-15截取的横截面视图。
图16是根据本发明构思的其他实施例的包括双金属熔丝组件的熔断式SPD电路和模块的框图。
图17是根据其他实施例的双金属熔丝组件的透视图。
图18是图17的双金属熔丝组件的分解透视图。
图19是图17的双金属熔丝组件沿着图17的线19-19截取的横截面视图。
图20是形成图17的双金属熔丝组件的一部分的双金属熔丝元件的右侧视图。
图21是图20的双金属熔丝元件的正视图。
图22是根据本发明构思的其他实施例的熔断式SPD模块的顶部透视图。
图23是图22的熔断式SPD模块的分解透视图。
图24是图22的熔断式SPD模块的底部透视图，其中未示出熔断式SPD模块的盖。
图25是图22的熔断式SPD模块的片断顶部透视图，其中未示出熔断式SPD模块的盖和框架。
图26是图22的熔断式SPD模块沿着图22的线26-26截取的片断横截面视图。
图27是图22的熔断式SPD模块沿着图22的线27-27截取的横截面视图，其中未示出盖。
具体实施方式
现在将在下文中参考其中示出本发明的说明性实施例的附图更全面地描述本发明。在附图中，为清楚起见，可以夸大区域或特征的相对大小。然而，本发明可以以许多不同形式体现，并且不应该被解释为限于本文中阐述的实施例；相反，提供这些实施例使得本公开内容将是彻底且完整的，并且将向所属领域的技术人员充分传达本发明的范围。
应注意的是，关于一个实施例描述的方面可以并入不同的实施例中，虽然未相对于其具体描述。即，所有实施例和/或任何实施例的特征可以单独实现或者按任何方式和/或组合加以组合。此外，在审阅以下附图和详细描述之后，根据本发明构思的实施例的其他装置、方法和系统对本领域技术人员而言将是显而易见的或者变得显而易见。旨在的是，所有此类额外装置、方法、和系统都包括在此描述内、在本发明主题的范围内并且受到所附权利要求的保护。
如本文中所使用的，“单块”意指如下物体：其是由无接头或接缝的材料形成或组成的单个整体零件。替代地，整体物体可以是由在接头或接缝处固定在一起的多个零件或部件组成的组合物。
本发明构思的一些实施例源自如下认识：用于在浪涌保护设备失效时通过使其与电路断开连接来保护浪涌保护设备(SPD)免于短路电流的熔丝或断路器通常具有非常高的额定电流。这些高的额定电流可以允许熔丝或断路器当与电力线路与接地之间的SPD串联配置时处理由诸如雷击的过电压事件引起的高冲击电压和/或冲击电流，或者当内联提供在电力线路中时处理持续的电流。为实现这样的高额定电流，熔丝和/或断路器可能是大的，并且由于是与SPD分立的部件而需要额外的安装费用。
根据本发明构思的一些实施例，过压保护电路可以与双金属熔丝元件串联连接以组合形成熔断式SPD电路。在一些实施例中，熔断式SPD电路以熔断式SPD单元或模块的形式提供，其中过压保护电路和双金属熔丝元件各自集成在该熔断式SPD单元或模块中。在一些实施例中，双金属熔丝元件是双金属条带。
熔断式SPD电路可以包括热切断器设备以及过压保护电路和双金属熔丝元件。在一些实施例中，热切断器设备连同过压保护电路和双金属熔丝元件一起集成在熔断式SPD单元或模块中。
熔断式SPD电路的过压保护电路可以包括一个或多个有源电压开关/限制部件，诸如变阻器或气体放电管。
双金属条带可以被配置成响应于从过压保护电路接收的从其穿过的最小短路电流(在本文中称为“最小SPD短路电流”)而在指定时间周期内通过双金属条带的变形来机械地断开电路。例如，在电力线路应用中，通过过压保护电路的预期最小SPD短路电流可以在300A一1000A的范围内。此最小SPD短路电流可以称为触发电流阈值。通过过压保护电路和双金属熔丝元件的短路电流也可以称为触发电流。用于保护SPD免于短路电流事件的标准可以是，在SPD短路电流事件的5秒内使SPD与电路断开连接。因此，当用于实例性电力线路应用中时，双金属熔丝组件可以被配置成使得双金属条带响应于至少300A的SPD短路电流在5秒内变形以断开电路。在变形之后，双金属条带元件将因双金属熔丝设备的电极之间的电弧放电而快速蒸发。
在一些实施例中，双金属熔丝元件形成双金属熔丝设备或组件的一部分。双金属熔丝设备可以包括诸如SiO2的电弧熄灭剂以终止电弧放电。SiO2可以以沙粒或粉末的形式提供。
双金属熔丝设备还可以被配置成处理因诸如雷击的过电压或电流浪涌事件而产生的非常大SPD浪涌冲击电流。可能需要SPD将持续1ms至5ms之间的高达25kA的浪涌冲击电流重新引导到接地。根据本发明构思的一些实施例，双金属熔丝设备可以传导这种高电流长达5ms，而双金属条带元件不变形以断开电路。
双金属熔丝设备可以传导相对低的电流从中通过，该电流对应于与过压保护电路中的变阻器相关联的泄漏电流。这些泄漏电流可能相对低，诸如例如，1A-15A。双金属熔丝设备可以被配置成使得在过压保护电路充分升温以致热切断器断开电路以终止泄漏电流之前，双金属熔丝元件并不变形以断开电路。
参考图2-图12，其中示出根据一些实施例的双金属熔丝设备或组件200。熔丝组件200可以替代熔丝140作为如上文参考图1所述的供电电路的保护电路中的部件提供、安装和使用，例如，以形成受保护的供电电路101，如图2中所示。
在一些实施例中，熔丝组件200集成到包括过压保护电路(OPC)290的熔断式浪涌保护设备(SPD)单元或模块280中，如图3和图4中所图示的。在此情况下，熔丝组件200充当集成的备用熔丝。在一些实施例中，熔断式SPD模块280例如被配置成安装在DIN导轨283上，如图4中所示。在其他实施例中，熔丝组件200可以作为供电电路的保护电路中的单独部件提供、安装和使用(例如，不与OPC 290一起物理地集成在模块中)。
参考图3，熔断式SPD模块280包括熔丝组件200、模块壳体282、第一电气端子284、第二电气端子286、OPC 290和热切断器292。熔丝组件200、OPC 290和热切断器292设置在壳体282中，并且电连接在端子284与286之间以形成熔断式SPD电气电路281。
OPC 290可以是任何合适的过压保护电路。在一些实施例中，OPC 290包括有源电压开关或有源电压限制部件(在本文中称为“电压开关/限制部件)291。
在一些实施例中，OPC 290是基于变阻器的过压保护电路，并且电压开关/限制部件291是变阻器。在一些实施例中，电压开关/限制部件291是金属氧化物变阻器(MOV))。
在一些实施例中，电压开关/限制部件291是气体放电管(GDT)。
电压开关/限制部件291还可以是另一类型的电压开关/限制浪涌保护设备。可以形成或形成OPC 290的一部分的其他类型的电压开关/限制部件291可以包括火花隙设备、多单元GDT(例如，如在授予Rozman的美国专利第10,685，805号和授予Rozman的美国专利第10，186,842号中所公开的，这些美国专利的公开内容以引用方式并入本文中)、二极管或半导体闸流管(thyristor)。
OPC 290可以包括单个电压开关/限制部件291或者仅由其组成。在一些实施例中，OPC 290包括有源电压开关/限制部件291和相关联的电气连接(如果有的话)或者仅由它们组成。
OPC 290可以包括多个电压开关/限制部件291。OPC 290可以包括一个或多个电压开关/限制部件291、结合其他电气部件。在一些实施例中，OPC290包括多个变阻器(在模块端子之间电气并联或串联连接)、多个GDT(例如，电气串联连接)和/或变阻器和GDT两者(例如，与变阻器电气串联连接)，和/或诸如电阻器、电感器和电容器等其他电路元件。
气体放电管(GDT)和金属氧化物变阻器(MOV)可以用于浪涌保护设备中，但是GDT和MOV在响应于过电压浪涌事件远离敏感电子部件分流电流方面都各有优缺点。例如，MOV具有对浪涌事件快速作出响应、并且能够耗散与浪涌事件相关联的功率的优点。但是，MOV具有相对于GDT具有增加的电容、并且甚至在环境条件下也使泄漏电流从中通过的缺点。相对于GDT，MOV还可以具有减少的寿命预期。相对于MOV，GDT具有极低至无泄漏电流、最小电容和增加的寿命预期的优点。但是GDT对浪涌事件的响应不如MOV。此外，当GDT响应于浪涌事件而激发(fire)并转变到电弧区域中时，如果GDT所连接的线路上的环境电压超过电弧电压，则GDT可以保持在导通状态。GDT可以减轻与MOV相关联的电流泄漏问题，这可以延长MOV的工作寿命。
GDT是经密封的设备，其包含截留在两个电极之间的气体混合物。该气体混合物在被高压尖峰电离之后变成导电的。致使GDT从不导电高阻抗状态转变为导电状态的此高电压称为GDT的火花放电电压(飞弧电压)。该火花放电电压通常根据电压随时间的上升速率来表示。例如，在100V/s的上升速率下，GDT可以被额定成具有500V的直流火花放电电压。当GDT在其端子两端经历超过其火花放电电压的电压增加时，GDT将从高阻抗状态转变为称为辉光区域的状态。辉光区域(glow region)是指其中GDT中的气体开始电离、并且流过GDT的电流开始增加的时间区域。在辉光区域期间，通过GDT的电流将继续增加，直到GDT转变成称为电弧区域的虚拟短路。当在电弧区域中时，在GDT两端形成的电压称为电弧电压，并且通常小于100V。GDT花费相对长时间来触发从高阻抗状态到其中其充当虚拟短路的电弧区域状态的转变。
诸如MOV的变阻器当处于大致不导电状态时仍传导由通过二极管结(diodejunction)的反向泄漏引起的相对少量的电流。此泄漏电流可能产生足够量的热，以致使用诸如热切断器292的设备来降低熔断式SPD 280的部件损坏的风险。当瞬态过电压事件发生时，变阻器将传导少量电流，直到达到钳位电压电平，此时，变阻器将充当虚拟短路。通常，钳位电压相对高，例如，几百伏，使得当变阻器因瞬态过电压事件而使高电流通过时，可以耗散相对大量的功率。与GDT相比，变阻器具有从高阻抗状态到虚拟短路状态的相对短的转变时间，该转变时间对应于在变阻器两端形成的电压达到钳位电压电平所花费的时间。
热切断器292可以是任何合适的热切断器设备，其被配置和定位成响应于由OPC290(例如，由电压开关/限制部件291)产生的热而使OPC 290(并且从而电压开关/限制部件291)与端子284断开连接。热切断器292可以包括具有钎焊连接的弹簧加载开关，该钎焊连接被来自OPC290的过量热(例如，由其MOV 291产生)熔化或软化以准许该开关断开。
参考图5-图10，熔丝组件200具有第一端部200A和相对的第二端部200B。熔丝组件200包括熔丝组件壳体202、第一电极210(端部200A处)、第二电极216(端部200B处)、分隔壁220、紧固件223、电弧熄灭剂226、插塞228、指示器机构230和双金属熔丝连接环或元件240。壳体202、分隔件220和电极210、216限定主室222和相邻的辅助室224。
壳体202和分隔壁220可以由任何合适的电绝缘材料形成。在一些实施例中，壳体202和分隔壁220由陶瓷形成。
电极210、216可以由任何合适的导电金属形成。在一些实施例中，电极210、216由铜、黄铜、不锈钢、铝铜(AlCu)或钨铜(WCu)形成。电极210、216可以由如上所述的具有镍或锡的额外表面镀层(电镀)的基底金属形成。
电弧熄灭剂226可以由任何合适的材料形成。在一些实施例中，电弧熄灭剂226是可流动的介质。在一些实施例中，电弧熄灭剂是可流动的颗粒。在一些实施例中，电弧熄灭剂226是二氧化硅颗粒(二氧化硅)。可以选择颗粒大小和填充以优化电弧熄灭剂226的性能，如本文中所述的。主室222通过电极210中的填充开口212B填充有所述剂226，并且然后用插塞228密封。
指示器机构230包括电气电阻丝232、金属指示器构件或销234和位于辅助室224中的预加载弹簧236。指示器机构230被组装成使得电阻丝232在一个端部232A处附接(例如，焊接)到电极216，并且在其相对端部232B处附接到指示器销234。弹簧236在压缩状态下由壳体202上的挤出件支撑，使得弹簧236向丝232施加张力并朝向电极210偏置指示器销234。销234的端部插入电极210中的指示器开口212C中并与之进行电气接触。如下文所论述的，当电阻丝232解体时，弹簧236迫使销234向外滑动通过开口212C以提供可见或机械的指示或提醒。
在一些实施例中，电阻丝232具有在从约0.1至0.5mm的范围内的丝直径。在一些实施例中，电阻丝232由对于从约0.1至0.5mm的范围内的丝直径具有在从约0.2至1Ohm/cm的范围内的电阻的电阻材料形成。
辅助室224可以保持未填充所述剂226。在其他实施例中，可以省略分隔件220，并且指示器机构230可以位于主室222中。
熔丝元件240是具有相对的第一和第二端部242A、242B的双金属条带。该条带包括细长的连接体或支路244、第一端部242A上的一体的第一凸出部246和第二端部242A上的一体的第二凸出部248。孔254A和/或切口254B可以限定在条带240中。
双金属熔丝元件240包括第一或内部金属带或层250和沿着熔丝元件240的长度与内部金属层250配合(例如，面对面)的第二或外部金属带或层252。内部金属层250和外部金属层252由彼此不同的金属组合物形成。更特定来说，外部金属层252由热膨胀系数比内部金属层250的热膨胀系数高的金属形成。当熔丝元件240被加热时，金属层250、252之间的不同热膨胀率将致使熔丝元件240沿变形方向B弯折或变形。
在一些实施例中，双金属熔丝元件240进一步包括沿着熔丝元件240的长度与内部金属层250或外部金属层252(如图7中所图示)配合(例如，面对面)的第三金属带或层256。在一些实施例中，第三金属层256由导电率高于形成内部金属层250和外部金属带或层252的金属或合金的金属形成。
金属层250、252可以由任何合适的金属形成。在一些实施例中，内部金属层250(即，低膨胀侧层)由FeNi36镍合金形成，并且外部金属层252(即，高膨胀侧层)由FeNi22Cr3镍合金形成。
在一些实施例中，熔丝元件240具有在1x10-6至30x10-6[K-1]的范围内的比热曲率和在1x10-8至1x10-6[Ωm]的范围内的比电阻。
在一些实施例中，熔丝元件240具有在从约2mm至10mm的范围内的条带宽度W1(图9)。
在一些实施例中，熔丝元件240具有在从约20mm至70mm的范围内的条带长度L1(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240具有在从约0.5mm至2mm的范围内的条带厚度T1(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240的外部金属层252具有在从厚度T1的约1/3至2/3倍的范围内的层厚度T2(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240的内部金属层250具有在从厚度T1的约1/3至2/3倍的范围内的层厚度T3(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240的第三金属层256具有在从厚度T1的约0.05至0.2倍的范围内的层厚度T4(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240在第一凸出部246与支路244之间的弯折部具有在从厚度T1的约0.25至3倍的范围内的半径R1(图7)。
在一些实施例中，熔丝元件240在第二凸出部248与支路244之间的弯折部具有在从厚度T1的约0.25至3倍的范围内的半径R2(图7)。
在一些实施例中，凸出部246以相对于支路244从约70至110度的范围内的角度和以厚度T1的从约0.25至2倍的范围内的弯折半径弯折，并且凸出部248以相对于支路244从约70至110度的范围内的角度和以厚度T1的从约0.25至2倍的范围内的弯折半径弯折。
熔丝元件240的端部242A通过紧固件223(例如，螺母和螺栓、螺钉、铆钉或焊接件)固定、锚定或固接到第一电极210，紧固件223可以延伸穿过电极210中的开口212A。从而，凸出部246保持与电极210的内表面214电气接触。
熔丝元件240的相对端部242B借助凸出部248保持与第二电极216的内表面218电气接触。凸出部248可以轻微地加载在表面218上(例如，通过熔丝元件240的小弹性偏转)，但是端部242B未固接到电极216。即，端部242B是自由的。
熔丝元件240通常由填充主室222的剂226环绕。
熔丝组件200和熔断式SPD组件280在服务中可以如下操作。
根据本发明构思的一些实施例，熔断式SPD 280可以被配置成在四种不同条件下操作：1)正常操作；2)其中熔断式SPD 280被设计成将SPD浪涌冲击电流分流到接地的过电压或电流浪涌事件；3)与OPC 290相关联(例如，与OPC 290的变阻器291的二极管结相关联)的环境泄漏电流事件；以及4)其中OPC 290的电压开关/限制部件291在其生命周期结束时降级并且开始充当或用作短路的短路事件。
熔丝组件200以图10中所示的配置中的熔丝组件200的方式构造和安装。电极210和216通过熔丝元件240电连接，熔丝元件240分别经由凸出部246和248与电极210和216电气接触。端子286电连接到电路101的线路(L)，并且端子284电连接到电路101的接地(G)(图2)。
如上所述，在正常操作期间，SPD OPC并不让电流通过，并且因此，熔丝组件200未被供应有电流。熔丝组件200保持处于图10中所示的配置。
如上所述，当过电压或电流浪涌事件向电路281施加浪涌冲击电流时，OPC 290将有效地变成短路，并且熔丝组件200被供应有SPD浪涌冲击电流。OPC 290的电压开关/限制部件291(例如，变阻器或GDT)被设计成将与此类事件相关联的浪涌冲击电流分流到接地以保护敏感装备。SPD浪涌冲击电流可以在几十千安的数量级，但是通常将仅持续短的持续时间(在从约几十微秒到几毫秒的范围内)。
熔丝元件240能够传导此SPD浪涌冲击电流，而不使熔丝元件240解体或变形。熔丝组件200保持处于图10中所示的配置。因此，熔丝组件240将不中断SPD浪涌冲击电流，并且将保持可用于进一步的操作。因此，双金属熔丝组件200可以被配置成承载从中通过的SPD浪涌冲击电流，而双金属熔丝元件240不变形以断开电路。在本发明构思的一些实施例中，双金属熔丝组件200可以被配置成承载从中通过的高达25kA的SPD浪涌冲击电流达长达5ms的时间、25kA 8/20冲击波形和/或25kA10/350冲击波形，而双金属熔丝连接件或元件240不变形以断开电路。
如上所述，当OPC 290的电压开关/限制部件291(例如，变阻器或GDT)因相对小的SPD泄漏电流而失效时(即，与变阻器291相关联的环境泄漏电流事件)，熔丝组件200被供应有SPD泄漏电流。然而，熔丝元件240能够传导此SPD泄漏电流达最小泄漏电流时间阈值，而不使熔丝元件240解体或变形以断开电路。熔丝组件200保持处于图10中所示的配置。因此，熔丝组件240将不中断SPD泄漏电流，并且将保持可用于进一步操作。电压开关/限制部件291(例如，MOV)可以进一步降级并逐步产生更多的热，直到热切断器292通过断开和中断通过电路281的电流来对该热作出响应。此泄漏电流比双金属熔丝组件200的SPD短路触发电流小。在电力线路应用中，泄漏电流可以在从约1A-15A的范围内。当来自变阻器的泄漏电流过大时，其可能导致热积聚，从而导致热切断器292断开电路以终止泄漏电流。最小泄漏电流时间阈值可以被设置成大于热切断器292将断开电路以终止泄漏电流的时间。
如上所述，OPC 290的电压开关/限制部件291(例如，变阻器或GDT)可能以如下方式和在以下情况下由于短路而失效：致使OPC 290向熔丝组件200供应相对高的SPD短路电流(例如，在从约几百安培至几十千安的范围内)。这可以例如在OPC 290的变阻器291降级并且充当短路时发生。
双金属熔丝组件200被配置成当SPD由于短路而失效时基于SPD预期输送的最小短路电流而断开，这基于应用。该最小预期短路电流可以称为双金属熔丝组件200的阈值短路电流或触发电流(即，熔丝组件200额定或设计的所规定的触发电流阈值)。在电力线路应用中，例如，最小预期短路电流或触发电流可以在300A-1000A的范围内。
响应于SPD短路电流超过熔丝组件200的所规定的触发电流，熔丝元件240将与电极216断开连接并中断通过熔丝组件200的电流。更特定来说，触发电流加热双金属熔丝元件240。作为响应，不同地膨胀的层250和252致使熔丝元件240的第二端部242B和凸出部248沿方向B远离第二电极216弯折或偏转(如图11中所示)。以此方式，熔丝元件240将凸出部248(并且从而熔丝元件240)拉离与电极216的电气接触。粒状的灭弧剂226是可流动的，并且准许熔丝元件240以此方式变形。
因此，对于电力线路应用，双金属熔丝组件200可以被配置成使得一旦SPD短路电流或触发电流已经流过熔丝达不大于最大短路响应时间阈值，双金属熔丝元件240便变形。在电力线路应用中，此最大短路响应时间阈值可以根据法规或标准设置为5秒。
一旦熔丝元件端部242B已经从电极216移位，则在端部242B与电极216之间将发生电气电弧放电。此电弧放电致使熔丝元件端部242B的一部分快速蒸发或解体。从而，熔丝元件242B缩短或截断，使得其终止在端部242C处(图12)。
灭弧剂226(例如SiO2)、熔丝元件240的材料损失和/或熔丝元件240的端部之间的空间距离然后将致使电气电弧放电终止、停止或熄灭。熔丝组件200现在断开，并且从中通过的电流已经被中断。
在一些实施例中，熔丝组件200从而不可逆地且永久地跳闸成断开、电流中断状态。即，被触发和跳闸的熔丝组件200是非可复位和不可复位的。
在一些实施例中，此非可复位和不可复位的特征全部或部分地通过熔丝元件200的端部242B的解体来实现，例如如图12中所图示的。端部242B的材料损失确保熔丝元件240不能再与电极216接触或足够接近于电极216以实现电弧放电。
在一些实施例中，此非可复位和不可复位的特征全部或部分地通过来自灭弧剂226的干扰实现。在一些实施例中，上述电弧放电还致使灭弧剂226的与熔丝元件240相邻的部分226A熔化或以其他方式硬化或失去流动性，例如如图12中所图示的。当熔丝元件240冷却时(在触发电流停止之后)，双金属熔丝元件240可能往往伸直(即，返回到其原始形状)。硬化或僵化的灭弧剂226防止或抑制熔丝元件240伸直回到其中熔丝元件240将与电极216接触或足够接近于电极216以实现电弧放电的位置。
指示器机构230被配置成使得触发电流还使电阻丝232解体。这准许指示器销234通过开口212C弹出，并且提醒操作者熔丝组件200已经跳闸。
在其他实施例中，熔丝组件可以具有不同的形状因数。而且，可以省略指示器机构。例如，图13-图15示出根据其他实施例的示例性熔丝组件300，其中熔丝壳体是圆柱形的，并且不提供指示器机构。熔丝组件300具有第一端部300A和相对的第二端部300B。熔丝组件300包括熔丝组件壳体302、第一电极310(端部300A处)、第二电极316(端部300B处)、紧固件323、电弧熄灭剂326、双金属熔丝连接件或元件340和主室322，其分别对应于壳体202、第一电极210、第二电极216、紧固件223、电弧熄灭剂226、双金属熔丝元件240和主室222。
参考图16，其中示出根据本发明构思的其他实施例的熔断式SPD电路481和形成电路481的熔断式SPD模块480。熔断式SPD模块480包括熔丝组件200、模块壳体482、第一电气端子484、第二电气端子486、OPC 490和热切断器492。熔断式SPD电路481和熔断式SPD模块480可以如针对电路281和模块280所述那样构造和操作，除如下以外。
OPC 490包括变阻器(例如，MOV)491和GDT 493两者。变阻器491和GDT 493被提供成与熔丝组件200、并且在一些实施例中与热切断器492电气串联。
参考图17-图21，其中示出根据其他实施例的双金属熔丝设备或组件500。熔丝组件500可以以与针对熔丝组件200所述相同的方式构造、安装和使用，除如下文论述的以外。例如，熔丝组件500可以用于替代熔断式SPD模块280中的熔丝组件200。
熔丝组件500具有第一端部500A和相对的第二端部500B。熔丝组件500包括熔丝组件壳体502、第一电极510、第二电极516、电极紧固件528、熔丝元件紧固件523、524、电弧熄灭剂526和双金属熔丝连接件或元件540。壳体502和电极510、516限定熔丝室522。
壳体502可以由任何合适的电绝缘材料形成。在一些实施例中，壳体502由陶瓷形成。
电极510、516可以由任何合适的导电金属形成。在一些实施例中，电极510、516由铜、黄铜、不锈钢、铝铜(AlCu)或钨铜(WCu)形成。电极510、516可以由如上所述具有镍或锡的额外表面镀层(电镀)的基底金属形成。
电弧熄灭剂526可以由任何合适的材料形成。在一些实施例中，电弧熄灭剂526是如针对灭弧剂226所述的材料(例如，可流动介质，诸如二氧化硅颗粒)。熔丝室522填充有所述剂526。
熔丝元件540是具有相对的第一和第二端部542A、542B的双金属条带。该条带包括第一端部542A上的一体的第一凸出部或基部区段546、第一细长连接体、区段、分支或支路544、第二细长连接体、区段、分支或支路545以及一体的凸出部544A、545A。每一支路544、545从联接到基部区段的第一支路端部543A延伸到相对的第二支路端部543B，相应的凸出部544A、545A在第二端部542B处从相对的第二支路端部543B延伸。安装孔547限定在凸出部544A、545A中的每一者以及基部区段546中。
在一些实施例中并且如图所示，熔丝元件540包括呈整体(在一些实施例中，单块)条带形式的支路544、545、基部区段546和凸出部544A、545A。在其他实施例中，熔丝元件540可以被配置为两个(或者更多个，如果提供多于两个支路)双金属条带，每一双金属条带包括所述支路中的相应一者。
基部区段546通过延伸穿过其中的孔547的紧固件523固定、锚定或固接到第一电极510。在一些实施例中，紧固件523是铆钉。基部区段546可以使用诸如螺母和螺栓、螺钉或焊接件的其他技术固接到第一电极510。从而，基部区段546保持与电极510的内表面电气接触。
凸出部544A、545A通过延伸穿过其中的孔547的紧固件524固定、锚定或固接到第二电极516。在一些实施例中，紧固件524是铆钉。凸出部544A、545A可以使用诸如螺母和螺栓、螺钉或焊接件的其他技术固接到第二电极510。从而，凸出部544A、545A保持与电极516的内表面电气接触。
熔丝元件540通常由填充主室522的剂526环绕。
双金属熔丝元件540包括第一或内部金属带或层550(图21)和沿着熔丝元件540的长度(包括沿着支路544、545的长度)与内部金属层550配合(例如，面对面)的第二或外部金属带或层552。内部金属层550和外部金属层552由彼此不同的金属组合物形成。
在一些实施例中，内部金属层550由具有比外部金属层552的热膨胀系数高的热膨胀系数的金属形成。在此情况下，当熔丝元件540被加热时，金属层550、552之间的不同热膨胀率将致使支路544沿变形方向B1弯折或变形和/或将致使支路545沿变形方向B2弯折或变形。替代地，外部金属层552可以由具有比内部金属层550的热膨胀效率高的热膨胀效率的金属形成，使得当熔丝元件540被加热时，支路544和545分别沿与方向B1和B2相反的方向弯折或变形。
金属层550、552可以由如本文中针对金属层250、252所述的金属形成。
支路544、545在其中各自包括多个预成型薄弱点549。薄弱点549可以由限定在支路544、545中的切口548形成。在一些实施例中(例如，如附图中所示)，切口548限定在支路544、545的侧边缘中。
在一些实施例中，存在在每一支路544、545中限定的至少三个薄弱点549。在一些实施例中，限定在每一支路544、545中的薄弱点549的数量在从3至10的范围内。在其他实施例中，可以存在在每一支路544、545中限定的少至一个薄弱点549。切口548沿着支路544、545的长度在薄弱点549的位置处减小支路544、545的宽度。
在一些实施例中，熔丝元件540的宽度W3(图21)在从室522的宽度W4(图19)的约1/3至2/3的范围内。
在一些实施例中，每一支路544、545在薄弱点549处的宽度W5(图20)在从每一支路544、545的宽度W6(图20)的约2/3至1/4的范围内。
在一些实施例中，每一切口548的高度H7(图20)在从每一支路544、545的宽度W6的约2/3至1/4的范围内。
在一些实施例中，熔丝元件540具有在1x10-8至1x10-6Ωm的范围内的比电阻。
熔丝组件500和熔丝元件540可以以与如本文中针对熔丝组件200和熔丝元件240所述相同的方式使用。然而，替代如针对熔丝元件240所述弯折脱离与电极516的接触，支路544、545在每一支路544、545的中间区段中的薄弱点549处解体或断开。一旦支路544、545已经断裂，在断裂处在支路544、545的相对端部之间便将发生电气电弧放电。此电弧放电致使这些相对端部处的熔丝元件540的一部分或若干部分快速蒸发或解体。灭弧剂526(例如，SiO2)、熔丝元件540的材料损失和/或断裂处支路544、545的相对端部之间的空间距离然后将致使电气电弧放电终止、停止或熄灭。一旦两个支路544、545都已经以此方式转变，熔丝组件500断开，并且从中通过的电流已经被中断。
在一些实施例中，故障电流最初将在一个支路544、545中的一个薄弱点549处产生热，从而导致熔丝元件540处的电弧放电和熔丝元件540的解体。故障电流然后可以致使熔丝元件540在相同支路544、545中的其他薄弱点549处开始电弧放电和解体。电流然后还将致使其他支路544、545在其中的一个或多个薄弱点549处开始电弧放电和解体。每一支路544、545的解体将沿着支路544、545朝向电极510、516传播，直到支路544、545中的电弧放电被灭弧剂526和/或支路544、545的相对端部之间的空间距离终止。在一些情况下，每一支路544、545的大部分将被解体，并且在一些实施例中，每一支路544、545的基本上全部将被解体，这取决于故障电流的幅度。
在一些实施例中，双金属支路544、545将响应于由从中流过的浪涌电流在支路544、545中产生的热而弯折或变形(例如，沿方向B1、B2)。此弯折或变形可以帮助间隔开断裂处(例如，发生在薄弱点549处)支路544、545的相对端部以熄灭电弧放电。然而，在其他实施例中，电极510、516可以在支路544、545弯折或变形之前或者在弯折或变形的程度可以明显促成断开连接之前通过支路544、545的解体而完全断开连接。
将了解的是，双金属熔丝元件540为电流流过熔丝组件500提供两个平行分支(即，两个支路544、545)。在其他实施例中，双金属熔丝元件540可以包括多于两个(例如，三个、四个或者更多个)支路，其对应于支路544、545并以与支路544、545相同的方式固定，每一支路为电流流过熔丝组件500提供平行分支。提供两个或更多个分支544、545增加熔丝元件540的总有效横截面积。此增加的横截面积可以用于增加熔丝组件500的浪涌额定电流。
参考图22-图27，其中示出根据其他实施例的熔断式浪涌保护设备(SPD)单元或模块600。熔断式SPD模块600包括集成在其中的熔丝组件500。然而，在其他实施例中，熔丝组件200、熔丝组件300或根据本发明的实施例的另一双金属熔丝组件可以用于替代熔断式SPD模块600中的熔丝组件500。
熔断式SPD模块600包括模块壳体610、第一模块电气端子622、第二模块电气端子626、过压保护电路(OPC)组件640、热切断器650、指示器机构660和熔丝组件500。热切断器650、OPC组件640和熔丝组件500设置在壳体610中，并且串联电连接在模块端子622与626之间以形成熔断式SPD电气电路681。将了解的是，熔断式SPD电气电路681对应于熔断式SPD电气电路281(图3)。将了解的是，OPC 640、热切断器650、指示器机构660、熔丝组件500和熔断式SPD组件600以与如本文中针对OPC 290、热切断器292、指示器机构230、熔丝组件200和熔断式SPD模块280所述相同的方式起作用和操作，除如下文论述的以外。
模块壳体610包括模块框架614和模块盖612。部件622、626、640、650、660、500安装在模块框架614上或模块框架614中，并且此子组件由模块盖612覆盖。模块电气端子622、626从壳体610的基部突出。在使用中，熔断式SPD模块600可以安装在协作基部组件上，使得模块电气端子622、626与该基部组件的相关联端子进行机械和电气接触。
OPC组件640包括过压保护电路690。在一些实施例中，OPC组件640是多单元GDT组件。在一些实施例中，OPC组件640是如在授予Rozman的美国专利第10,685,805号或授予Rozman的美国专利第10,186,842号中所公开的多单元GDT组件，所述美国专利的公开内容以引用方式并入本文中。然而，将了解，其他类型和配置的过压保护电路和有源电压开关/限制部件可以用于多单元GDT 640中或替代多单元GDT 640。
说明性多单元GDT组件640包括主GDT 646A和次多单元GDT 646B。多单元GDT组件640具有第一端子642和第二端子644。主GDT646A和次多单元GDT646B电气串联连接在端子642、644之间，例如，如在美国专利第10,685,805号中所公开的。
熔断式SPD模块600包括第一端子构件620，第一端子构件620包括第一模块端子622并且将第一模块端子622电连接到端子642。
熔断式SPD模块600包括第二端子构件624，第二端子构件624包括第二模块端子626并且将熔丝组件500的第二电极516电连接到第二模块端子626。
多单元GDT 640的端子644通过热切断器650电连接到熔丝组件500的第一电极510，热切断器650是导电的(例如，金属)。更特定来说，热切断器650的第一端部650A紧固到熔丝电极构件510。热切断器650的相对端部650B通过诸如焊料的可熔结合剂655固接到端子644。
支路或弹簧触点652由结合剂655保持在弹性偏转位置，使得弹簧触点652的弹簧力往往将端部650B拉离端子644。在使用中，当GDT组件640失效(例如，多单元次GDT 646B在内部短路)时，主GDT 646A将快速升温，直到焊料655充分熔化以释放弹簧触点652，弹簧触点652被远离端子644弹簧偏置或加载。从而，GDT组件640与熔丝组件500断开连接。
指示器机构660包括指示器构件662、预加载弹簧664、电阻丝670、套圈672、电阻器674、指示器条带676、电连接器构件678、本地指示器窗668(限定在盖612中)和远程指示器开口667(限定在框架614的基部中)。
电阻丝670可以如针对电阻丝232所述的那样构造。保持帽670A固接到电阻丝670的上端并与指示器构件662互锁。在准备就绪(未发生故障)配置中，电阻丝670处于张紧状态并且抵抗弹簧的负载将指示器构件662保持在准备就绪位置。当电阻丝670解体和断裂时(如本文中所论述的)，指示器构件662从而被释放以沿方向E平移(图26)。
电阻丝670在张力下被机械支撑，并且通过套圈672电连接到电阻器674。电阻器674的相对引线通过第二端子构件624的一体连接特征或凸出部628电连接到第二模块端子626。
电连接器构件678(例如，由金属形成)将电阻丝670电连接到GDT组件640的端子644。可以提供电绝缘体657以增加电连接器构件678与GDT组件640的与端子644处于不同电位的部分之间的击穿电压。将了解的是，电阻丝670连接在GDT组件640与第二模块端子626之间、与熔丝组件500的双金属熔丝元件540(图19)电气并联。电阻器674限制流过电阻丝670的电流。
熔断式SPD电路681和熔断式SPD模块600如针对电路481和模块480所描述的那样操作，除了指示器机构660将在与本文中针对指示器机构230所论述的相同的条件下被触发或致动以外。
指示器机构660被配置成使得，在其中通过熔丝组件500的触发电流断开(即，双金属熔丝元件540解体)的情况下，该触发电流还使电阻丝670解体。指示器构件662从而被释放以在弹簧664的力的作用下沿方向E平移。指示器构件662的此移动致使指示器构件662移动到窗668下方的位置，从而向用户提供模块600已经发生故障或跳闸的本地视觉提醒。
被释放的指示器构件662的此移动还沿方向F向上拉动指示器条带676通过模块框架614中的通道616(图27)。以此方式，指示器条带676的端部区段676A被拉离开口667上方的位置，从而露出开口667。开口667的露出可以准许基部组件的开关通过开口667移动到模块600中。该开关又可以连接到与基部组件相关联的远程监测电路。以此方式，指示器机构660可以向用户提供模块600已经发生故障或跳闸的远程提醒。
上文已经关于包括双金属熔丝元件或连接件240或540的熔丝组件200和熔丝组件500描述了本发明构思的实施例，例如如图7和图21中所示。根据本发明构思的一些实施例，双金属熔丝元件或连接件240或540可以包括一个或多个可熔元件或支路，其各自包括一种或多种金属合金。每一元件或支路中的一种或多种金属合金可以具有在1x10-7Ωm-5x10-7Ωm的范围内的比电阻，其大于在常规熔丝中使用的诸如铜、铝等等材料的比电阻。每一元件或支路的形状可以被配置成为熔丝元件或连接件240、540提供在1mΩ-5mΩ的范围内的总电阻。因此，根据本发明构思的一些实施例，包括如上所述金属合金材料的熔丝元件240、540可以用于熔丝组件200、500中，其响应于10/350浪涌电流脉冲形状(即，10μs的上升时间和350μs的至峰值的50％的衰减时间)而提供20A的持续电流传导、而不过热超过60-80K的dT和25kA的浪涌冲击额定电流。根据IEC60291-1，熔丝组件200和/或500可以具有在约800-900V的范围内的与其相关联电弧电压。在本发明构思的其他实施例中，熔丝元件或连接件240、540的一个或多个可熔元件或支路无需是双金属的，而是替代地可以包括具有如上所述电气特性的单块金属合金。下文阐述的表1提供将根据本发明构思的一些实施例的包括双金属/单块熔丝元件240、540的熔丝组件200、500的电气特性与常规小熔丝和常规大熔丝两者进行比较的总结。如从表1可见，常规小熔丝可以具有类似的比电阻和总熔丝电阻，但是其并不提供类似的冲击浪涌额定电流。类似地，大或小熔丝可以具有类似的浪涌冲击浪涌额定电流，但是并不提供类似的比电阻或整体总电阻。
表1
本文中使用的术语仅出于描述特定方面的目的，并且并不旨在限制本公开内容。如本文中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确指示。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(compring)”规定存在所叙述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中所使用的，术语“和/或”包括相关联的所列举项目中的一者或多者的任何和所有组合。在附图的整个描述中，相似的附图标记表示相似的元件。
将理解，虽然本文中可以使用术语“第一”、“第二”等等来描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一元件区分开。因此，第一元件可以称为第二元件，而不背离本发明主题的教示。
除非另外定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术和科学术语)都具有与本发明构思所属技术领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解的是，诸如在常用词典中定义的那些术语应该被解释为具有与其在相关领域和本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且将不以理想化或过度正式意义解释，除非在本文中明确这样定义。
本领域普通技术人员在受益于本公开内容的情况下可以进行许多改变和修改，而不脱离本发明的精神和范围。因此，必须理解，所图示的实施例已经仅出于实例目的而被阐述，并且其不应该视为限制如由以下权利要求书限定的本发明。因此，以下权利要求书应理解为不仅包括字面阐述的元件的组合，而且还包括用于以大致相同方式实施大致相同功能以获得大致相同结果的所有等效元件。因此，权利要求书应被理解为包括上文具体图示和描述的内容、在概念上等效的内容以及并入本发明的基本思想的内容。

Claims (66)

1.一种电熔丝组件，其包括：
导电的第一电极和第二电极；以及
电连接所述第一电极和第二电极的双金属熔丝元件；
其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
2.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述所规定的触发电流是当过压保护电路由于短路而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
3.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件被配置成承载高达25kA的电流达长达5ms的时间，而所述双金属熔丝不断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
4.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于承载短路电流达不大于最大短路响应时间阈值而断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
5.根据权利要求4所述的电熔丝组件，其中所述短路电流在约300A-1000A的范围内，并且所述最大短路响应时间阈值不大于5秒。
6.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件被配置成承载来自过压保护电路的泄漏电流，而所述双金属熔丝不断开所述第一电极与所述第二电极之间的电气连接。
7.根据权利要求6所述的电熔丝组件，其中所述泄漏电流在约1A-15A的范围内。
8.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件包括：
具有第一热膨胀系数的第一金属层；以及
具有第二热膨胀系数的第二金属层；
其中所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
9.根据权利要求8所述的电熔丝组件，其中所述第一金属层包括FeNi22Cr3，并且所述第二金属层包括FeNi36。
10.根据权利要求8所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件具有在1x10-6至30x10-6[K-1]的范围内的比热曲率和在1x10-8至1x10-6[Ωm]的范围内的比电阻。
11.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件的厚度在约0.1mm-3mm的范围内。
12.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件的宽度在约2-10mm的范围内。
13.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件包括通过本体部分耦接的第一端部和第二端部，所述第一端部以相对于所述本体部分约70至110度的范围内的第一弯折角度和以所述本体部分的厚度约0.25至2倍的范围内的第一弯折半径弯折，所述第二端部以相对于所述本体部分约70至110度的范围内的第二弯折角度和以所述本体部分的所述厚度约0.25至2倍的范围内的第二弯折角度弯折。
14.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其包括环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂。
15.根据权利要求14所述的电熔丝组件，其中所述电弧熄灭剂是可流动介质。
16.根据权利要求15所述的电熔丝组件，其中所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
17.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所述所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形和解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
18.根据权利要求17所述的电熔丝组件，其中：
所述双金属熔丝元件包括与所述第一电极电气接触的第一端部；
所述双金属熔丝元件包括与所述第二电极电气接触的第二端部；
所述第二端部未固接到所述第二电极；并且
所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所述所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形、并且从而使所述第二端部移位而脱离与所述第二电极的电气接触，从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
19.根据权利要求18所述的电熔丝组件，其中所述第一端部固接到所述第一电极。
20.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中：
所述双金属熔丝元件包括第一端部和相对的第二端部；
所述第一端部固接到所述第一电极；并且
所述第二端部固接到所述第二电极。
21.根据权利要求20所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一电极与第二电极之间并联地传导电流的至少两个分支。
22.根据权利要求20所述的电熔丝组件，其中所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一电极与第二电极之间并联地传导电流的至少三个分支。
23.根据权利要求20所述的电熔丝组件，其中：
所述双金属熔丝元件包括至少一个预成型薄弱点；并且
所述双金属熔丝元件被配置成响应于短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而在所述至少一个预成型薄弱点处解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
24.根据权利要求1所述的电熔丝组件，其中所述电熔丝组件具有大于1mΩ的总电阻和响应于10/350浪涌电流脉冲形状的至少25kA的浪涌冲击额定电流。
25.根据权利要求24所述的电熔丝组件，其中所述电熔丝组件具有在约1mΩ-5mΩ的范围内的总电阻。
26.根据权利要求24所述的电熔丝组件，其中所述电熔丝组件具有约20A的持续额定电流。
27.根据权利要求24所述的电熔丝组件，其中所述熔丝元件包括具有在约1x10-7Ωm-5x10-7Ωm的范围内的比电阻的材料。
28.根据权利要求24所述的电熔丝组件，其中所述电熔丝组件具有在约800V-900V的范围内的与其相关联的电弧电压。
29.一种熔断式浪涌保护设备(SPD)模块，其包括：
第一电气端子；
第二电气端子；
连接在所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的过压保护电路；以及
双金属熔丝，所述双金属熔丝包括与所述第一电气端子与第二电气端子之间的所述过压保护电路串联连接的双金属熔丝元件。
30.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其包括模块壳体，其中所述过压保护电路和所述双金属熔丝各自安装在所述模块壳体中。
31.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而使所述第一电气端子与所述第二电气端子断开连接。
32.根据权利要求31所述的熔断式SPD模块，其中所述所规定的触发电流是当过压保护电路由于短路而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
33.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝被配置成承载高达25kA的电流达长达5ms的时间，而所述双金属熔丝不断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
34.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝被配置成响应于承载来自所述过压保护电路的短路电流达不大于最大短路响应时间阈值而断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
35.根据权利要求34所述的熔断式SPD模块，其中来自所述过压保护电路的所述短路电流在约300A-1000A的范围内，并且所述最大短路响应时间阈值不大于5秒。
36.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中：
所述过压保护电路包括具有与其相关联的泄漏电流的金属氧化物变阻器(MOV)；并且
所述双金属熔丝被配置成承载所述泄漏电流，而所述双金属熔丝不断开所述第一电气端子与所述第二电气端子之间的电气连接。
37.根据权利要求36所述的熔断式SPD模块，其中所述泄漏电流在约1A-15A的范围内。
38.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝元件包括：
具有第一热膨胀系数的第一金属层；以及
具有第二热膨胀系数的第二金属层；
其中所述第一热膨胀系数大于所述第二热膨胀系数。
39.根据权利要求38所述的熔断式SPD模块，其中所述第一金属层包括FeNi22Cr3，并且所述第二金属层包括FeNi36。
40.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其进一步包括与所述过压保护电路串联连接的热切断器，所述热切断器机构被配置成响应于热事件而使所述第一电气端子与所述第二电气端子电气断开连接。
41.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述过压保护电路包括至少一个有源电压开关/限制部件。
42.根据权利要求41所述的熔断式SPD模块，其中所述至少一个有源电压开关/限制部件包括变阻器。
43.根据权利要求41所述的熔断式SPD模块，其中所述至少一个有源电压开关/限制部件包括气体放电管。
44.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝包括环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂。
45.根据权利要求44所述的熔断式SPD模块，其中所述电弧熄灭剂是可流动介质。
46.根据权利要求45所述的熔断式SPD模块，其中所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
47.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流而变形和解体，从而使所述第一电气端子与所述第二电气端子断开连接。
48.根据权利要求47所述的熔断式SPD模块，其中：
所述熔断式SPD模块包括第一导电电极和第二导电电极；
所述双金属熔丝元件电连接所述第一电极和第二电极；
所述双金属熔丝元件包括与所述第一电极电气接触的第一端部；
所述双金属熔丝元件包括与所述第二电极电气接触的第二端部；
所述第二端部未固接到所述第二电极；并且
所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流而变形、并且从而使所述第二端部移位而脱离与所述第二电极的电气接触，从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
49.根据权利要求48所述的熔断式SPD模块，其中所述第一端部固接到所述第一电极。
50.根据权利要求29所述的熔断式SPD模块，其中：
所述熔断式SPD模块包括第一导电电极和第二导电电极；
所述双金属熔丝元件电连接所述第一电极和第二电极；
所述双金属熔丝元件包括第一端部和相对的第二端部；
所述第一端部固接到所述第一电极；并且
所述第二端部固接到所述第二电极。
51.根据权利要求50所述的熔断式SPD模块，其中所述双金属熔丝元件包括被配置成在所述第一电极与第二电极之间并联地传导电流的至少两个分支。
52.根据权利要求50所述的熔断式SPD模块，其中：
所述双金属熔丝元件包括至少一个预成型薄弱点；并且
所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的电流而在所述至少一个预成型薄弱点处解体，并且从而使所述第一电极与所述第二电极断开连接。
53.一种受保护的电气供电电路，其包括：
过压保护电路；以及
与所述过压保护电路电气串联连接的双金属熔丝元件；
其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于来自所述过压保护电路的短路电流超过所述双金属熔丝元件的所规定的触发电流达至少所规定的持续时间而解体，并且从而中断所述受保护的电气供电电路。
54.根据权利要求53所述的受保护的电气供电电路，其中所述所规定触发电流是当过压保护电路由于短路而已经失效时由所述过压保护电路输送的最小预期短路电流。
55.根据权利要求53所述的受保护的电气供电电路，其中所述过压保护电路包括有源电压开关/限制部件。
56.根据权利要求53所述的受保护的电气供电电路，其中所述双金属熔丝元件被配置成响应于电流超过所述双金属熔丝元件的所述所规定的触发电流达至少所述所规定的持续时间而变形和解体，并且从而中断所述受保护的电气供电电路。
57.一种电熔丝组件，其包括：
导电的第一电极和第二电极；
电连接所述第一电极和第二电极的双金属熔丝元件；以及
环绕所述双金属熔丝元件的至少一部分的电弧熄灭剂。
58.根据权利要求57所述的电熔丝组件，其中所述电弧熄灭剂是可流动介质。
59.根据权利要求58所述的电熔丝组件，其中所述可流动介质包括二氧化硅颗粒。
60.一种设备，其包括：
熔丝组件，所述熔丝组件包括：
导电的第一电极和第二电极；以及
电连接所述第一电极和第二电极的熔丝元件；
其中所述熔丝组件具有大于1mΩ的总电阻和响应于10/350浪涌电流脉冲形状的至少25kA的浪涌冲击额定电流。
61.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝组件具有在约1mΩ-5mΩ的范围内的总电阻。
62.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝组件具有约20A的持续额定电流。
63.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝元件包括单块金属合金。
64.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝元件包括双金属合金，所述双金属合金包括多个金属层。
65.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝元件包括具有在约1x10-7Ωm-5x10-7Ωm的范围内的比电阻的材料。
66.根据权利要求60所述的设备，其中所述熔丝组件具有在约800V-900V的范围内的与其相关联的电弧电压。
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