CN1200844A - 过电流保护电路 - Google Patents

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Abstract

如图所示的一种电气保护系统可以被串联连接在电源和电气负载之间,连接成一个防止电路中发生过电流的操作电路。该系统包括:一个控制元件(104),在流过一个比较低的电流INORMAL时,该元件具有较低的电阻RLOW,当流过的电流从INORMAL增加到一个较高的电流IFAULT时,该元件就会被转换成较高的电阻RFAULT;与控制元件串联连接的一个断路元件(108),当电流INORMAL通过控制元件时具有一种正常状态,这种正常状态允许电流INORMAL在系统中通过,并且具有一种故障状态,这种状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过;以及一个与控制元件和断路元件的串联组合并联连接的旁路元件(106),并且被功能性地连接到断路元件上,以便在通过旁路元件的电流增加时将断路元件转换到故障状态。当通过系统的电流从INORMAL增大到IFAULT时,控制元件的电阻从RLOW增大到RFAULT,通过旁路元件的电流就会增大,而断路元件就会被转换到故障状态。

Description

过电流保护电路
本发明涉及到电气电路的过电流保护。机械式开关被广泛地用于控制电气电路中流过的电流。此处所说的＂机械式开关＂是指一种由机械式触点构成的电气开关，它可以响应一种机械(包括人工)，电气，热或是其他形式的激励而打开或是闭合。此类装置包括简单的手动开关，断路器，接地故障断路器(GFI)，继电器，以及双金属器件(也被称为电热继电器，热驱动开关，或是电-热器件)。GFI比较在电路中的两个不同部位流过的电流，在电流的差别超过一个预定量时就切断电路，例如根据各部位之间的接地故障来切断电路。然而，此类装置对不会引起电流失衡的故障不能起到保护作用，例如，由不接地的负载内部的短路引起的过电流。
如果通过机械式开关的操作来遮断流经开关的电流，即使是在正常的操作条件下，在触点的分离过程中几乎总会在触点之间出现电弧，并且电流(采取电弧的形式)会连续地流过开关，直至其熄灭时为止。电弧会对触点造成一定程度的损害，其程度取决于电流，电压，电流是AC还是DC，触点的操作速度，以及制造触点的材料。机械式开关通常是按照它在规定的AC或DC电压以及规定的操作次数下可以安全遮断的最大电流来额定的。
在高电流状态下打开的触点上的电弧有可能会烧毁这些触点，并且会造成严重损坏机械式开关的故障。由于考虑到这种限制，为了对电路保护开关提供保护，并且以此来保护电路，已经有人设计出了各种电路结构，在打开机械式触点时可以限制流过机械式触点的电流，或是限制机械式触点两端的电压，或是同时限制电流和电压。
PTC电路保护器件是公知的器件。这种器件和负载是串联布置的，在正常操作状态下处在一种低温、低电阻的状态。然而，如果通过PTC器件的电流急剧增加，以及/或是PTC器件周围的环境温度急剧地上升，以及/或是正常操作电流的维持时间超过了正常操作时间，PTC器件就会被“断路”，即转换到一种高温、高电阻状态，从而使电流明显地下降。即使是电流和/或温度恢复到其正常的水平，这种PTC器件通常仍会维持在断路状态，直到PTC器件从电源上断开并且完全冷却时为止。实用的PTC器件包含一个由PTC导电聚合物构成的PTC元件，它是一种由(1)有机聚合物和(2)分散或是分布在聚合物中的一种颗粒状导电填料例如碳黑构成的合成物。例如，在美国专利US4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801以及5378407号中说明了这种PTC导电聚合物以及包含这种聚合物的PTC器件。
在采用相同的制作过程制成的一批PTC器件中，该过程中的不可控制的因素会造成明显的状态变化，这种变化会断路每一个独立的器件。在本文中把在一批器件中不会造成任何器件断路的最大稳定状态电流称为“通过电流”(IPASS)或是“保持电流”，而将会造成所有器件断路的最小稳定状态电流被称为“断路电流”(ITRIP)。一般来说，IPASS和ITRIP之间的差会随着环境温度的增加而缓慢地下降。依照器件的具体类型，ITRIP在20℃时可以达到IPASS的1.5到2.5倍。对于任何一个单独的器件来说，通过电流和断路电流是相同的。然而，在本文中所说的是具有一个IPASS和一个不同的ITRIP的PTC器件，由于实际的需要，电气开关的制造商必须采用从一批这种器件中挑选出来的PTC器件。总而言之，环境温度越高，通过电流和断路电流就越小。这种现象被称为“热下降”并且用所谓的“下降曲线”来表示温度和通过电流的关系曲线。
按照本发明，我们已经发现，如果将一个PTC元件与机械式开关或是其他断路元件串联连接，并且与PTC元件和断路元件并联连接一个旁路元件，就可以构成一种非常有用的电气保护系统。当过电流通过这一系统时，PTC元件的电阻就会增大，并且导致通过旁路元件的电流增加。旁路元件被功能性地连接到断路元件上，用通过旁路元件的增加的电流使断路元件转换到其故障状态。
在第一方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括
a.一个控制元件
(1)当一个比较低的电流INORMAL通过该元件时，它具有较低的电阻RLOW，并且
(2)当流过的电流从INORMAL增加到一个较高的电流IFAULT时，就被转换到一个较高的电阻RFAULT；
b.一个断路元件
(1)与控制元件串联连接，
(2)当电流INORMAL通过控制元件时具有一种正常状态，这种正常状态允许电流INORMAL在系统中通过，并且
(3)具有一种故障状态，这种状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件和断路元件的串联组合并联地连接，并且
(2)功能性地连接到断路元件上，使得可以用通过旁路元件的增加的电流将断路元件转换到故障状态；其中，当通过系统的电流从INORMAL增大到IFAULT时，
(i)控制元件的电阻从RLOW增大到RFAULT，
(ii)通过旁路元件的电流增大，并且
(iii)断路元件被转换到故障状态。
在第二方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接；
(2)具有一个可变电阻
(a)当电路中的电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当负载中的电流明显地超过正常电流INORMAL时，其电阻明显地增加，
(3)包括一个比较器，用于比较
(a)控制元件中在一个控制比较点上的电流ICONTROL，和
(b)负载中在一个负载比较点上的电流ILOAD，以及
(4)当ICONTROL与ILOAD的差别超过了一个预定的电流不平衡值IDIFF时，使断路元件从其正常状态改变到故障状态；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件并联地连接，并且
(2)具有这样一种电阻
(a)当电路中的电流是INORMAL时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比可以使ICONTROL和ILOAD的差别小于IDIFF，并且
(b)当电路中的电流超过INORMAL一个预定的电流量时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比就会使ICONTROL和ILOAD的差别大于IDIFF。
在第三方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，最多只允许一个明显小于ILOAD的小电流通过；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接，并且
(2)具有一个可变电阻
(a)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当电流明显地超过正常电流INORMAL时，其电阻明显地增加；当控制元件的电阻增加了一个预定的电阻值时，断路元件就从其正常状态转变到故障状态。
在第四方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接，并且
(2)具有一个可变电阻
(a)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)如果电流明显地超过了正常电流INORMAL，就增加一个第一预定电阻值；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件并联地连接，并且
(2)具有这样一种电阻
(a)当电路处在正常工作状态时，其电阻明显地高于控制元件的电阻，
(b)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻明显地低于控制元件的电阻，并且
(c)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻就增加一个第二预定电阻值；当控制元件的电阻增加了第一预定电阻值，并且旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，断路元件就从其正常状态转变到故障状态。
在第五方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括由串联连接的控制元件和断路元件构成的一个电路，其特征是
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.控制元件具有一个控制元件断路电流ITRIP，该电流大于INORMAL，以及
c.断路元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于ITRIP；
因此，当电路中的电流超过ITRIP时，控制元件就将电路中的电流降到IINTERRUPT以下，从而允许断路元件遮断电路中的电流。
在第六方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括由并联连接的旁路元件和控制元件构成的一个电路，其特征是：
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.上述旁路元件具有一个旁路元件断路电流IBYPASS TRIP，该电流明显地小于INORMAL；以及
c.上述控制元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICONTROL PASS，该定额大于流INORML，以及
(2)一个遮断电流的定额ICONTROL TRIP，当一个电压VCONTROL TRIP小于VNORMAL时，该定额大于INORMAL；
因此，当电路中的电流超过ICONTROL TRIP时，控制元件就遮断控制元件中的电流，从而将电路中的电流分流到旁路元件，并且，当旁路的电流超过IBYPASS TRIP时，旁路元件就明显地降低电路中的电流。
在第七方面，本发明提供了一种过电流保护系统，该系统包括由并联连接的旁路元件和控制元件以及和这种并联组合串联连接的一个断路元件构成的电路，其特征是：
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.上述旁路元件具有一个旁路元件断路电流IBYPASS TRIP，该电流明显地小于INORMAL；以及
c.上述控制元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICONTROL PASS，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额ICONTROL TRIP，当一个电压VCONTROL TRIP小于VNORMAL时，该定额大于INORMAL；以及
d.上述断路元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于ICONTROL TRIP；因此，当电路中的电流超过ICONTROL TRIP时，控制元件就遮断控制元件中的电流，从而将电路中的电流分流到旁路元件，并且，当旁路元件的电流超过IBYPASS TRIP时，旁路元件就将电路中的电流降低到IINTERRUPT以下，从而允许断路元件遮断电路中的电流。
此外，在本发明的各种组合中，PTC器件限制了通过电路的故障电流的幅值。这种限制电流的方式是一种非常有用的特征，在工业将其称为“故障电流限制”。PTC器件的故障电流限制功能在以往是没有报道的。
另外，除了用于过电流保护之外，本发明的组合允许在正常操作的电路中使用机械式开关和PTC器件来切换电压和电流，而这种机械式开关和PTC器件的电压和/或电流定额却远远低于电路的正常操作电压和电流。这种特性允许在正常操作中使用比原来所需要的更小并且更便宜的机械式开关和PTC器件。
为电路提供过电流保护时所执行的功能包括：1)检测电流；2)遮断电流；3)限制传送给电路的能量；以及4)隔离电路和电源。在本发明的电路结构中，机械式开关和聚合物的PTC器件被组合在一起，从而使每个元件执行与其有关的功能。用聚合物的PTC器件检测过电流，并且限制传送给被保护电路的能量。聚合物PTC器件和机械式开关共同用于遮断电路。此外，机械式开关可以用来为电路提供符合工业标准的隔离。
图1a，1b和1c表示了本发明的过电流保护电路中使用的PTC器件和机械式开关的串联，并联，以及串/并联组合。如下文所述，为了提供支持性的功能，在本发明的电路结构中还可以将其他元件与PTC器件和开关组合在一起。本文中使用的术语“最大过电流”是指若是在电路中没有用来限制电流的电路保护装置时可能导致电路过载或是出现故障状态的最大电流。按照本发明的原理，元件在过电流保护电路中的结构允许选择具有以下特性的PTC器件和开关：
(1)在图1a所示的结构中，PTC器件2和机械式开关4是串联的，二者都具有至少达到正常电路电流的通过电流。PTC器件2的电压定额明显地低于电路的正常电压。开关4可以在正常的电路电压下遮断一个低电流，但是不能遮断正常电压下的最大过电流。在出现过电流时，PTC器件2的电阻增大，并且将电流降低到使电流低于开关4的遮断电流的水平。开关4断开，从而切断电流，并且保护PTC器件2防止其过电压。
(2)在图1b所示的结构中，PTC器件2和开关6是并联的，二者都具有至少达到电路电压的电压定额。PTC器件2的通过电流定额明显地低于正常电压下的正常电路电流。开关6可以在低电压下遮断最大过电流，但是在正常电压下不能遮断最大过电流。在出现过电流时，电流可以分流到PTC器件2，从而使开关6在低电压下遮断电流。PTC器件2的电阻增大，并且将电流降低到一个低电流值。
(3)在图1c所示的结构中，将(2)中所述的PTC器件2和第一开关6的并联组合与第二开关4串联。在这种情况下，PTC器件2和第一开关6的并联组合的电压定额明显地低于电路的正常电压。第二开关4可以在正常电压下遮断一个低电流，但是不能遮断正常电压下的最大过电流。在出现过电流时，第一开关6断开，将电流分流到并联的PTC器件2。PTC器件2的电阻增大，从而降低电流，并且允许第二开关4断开。在这种结构中，PTC器件可以很快地切换到高电阻状态，以便降低电流，防止串联开关受到损害。同时，第二开关4的延时断开在某些情况下是有益的，这种结构在两个开关4，6基本上同时断开的情况下也是有效的。
在图1a的串联组合中，串联的开关4在电路中是接在PTC器件2后面的。在图1b的串/并联组合中，串联的第一开关4在电路中处在PTC器件2和并联的第二开关6的并联组合前面。尽管过电流保护电路的电气性能并不取决于这种次序，串联开关的位置还可能受到其他因素的支配。例如，图1c所示的次序在过电流的情况下还具有附加的优点，那就是串联的第一开关4除了能隔离负载和电源之外还可以用来隔离过电流保护电路中的其他元件。如果这些元件是人可以接近并且容易接触的，就需要具备这种特点。
图2a，2b，2c和2d所示的框图描绘了过电流保护电路的操作元件，该电路所执行的功能有检测电流，遮断电路，限制传送给电路的能量，以及在某些结构中将电路和电源隔离。图2a和2b的框图对应着图1a中所示的PTC器件2和一个开关4的串联结构，控制元件104包括PTC器件2，遮断元件108包括串联开关6，而图2b中的旁路元件106包括附加的电路元件。图2c的框图对应着图1b所示的PTC器件2和一个开关4的并联结构，控制元件104包括并联的开关6，而旁路元件106包括PTC器件2。图2d的框图对应着图1c所示的PTC器件2和开关4，6的串/并联结构，其中的遮断元件包括串联开关4，控制元件包括并联的开关6，而旁路元件包括PTC器件2。
从上述的说明中可以看出，按照各个部件在本发明几个方面的各种实施例中的特定结构，尽管本发明的电路结构中使用的PTC器件提供了电流检测功能和限制故障电流的功能，这种PTC器件还可以作为不同的操作元件执行其他的功能，例如可以作为控制元件104和旁路元件106。
图2b的框图用总的标号120表示了过电流保护电路的第一方面。在本发明第一方面的过电流保护电路中，检测电流，遮断电流，以及限制传送给电路的能量等三项功能是由可以分成控制元件104，旁路元件106和遮断元件108的三个部件来执行的。电源102和负载112是所有电路中普遍存在的两个工作元件。
电源102向电路提供电源，负载112执行电路本身的有关功能。控制元件104，旁路元件106和遮断元件108协同完成过电流保护的工作。控制元件104在过电流的情况下执行检测电流并且限制传送给电路的能量等两种功能。遮断元件108执行遮断电路中的电流的功能。旁路元件106被用来转移一部分或是所有负载电流，以便减少遮断元件108中的电流，或是降低遮断元件108两端的电压，或是同时降低电流和电压，使遮断元件108能够安全地遮断电路中的电流。
控制元件104检测电流，并且确定提供给负载112的电流是否处在正常的可接受范围之内。当控制元件104确定了提供给负载112的电流过大时，控制元件104就和旁路元件106协同工作，将电流转移到旁路元件106。当转移到旁路元件106的电流达到一个预定的门限时，旁路元件106就接通遮断元件108，令遮断元件108减少或是停止向负载112提供的电流。在过电流条件下，控制元件104迅速检测出过电流，并且将电流转移到旁路元件106，以便限制传送给电路的能量，从而允许遮断元件108安全地遮断提供给负载112的电流。
在图3a中表示了按照本发明的原理在AC电路中使用的第一方面的过电流保护电路的一个实施例，在电路中采用了一定结构的PTC器件，全波桥式整流器，继电器和电阻。过电流保护电路10在过电流状态下提供保护。在第一实施例中，PTC器件12与负载24串联连接。AC电源28在工作电压下对负载24供电。在电源28处于工作电压时，提供给PTC器件12和负载24的电流低于PTC器件12的断路电流，PTC器件12的电阻很低，因此，PTC器件12两端的电压降是很低的。继电器14被断电，继电器的第一接点16和第二接点18都处在闭合位置。由于电源28处在工作电压，并且PTC器件12的电阻很低，桥式整流器电路26的输入电压等于PTC器件12两端的电压，并且可以忽略不计。因此，桥式整流器电路26的输出电压低于继电器14所需的激励电压。
在由于故障造成PTC器件12中的电流增大到PTC器件12的电流定额以上时，PTC器件12的电阻就会明显地增大。因此，PTC器件12两端的电压降足以使桥式整流器电路26的输出电压激励继电器14。
当继电器14受到激励时，其第一接点16和第二接点18打开，使旁路电阻22与负载24串联，将负载24中的电流限制在一个安全值。由于电源28处在工作电压，继电器线圈14和负载24中的涓流电流可以使继电器14维持激励。
在继电器14被激励时，PTC器件12从负载24的电路上被断开。由于PTC器件12中没有电流流过，PTC器件12会冷却，并且PTC器件12的电阻会恢复到很低的值。
如果降低电源28的电压，使继电器14两端的电压下降到继电器14的保持电压以下，就能使过电流保护电路10复位，从而闭合第一接点16和第二接点18。
图3b表示图3a的过电流保护电路10，用虚线围住的过电流保护电路10的部件对应着图2b中所示的五个元件，即电源102，控制元件104，旁路元件106，遮断元件108，以及负载112。
图3c表示在图3a的电路结构中加上了与PTC12并联连接的一个可变电阻32。可变电阻32起到电压箝位器件的作用，用来限制由于PTC12的电阻在最初迅速增大时可能在PTC12两端引起的电压。在急剧上升的过电流使PTC12迅速切换到高电阻状态时很可能出现这种情况。当PTC12的电阻迅速增大而使电流降低到一个低值时，由于电路中存在电感，PTC12两端的感应电压会很高。其他电压箝位器件也可以用来代替可变电阻32，例如背对背的齐纳二极管，二极管的结构，以及其他器件。
图3d表示在DC应用中经过简化的图3a的过电流保护电路结构。图3a中表示的桥式整流电路26在图3d中被省掉了，将继电器线圈14连接在PTC12两端。图3d电路中的电源34是一个DC电源。图3d中其他电路部件的情况与图3a中所述的部件相同。
图3e表示在图3d的电路结构中加上了与PTC12并联连接的一个可变电阻32。与图3c中的可变电阻32相同，图3e中的可变电阻32起到电压箝位器件的作用。其他电压箝位器件也可以用来代替可变电阻32，例如背对背的齐纳二极管，二极管的结构，以及其他器件。
在图3f中表示了按照本发明第一方面的过电流保护电路30的一个实施例的第二种结构。在这种结构中，当电源28提供一个操作电压时，继电器14被断电，其第一接点16闭合，并且使第二接点18闭合，接通负载24的电路。在出现过电流时，PTC器件12的温度迅速上升，使PTC器件12的电阻增大。桥式整流电路26的输出电压激励继电器14。第一接点16打开，从电路中去掉PTC12，由第二接点18打开负载24的电路，并且闭合通向降压电阻36的电路，以便使继电器14保持激励状态。由于第一接点16被打开，在PTC器件12的电路中没有电流。PTC器件12冷却，使PTC器件12的电阻恢复到很低的值。第二接点18使负载安全地脱离电源28。
降低电源28的供电电压，就可以使过电流保护电路30复位。当电源28的电压下降时，继电器14被断电，第一接点16闭合，将PTC12接入电路，并且用第二接点18闭合通向负载24的电路。
在图3g中表示了按照本发明第一方面的过电流保护电路40的一个实施例的第三种结构。第三种结构提供了分别由图3a和3f所示的第一10和第二30结构所提供的过电流保护，并且还可以在过载原因已被消除后的预定时间延迟之后自动地重新连接负载24。第一方面第三种结构的这一实施例的过电流保护电路40包括一个旁路PTC38，并且仅仅使用继电器14的第一接点16。旁路PTC38从低电阻切换到高电阻时的电流比PTC12的切换电流要低。在第三种结构中，用电源28提供操作电压，继电器14被断电，由第一接点16闭合通向负载24的电路。在过电流的状态下，PTC12中的高电流使PTC12的电阻增大。结果，桥式整流电路26的输出电压升高，激励继电器14，第一接点16打开。流经旁路PTC38和负载24的电流使继电器14保持在激励状态。经过由与继电器14的线圈串联连接的旁路电阻42的值所确定的一个时间延迟之后，旁路PTC 38的电阻变得很高，使继电器14断电，从而使第一接点16闭合。如果故障的原因在时间延迟期间已经消除了，就重新连接电路40，继续其正常操作。如果故障的原因继续存在，PTC12就在旁路PTC38完全冷却之前立即重新跳到高电阻状态，以免继电器14被再次激励。如果故障的原因没有消除，PTC12和旁路PTC38都保持在高电阻状态，直到电源28的供电电压或是负载24被去掉时为止。如果去掉了电源28或是负载24，PTC12和旁路PTC 38就会冷却，其各自的电阻恢复到低电阻值，以便允许正常的电路操作。
参见图3f和3g，例如图3c的可变电阻32那样的电压箝位器件可以和PTC12并联连接，以便限制由于电路中的电流迅速降低而感应的电压。其他电压箝位器件也可以用来代替可变电阻32，例如背对背的齐纳二极管，二极管的结构，以及其他器件。
尽管在附图中没有表示，在AC应用中也可以用AC继电器来代替DC继电器，在这种情况下不需要使用全波桥式整流电路26。同样，尽管是按照AC应用来描述的，图3a，3b，3c，3f和3g所示的电路也可以用于DC应用，但是桥式整流电路26就多余了。如果象图3d和3e那样去掉桥式整流电路26，图3f和3g的所示的系统也可以修改成DC电路。
图3c到3g中所示的各个电路中的电气元件可以象对应图3a电路的图3b所示的那样进行编组，用图2b中所示的功能性元件来代表这些编组的电气元件。
图2d表示一个功能性框图，它表示了由本发明第二方面的过电流保护电路的一个实施例的电气元件所执行的功能。用总的标号140表示的过电流保护电路包括图2b中所示的五个功能元件，然而，图中的遮断元件108被放在控制元件104前面，而旁路元件106是与控制元件104并联的。
电源102向电路140提供电源，负载112执行电路140的具体功能。控制元件104，旁路元件106和遮断元件108协同完成过电流保护的工作。控制元件104在出现故障的情况下执行检测电流并且限制传送给电路的能量等功能。遮断元件108执行遮断电路并且隔离电路的功能。
控制元件104确定提供给负载112的电流是否处在正常的可接受范围。当控制元件104确定了提供给负载112的电流过大时，控制元件104就和旁路元件106协同工作，将电流转移到旁路元件106。当转移到旁路元件106的电流达到一个预定的门限时，控制元件104就通知遮断元件108，令遮断元件108停止向负载112提供电流。
图4a中表示在现有技术中公知的一种普通GFI器件内的典型电路。为了便于说明以下附图中的电路，由GFI器件构成的部件除了接点224和226之外都是画在虚线以内的，用一个总的标号200来表示。在普通的GFI电路中，在线204和回路206中流动的电流在GFI变压器232的两个初级绕组208，210中是方向相反的。如果线204和回路线206中的电流相等，在GFI变压器232中产生的磁场就是零，在次级绕组212中感应的电流基本上等于零。如果线204和回路线206中的电流不相等，例如在线204到地234之间发生接地故障的情况下，不平衡电流就会在GFI变压器232中产生磁场。如果不平衡电流超过了一个预定的门限，在GFI变压器232中产生的磁场就会使次级绕组212中感应的电流超过一个预定的门限。由一个检测电路214确定次级绕组212中感应的电流超过一个预定的门限，并且激励一个闭锁继电器222。当闭锁继电器222受到激励时，常闭接点224，226被打开，去掉提供给负载228的电源。接点224，226保持打开，直到将其手动复位到闭合位置时为止。
在图4b中表示了按照本发明第二方面的过电流保护电路的一个实施例的结构。在图4b的过电流保护电路250中，PTC 242与GFI 200和线204串联，旁路电阻244与串联的PTC 242和GFI 200并联。在正常操作状态下，PTC242中的电流低于断路电流，PTC242的电阻很低。在过电流状态下，PTC242的电阻增大，并且限制从PTC242流入GFI200的电流。结果，电流绕过PTC242和GFI200被分流到旁路电阻244，从而造成GFI200中的电流不平衡。当GFI200中的电流不平衡达到一个预定值时，GFI200就打开接点224，226，遮断负载228的电流。
图4b的电路中的电气元件可以象对应图3a电路的图3b那样进行编组，用图2d中所示的功能性元件来代表这些编组的电气元件。
参见图4c，例如一个可变电阻32的电压箝位器件可以和图4b中的PTC242并联连接，以便限制由于电路中的电流迅速降低而感应的电压。其他电压箝位器件也可以用来代替可变电阻32，例如背对背的齐纳二极管，二极管的结构，以及其他器件。
参见图2a，图中表示了按照本发明第三方面的过电流保护电路的一个实施例中的电气部件所执行功能的一个功能性框图。用总的标号100表示的这一过电流保护电路包括上述的五个操作元件中的四个，即电源102，控制元件104，遮断元件108，以及负载112。
电源102向电路提供电源，负载112执行电路本身的有关功能。控制元件和遮断元件协同完成过电流保护。控制元件104在过电流的情况下执行检测电流并且限制传送给电路的能量等两种功能。遮断元件执行遮断电路中的电流的功能。
控制元件检测电流，并且确定提供给负载112的电流是否处在正常的可接受范围。当控制元件104确定了提供给负载112的电流过大时，控制元件104就降低电路中的电流。通过降低电路中的电流，控制元件104通知遮断元件108，令遮断元件进一步降低或是停止向负载112提供电流。控制元件104在过电流状态下通过迅速地检测出过电流，并且降低过电流，从而限制传送给电路的电能，以便允许遮断元件安全地遮断提供给负载112的电流。
在图5a中表示了按照本发明的原理在AC应用中采用PTC器件和继电器的一种过电流保护电路的第三方面的一个实施例。在这一实施例中，PTC器件304与负载312串联连接，常开继电器接点306被串联在PTC器件304和负载312之间。继电器线圈308与负载312并联连接。利用一个开关310使系统闭合，在图5a中用一个按钮开关来表示。当开关310闭合时，电流流入电路300，激励继电器线圈308。被激励的继电器线圈308使继电器接点306闭合，用闭合的继电器接点306将继电器308闭锁在激励状态。
如果出现过电流，PTC器件304的电阻增大，降低电路300中的电流，从而降低负载和继3，2电器线圈308两端的电压。当继电器线圈308两端的电压降低到继电器线圈308的保持电压VHOLD以下时，继电器接点306就会恢复到打开状态，并且保持闭锁在打开的位置。
在图5b中所示的系统是在图5a的电路中加上了与继电器线圈308和负载312并联的背对背的齐纳二极管316，318。这种结构除了过电流保护之外还提供了过电压保护。如果电压大于齐纳二极管316，318的击穿电压，齐纳二极管316，318就会引起很大的电流，这一电流又会使PTC器件304的电阻增大，从而降低继电器线圈308两端的电压，使继电器接点306打开。
参见图5c，例如可变电阻32的一个电压箝位器件可以和PTC器件304并联连接，用来限制由于PTC器件304的电阻在最初迅速增大时可能在PTC器件304两端引起的电压。
图6a到6f表示按照本发明的原理采用一个PTC器件和一个双金属开关的过电流保护电路的第四方面实施例的几种结构。尽管图6a到6f所示的电路中采用了一个AC电源402，这种过电流保护电路也可以用于DC电路。
图6a到6f所示的过电流保护电路包括图1a，1b和1c的串联，并联，和串-并联结构，并且分别包括可以用于上述各种用途的电压和电流定额关系。
图6a表示一种过电流保护电路400，PTC器件404与负载410串联连接，双金属开关406与PTC器件404并联连接。另外，PTC器件404和双金属开关406是热耦合的。这种结构吸取了双金属开关406的低电阻和断路温度可以控制的优点。在过电流的情况下，双金属开关406发热并且打开，将电流分流到PTC器件404。PTC器件404中的过电流使PTC器件404迅速转变到高电阻状态，使电流下降到很低的水平。PTC器件404中的低电流使PTC器件404持续发热，并且保持在高电阻状态。来自PTC器件404的热量将双金属开关406闭锁在断路状态，防止双金属开关406的接点出现振荡。
由于电流被分流到PTC器件404，双金属开关406的接点不会起弧，因为这些接点不需要在操作电压下切换电流。在这种结构中，PTC器件404和双金属开关406可以限制输送到电路中的故障电流。
图6b表示一种过电流保护电路420，PTC器件404和一个串联的双金属开关412与负载410串联连接。PTC器件404和串联的双金属开关412是热耦合的。在这种结构中，过电流会触发PTC器件404，使PTC器件404转变到高电阻状态。来自PTC器件404的热量使串联的双金属开关412断路。串联双金属开关412的接点打开，使PTC器件404上的电压消失。这种结构的优点是允许PTC器件404在较高的电压下工作，并且这种组合可以在较高的电压下提供过电流保护。
在过电流被遮断之后，某些场合下希望使串联的双金属开关412能在过电流状态消失之后自动地重新闭合。在串联双金属开关412切断电路中的电流之后，在图6b的电路中就会自动出现这种情况。这是因为PTC器件404将会冷却，从而使串联的双金属开关412重新闭合。如果仍然存在过电流，PTC器件404/串联双金属开关412的组合就会再次遮断电路中的电流。只要过电流的原因仍然存在，这种动作就会不断地重复。在不希望使串联双金属开关412自动地重新闭合的场合中，串联的双金属开关412可以是一种闭锁器件，例如图6e和6f中所示的具有复位按钮422的闭锁式双金属开关432。
图6c表示一种过电流保护电路430，PTC器件404和双金属开关406的并联组合与串联双金属开关412串联连接。这种结构具有图6a的并联结构的过电流保护特征，并且具有图6b中串联结构的高电压容量和电动打开(galvanicopen)的特征。在这种结构中，并联双金属开关406在过电流时断路，将电流分流到PTC器件404。PTC器件404随之切换到高电阻状态，使电路430中的电流下降到很低的水平。来自PTC器件404的热量使串联双金属开关412断路，去掉PTC器件404上的电压。由串联双金属开关412的接点切断的电流很小。如图6c所示，在串联双金属开关412打开，PTC器件404以及并联双金属开关406冷却之后，这种结构就可以形成循环。如上所述，在不需要自动复位功能的场合中，串联双金属开关412可以采用闭锁器件，并且包括图6e和6f所示的手动复位按钮422。图6e还表示了一个诸如可变电阻32的电压箝位器件，它可以和PTC器件404并联连接，用于限制由于PTC器件404的电阻最初迅速增大时可能在PTC器件404两端引起的电压。
图6d表示与图6c的电路不同的另一种结构，用第二PTC器件414来闭锁串联双金属开关412。在正常电流的状态下，串联双金属开关412将负载410连接到电路中。并联PTC器件404和双金属开关406按照上述操作方式降低电流。PTC器件404产生的热量使串联双金属开关412断开，切断负载410的连接线，并且闭合第二PTC器件414的连接线。第二PTC器件414的热量将串联双金属开关412闭锁在打开状态。在这一电路中，第二PTC器件414也可以采用陶瓷PTC器件或是一个恒功率加热器，例如一个电阻。
图6f表示一种与图6b类似的过电流保护电路，由一个可变电阻424额外地提供过电压保护功能。在短暂的过电压期间，可变电阻424在吸收能量时不会损坏。如果持续地出现过电压，可变电阻424中的电流就会使PTC器件404断路，使电流下降到很低的值。PTC器件404产生的热量使闭锁双金属开关432断开，去掉PTC器件404上的电压。这种结构具有多种优点。小的可变电阻424可以用来防止持续的过电压故障，并且可以使电路闭锁在打开状态，对持续的过电压提供保护。
在以上的本发明几个方面实施例的结构中，由电路元件共同完成的功能有检测电流，遮断电流，以及限制传送给电路的能量，并且在某些结构中可以将电路和电源隔离，以此来提供过电流保护。PTC器件和机械式开关的组合同样也可以用于通用的断路器和开关，并且其形式可以进一步简化。例如，对图1c的电路来说，在元件之间具有上述的电压和电流定额关系。在普通的断路器中，断路信号通常独立于电路的打开，在高电压下通常是由一个保护继电器来执行的，利用电压互感器(PT)或是电流互感器(CT)的低电压打开保护继电器。在采用图1c结构的断路器中，机械开关4，6是同时打开的，连接到PTC器件2的第二开关6与第一开关4串联。在前半个周期中，第一开关4起弧，直到电流周期的过零点。在这一过程中，PTC器件的电阻增大，将电流限制在第二开关6可以遮断的电流值。这种组合的优点在于PTC器件2在半个周期内接在电路中，因此不需要在长时间内承受高电压；PTC器件2并非实际地切断电路，因此，断路器的操作并不取决于PTC器件2的温度是否准确或是能够维持；PTC器件2的电阻在低电阻状态下并不重要，因为PTC器件2在正常操作期间没有接在电路中；PTC器件2的电阻仅仅需要增大二、三十倍就可以限制二、三十倍的故障电流；而机械式接点4，6的故障电流遮断要求却可以降低二、三十倍。尽管这种结构需要两个机械式接点4，6而不是一个，但是，这两个低故障电流接点的价格却只有一个高故障电流接点价格的零头。在上文中已经说明了图1c的结构在遮断故障电流的断路器中的应用。同样的结构也可以有效地用于切换正常电流的简单开关，以便能够使用低电流定额的机械式开关来代替所需要的其它开关。这种开关的操作方式与断路器是相同的，只是在打开机械式接点4，6时可以手动操作，或是采用机电或是其他的自动化装置。

Claims (45)

1.一种电气保护系统，可以串联连接在电源和一个电气负载之间构成一个操作电路，并且用这种连接为电路提供过电流保护，该系统包括：
a.一个控制元件
(1)当一个比较低的电流INORMAL通过该元件时，它具有较低的电阻RLOW，并且
(2)当流过的电流从INORMAL增加到一个较高的电流IFAULT时，就被转换到一个较高的电阻RFAULT；
b.一个断路元件
(1)与该控制元件串联连接，
(2)当电流INORMAL通过该控制元件时具有一种正常状态，这种正常状态允许电流INORMAL在该系统中通过，并且
(3)具有一种故障状态，这种状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；以及
c.一个旁路元件
(1)与该控制元件和该断路元件的串联组合并联地连接，并且
(2)功能性地连接到该断路元件上，可以用通过该旁路元件的增加的电流将该断路元件转换到故障状态；其中，当通过该系统的电流从INORMAL增大到IFAULT时，
(i)该控制元件的电阻从RLOW增大到RFAULT，
(ii)通过旁路元件的电流增大，并且
(iii)断路元件被转换到故障状态。
2.如权利要求1所述的系统，其特征是该控制元件包括第一PTC器件。
3.如权利要求2所述的系统，其特征是该控制元件包括一个与第一PTC器件并联连接的电压箝位器件。
4.如权利要求1到3之一所述的系统，其特征是该断路元件包括一个电路开关，该开关在正常状态下闭合，在故障状态下打开。
5.如权利要求4所述的系统，其特征是该旁路元件包括一个继电线圈，该线圈响应在旁路元件中流过的增大的电流，使电路开关从正常状态转变成故障状态。
6.如权利要求5所述的系统，其特征是该旁路元件包括
a.与继电器线圈串联连接的一个旁路电阻；以及
b.一个旁路开关
(1)与该继电器线圈串联连接，并且和该旁路电阻并联连接，并且
(2)当该电路开关闭合时，旁路开关就闭合，在该电路开关打开时就打开。
7.如权利要求6所述的系统，上述旁路元件包括第二PTC器件，其特征是
a.与该继电器线圈和该旁路电阻串联连接，并且
b.具有一个断路电流，它小于通过继电器线圈的电流，并且使电路开关从其正常状态转变到故障状态。
8.如权利要求5所述的系统，其特征是该系统包括一个辅助的双极电路开关和一个辅助电阻，
a.该辅助双极电路开关是这样切换的，
(1)当电路开关闭合时，将负载连接到电源，并且
(2)当电路开关打开时，将负载从电源上断开，并且将辅助电阻连接到电源上；以及
b.该辅助电阻具有足够小的电阻，允许足够的电流流入该旁路元件的继电器线圈，以便使电路开关维持其故障状态。
9.一种电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.如权利要求1至8之一所述的电气保护系统。
10.在一个电路中包括具有电压VNORMAL的一个电源，一个电气负载，以及一个保护系统，该电路具有一种正常操作状态，该状态下通过保护系统的电流是正常电流INORMAL，该系统包括：
a.一个控制元件
(1)当一个比较低的电流INORMAL通过该元件时，它具有较低的电阻RLOW，并且
(2)当流过的电流从INORMAL增加到一个较高的电流IFAULT时，就被转换到一个较高的电阻RFAULT；
b.一个断路元件，它与该控制元件相串联，并且具有
(1)承载电流的定额LCARRY，该定额大于INORMAL，
(2)遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于IFAULT，
(3)一种正常状态，当电流INORMAL通过控制元件时，这种正常状态允许电流INORMAL通过该系统，以及
(4)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；以及
c.一个旁路元件，该元件
(1)与该控制元件和该断路元件的串联组合并联地连接，并且
(2)功能性地连接到断路元件上，可以用通过旁路元件的增加的电流将断路元件转换到故障状态；
因此，当保护系统中的电流增大到IFAULT时，控制元件的电阻从RLOW增大到RFAULT，通过旁路元件的电流增大，电路中的电流被降到IINTERRUPT以下，从而使断路元件转换到故障状态并且遮断电路中的电流。
11.一种电气保护系统，可以连接在电源和一个电气负载之间构成一个操作电路，并且用这种连接为电路提供过电流保护，该系统包括：
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于电流INORMAL的小电流通过；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接；
(2)具有一个可变电阻
(a)当电路中的电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当负载中的电流明显地超过正常电流INORMAL时，其电阻明显地增加，
(3)包括一个比较器，用于比较
(a)控制元件中在一个控制比较点上的电流ICONTROL，和
(b)负载中在一个负载比较点上的电流ILOAD，以及
(4)当ICONTROL与ILOAD的差别超过了一个预定的电流不平衡值IDIFF时，使断路元件从其正常状态改变到故障状态；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件并联地连接，并且
(2)具有这样一种电阻
(a)当电路中的电流是INORMAL时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比可以使得ICONTROL和ILOAD的差别小于IDIFF，并且
(b)当电路中的电流超过INORMAL一个预定的电流量时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比就会使ICONTROL和ILOAD的差别大于IDIFF。
12.如权利要求11所述的系统，其特征是控制元件包括一个PTC器件。
13.如权利要求12所述的系统，其特征是控制元件包括一个与PTC器件并联连接的电压箝位器件。
14.如权利要求11所述的系统，其特征是旁路元件包括一个旁路电阻，其电阻值基本上与温度无关。
15.一种电气电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.如权利要求11至14之一所述的电气保护系统。
16.在一个电路中包括具有电压VNORMAL的一个电源，一个电气负载，以及一个保护系统，该电路具有一种正常操作状态，该状态下通过保护系统的电流是正常电流INORMAL，该系统包括：
a.由机械式开关构成的一个断路元件，该元件具有
(1)承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，
(2)遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于一个电流ITRIP；
(3)一种正常状态，该状态允许流过正常的电流INORMAL，以及
(4)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接；
(2)具有一个可变电阻
(a)当电路中的电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当负载中的电流超过一个大于INORMAL的断路电流ITRIP时，其电阻明显地增加，
(3)包括一个比较器，用于比较
(a)控制元件中在一个控制比较点上的电流ICONTROL，和
(b)负载中在一个负载比较点上的电流ILOAD，以及
(4)当ICONTROL与ILOAD的差别超过了一个预定的电流不平衡值IDIFF时，使断路元件从其正常状态改变到故障状态；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件并联地连接，并且
(2)具有这样一种电阻
(a)当电路中的电流是INORMAL时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比可以使ICONTROL和ILOAD的差别小于IDIFF，并且
(b)当电路中的电流超过INORMAL一个预定的电流量时，旁路元件的电阻与控制元件的电阻之比就会使ICONTROL和ILOAD的差别大于IDIFF；
因此，当电路中的电流超过ITRIP时，控制元件将电路中的电流降到IINTERRUPT以下，从而使断路元件能够遮断电路中的电流。
17.一种电气保护系统，它可以串联连接在电源和一个电气负载之间构成一个操作电路，并且用这种连接为电路提供过电流保护，该系统包括：
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，最多只允许一个明显小于ILOAD的小电流通过；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接，并且
(2)具有一个可变电阻
(a)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当电流明显地超过正常电流INORMAL时，其电阻明显地增加；当控制元件的电阻增加了一个预定的电阻值时，断路元件就从其正常状态转变到故障状态。
18.如权利要求17所述的系统，其特征是控制元件包括一个PTC器件。
19.如权利要求18所述的系统，其特征是控制元件进一步包括一个与PTC器件并联连接的电压箝位器件。
20.如权利要求17所述的系统，其特征是断路元件包括一个电路开关
a.该开关在正常状态下闭合，并且在故障状态下打开；并且
b.当控制元件的电阻增加了预定量的电阻值时，该开关从其正常状态转变成故障状态。
21.如权利要求20所述的系统，其特征是
(1)控制元件包括一个继电器线圈；
(2)当控制元件的电阻增加了预定量的电阻值时，电阻的增加使继电器线圈中的电流增大；并且
(3)通过继电器线圈中电流的增大使电路开关从其正常状态转变到故障状态。
22.如权利要求11所述的系统，其特征是控制元件中包括与继电器线圈并联连接的背对背耦合的齐纳二极管，当耦合的齐纳二极管两端的电压超过一个预定电压值时，使电流通过耦合的齐纳二极管，从而使控制元件中的电流增加一个足够的量，使控制元件的电阻增加一个预定的电阻值。
23.如权利要求20所述的系统，其特征是电路开关包括一个与PTC器件热耦合的双金属开关，当PTC器件的电阻增加了预定的电阻值时，PTC器件产生的热量使双金属开关从其正常状态转变成故障状态。
24.如权利要求23所述的系统，其特征是电路开关锁定在打开位置，并且包括一个用于将电路开关复位到闭合位置的装置。
25.如权利要求23所述的系统，其特征是包括一个与负载并联连接的可变电阻。
26.一种电气电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.如权利要求17至25之一所述的电气保护系统。
27.在一个电路中包括具有电压VNORMAL的一个电源，一个电气负载，以及一个保护系统，该电路具有一种正常操作状态，该状态下通过保护系统的电流是正常电流INORMAL，该系统包括：
a.由机械式开关构成的一个断路元件，该元件具有
(1)承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，
(2)遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于一个电流ITRIP；
(3)一种正常状态，该状态允许流过正常的电流INORMAL，以及
(4)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；以及
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接；并且
(2)具有一个可变电阻
(a)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)当电流超过一个大于INORMAL的控制元件断路电流ITRIP时，其电阻明显地增加；
因此，当电路中的电流超过ITRIP时，控制元件的电阻就增大一个预定的电阻值，将电路中的电流降到IINTERRUPT以下，从而使断路元件从其正常状态转换到故障状态并且遮断电路中的电流。
28.一种电气保护系统，它可以连接在电源和一个电气负载之间构成一个操作电路，并且用这种连接为电路提供过电流保护，该系统包括：
a.一个断路元件，它具有
(1)一种正常状态，允许流过一个正常的电流INORMAL，以及
(2)一种故障状态，最多只允许流过一个明显小于INORMAL的小电流；
b.一个控制元件
(1)与断路元件串联连接，并且
(2)具有一个可变电阻
(a)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(b)如果电流明显地超过了正常电流INORMAL，就增加一个第一预定电阻值；以及
c.一个旁路元件
(1)与控制元件并联地连接，并且
(2)具有这样一种电阻
(a)当电路处在正常工作状态时，其电阻明显地高于控制元件的电阻，
(b)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻明显地低于控制元件的电阻，并且
(c)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻就增加一个第二预定电阻值；当控制元件的电阻增加了第一预定电阻值，并且旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，断路元件就从其正常状态转变到故障状态。
29.如权利要求28所述的系统，其特征是控制元件包括最好是第一双金属开关的第一电路开关，该开关在正常状态下闭合，并且在故障状态下打开。
30.如权利要求28所述的系统，其特征是旁路元件包括一个PTC器件。
31.如权利要求30所述的系统，其特征是旁路元件包括一个与PTC器件并联连接的电压箝位器件。
32.如权利要求28所述的系统，其特征是断路元件包括第二电路开关
a.该开关在正常状态下闭合，并且在故障状态下打开；并且
b.当旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，该开关从其正常状态转变成故障状态。
33.如权利要求32所述的系统，其特征是第二电路开关包括与旁路器件热耦合的第二双金属开关，当旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，旁路元件产生的热量使这一双金属开关从其正常状态转变到故障状态。
34.如权利要求32所述的系统，其特征是第二电路开关锁定在打开位置，并且包括用于将第二电路开关复位到闭合位置的装置。
35.如权利要求28所述的系统，其特征是断路元件包括一个具有正常状态和故障状态的双极电路开关和一个辅助电阻，其中的双极电路开关
a.当旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，就从其正常状态转变到故障状态；
b.当双极电路开关处在其正常状态时，将负载连接到电源；并且
c.当双极电路开关处在其故障状态时，将负载从电源上断开，并且将辅助电阻连接到电源上。
36.如权利要求35所述的系统，其特征是辅助电阻是一个PTC器件。
37.如权利要求35所述的系统，其特征是双极电路开关包括一个双极双金属开关，该开关
a.与旁路元件热耦合，当旁路元件的电阻增加了第二预定电阻值时，旁路元件产生的热量使这一双极双金属开关从其正常状态转变到故障状态；并且
b.与辅助电阻热耦合，当辅助电阻被连接到电源时，辅助电阻产生的热量使这一双极双金属开关锁定在其故障状态。
38.一种电气电路，包括：
a.一个电源；
b.一个电气负载；以及
c.如权利要求28至37之一所述的电气保护系统。
39.在一个电路中包括具有电压VNORMAL的一个电源，一个电气负载，以及一个保护系统，该电路具有一种正常操作状态，该状态下通过保护系统的电流是正常电流INORMAL，该系统包括：
a.由机械式开关构成的一个断路元件，该元件具有
(1)承载电流的定额IINTERRUPT CARRY，该定额等于或是大于INORMAL，
(2)遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于一个值ICONTROL TRIP，
(3)一种正常状态，该状态允许流过一个正常电流INORMAL，以及
(4)一种故障状态，该状态最多只允许一个明显小于INORMAL的小电流通过；
b.由机械式开关构成的一个控制元件，该元件与断路元件串联连接，并且具有
(1)一个可变电阻
(a)其电阻值明显地小于旁路元件的电阻
(b)当电流是正常电流INORMAL时，其电阻比负载低，并且
(c)当电流明显地超过正常电流INORMAL时，其电阻增加一个第一预定电阻值，
(2)承载电流的定额ICONTROL CARRY，该定额大于INORMAL，以及
(3)遮断电流的定额ICONTROL TRIP，在一个明显小于VNORMAL的电压VCONTROL TRIP上，该定额大于INORMAL；以及
c.与控制元件并联连接的旁路元件，该元件具有
(1)一个可变电阻
(a)当控制元件中的电流小于或是等于INORMAL，并且电路处在正常工作状态时，其电阻明显地大于控制元件的电阻，
(b)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻明显地低于控制元件的电阻，并且
(c)当控制元件的电阻被增加了第一预定电阻值时，其电阻就增加一个第二预定电阻值，以及
(2)一个旁路元件断路电流IBYPASS TRIP，该电流小于或是等于INORMAL；因此，当电路中的电流超过ICONTROL TRIP时，控制元件的电阻就增加第一预定电阻值，从而遮断控制元件中的电流，将电路中的电流分流到旁路元件中，并且，当旁路元件中的电流超过IBYPASS TRIP时，旁路元件的电阻就增加第二预定电阻值，从而将电路中的电流降到IINTERRUPT以下，使断路元件从其正常状态转变到故障状态，并且遮断电路中的电流。
40.一种电路中包括串联连接的一个控制元件和一个断路元件，其特征是：
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.控制元件具有一个控制元件释放电流ITRIP，该电流大于INORMAL，以及
c.断路元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于ITRIP；
因此，当电路中的电流超过ITRIP时，控制元件就将电路中的电流降到IINTERRUPT以下，从而允许断路元件遮断电路中的电流。
41.如权利要求36所述的电路，其特征是控制元件包括一个PTC器件。
42.一种电路中包括并联连接的一个旁路元件和一个控制元件，其特征是：
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.上述旁路元件具有一个旁路元件断路电流IBYPASS TRIP，该电流明显地小于INORMAL；以及
c.上述控制元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICONTROL PASS，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额ICONTROL TRIP，当一个电压VCONTROL TRIP小于VNORMAL时，该定额大于INORMAL；
因此，当电路中的电流超过ICONTROL TRIP时，控制元件就遮断控制元件中的电流，从而将电路中的电流分流到旁路元件，并且，当旁路的电流超过IBYPASS TRIP时，旁路元件就明显地降低电路中的电流。
43.如权利要求42所述的电路，其特征是旁路元件包括一个PTC器件。
44.一种电路，包括并联连接的一个旁路元件和一个控制元件以及和这种并联组合串联连接的一个断路元件，其特征是：
a.该电路具有
(1)一个正常电流INORMAL，以及
(2)一个正常输入电压VNORMAL；
b.上述旁路元件具有一个旁路元件断路电流IBYPASS TRIP，该电流明显地小于INORMAL；以及
c.上述控制元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICONTROL PASS，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额ICONTROL TRIP，当一个电压VCONTROL TRIP小于VNORMAL时，该定额大于INORMAL；以及
d.上述断路元件包括一个机械式开关，并且具有
(1)一个承载电流的定额ICARRY，该定额大于INORMAL，以及
(2)一个遮断电流的定额IINTERRUPT，当电压等于VNORMAL时，该定额明显地小于ICONTROL TRIP；因此，当电路中的电流超过ICONTROL TRIP时，控制元件就遮断控制元件中的电流，从而将电路中的电流分流到旁路元件，并且，当旁路元件的电流超过IBYPASS TRIP时，旁路元件就将电路中的电流降低到IINTERRUPT以下，从而允许断路元件遮断电路中的电流。
45.如权利要求44所述的电路，其特征是旁路元件包括一个PTC器件。
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