CN1202268A - 电开关 - Google Patents

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Abstract

一种如图1和图9中所示的电开关装置,包括第一串联机械开关(4)、第二并联机械开关(6)和一个PTC器件(2),其中,PTC器件和第二开关并联连接,并且此并联组合与第一开关串联连接,或者PTC器件和第一开关串联连接,并且此串联组合与第二开关并联连接。该装置可以中断比开关和PTC器件的每一个的额定电流和电压高的电流和电压。并联开关的额定值可选定为能够在比该电开关装置的额定电压低的电压下中断该电开关装置的额定中断电流,而串联开关的额定值可选定为能够在该电开关装置的额定电压下中断比该电开关装置的额定中断电流低的电流。

Description

电开关
本发明涉及电开关。机械开关被广泛地用于控制电路中电流的流动。术语“机械开关”在这里用于指代包括机械触点的电开关，这些触点响应于机械的(包括手工的)、电的、热的或其它形式的触动作用(activation)而打开或闭合。这类器件(device)包括简单的手动开关、断路器、接地故障中断器(GFI)、继电器和双金属器件(又称为电热继电器、热触动开关和电热器件)。
当一个机械开关动作而中断流过它的电流时，随着触点分离，在其间几乎总是会产生电弧，甚至在正常工作条件下也会产生，因此电流(以电弧形式)继续流过开关，直到电弧熄灭。这种电弧将对触点造成损坏，损坏程度取决于电流、电压、电流是交流还是直流、触点分离的速度以及制造触点的材料。机械开关通常是根据它可以安全地中断的最大电流确定其额定值的，所说的中断是在规定的电压下并进行规定的操作次数。随着开关的额定值增大，开关的造价、尺寸和复杂程度会显著地增加。
确定开关的额定值的标准程序一般包括在特定的电压下在不同的标准电流水平(电流电平)下进行测试。一个开关是在它将通过测试的最高标准电流水平下被确定额定值的。例如，如果标准电流水平之一为15安培(在120伏特的电压下)并且下一个较高的标准电流水平是20安培(在120伏特的电压下)，一个15安培额定值的开关将在15安培下通过测试，但通常将在20安培下不能通过测试，并且在15-20安培之间的非标准电流下可能通过测试也可能不能通过测试。
PTC电路保护器件是公知的。这种器件与负载串联配置，并且在正常的工作条件下是处于低温、低电阻状态。但是，如果通过PTC器件的电流过度增大，和/或PTC器件周围的环境温度过度增大，和/或正常的工作电流维持超过正常的工作时间，那么PTC器件将“跳闸(trip)”，即，转变为高温、高电阻状态，于是电流被大大地降低。通常，PTC器件将保持在跳闸的状态下，即使电流和/或温度回到其正常的水平，直到PTC器件已经与电源断开并得以冷却。特别实用的PTC器件包含一个PTC元件，此元件是由一种PTC导电聚合物构成的，即，其组成包括(1)有机聚合物和(2)在此聚合物中分散的或以其它方式分布的颗粒状导电填料，最好是碳黑。PTC导电聚合物和包含这些聚合物的装置描述于(例如)以下美国专利中：4237441，4238812，4315237，4317027，4426633，4545926，4689475，4724417，4774024，4780598，4800253，4845838，4857880，4859836，4907340，4924074，4935156，4967176，5049850，5089801和5378407。
在电路的正常工作条件下，PTC电路保护器件处于低温、低电阻状态。但是，如果发生故障(例如，如果通过PTC器件的电流过度增大，和/或器件周围的环境温度过度增大，和/或正常的工作电流维持超过正常的工作时间)，那么PTC器件将“跳闸”，即，转变为高温、高电阻状态，于是电路中的电流被降低到安全水平。通常，PTC器件将保持在跳闸的状态下，即使故障被消除，直到PTC器件已经与电源断开并得以冷却。
在由相同的制造工艺制造的一批PTC器件中，工艺中的不可控的变化可以引起将使任何单个的器件跳闸的条件的显著变化。将不会导致此批器件中的任一器件跳闸的最大的稳定状态电流在这里被称为“通过(pass)电流”(IPASS)或“保持电流”，将导致全部器件跳闸的最小的稳定状态电流在这里被称为“跳闸电流”(ITRIP)。一般情况下，随着环境温度的升高，IPASS与ITRIP之间的差缓慢地减小。根据器件的特定类型，ITRIP在20℃下可能是IPASS的(例如)1.5-2.5倍。对于任一单个器件，通过电流和跳闸电流大致是相同的。但是，在本说明书中，针对具有IPASS和不同的ITRIP的PTC器件给予说明，因为作为一种实际情况，电开关的制造者必须利用取自一批这类器件中的PTC器件。通常，环境温度越高，通过电流和跳闸电流就越低。这种现象被称为“热致额定值降低”，术语“额定值降低曲线”用于指代温度对通过电流的曲线。
发明人已经对包括两个串联的或者并联的机械开关和一个PTC器件的电开关装置的特性进行了试验，其中PTC器件与开关之一(这里将其称为“并联开关”)并联且与另一开关(这里将其称为“串联开关”)串联。业已发现，如果两个开关大致同时动作，或者串联开关比并联开关稍迟动作，当电流ISWITCH在施加的电压VSWITCH下通过该装置时，并联开关在明显低于VSWITCH的电压下中断电流ISWITCH，并且由于PTC器件的电阻的增大，串联开关在稍低于VSWITCH的电压下中断明显低于ISWITCH的电流。因此，对于任何一个开关或者两个开关而言，在电压VSWITCH下具有低于ISWITCH的额定值是可以允许的(或者，换一种方式，对于任何一个开关或者两个开关而言，在低于VSWITCH的电压下具有额定值ISWITCH是可以允许的)。因此，与在电压VSWITCH下中断电流ISWITCH的单个常规开关相比，这种开关装置更便宜和/或更可靠。还已发现，这种效果与PTC器件的电和热特性是相关的，在许多种情况下，当PTC器件包含一种如此构成的PTC元件时能够获得最佳的结果，即，这种PTC元件是由在室温下具有低于10欧姆-厘米的电阻率的材料构成的。具有这种电阻率的PTC导电聚合物是容易得到的。
这些发现可以被用于提供这样的开关装置，它们在电路的正常使用中进行电路的开和关操作，这些开关可手工操作或者根据电路正常使用中产生的条件而动作。这些发现还可用于提供故障防护系统，其中这些开关则是直接由故障条件促动。另外，在本发明的开关装置中，PTC器件限制在开关动作过程中传至负载的能量。这种特征提供了“故障电流限制”特性。
当并联开关打开时，PTC器件的电阻必须由通过此器件的电流的作用而明显增大。另外，电阻增大的速度对该开关装置的设计具有重要的影响。如果两个开关同时动作，电流将以随触点分离而在触点之间形成的电弧的形式，继续流过串联开关，直到PTC器件的电阻增大达到电弧不能维持的水平。因此，PTC器件的电阻达到此水平越快，串联开关的要求的额定值就越低。如果串联开关在并联开关之后动作，将会缩短串联开关中电弧的持续时间，并且有可能完全消除电弧。因此，如果PTC器件的电阻在串联开关动作之前达到要求的水平，串联开关中将不会产生电弧。这对于串联开关而言是理想的，但保证要求的延迟所需的代价可能胜过对采用具有低的额定值的开关的需要性。在交流电路中，由于电弧(如果有的话)在每一电流零处熄灭，因此，如果PTC器件在小于半周的时间内达到要求的电阻的话，通常就没有理由要延迟串联开关的动作。应当还记得，如果串联开关不能在PTC器件的电阻达到要求的水平时立即动作，那么PTC器件必须是这样的：它可以维持其高温状态，而不损坏其自身或者任何其它元器件(component)，直到串联开关动作。还希望，串联开关应当在并联开关动作后不超过100毫秒的时间内打开和/或动作，以保证在并联开关已动作后电路在适当的时间内停止工作。
PTC器件通常被设计为适合用于特定的电流(或电流范围)和特定的电压(或电压范围)条件下，这些设计是基于PTC器件应当在那些条件下安全地跳闸的要求。本发明的一个重要优点是，由于电流流过PTC器件仅是在有限的时间内(即，并联开关的动作时间与电流停止流动的时间之间)，PTC器件通常不能达到其正常的“跳闸状态”的很高的电阻，因此PTC器件不需要具有通常与在ISWITCH和VSWITCH下工作的PTC器件相关的特性。结果，本发明的开关装置可以用于中断比通常与PTC器件相关的那些电流和电压高得多的电流和电压。如果ISWITCH和/或IVCLTAGE是高的，由PTC器件吸收的能量就相应地高。
按照第一方面，本发明提供了一种电开关装置，它包括：
(1)第一串联机械开关，
(2)第二并联机械开关，和
(3)一个PTC器件；
          其中：(a)PTC器件和第二开关并联连接，此并联组合
      与第一开关串联连接，或者
          (b)PTC器件和第一开关串联连接，此串联组合与第二
      开关并联连接；
当由规定的程序确定额定值时，其中，两个开关同时动作以中断在电压VSWITCH下工作的电路中的电流，该装置具有额定电流ISWITCH；
下列至少一种选择：
          (a)当由相同的程序在电压VSWITCH下单独确定额定值时，
      串联开关具有额定电流ISERIES，此电流最大为ISWITCH的j倍，这
      里j为0.8，优选0.6，特别优选0.25，尤其优选0.1，和
          (b)当由相同的程序在电压VPARALLEL下单独确定额定值时，
      此电压VPARALLEL最大为VSWITCH的k倍，k为0.8，优选0.6，特别
      优选0.25，尤其优选0.1，并联开关具有额定电流IPARALLEL，此
      电流最大为ISWITCH；并且
当在一个具有开路电压VSWITCH的测试电路中单独承受一个电流IPTC时，此电流IPTC最大为ISWITCH的m倍，m为0.75，优选0.5，特别优选0.25，尤其优选0.1，PTC器件电阻增大到至少100倍，优选至少200倍，特别优选至少700倍，尤其优选至少1000倍，电阻增大时间最多100毫秒，优选最多30毫秒，特别优选最多8毫秒，尤其优选最多5毫秒。
按照第二方面，本发明提供了一种电开关装置，它包括：
(1)第一串联机械开关，
(2)第二并联机械开关，和
(3)一个PTC器件；
        其中：(a)PTC器件和第二开关并联连接，此并联组合与第
一开关串联连接，或者
    (b)PTC器件和第一开关串联连接，此串联组合与第二开
关并联连接；该开关装置具有至少一种下列特性：
    (A)PTC器件包括一种PTC元件，此元件由一种PTC导电
聚合物构成，此聚合物具有小于5欧姆-厘米的电阻率；(B)开关是联动的，这样串联开关可以与并联开关同时动作；
    (C)该装置包括用于使串联开关在预定时间动作的装置，
此预定时间为并联开关动作之后10-100毫秒，此预定时间由
PTC器件的电阻增大速度和两个开关的额定值决定；(D)并联开关不是由通过该装置的过流操纵的；(E)并联开关可以手工操作；
   (F)当电压从10伏特变化至600伏特时，串联开关、并联
开关、PTC器件和该开关装置的任何其它元器件中的每一个的
电阻最多变化5倍，优选最多4倍，特别优选最多2倍，尤其
优选最多1.2倍；和
    (G)当在一个具有开路电压VPTC的测试电路中单独承受一
个电流IPTC时，PTC器件电阻增大到至少100倍，优选至少200
倍，特别优选至少700倍，尤其优选至少1000倍，电阻增大时
间最多100毫秒，优选最多30毫秒，特别优选最多8毫秒，尤
其优选最多5毫秒，IPTC和VPTC为下列选择之一：
         (i)VPTC为12伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培，
         (ii)VPTC为24伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培，
         (iii)VPTC为60伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培，
         (iv)VPTC为120伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培，
         (v)VPTC为250伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培，
         (vi)VPTC为600伏特交流，IPTC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，
            (vii)VPTC为12伏特直流，IPTC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，
            (viii)VPTC为24伏特直流，IPIC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，
            (ix)VPTC为60伏特直流，IPTC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，
            (x)VPTC为120伏特直流，IPTC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，
            (xi)VPTC为250伏特直流，IPIC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培，和
            (xii)VPTC为600伏特直流，IPTC为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培；或
            (H)(i)当串联开关单独用于中断工作在预定的直流
        电流和电压下的电路时，会导致在串联开关的两个触点之
        间触发电弧，一定重量MSERIES的材料从一个触点转移至另
        一个触点，
            (ii)当并联开关单独用于中断相同的电路时，导致
        在并联开关的两个触点之间触发电弧，一定重量MPARALLEL
        的材料从一个触点转移至另一个触点，并且
            (iii)MPARALLEL至少为MSERIES的p倍，这里p为1.5，
        优选4，特别优选8。根据第三方面，本发明提供了一种电路，它包括：(A)一个具有电压VNORMAL的电源；(B)一个电负载；和(C)一个电开关装置，它包括：(1)第一串联机械开关，它与电源和负载串联，(2)第二并联机械开关，和(3)一个PTC器件；
    其中：(a)PTC器件和第二开关并联连接，此并联组合与第
 一开关串联连接，或者
    (b)PTC器件和第一开关串联连接，此串联组合与第二开
        关并联连接；
电路具有正常的工作条件，其中两个开关均闭合，并且电路电流为INORMAL；
当由规定的程序确定额定值时，其中，两个开关在电压VNORMAL下同时动作，该开关装置具有额定电流ISWITCH，此电流至少是电流INORMAL的q倍，这里q为1，优选1.5，特别优选2；
当由相同的程序在电压VCIRCUIT下单独确定额定值时，串联开关具有额定电流ISERIES，此电流最大为INORMAL的r倍，这里r为0.9，优选0.75，特别优选0.5，尤其优选0.25；
当由相同的程序在电压VPARALLEL下单独确定额定值时，此电压最大为VNORMAL的s倍，s为0.9，优选0.75，特别优选0.5，尤其优选0.25，并联开关具有额定电流IPARALLEL，此电流最大为INORMAL；并且
当在一个具有开路电压VNORMAL的测试电路中单独承受一个电流IPTC时，此电流IPTC最大为INORMAL的t倍，t为0.9，优选0.75，特别优选0.5，尤其优选0.25，PTC器件电阻增大到至少100倍，优选至少200倍，特别优选至少700倍，尤其优选至少1000倍，电阻增大时间最多100毫秒，优选最多30毫秒，特别优选最多8毫秒，尤其优选最多5毫秒。
按照第四方面，本发明提供了一种中断电流的方法，用于中断在一个电路中流动的电流ICIRCUIT，该电路包括：
(A)一个具有电压VCIRCUIT的电源；
(B)一个具有电阻RLOAD的电负载；和
(C)一个电开关装置，它包括：
(1)第一串联机械开关，它与电源和负载串联连接，
(2)第二并联机械开关，和
(3)一个PTC器件；
        其中：(a)PTC器件和第二开关并联连接，此并联组合与第
    一开关串联连接，或者
        (b)PTC器件和第一开关串联连接，此串联组合与第二开
    关并联连接；
当在一个具有开路电压VCIRCUIT的测试电路中单独承受一个电流ICIRCUIT时，PTC器件电阻增大到至少是RLOAD的w倍，这里w为10，优选50，特别优选100，其电阻增大时间最多100毫秒，优选最多30毫秒，特别优选最多8毫秒，尤其优选最多5毫秒，
该方法包括：
(A)使并联开关动作，和
(B)在步骤(A)后0-100毫秒，使串联开关动作。
当在此说明PTC器件承受一个电流IPTC时，电流IPTC是m ISWITCH或INORMAL的函数，如果ISWITCH或INORMAL是交流电流，IPTC就是交流电流，而如果ISWITCH或INORMAL是直流电流，IPTC就是直流电流。当IPTC是交流电流时，此器件在小于半周的时间内达到要求的电阻，电流实际上可能达不到规定的值；另外，达到要求的电阻水平所需的时间将取决于测试开始时电流的相位角。因此，在本说明书中给出的时间是采用这样的电源测量的，即，如果不中断的话，此电源将达到规定的值(所谓的“预期”电流)。
虽然本发明是借助于PTC器件与机械开关的组合来描述的，但也可以采用具有相同的相应额定值特性的固态器件替代本发明的电开关中的机械开关。
两个机械开关可以是手动的，或者，在一个实施例中，例如当该装置是在高压下工作的断路器的一部分时，两个机械开关响应于一个信号而动作，此信号通过一个工作在低电压下的保护继电器取自于变压器或变流器。
图1示出本发明的一种装置10，该装置包括由一个PTC器件2和一个并联开关6组成的并联组合，此并联组合与一个串联开关4串联连接。当该电开关装置10启动时，并联开关6立即打开，使电流流入并联的PTC器件2。PTC器件2于是增大了电阻，由此使电流减小，并允许串联开关4在较小的电流下打开。在有些应用中，串联开关4和并联开关6是同时动作的(例如采用联动的开关)。而在另一些应用中，使串联开关4延迟动作可能是有益的，这种延迟可以按机械方式或者电气方式实现。
为了提供附加的或变化的功能，其它元器件可以与本发明的装置相结合。例如，在具有电感性负载的电路中，随着PTC器件2(的阻抗)从低阻抗状态增大至高阻抗状态，电路中的电流的快速减小，可能导致在PTC器件2上形成电压冲击。图2示出了一种适合在这种情况下使用的装置，在该装置中，一个电压钳位器件，诸如变阻器8，与PTC器件2并联连接，以限制这种电压冲击。也可以采用其它电压钳位器件，诸如齐纳二极管。
图3是电压对电流的示意性曲线，并且在阴影区域OABCD中示出可以安全地中断的电压和电流的组合，这种中断可由在V伏特电压下具有I安培的额定电流的典型机械开关实现。如图3所示，根据所选择的电压，同一器件可以按不同的方式确定额定值；并且存在电流和电压的最大值，超过这些值开关就不能使用。
图4与图3相同，但它示出了相关的电压VSWITCH和电流ISWITCH的组合。具有图3和图4中所示的额定值特性的开关将不能在正常的电路电压VSWITCH下中断正常的电路电流ISWITCH。其每一开关具有图5中所示的额定值的本发明的电开关装置，能够在等于VSWITCH的电压下中断等于ISWITCH的电流。在这些开关装置中，PTC器件的存在具有将电流的中断分为两种独立的开关动作的效果，第一种动作发生在ISWITCH/VINTERRUPT点处，第二种动作发生在IINTERRUPT/VSWITCH点处。根据图1的由PTC器件和机械开关组成的开关装置，其中串联开关和并联开关具有如图6中所示的不同的额定值特性，该开关装置还能够在等于VSWITCH的电压下中断等于ISWITCH的电流。在包括具有图5或图6所示的额定值特性的机械开关的电开关装置中，并联开关的额定值选定为在施加的电压VINTERRUPT下中断电流ISWITCH，而串联开关的额定值选定为在施加的电压VSWITCH下中断电流IINTERRUPT。
图5和6的示意性曲线指示出，给定的两个开关(它们具有如图5中所示的相同的特性，或者具有如图6中所示的不同的特性)的组合可以如何与一个PTC器件一起配置(如图1中所示)，用以中断任何一个开关不能单独中断的电流和电压。图7所示的示意性曲线指示出，对于给定的相关电流和电压组合，例如，ISWITCH和VSWITCH，存在机械开关的多种不同组合，这些机械开关可与一个PTC器件一起配置用以中断ISWITCH和VSWITCH，而其中没有一个开关能够单独地中断ISWITCH和VSWITCH。对于串联和并联机械开关的N种组合(可表示为Si和Pi，i＝1...N)中的每一种，并联开关能够在电压Vi下中断电流ISWITCH，而对应的串联开关能够在电压VSWITCH下中断电流Ii。在实际情况下，电开关设计者的目标将是选择最便宜的机械开关组合(通常，最便宜的组合也是最小的，但随着开关变得越来越小这并不是必需的)。
图8示出一个电路20的电路图，此电路20将本发明的电开关装置10与一个电源12和一个负载14结合起来。参照图5和6所示的示意性曲线，电路20中的正常电压为VSWITCH或低于此值，而在此实例(sample)电路20中的正常电路电流为ISWITCH或低于此值。由于串联开关4和并联开关6具有图5或6所示的电压和电流中断额定值特性，没有一个开关能够单独在电压VSWITCH下中断电流ISWITCH。但是，并联开关6可以在降低的电压VINTERRUPT下中断电流ISWITCH，而串联开关4可以在电压VSWITCH下中断降低的电流IINTERRUPT。在此电路20中，由于PTC器件具有低温电阻RPTCLOW和高温电阻RPTC HIGH，因此存在下列关系：
                             RPTC LOW×ISWITCH＜VINTERRUPT，此关系式确
                             定了PTC器件2的低电阻状态电阻和并联
                             开关6的中断额定值之间的关系；和
                             VSWITCH/RPTC HIGH＜IINTERRUPT，此关系式
                             确定了PTC器件2的高电阻状态电阻和串
                             联开关4的中断额定值之间的关系。
根据这些关系，可以按以下方式确定构成电开关装置10的元器件所需的特性。
在其额定值选定为能够在电压VSWITCH下中断电流ISWITCH的本发明的一种电开关装置中：
1.串联开关和并联开关在闭合时可以连续地承载等于或大于ISWITCH的电流；
2.PTC器件具有小于ISWITCH的通过电流IPASS；
3.PTC器件具有在电压VSWITCH下小于电流ISWITCH的跳闸电流ITRIP；
4.PTC器件具有低电阻RPTC LOW，并联开关的额定值选定为能够在所施加的小于或等于RPTC LOW×ISWITCH的电压下中断等于ISWITCH的电流；
5.PTC器件具有高电阻RPTC HIGH，串联开关的额定值选定为能够在所施加的电压VSWITCH下中断等于或小于VSWITCH/RPTC HIGH的电流。
在图1所示的串联/并联组合中，在该电开关装置10中，串联开关4位于由PTC器件2和并联开关6组成的并联组合之前。虽然该电开关装置的电特性不取决于这种(排列)顺序，但其它考虑条件可能决定串联开关的位置。例如，在该电开关装置10应用于提供过流保护时，图1中所示的顺序具有另外的优点，即，除了隔离负载之外，串联开关4还可以起到将过流保护电路中的元器件与电源隔离的作用。当这些元件接近人并且容易被人触及时，这(隔离作用)尤为必要。
在图8所示的电路的一个特定实例中，串联开关4和并联开关6的额定值均选定为能够在120伏特的交流电压下中断1/2安培的电流；PTC器件2是一个Raychem RXE030 Polyswitch器件，它在其低电阻状态下具有1欧姆的额定电阻；电源12工作在120伏特的交流电压下；负载14具有12欧姆的阻抗。因此，此实例电路20中的正常电流是10安培。当两个开关同时动作时，并联开关6立即打开，使电流转换到通过PTC器件2。由于PTC器件2的电阻为1欧姆，当并联开关6打开时PTC器件2上的电压为：
         1欧姆×(120伏特/(1欧姆+12欧姆))，
它约等于9.2伏特。于是，按照上述的定义，并联开关6已能够在9.2伏特的交流电压下中断稍小于ISWITCH的电流。PTC器件2的I2R加热作用使PTC器件2的电阻在短时间内增大至几千欧姆，所述的时间在10毫秒量级。因此，串联开关4承载的电流在10毫秒量级的时间内，从10安培降低至很低的程度，例如几毫安，此时，串联开关4打开，在120伏特下中断了这个小电流。
但是，如果在相同电路中，串联开关4被设定为延迟打开，可以采用诸如Raychem RXE160 Polyswitch器件之类的PTC器件2，这种元件在其低电阻状态下具有0.1欧姆量级的电阻。当并联开关6打开时，它转换10安培的电流，但仅仅是处于1伏特的电压下。PTC器件2的I2R加热作用使其电阻在约3秒内增大至几千欧姆。如果串联开关4被设定为延迟3秒打开，串联开关4将仅仅需要在120伏特的电压下关断很小的电流(例如约0.02安培)。
在相同电路中，如果PTC器件2为Raychem RXEO17 Polyswitch器件，这种元件在其低电阻状态下具有4欧姆量级的电阻，那么其电阻会在10安培的电流下在约1毫秒的时间内增大至几千欧姆。一个10安培的正弦电流则将在达到其峰值前被中断。如果并联开关6在正弦电流通过零时打开，PTC器件2将在电流达到其峰值前限制通过串联开关的电流。并联开关6的额定值将被选定为在40伏特的电压下中断10安培的电流。从理论上讲，如果仅仅考虑开关作用，串联开关的参数可以被选定为在120伏特的电压下中断很低的电流。实际上，串联开关的额定值将由这样的要求决定：当闭合时，串联开关必须连续地承载正常的10安培电流。
在选择用于本发明的机械开关和PTC器件时要作出一些折衷处理。随着处于其低电阻状态的PTC器件的电阻的增大，PTC器件趋于在更短的时间内达到所要求的高电阻，因此用于打开串联开关所需的延迟时间缩短了。但是，随着处于其低电阻状态的PTC器件的电阻的增大，并联开关6的额定电压必须增大。
在以上的实例中描述的本发明的实施例中，电路元器件一起工作而提供电开关能力。PTC器件和机械开关的最佳协作组合方式还可以应用于断路器。在传统的断路器中，要中断的信号可以与要中断的电路无关，并且在高压情况下，此信号通常通过一个工作在低压下的保护继电器取自于变压器(PT)或变流器(CT)。在采用图2中所示的电开关装置的断路器中，两个机械开关4和6开始同时打开，并联开关6使PTC器件2与串联开关4串联连接。这种组合方式的优点是，PTC器件2处于电路中半周的时间，因此不需要在长的时间周期中承受大的电压；PTC器件2不能真正地使电路断开，因此断路器的工作不取决于要精确得知的PTC器件2的温度；PTC器件2仅仅需要将其电阻增大例如20-30倍，以限制故障电流20-30倍；并且机械接触开关4和6的故障电流中断要求降低20-30倍。尽管该装置需要两个机械接触开关而不是一个，但两个低故障电流接触开关的价格只是一个高故障电流接触开关的一小部分。
图9示出根据本发明的原理的第二种装置，其中两个机械开关和一个PTC器件形成一个电开关装置10’。在此第二种装置中，并联开关6与由PTC器件2和串联开关4构成的串联组合并联连接。PTC器件2和串联开关4以及并联开关6之间的关系与前面参照图2所示的装置阐述的相同。图10是第二实例电路30的电路图，该电路采用了第二种装置，即电开关装置10’。图10中所示的装置还示出了一种方式，其中串联开关4可以配置成延迟打开。在此第二实例电路中，串联开关4包括一组常开的继电器触点，这些触点与一个小电流继电器线圈18相耦合。当此电开关装置10’初始闭合时，并联开关6闭合，为负载14提供了电流，并且激励继电器线圈18。受激励的继电器线圈18使串联开关4闭合。在正常工作期间，负载电流流过并联开关。当此电开关装置10’打开时，并联开关6打开，使负载电流流过PTC器件2和串联开关4。PTC器件2转换至其高电阻状态，由此降低了电路30中的电流，并使继电器线圈18失去激励。失去激励的继电器线圈18使串联开关4打开，从而完成了该电开关装置10’的打开过程。

Claims (14)

1.一种电开关装置，包括：
(1)第一串联机械开关，
(2)第二并联机械开关，和
(3)一个PTC器件；
     其中：(a)PTC器件和第二开关并联连接，此并联组合与
     第一开关串联连接，或者
     (b)PTC器件和第一开关串联连接，此串联组合与第二开关并联连接；
当由规定的程序确定额定值时，其中，两个开关同时动作以在电压VSWITCH下中断一个电流，该装置具有额定电流ISWITCH；
下列至少一种选择：
              (A)当由相同的程序在电压VSWITCH下单独确定额
          定值时，串联开关具有额定电流ISERIES，此电流最大
          为ISWITCH的j倍，这里j为0.8，和
              (B)当由相同的程序在电压VPARALLEL下单独确定额
          定值时，此电压最大为VSWITCH的k倍，k为0.8，并联
          开关具有额定电流IPARALLEL，此电流最大为ISWITCH；并
          且
当在一个具有开路电压VSWITCH的测试电路中单独承受一个电流IPTC时，其中此电流IPTC最大为ISWITCH的m倍，m为0.25，PTC器件电阻增大到至少100倍，电阻增大时间最多16毫秒。
2.根据权利要求1的装置，电压VSWITCH和电流ISWITCH为下列选择之一：
          (1)VSWITCH为12伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培；
          (2)VSWITCH为24伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培；
          (3)VSWITCH为60伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
      20、30或60安培；
          (4)VSWITCH为120伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、
      15、20、30或60安培；
            (5)VSWITCH为250伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、
        15、20、30或60安培；
            (6)VSWITCH为600伏特交流，ISWITCH为1、3、5、10、
        15、20、30或60安培；
            (7)VSWITCH为12伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培；
            (8)VSWITCH为24伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培；
            (9)VSWITCH为60伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、15、
        20、30或60安培；
            (10)VSWITCH为120伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、
        15、20、30或60安培；
            (11)VSWITCH为250伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、
        15、20、30或60安培；和
            (12)VSWITCH为600伏特直流，ISWITCH为1、3、5、10、
        15、20、30或60安培。
3.根据权利要求2的装置，其中，该装置和开关按照下列标准之一确定额定值：
(1)UL20，通用快动开关标准，第11版，1995年5月25日；
(2)UL508，工业控制设备标准，第16版，1994年9月20日；
(3)UL1054，专用开关标准，第5版，1995年5月20日；
(4)JIS C 4506-1979，用于单相电机的小开关；
(5)JIS C 4520-1984，控制开关的一般原则；
(6)JIS C 4610-1990，用于设备的断路器；
(7)IEC204，工业机械装置的电气设备；
(8)IEC 337，341，1020，开关，按钮型开关；或者
(9)IEC 1058，328，669，开关，附件(Appliances)，家用和类似用途。
4.根据权利要求1-3中任一项的装置，其中，该PTC器件包括一种由PTC导电聚合物构成的PTC元件。
5.根据权利要求4的装置，其中，该PTC导电聚合物在21℃时具有小于n欧姆-厘米的电阻率，这里n为5。
6.根据权利要求5的装置，其中，该PTC器件在21℃时具有小于R欧姆的电阻，这里R为5。
7.根据权利要求1-6中任一项的装置，它包括一个电压钳位器件，此器件与PTC器件并联连接。
8.根据权利要求1-7中任一项的装置，其中，该并联开关的动作还使串联开关动作。
9.根据权利要求1-8中任一项的装置，其中，该并联开关的动作还在最多100毫秒的延迟时间之后使串联开关动作。
10.根据权利要求1-9中任一项的电开关装置，具有至少一种下列特性：
(A)开关是联动的，这样串联开关可以与并联开关同时动作；
         (B)该装置包括用于使串联开关在预定时间动作的装
     置，此预定时间为并联开关动作之后10-100毫秒，此预
     定时间由PTC器件和两个开关的特性决定；
(C)并联开关不是由通过该装置的过流促动的；
(D)并联开关可以手动；
         (E)当电压从10伏特变化至600伏特时，串联开关、
     并联开关、PTC器件和该开关装置的任何其它元器件中的
     每一个的电阻最多变化4倍；和
         (F)当在一个具有开路电压VPTC的测试电路中单独承
     受一个电流IPTC时，PTC器件电阻增大到至少100倍，电
     阻增大时间最多30毫秒，IPTC和VPTC为下列选择之一：
               (i)VPTC为12伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
           15、20、30或60安培，
               (ii)VPTC为24伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
           15、20、30或60安培，
               (iii)VPTC为60伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
           15、20、30或60安培，
               (iv)VPTC为120伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
           15、20、30或60安培，
               (v)VPTC为250伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
           15、20、30或60安培，
                (vi)VPTC为600伏特交流，IPTC为1、3、5、10、
            15、20、30或60安培，
                (vii)VPTC为12伏特直流，IPTC为1、3、5、10、
            15、20、30或60安培，
                (viii)VPTC为24伏特直流，IPTC为1、3、5、
            10、15、20、30或60安培，
                (ix)VPTC为60伏特直流，IPTC为1、3、5、10、
            15、20、30或60安培，
                (x)VPTC为120伏特直流，IPTC为1、3、5、10、
            15、20、30或60安培，
                (xi)VPTC为250伏特直流，IPTC为1、3、5、10、
            15、20、30或60安培，和
                (xii)VPTC为600伏特直流，IPTC为1、3、5、
            10、15、20、30或60安培；或
                (G)(i)当串联开关单独用于中断工作在预定
            的直流电流和电压下的电路时，会导致在串联开关
            的两个触点之间触发电弧，一定重量MSERIES的材料
            从一个触点转移至另一个触点，
                (ii)当并联开关单独用于中断相同的电路时，
            导致在并联开关的两个触点之间触发电弧，一定重
            量MPARALLEL的材料从一个触点转移至另一个触点，并
            且
(iii)MPARALLEL至少为MSERIES的p倍，这里p为1.5。
11.根据权利要求1-10中任一项的电开关装置，其中，电阻增大时间最多为5毫秒。
12.一种电路，包括：
(A)一个具有电压VSWITCH的电源；
(B)一个电负载；和
(C)一个根据权利要求1-10中的任一项的电开关装置。
13.根据权利要求12的电路，其中，采用下列条件中的至少一个：
(i)j为0.5；
(ii)s为0.5；和
(iii)m为0.25，并且电阻增大时间最多为8毫秒。
14.一种中断电流的方法，用于中断在一个电路中流动的电流ICIRCUIT，该电路包括：
(A)一个具有电压VCIRCUIT的电源；
(B)一个具有电阻RLOAD的电负载；和
(C)一个根据权利要求1-11中的任一项的电开关装置；
该方法包括：
(i)使并联开关动作，和
(ii)在步骤(i)后0-100毫秒时间内，使串联开关动作。
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