CN1377508A - 不通风的安装于断路器的熔丝 - Google Patents
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Abstract
一种用于安装在一断路器中的不通风的限流熔丝,它包括一强电流熔丝构件(22)和一弱电流熔丝构件(20),所述强、弱电流熔丝构件容纳在壳体的分离的室(24、26)中,并且串联连接。弱电流过载的断开仅导致弱电流熔丝构件(20)断开,强电流熔丝构件(22)不受影响。从壳体中卸下弱电流熔丝构件,以便在发生弱电流过载的情况时,可以简单地卸下并更换弱电流熔丝构件,并且无需更换成本较高的强电流熔丝构件。
Description
技术领域
本发明涉及不通风的安装于断路器的限流熔丝，该限流熔丝可用来保护配电装备，例如架空配电变压器和电容器。
背景技术
有一些传统方法可提供用于配电装备的过载电流保护。这些方法中的一些方法包括具有冲出式熔断片的配电熔丝断路器、与备用的限流熔丝(CLF)相结合的配电断路器、内部冲出式和限流熔丝(例如全自保变压器)以及在一断路器中的单一通用CLF。这些方法中的每一种都具有其内在优点和缺点。
熔丝断路器中的冲出式熔丝并不昂贵，但无法提供限制能量的能力。在许多公用设施中，担心在冲出式熔丝断开时喷出热颗粒和空气。当线路工位于电杆上并且错误地接通断路器时尤其危险。
使用两根串联的熔丝可以仅更换断开过载电流的元件，从而节省更换未受损熔丝的成本。该组合中的冲出式熔丝的尺寸定为可由弱电流烧断。只有在有效故障电流较高时，较昂贵的限流熔丝才断开。配电断路器还提供用于断开变压器的简便装置。该两熔丝式方法的缺点是需要安装空间，而且需要储存和搬运这两种熔丝。同样，没有完全消除通风问题，而且没有备用的CLF的断开指示。同样，如果备用的CLF被损坏，它们将倾向于失效，并且以其最小断开额定值以下的电流断开。
全自保(CSP)变压器提供一种两熔丝式方法，其CLF位于变压器箱内部。内部的CLF提供更紧凑的安装，但无法方便地接近CLF。然而，一些使用CSP架空变压器的公用设施并不适合这些元件的某些方面。更具体地说，它们需要通常安装在变压器箱内部的、易于更换的内部熔丝。同样，一些公用设施发现内部模制的壳体断路器将妨碍烧断，并且不能使公用设施在紧急情况下加载其变压器。同时，这些公用设施要求安装CSP元件的紧密度以及简易性。在使用原有电杆时，没有考虑到用于安装断路器和备用的CLF的空间，因此CSP变压器在电压转换应用中尤其理想。
在空间有限以及冲出式熔丝的存在是不受欢迎的地方，有时单个安装于断路器的通用熔丝是较佳的。通用CLF较为紧凑，但无论熔丝在何时断开，都必须更换整个昂贵的装置，即使是只需要使用一廉价的熔断片来断开弱电流时也是如此。
至今为止没有一种简单的解决方法，该方法可以满足紧凑、廉价的安装于断路器的熔丝的需要，且所述熔丝是不通风且可更换的。
发明内容
本发明通过提供一种不通风的安装于断路器的限流熔丝，克服了上面讨论的现有技术的问题，该熔丝具有强电流熔丝元件和弱电流熔丝元件，所述强、弱电流熔丝元件串联连接，并且容纳在紧凑壳体的分离室中。弱电流过载的断开仅导致弱电流熔丝元件的断开，强电流熔丝元件不受影响。弱电流熔丝元件容纳在可从壳体处卸下的弱电流熔丝室中，以便在发生弱电流过载的情况时，可以简单地卸下并更换弱电流熔丝构件，并且无需更换成本较高的强电流熔丝元件。
此外，以该种方式构造弱电流熔丝构件，可减少或消除弱电流元件的断开引起的空气和颗粒的发射。具体地说，弱电流熔丝元件容纳在分离的壳体中，并且通过一能量吸收材料(例如沙子)与其诸壁隔开。
因此，本发明的一方面提供了一种用于安装在一断路器中的限流熔丝，它包括：一具有第一和第二室的第一壳体；一适合在强电流下断开的第一熔丝元件，该第一熔丝元件容纳在第一室中；以及一适合在弱电流下断开的第二熔丝元件，该第二熔丝元件容纳在第二室中，其中第一和第二熔丝元件串联。
附图说明
现在将结合附图对体现本发明的方法和装置的其它特征和优点进行叙述，并且通过随后的叙述使本发明的特征和优点更为清楚，图中：
图1是安装在传统的配电断路器中的本发明的较佳实施例的不通风的断路器熔丝的侧视图；
图2是图1所示的不通风的安装于断路器的熔丝的分离截面图；
图3是图1的熔丝的侧剖视图，该图示出了弱电流熔丝构件已被卸下；
图4至16是本发明的不通风的安装于断路器的熔丝的电流和电压的波形；以及
图17是本发明的不通风的安装于断路器的熔丝的电流/时间曲线。
具体实施方式
作为现有的用于架空配电装备的限流装置的缺点的解决方法，形成了本发明，即不通风的安装于断路器的熔丝(NVCF)。NVCF是与现有的普通CLF尺寸相同的单个熔丝元件，然而，NVCF在弱电流断开之后可以廉价地重新安装熔丝。
在图1中，总地用标号10表示安装在传统的配电断路器中的本发明的一较佳NVCF。分别用标号12和14表示断路器和NVCF。示出了一个作为将NVCF装入配电断路器所需硬件的组成部分的断开手柄16。现在请参见图2，与用来容纳传统的满量程限流熔丝的管子类似，熔丝14容纳在一玻璃纤维管18中。然而，与传统的CLF相比，外部玻璃纤维管18容纳有两构件：一可更换的弱电流熔丝构件20，以及一强电流熔丝构件22。在本发明的不通风的断路器熔丝的一较佳实施例中，玻璃纤维管18包括长度约为360毫米的圆柱体，其外径约为56毫米、内径约为51毫米。
管18被分成两个隔开的室：一第一室24，将所述第一室构造成容纳强电流熔丝构件22；以及一第二室26，将所述第二室构造成容纳可更换的弱电流熔丝构件20。在管18中的具有上述尺寸的较佳熔丝14中，第一室24最好具有约264毫米的长度，而第二室26最好具有约85至90毫米的长度。用隔板28来分隔室24和26，该隔板最好由玻璃纤维盘构成，该玻璃纤维盘具有约5毫米的厚度，其直径恰如其分地适合内管18。
端盖34和36在其相应两端30和32处封闭管18，每一所述端盖包括一平直端壁和一圆柱形侧壁。更具体地说，端盖34密封第二室26的端部30，并且包括端壁38和侧壁40，而端盖36密封第一室24的端部，并且包括端壁42和侧壁44。当管18具有上述尺寸时，圆柱形侧壁40、44最好各自具有约32毫米的长度以及约58毫米的直径，藉此将盖子34和36装配在管18的两端的上方。端盖34和36最好由导电材料构成，该材料最好是铜。使用诸如环氧树脂的硬化树脂材料将每一盖子36较佳地密封于管18的端部32。盖子34的端壁38的内表面最好提供弹性密封材料(例如橡胶密封46)以便密封第二室26的端部。橡胶密封件46最好具有约2毫米的厚度。
现在请参见图2和3，通过端盖36和隔板28在其相对两端处封闭管18的第一室24，可形成强电流熔丝室22的壳体。壳体内部设有一强电流熔丝元件48，它包括支承在内部支架50上的金属带，通过能量吸收填料(最好是沙子)将两者与管18的内壁隔开。强电流熔丝元件48由能在相对较低的温度下熔化的导电材料(最好是银)制成，而支架50由非导电材料(例如云母)制成。在具有上述尺寸的熔丝14中，强电流熔丝元件48最好由具有间隔孔53的银带构成，该银带具有约92厘米的长度、约4.75毫米的宽度以及约0.13毫米的厚度。内部云母支架50最好以现有技术中已知的方式形成正方形凹槽54。强电流熔丝元件48规则地隔开卷绕在开槽的支架50周围，相邻的线圈中心之间的间距约为24毫米，该熔丝元件与端盖36电气接触(例如通过与点56焊接)。
本发明的强电流熔丝构件22用来断开高等级的故障。这可通过强电流熔丝元件48的熔化得以实现。一旦熔丝元件48的开槽位置完全熔化，强电流熔丝构件22形成一起弧电压，该起弧电压对抗并克服系统电压，并且迫使电流为零。容纳强电流熔丝构件22的第一室24也可包括一指示器按钮(图中未示出)，以便指示强电流熔丝构件22的状态。
分隔室24和26的不导电隔板28设有一位于中心的孔58，一导电连接件60通过该孔。连接件60的一第一端62与强电流熔丝元件48电气接触，而连接件60的一带螺纹的第二端64突伸入第二室26。将一螺母66旋在连接件50的第二端64上，以使连接件60固定于隔板28，并且用一层硬化树脂68(例如环氧树脂)来密封孔58和隔板28的边缘。
如图3所示，弱电流熔丝构件20容纳在一小圆柱形壳体70中，该壳体最好由玻璃纤维构成。壳体70包括通过端壁74和76在其两端密封的一管72。管72的长度和直径可使其适合熔丝14的第二室26的内部。相应的端壁74和76的内表面最好设有凹入的边缘78、80，以使端壁74、76略微地突伸入管72的两端，并且完全覆盖其两端。当熔丝14具有上述尺寸时，管72最好具有约48毫米的外径、约44毫米的内径以及约77毫米的长度。端壁74和76最好具有48毫米的直径、约10毫米的厚度，其边缘78和80凹入约5毫米。
弱电流熔丝构件20包括一导电的弱电流熔丝元件82，该熔丝元件卷绕在支承件84的周围，通过能量吸收填料86(最好是沙子)使两者与壳体70的内表面隔开。弱电流熔丝元件82最好包括一细导线，并且被封装在一诸如硅橡胶的绝缘壳体90中。与上述云母支架50类似，支架84最好由云母构成，并且具有正方形凹槽92。当壳体70具有上述尺寸时，弱电流熔丝元件82最好包括直径为1.25毫米、长度为170毫米的锡丝。
壳体70的端壁76设有一位于中心的孔94，一导电连接件96伸过该孔。连接件96具有一放大的头部98，该头部位于壳体70的内部并且与端壁76的内表面啮合。一柄脚100从连接件96的头部98处伸出，完全贯穿端壁76，并从该处略微突起。连接件96设有一螺纹孔102，该孔贯穿柄脚100的中心并伸入头部98。螺纹孔102适合容纳伸入管18的第二室26的连接件60的第二端64。
导电连接件106的头部104嵌在壳体70的相对端壁74中。连接件106的带螺纹的柄脚108从端壁74处向外突起，并且适合被旋入一螺母110，该螺母刚性地固定于端盖34的端壁38的外表面。弱电流熔丝元件82与连接件96和106电气接触，藉此使电流通过弱电流熔丝构件20从壳体70的一端流向另一端。
熔丝14的装配过程是：将弱电流熔丝构件20插入第二室26，并将连接件60的第二端64旋入连接件96的孔102，直至形成牢固的连接。然后将连接件106旋入螺母110，直至密封件46紧密地与管18的端部30啮合，以使端盖34固定在管18的端部30的上方，藉此确保熔丝构件20被密封在室26内。当熔丝14被完全装配好时，借助强电流熔丝元件48和弱电流熔丝元件82提供从端盖34到盖36的连续导电通路。
也可将传统的装料断开的烧断熔丝指示器容纳在壳体70内部端壁74中，以便在弱电流熔丝构件20断开时可见地指示。指示器包括一小的火药装料(gunpowder charge)，在触发时，它将使通过壳体70的端部74的销点燃。在使用指示器时，最好使一部分壳体70的端壁74和端盖34的端壁38的厚度减少，以便将销穿入。在另一较佳实施例中，指示器装置可兼为冲击销，以便触发断路器的开断特征。
本发明的不通风的断路器熔丝14的弱电流构件20的作用是断开弱电流过载。弱电流熔丝元件82的熔化可达到该目的。当熔丝元件82熔化时，将产生电弧和气体，并且将熔化的锡块吹出紧密配合的硅管90。然而，由于弱电流熔丝构件20中充满沙子，因此熔丝构件20和熔丝14可以经受断裂并从而经受线路电势。此外，由于室24和26被隔板28隔开，而弱电流熔丝构件20被密封在壳体70中，因此弱电流熔丝构件20的断开不会破坏强电流熔丝构件22，可以再次使用强电流熔丝构件22。
在熔丝14断开以使电流断开之后，可将其卸下并对其进行检查，以便确定熔丝构件是否已断开。如果只有弱电流熔丝构件20被烧断，则可以更换该构件并且重新安装熔丝。如果强电流熔丝构件22也被烧断，则必须更换全部熔丝14。
示例
为了进一步地图示本发明的作用和有效性，对具有上述结构和尺寸的熔丝14实施了一系列试验。将试验设计成证明如何使可更换的弱电流熔丝构件经受大量被迫耗散的能量，而且不会失效。还可进行若干试验，以证实本发明预测的时间-电流的特性。
基本上使用安大略水电站的高电流实验室中的两组不同电路来试验本发明。选择代表熔丝实地经历的最繁重的故障电流条件中的两种作为电路。所述电路都具有额定的15.5千伏开路电压。应当注意的是试验程序决不是并且不打算是美国国家标准协会(ANSI)C37.41“用于高电压熔丝的设计试验”的全部系列的标准试验。然而，该标准——尤其是关于断开试验的部分——被用作试验程序的准则。
第一试验电路提供从20至100安培的电流，该电流具有相对较低的X/R值。该电路提供的电流恰好处于熔丝长时间最小熔化特性的上方，并且需要熔丝的弱电流元件在长时间加热后断开。我们关心的是较小的弱电流元件壳体经受该种加热的能力。第二试验电路提供强故障电流，并且被用来证实强电流熔丝构件模块的确是在强电流时断开。
为了试验，将弱电流熔丝构件与强电流熔丝构件相连并封装在如上所述的管中，并且安装在图1所示的断路器中。在每次试验之前和之后测量每一构件的电阻，以证实哪一个构件已经断开以及未触及的构件是否经受了试验期间的任何破坏。在熔丝断开之后，使断开熔丝上的电压保持一段1或10分钟的时间，以确定断开的熔丝是否可以经受系统电压而没有再次引弧。
试验结果
表1中总结了特定的试验条件和结果。图4至16提供来自试验的实际电流和电压波形。在表1中，弱电流元件称为NVF-1、NVF-2等，而强电流模块称为NVF-2B。试验1至6在弱电流(20至100安培)下完成。结果显示本发明的弱电流熔丝构件在每次试验的过程中成功断开，以使电流断开并且经受了熔丝断开后的电压。在这些试验中，强电流熔丝元件保持完整和未被破坏。
试验7是强电流(5.5千安)断开试验，其中本发明的强电流熔丝构件成功地使故障电流断开，并且经受了恢复和1分钟的耐压。
图17中电流/时间曲线示出了计算出的电流/时间曲线以及NVCF原型件成功断开处的电流和时间坐标。(由于试验1实施在略有不同的初始原型上，因此图中未标出。5.5千安和0.75毫秒处的最大断开电流试验未按照该图的比例。)如图17所示，在约140安培处的电流/时间曲线中有一明显的突变。这是强电流元件接替弱电流元件断开的点。同样应当注意的是计算曲线是一“平均”熔化曲线。由于对计算曲线具有预计的正、负公差，因此测量出的电流/时间点有时会降至该计算曲线之下。
试验结果证明了本发明的技术可行性。熔丝的强、弱电流熔丝构件均在适当的故障电流水平处成功地断开。图16还证实了弱电流元件设计中使用的计算可有效地预测该元件的平均熔化特性。
最好将熔丝的安装设计成对配电冲出式熔断片的直接替换。将熔丝安装在断路器中所需的硬件是一次性购买的。一旦将其安装，新熔丝将提供不通风的、限流的过电流保护。当熔丝断开时，断路器将开断。然后应对熔丝进行检查，通过察看熔丝指示器以便确定强或弱电流元件是否已断开。如果弱电流元件已经断开，则只要将其更换并使整个熔丝在断路器中接通。如果强电流元件已经断开，则保护装备中存在重大故障。必须对设备进行检查，可能要更换整个熔丝元件并使其在适当的时间重新接通。
从上面可以清楚地看到，本发明具有一些超过传统熔丝的显著优点。它消除了与冲出式熔丝猛烈喷出颗粒相关的危险。它提供了传统的单熔丝元件中的两熔丝式系统的所有优点。它与现有的通用CLF同样紧凑，然而，由于本发明可以在弱电流断开之后重新安装廉价的模块，因此较为廉价。
与配电熔断片相比，本发明不会使任何热颗粒或空气在断开时冲出，并且不会在断开中产生噪声。这将使工作人员在操作断路器时相信：如果错误地接通熔丝，他们不会遭到产品的喷溅和爆炸声。
本发明提供了具有冲出式和限流熔丝的两熔丝式系统的所有优点，并且克服了该系统的缺点。本发明允许只更换断开过载电流的元件，因而节省了更换完整熔丝的成本。冲出式构件的尺寸定为可在弱电流时断开。只有在可提供的效故障电流较高时，才断开更昂贵的限流熔丝。本发明也可使断路器继续作为断开变压器的装置。除了两熔丝式系统的能力之外，本发明并不需要比断路器本身更多的安装空间。本发明还可消除只有使用两熔丝式系统才能减少的通风。
应予理解的是：通过改变强、弱电流熔丝元件和/或气体熔丝构件的特性，本发明的原理适用于具有多种安培额定值、不通风的安装于断路器的熔丝的生产。同样应予理解的是：上述较佳的不通风的安装于断路器的熔丝具有相对较低的安培额定值(约为10安培)，该熔丝具有断开于约20安培至100安培的弱电流熔丝元件以及断开于约100安培以上直至约50,000安培的强电流熔丝元件。
具有所述特定修改和改变的本发明对于本技术领域中的熟练人士将十分明显。更具体地说，应予理解的是：在不违背本发明的精神和范围的情况下，可以改变上述较佳熔丝的结构和尺寸。本发明包括所有在所附的权利要求书的范围中的该种修改和改变。
| 表1 不通风的熔丝试验结果 | |||||||||||||||||||
| 试验编号 | 熔丝标识 | 低电阻元 件(兆欧姆) | 高电阻元 件(兆欧姆) | 期望电流(安培) | 试验电压(千伏) | X/R | 闭合角 | 时间 | I2t | 能量 | Ipk(千安) | Vpk(千伏) | 记录电压持续时间(分) | ||||||
| 熔化(毫秒) | 放电弧(毫秒 | 总计(毫秒) | 熔化(kA2s) | 放电弧(kA) | 总计(kA2s) | 熔化(焦耳) | 放电弧(千焦) | 总计(千焦) | |||||||||||
| 1 | NVF-1 | B：4.8 | B：29.7 | 105 | 15.1 | ＜1 | 边缘(rand) | 无 | 无 | 1.8秒+31秒冷+7.5秒 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 10分钟 |
| A：断开 | A：28.2 | ||||||||||||||||||
| 2 | NVF-2&NVF-2B | B：25.8 | B：47.4 | 15.8 | 2.21 | 边缘 | 155.7 | 18.7 | 174.4 | 1.38 | 160 | 1.54 | 118 | 0.7 | 0.71 | 0.13 | 22 | 10秒+30秒中断+1分钟 | |
| A：断开 | A：46.7 | ||||||||||||||||||
| 3 | NVF-4&NVF-2B | B：15.1 | B：46.7 | 93.8 | 15.9 | 2.21 | 边缘 | 684.5 | 14.5 | 699 | 6.06 | 134 | 6.2 | 无 | 1.0 | 无 | 0.13 | 22 | 1分钟 |
| A：断开 | A：46.7 | ||||||||||||||||||
| 4 | NVF-5&NVF-2B | B：17.8 | B：46.7 | 23.4 | 15.9 | 3.15 | 边缘 | 40.3秒 | 21 | 40.3秒 | 无 | 11.3 | 无 | 无 | 0.35 | 无 | 0.03 | 22 | 10分钟 |
| A：断开 | A：47.7 | ||||||||||||||||||
| 5 | NVF-3&NVF-2B | B：7.3 | B：47.7 | 23.22435.2 | 15.915.915.9 | 3.153.22 | 边缘边缘边缘 | 无 | 无 | 15分钟15分钟3分钟 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 无 | 不熔化不熔化不熔化 |
| A：7.3 | A：63.6热 | ||||||||||||||||||
| 6 | NVF-6&NVF-2B | B：16.7 | B：53.5 | 23.2 | 15.9 | 3.2 | 边缘 | 115秒 | 19+16清洁+8.6＝44 | 115秒 | 无 | 14.6 | 无 | 无 | 0.31 | 无 | 0.03 | 23 | 10分钟 |
| A：断开 | A：48.9 | ||||||||||||||||||
| 7 | NVF-3&NVF-2B | B：7.2 | B：47.3 | 5.5千安 | 15.8 | 8.3 | IV0后54度开始arc V0后71度开始 | 0.75 | 4.5 | 5.25 | 1.62 | 7.5 | 9.13 | 147 | 106 | 106 | 2.8 | 36.7 | 1分钟 |
| A：7.3 | A：断开 | ||||||||||||||||||
Claims (9)
1.一种附连于一断路器的限流熔丝，它包括：
(a)一具有第一和第二室的第一壳体；
(b)一适合在强电流下断开的第一熔丝元件，所述第一熔丝元件容纳在所述第一室中；
(c)一适合在弱电流下断开的第二熔丝元件，所述第二熔丝元件容纳在所述第二室中；
其中，所述第一和第二熔丝元件串联。
2.如权利要求1所述的限流熔丝，其特征在于，所述壳体设有一隔板，所述隔板将所述第一和第二室隔开，其中所述第一和第二熔丝元件通过所述隔板电气接触。
3.如权利要求2所述的限流熔丝，其特征在于，所述第二熔丝元件容纳在一第二壳体中，所述第二壳体适合滑动地容纳在所述第二室中，并且可拆卸地与一第一导电连接装置相连，所述第一导电连接装置贯穿所述隔板并且与所述第一和第二熔丝元件电气相连。
4.如权利要求3所述的限流熔丝，其特征在于，所述第二壳体是密封的，能量吸收材料将所述第二壳体与容纳于其中的所述第二熔丝元件隔开，以使所述第二熔丝元件断开产生的任何排放容纳在所述第二室中。
5.如权利要求4所述的限流熔丝，其特征在于，所述管具有第一和第二敞开端部，并且还包括第一和第二端盖件，所述第一和第二端盖件分别适合并且被构造成封闭所述第一和第二端，所述端盖件由导电金属制成，分别与所述第一和第二熔丝元件电气接触，并且适合在安装于其上时与所述断路器电气连接。
6.如权利要求5所述的限流熔丝，其特征在于，所述第二端盖件在所述管的第二端的上方形成一可拆卸的盖子。
7.如权利要求6所述的限流熔丝，其特征在于，所述第二端盖件设有一密封件，所述密封件适合在所述第二端盖件与所述管的第二端之间形成密封，藉此密封所述第二室。
8.如权利要求7所述的限流熔丝，其特征在于，所述第二端盖件通过一贯穿所述第二壳体的第二导电连接件可释放地与所述第二熔丝元件相连。
9.如权利要求8所述的限流熔丝，其特征在于，所述密封件位于所述管的第二端与第二端盖件之间，其中所述第二导电连接件使所述第二端盖件向所述第二壳体偏置。
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