CN1819073A - 具有防闪络结构的ptc限流装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种PTC(正温度系数)限流装置，其利用PTC特性限流。该装置包括：具有PTC特性的PTC元件；以及上接触电极和下接触电极，设置为彼此面对，并且该PTC元件插置在该上接触电极和下接触电极之间，其中，假定该上接触电极端至PTC元件端的距离为a1，该下接触电极端至PTC元件端的距离为a2，该PTC元件的厚度为b，且L＝a1+a2+b，则该装置被设计为满足以下不等式：V/L＜10且V/b＜50，其中V为PTC限流装置的额定电压，a1，a2和b的单位为mm，V的单位为伏特。该PTC限流装置可防止电极之间的闪络。

Description

具有防闪络结构的PTC限流装置

技术领域

本发明涉及限流装置，特别是涉及使用PTC(正温度系数)元件防止限流装置中接触电极之间的闪络的PTC限流装置。

背景技术

通常，断路器广泛应用于防止高压或低压系统的短路。但是，传统的断路器断路所需的时间较长，并且不具备针对估计故障电流值的限流功能，因此故障的连锁效应持续时间较长。此外，在不能切断短路电流的情况下，会对周围电力装置及系统造成严重影响。因此，迫切需要一利能够在短时间内有效地限制系统的短路电流的限流装置。

限流装置用于限制电力系统中所产生的过电流或短路电流，通常可以在低电压、低电流区中利用PTC(正温度系数)材料实现其限流功能。

具有PTC特性的材料在常温下的电阻较低，电流传导性良好。但是，如果环境温度升高或者由于电流的引入使该材料自热的温度超过允许值，则该材料的电阻急剧增加几百倍或更多，从而能够限流。因此，如果使用上述材料配置电路元件，在温度上升时可保护各种电路。

就此而论，日本特开平H10-321413公开一种使用PTC的限流装置。参照与上述专利参考文献相关的图1，传统的PTC限流装置包括：PTC聚合物元件1，通过混合其内的导电颗粒而具有PTC特性；第一电极2，3，通过焊接设置于PTC聚合物元件1的两个表面上；以及第二电极4，5，设置于第一电极2，3的表面上，并与第一电极2，3电连接。

此时，限流装置的状态为：PTC聚合物元件1的表而积大于第一电极2，3的表面积，第一电极2，3的表面积大于第二电极4，5的表面积。通过这种设计，可有效地避免在第一电极2，3的两端发生内部短路。

在上述PTC限流装置中，根据该装置不断路情况下的PTC元件1的厚度，确定PTC元件1的初始电阻和保证电连接的电流密度，因此PTC元件1的厚度不能太大，以将PTC限流装置用于高电压、大电流电力系统中。但是，如果PTC元件1的厚度较小，则在第一电极2，3之间易于导致闪络。因此，优选地，选择其厚度较薄并且不会在第一电极2，3之间导致任何闪络的PTC元件1。也就是说，在提出优选设计条件时，甚至需要考虑PTC元件1的厚度因素，而不是仅通过PTC元件1的表面积与第一电极2，3的表面积之间的简单比较来设计PTC限流装置。

发明内容

鉴于上述现有技术的问题设计本发明，本发明的目的是提供一种PTC限流装置，该装置不仅考虑PTC元件与接触电极之间的接触面积因素而且考虑PTC元件的厚度因素，因此能够防止在PTC限流装置的接触电极之间产生闪络。

实现上述发明目的的利用PTC特性限流的PTC限流装置包括：具有PTC特性的PTC元件；以及上接触电极和下接触电极，设置为彼此面对，且该PTC元件插置在该上接触电极和下接触电极之间，其中，假定该上接触电极端至PTC元件端的距离为a1，该下接触电极端至PTC元件端的距离为a2，该PTC元件的厚度为b，且L＝a1+a2+b，则该装置被设计为满足以下不等式： $\frac{V}{L}<10$ 且 $\frac{V}{b}<50$ ，其中V为PTC限流装置的额定电压，a1，a2和b的单位为mm，V的单位为伏特。

按照本发明的优选实施例，PTC限流装置还可包括上电流引线和下电流引线，该上电流引线和下电流引线分别连接至上接触电极和下接触电极，以将所述接触电极电连接至系统电路。

PTC元件可包括选自由HDPE(高密度聚乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)、环氧树脂、硅树脂和PVDF(聚二氟乙烯)构成的集合中的至少一种聚合物；选自由碳、金属和金属氧化物构成的集合中的至少一种导电颗粒；以及抗氧化剂。

优选地，PTC元件为板状。

在本发明的另一实施例中，PTC限流装置还可包括按压部件，用于将接触电极压向PTC元件。

优选地，该按压部件可提供等于或大于大气压的压力。

该按压装置可包括：壳体，容纳PTC元件、接触电极和电流引线；以及弹性构件，由壳体的内表面弹性偏置，以将电流引线压向PTC元件。

作为替代方案，该按压装置也可包括：一对板，设置为使得PTC元件、接触电极和电流引线插入其间；以及连接构件，用于将所述一对板彼此连接并固定。优选地，该按压部件还可包括弹性构件，该弹性构件由这对板的内表面弹性偏置，以将电流引线压向PTC元件。

附图说明

从以下参照附图对具体实施例的说明中，将会更清楚本发明的其它目的和方案，其中：

图1为示出传统PTC限流装置的剖视图；

图2为示出按照本发明优选实施例的PTC限流装置的透视图；

图3为示出图2的PTC限流装置的剖视图；

图4为示出按照本发明另一实施例的PTC限流装置的剖视图；

图5为示出按照本发明又一实施例的PTC限流装置的剖视图；

图6是示出当限流操作失败时PTC限流装置的工作波形的曲线图；以及

图7是示出按照本发明PTC限流装置的工作波形的曲线图。

具体实施方式

以下将参照附图说明本发明的优选实施例。在说明之前，应当理解，说明书和所附权利要求书中所使用的术语不应理解为仅限于一般和字典含义，而应该根据允许发明人为便于说明可适当定义术语的原则，基于与本发明的技术方案相对应的含义和概念来解释。因此，这里给出的说明仅是优选实例，目的是具体说明，而不是限制本发明的范围，因此应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可对其做出其它等效方案及修改。

图2为示出按照本发明优选实施例的PTC(正温度系数)限流装置的透视图，图3为示出图2的PTC限流装置的剖视图。

参照图2和图3，本实施例的PTC限流装置包括：PTC元件110；以及一对接触电极121，131，设置为使PTC元件110插置在该对接触电极121，131之间。

如上所述，PTC元件110通过在随着环境温度上升导致的特定温度值急剧增加其电阻，抑制电力系统中的过电流。

根据要限制的电流值，PTC元件110具有不同的特性，但是在本实施例中，PTC元件110优选在25℃下的电阻率为100Ωm或更低，在由于施加电流而产生焦耳热的开关温度下的电阻率优选地至少增加25℃下的电阻率值的105倍。此外，PTC元件110应该设计为在施加30Kv/1cm或以上的过电压时还可保持电和热稳定性且不产生闪络的情况下，可承受100V或以上的交流(AC)电压。并且，当接入电路时，PTC元件110不应该在施加正常电流(例如约1A)时断路。此外，当施加大于正常工作电流10倍的过电流时，PTC元件110应该在60Hz频率下的1/2周期(此处，一个周期为16.7ms)内使电阻上升以限制过电流。此外，PTC元件110优选制作为使得短路电流的值越大，工作时间应该更快，并且PTC元件110可以在限制过电流操作之后几分钟内恢复初始状态。

优选地，PTC元件110为板结构，它可以为圆形、椭圆形或多边形。此外，本发明并不限于此，而是考虑PTC元件110的使用条件，即例如正常电流、要限制的过电流以及工作时间的各种因素，来设计PTC元件110的面积和厚度，这将在后文说明。

按照本实施例，PTC元件110优选由具有PTC特性的聚合物构成。更具体地说，在PTC元件110具有这样的结构，其中导电颗粒注入到聚合物内。

上述聚合物可为选自由HDPE(高密度聚乙烯)、LDPE(低密度聚乙烯)、环氧树脂、硅树脂和PVDF(聚二氟乙烯)构成的集合中的至少一种聚合物。此外，上述导电颗粒可为选自由碳、金属和金属氧化物构成的集合中的至少一种导电颗粒。此外，可进一步添加抗氧化剂以防止PTC聚合物的氧化。

更优选地，还可在PTC聚合物中添加无机添加剂，以进一步提高正常温度下的低阻特性和高温下的高阻特性。

接触电极121，131包括分别安装于PTC元件110的上接触面和下接触面的上接触电极121和下接触电极131，上接触电极121和下接触电极131尽可能接近地附着于PTC元件110，以最小化接触电阻。

接触电极121，131可由或铜箔其它金属元素构成。此外，接触电极121，131优选以将接触电阻降低至最小值的方式安装，例如通过使用层叠或自由接触(free contact)的方式安装。

在发生短路故障时，PTC元件110与接触电极121，131之间的界面可通过电子排斥力分离，从而导致电弧和噪声。如果如上所述产生电弧，则PTC元件110被局部蒸发而形成传导路径，从而在接触电极121，131的两端之间产生闪络。为避免上述问题，就需要考虑PTC元件110的表面积、接触电极121，131的表面积、PTC元件110的厚度以及额定电压之间的关系。以下详细说明上述关系。

首先，将接触电极121，131设计为表面积小于PTC元件110的表面积。通过这种结构，可以增加接触电极121，131的两端之间的绝缘距离，以防止闪络。

此外，除上述条件外，按照本发明的PTC限流装置被设计为满足如下不等式1和2。

不等式1

$\frac{V}{L}<10$

不等式2

$\frac{V}{b}<50$

如图3所示，在不等式1和2中，L为上接触电极121端部与PTC元件110端部之间的距离a1(mm)、下接触电极131端部与PTC元件110端部之间的距离a2(mm)、以及PTC元件110的厚度b的总和的最小值。此外，V为PTC限流装置的额定电压(伏特)。

如果PTC元件110和接触电极121，131被设计为满足上述不等式1和2，则PTC限流装置可在不导致电极之间的闪络的情况下有效地执行限流操作，这可以通过后述的实验实例理解。

优选地，PTC限流装置还包括电流引线122，132，用于将接触电极121，131电连接至电力系统。电流引线122，132的延伸方式为：一端电连接至接触电极，而另一端连接至外部电路。此外，电流引线122，132优选由金属材料构成，并且优选具有与系统电流的可用容量一致的尺寸和厚度。

更优选地，PTC限流装置还可包括插入接触电极121，131与电流引线122，132之间的连接电极(未示出)。该连接电极由电阻较低的金属构成，从而使电流可更容易地从电力系统施加至PTC限流装置。

图4示出按照本发明另一实施例的PTC限流装置。图4中，以与前面附图相同的标号表示具有相同功能的相同部件，并不再详述。

参照图4，本实施例的PTC限流装置还包括按压部件，用于将接触电极121，131压向PTC元件110。该按压装置包括壳体440和弹性构件451，452。

壳体440容纳整个PTC元件110、整个接触电极121，131、部分电流引线122，132。因此，部分电流引线122，132穿过壳体440向外延伸，并连接至电力系统。

弹性构件451，452支撑在壳体440的内表面上，并设计为围绕电流引线122，132的外围，并将电流引线122，132压向接触电极121，131。因此，接触电极121，131被压向PTC元件110。优选地，可为该对电流引线122，132中任何一个或者两个设置弹性构件451，452。

同时，弹性构件451，452优选设计为具有至少1巴(bar)的压力，以克服PTC元件110与接触电极121，131之间的界面的分离，该分离是由短路故障时所产生的电子排斥力导致的。此外还优选地，即使当由于重复限流操作导致PTC元件110的厚度减少为一半时仍保持1巴或以上的压力。

举例说来，弹性构件451，452可采用设置为围绕电流引线122和/或132的外围的卷簧。但是，本发明并不限于上述方案，本领域的技术人员可在本发明的范围内做多种改变。

图5示出按照本发明又一实施例的PTC限流装置。图5中，以与前面附图相同的标号表示具有相同功能的相同部件，并不再详述。

参照图5，按照本实施例的PTC限流装置的按压部件包括上、下板571，572和连接构件，该连接构件用于连接上、下板451，452。

PTC元件110、接触电极121，131和电流引线122，132设置在上、下板571，572之间，上下板571，572在其中心具有通孔575，以将电流引线122，132连接至外部电路。

上、下板571，572在其边缘具有连接孔573，574，从而连接构件穿过连接孔573，574使上、下板571，572彼此固定。具体说来，螺栓581穿过连接孔573，574，螺母582连接至螺栓581，以使上、下板571，572彼此固定。

优选地，该按压部件还包括围绕电流引线122，132的弹性构件451，452。弹性构件451，452支撑在上、下板571，572的内侧上，并沿电流引线122，132的外围压缩弹性构件451，452使其弹性偏置。因此，接触电极121，131按压PTC元件110。弹性构件451，452的压力基本与前述实施例中的相同。

同时，图5中弹性构件451，452设置于电流引线122，132，但是需要时弹性元件可仅设置于电流引线122，132中的任何之一。

尽管已经在上述实施例中详细说明了按压部件的具体结构，但本发明并不限于此，应当理解可以对按压部件做出多种修改，只要其能够将接触电极121，131压向PTC元件110即可。

为了有助于更好地理解本发明，下面说明本发明的实验实例。

在制造PTC限流装置时，以各种方式改变PTC元件110的直径、PTC元件110的厚度，以及接触电极121，131的直径，然后将测试电压从100V改变至500V。这些实验实例的具体条件如下表1所示。

表1

	PTC元件的直径(mm)	接触电极的直径(mm)	a1(＝a2)(mm)	PTC元件的厚度(b)(mm)	测试电压(V)
						实例1	20	10	5	2.5	100
实例2	20	10	5	2.5	200
						实例3	20	10	5	2.5	300
实例4	30	14	8	5	100
						实例5	30	14	8	5	200
实例6	30	14	8	5	300
						实例7	30	14	8	5	400
实例8	30	20	5	5	100
						实例9	30	20	5	5	200
实例10	30	20	5	5	300
						实例11	30	20	5	5	400
实例12	45	20	12.5	10	300
						实例13	45	20	12.5	10	400
实例14	45	20	12.5	10	500
						实例15	45	20	12.5	20	300
实例16	45	20	12.5	20	400

实例17

45

20

12.5

20

500

以下的表2示出相关的实验结果，即，各实验实例是否满足不等式1和2，以及当PTC限流装置在表1的条件下工作时是否发生闪络。

表2

	V/(a1+a2+b)	V/b	满足不等式1和2	接触电极之间的闪络
					实例1	8.0	40	○	×
实例2	16.0	80	×	○
					实例3	24.0	120	×	○
实例4	4.8	20	○	×
					实例5	9.5	40	○	×
实例6	14.3	60	×	○
					实例7	19.0	80	×	○
实例8	6.7	20	○	×
					实例9	13.3	40	×	○
实例10	20.0	60	×	○
					实例11	26.7	80	×	○
实例12	8.6	30	○	×
					实例13	11.4	40	×	○
实例14	14.3	50	×	○
					实例15	6.7	15	○	×
实例16	8.9	20	○	×
					实例17	11.1	25	×	○

由表2可见，只有当满足不等式1和2时，电极之间才不产生闪络。

图6是示出当产生闪络时PTC限流装置的工作波形曲线图，图7是示出当不产生闪络时PTC限流装置的工作波形曲线图。

参照图6，可以理解，PTC元件在发生故障之后断路，因此故障电流立即下降，然后急剧上升。产生上述现象的原因是，在PTC元件的两端产生的过量电压导致电极之间的闪络，因此大部分的故障电流通过闪络的方式流动。如果如上所述产生闪络，则立即下降的故障电流再次增加，从而不能实现正确的限流操作。

参照图7，可以理解，PTC元件在发生故障之后断路一定的时间以限制故障电流，因此可确保电极之间的绝缘，从而不会导致电极之间的闪络。因此，PTC元件的限流操作持久，从而将故障电流限制至非常低的值。

如果通过使用上述实验实例将PTC限流装置设计为满足不等式1和2，就能够防止接触电极之间的闪络，从而确保PTC元件的正确的限流操作，而不发生故障。

以上已经详细描述了本发明。但是，应当理解，在说明本发明的优选实施例时所给出的详细说明和具体实例仅为示例的作用，本领域的技术人员根据上述详细说明可在本发明的精神和范围内对本发明做出各种改变和修改。

工业应用性

如上所述，由于考虑了PTC元件的厚度因素以及PTC元件和接触电极的表面积因素，即使在高电压和大电流的电力系统中，按照本发明的PTC限流装置也可以防止在接触电极之间产生闪络，因此可以更有效地保护电力系统免受过电流。

Claims (9)

1.一种正温度系数限流装置，其利用正温度系数特性限流，该装置包括：

具有正温度系数特性的正温度系数元件；以及

上接触电极和下接触电极，设置为彼此面对，且该正温度系数元件插置在该上接触电极和下接触电极之间，

其中，假定该上接触电极端至该正温度系数元件端的距离为a1，该下接触电极端至该正温度系数元件端的距离为a2，该正温度系数元件的厚度为b，且L＝a1+a2+b，则该装置被设计为满足以下不等式：

$\frac{V}{L}<10$ 且 $\frac{V}{b}<50,$

其中V为正温度系数限流装置的额定电压，a1，a2和b的单位为毫米，V的单位为伏特。

2.根据权利要求1所述的正温度系数限流装置，还包括上电流引线和下电流引线，该上电流引线和下电流引线分别连接至所述上接触电极和下接触电极，以将所述接触电极电连接至系统电路。

3.根据权利要求1所述的正温度系数限流装置，其中该正温度系数元件为板状。

4.根据权利要求1所述的正温度系数限流装置，其中该正温度系数元件包括：

选自由高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、环氧树脂、硅树脂和聚二氟乙烯构成的集合中的至少一种聚合物；

选自由碳、金属和金属氧化物构成的集合中的至少一种导电颗粒；以及

抗氧化剂。

5.根据权利要求1所述的正温度系数限流装置，还包括按压部件，用于将所述接触电极压向该正温度系数元件。

6.根据权利要求5所述的正温度系数限流装置，其中该按压部件提供等于或大于大气压的压力。

7.根据权利要求5所述的正温度系数限流装置，还包括上电流引线和下电流引线，该上电流引线和下电流引线分别连接至所述上接触电极和下接触电极，以将所述接触电极电连接至系统电路，

其中该按压部件包括：

壳体，容纳该正温度系数元件、所述接触电极和所述电流引线；以及

弹性构件，由该壳体的内表面弹性偏置，以将所述电流引线压向该正温度系数元件。

8.根据权利要求5所述的正温度系数限流装置，还包括上电流引线和下电流引线，该上电流引线和下电流引线分别连接至所述上接触电极和下接触电极，以将所述接触电极电连接至系统电路，

其中该按压部件包括：

一对板，设置为将该正温度系数元件、所述接触电极和所述电流引线插入其间；以及

连接构件，用于将所述一对板彼此连接并固定。

9.根据权利要求8所述的正温度系数限流装置，还包括弹性构件，该弹性构件由所述一对板的内表面弹性偏置，以将电流引线压向该正温度系数元件。

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