交流電源電路及其熔斷器的製作方法

2023-05-23 06:10:01 1

專利名稱：交流電源電路及其熔斷器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種交流電源電路，和其熔斷器，並與單相和多相電路有關。
GB-A-2179508描述有一個交流電源電路用的熔斷器，該熔斷器包括一輸入端和一輸出端，與輸入端和輸出端分別作電氣連接的第一和第二觸頭和與第一和第二觸頭作電氣連接的可熔元件，以便連通兩端之間的正常電氣通路，各觸頭和可熔元件封裝在密封的、充有電負性滷化介質如六氟化硫的室內。在產生故障電流時，可熔元件熔斷，以致產生電弧，電弧形成於第一觸頭與電弧電極之間，該第一觸頭形成具有一實質上為圓形的周邊的第一電極，該電弧電極在室內具有導電錶面，並在徑向上圍繞第一電極。一線圈連在電弧觸頭和第二端之間，並放置成在通電時由在線圈中流動的故障電流所感應的磁場使電弧圍繞第一電極旋轉並在電負性滷化介質中熄滅。
電弧僅在零電流或在零電流附近時熄滅。按通常的限流熔斷器的方式，熔斷器不能有效地迫使電流為零。因而，允許第一電流迴路的全部能量進入故障區。對於城市網絡的應用，這並不是顯著的缺點。特別是在與現在這類系統中所使用的許多類型的斷路器的通過(Let-through)能量進行比較時如此，但是，在某些工業應用中，如用於電動機時，高通過(Let-through)能量不利的，其通常用電纜把電動機聯到電源上去，而該電纜能承受正常電流和低值故障電流，但不遭受熱或電動損壞就不能承受整個系統的故障電流。因此如能減小熔斷器的通過能量是有利的。同樣地，減小其它類型的熔斷器、斷路器或開關裝置的通過能量也是有利的，他們都在工作時依靠將電弧拉到電弧電極進行工作的。在下文中所有這類裝置都將總稱作「熔斷器」。這類熔斷器的又一例子如DE-A-548914所示。
對於多相供電網絡來說當在一相中出現故障時，在美國的做法通常是僅僅斷開該相的供電但維持其它相的供電，在英國和別處則通常根據出現在任意一相的故障情況而斷開所有各相的供電。上述的熔斷器僅僅能保護單相，而本發明還涉及一種熔斷器的接法，它能響應僅僅一相上的故障電流，而實質上同時斷開多相電路的所有各相。
按本發明的第一方面，交流電源電路用的熔斷器包括一輸入端;與該輸入端作電氣連接的第一觸頭;一輸出端;與該輸出端作電氣連接的第二觸頭;和第一和第二觸頭作電氣連接並構成輸入和輸出之間的正常電氣通路的可熔元件;和一電弧觸頭，該觸頭相對於第一觸頭進行配置，以便在第一觸頭和電弧觸頭之間形成一潛在的電弧通道，並在可熔元件響應故障電流斷開之後沿該通道將形成電弧;其特徵在於該電弧觸頭和一第三端作電氣連接，並與輸出端在電氣上絕緣。
在GB-A-2179508所描述的結構中，電弧觸頭與輸出端作電氣連接;本發明的熔斷器的不同點在於電弧觸頭和輸出端在電氣上絕緣並與一第三端相聯。在單相和多相電路中由此而產生的優點，將在下面進行解釋。
按本發明的第二方面，一單相交流電源電路包括一如上所述的熔斷器，和該熔斷器的輸入端作電氣連接的供電導體，和該熔斷器的輸出端作電氣連接的負載導體，和該熔斷器的第三端作電氣連接的返回導體。
由於第三端和返回導體作電氣連接，將很容易地看出，在因故障使可熔元件熔斷以後，形成電弧的故障電流從負載導體及相連的負載上轉移。來自熔斷器的通過能量因而大大地減少。最好這返回導體是大地或和大地相連。如返回導體通過一阻抗或通過一限流熔斷器和熔斷器的第三端相連，就可得到附加的優點，這將在下面予以解釋。
按本發明的第三方面，一三相交流電源電路包括第一、第二和第三熔斷器，(每個都如上所述)，與第一熔斷器的輸入端作電氣連接的第一供電導體，和第一熔斷器的輸出端作電氣連接的第一負載導體，和第二熔斷器的輸入端作電氣連接的第二供電導體，和第二熔斷器的輸出端作電氣連接的第二負載導體，和第三熔斷器的輸入端作電氣連接的第三供電導體，和第三熔斷器的輸出端作電氣連接的第三負載導體，其中第一熔斷器的第三端和第二熔斷器的輸出端作電氣連接，第二熔斷器的第三端和第三熔斷器的輸出端作電氣連接，第三熔斷器的第三端和第一熔斷器的輸出端作電氣連接。
當在一相中出現故障電流時，在該相中的熔斷器的可熔元件就熔斷，在電弧中流動的故障電流流到第二相的熔斷器的輸出端。如第二相的熔斷器發覺出作為故障的短路現象，以致第二相的熔斷器的可熔元件熔斷，在總的電弧中的故障電流流到第三相的輸出端而形成另一個短路，於是，所有三相都響應任一相中的故障電流而被斷開。
在不是三相的多相電路中，按本發明的熔斷器將被裝在每一相中，每個熔斷器的第三端與不同相的熔斷器的輸出端連成每個輸出端與不同熔斷器的第三端相連。
如果允許大電流電弧的弧根在其間拉弧的觸頭上保持靜止一段時間，則對那些觸頭將有相當大的損害，甚至可能對整個熔斷器作毀壞性的破壞，因此，最好在熔斷器中裝有電弧移動裝置，該裝置當一電弧在第一觸頭和電弧觸頭之間建立時工作，而使一電弧弧根在第一觸頭表面上移動並使另一電弧弧根在電弧觸頭的表面移動，最好這電弧移動裝置是一在電氣上聯接在電弧觸頭和第三端之間的線圈。如在GB-A-2179508中所述的那樣，該線圈當通電時將使電弧圍繞著第一觸頭旋轉。當然在線圈中的電流將流到返回導體或相聯的相，而不流到故障處，在另一種配置中，線圈可用永久磁鐵或其他能產生電磁場的裝置來代替。
從下面聯繫附圖對其具體的實施例所作的描述中將可對本發明有進一步的了解，其中

圖1是通過在GB-A-2179508中所述的一典型的熔斷器的縱向剖面圖;
圖2表示一與圖1相似但按本發明作了改進的熔斷器;
圖3示意地表示在單相交流電源電路中圖1的熔斷器，還表示有電路中的電流曲線圖，圖4到圖6是與圖3相似，但代表使用圖2的熔斷器的根據本發明的單相交流電源電路的不同實施例;
圖7到圖9示意地表示按本發明的採用圖2所示的熔斷器在工作的不同階段的三相交流電源電路;
圖10是按本發明的熔斷器的第二實施例的示意的縱向剖面圖。
圖1中所示的熔斷器分別表示為1和2的兩部分組成，第1部分安裝在第二部分內，第1部分包括一載體3，它由任何合適的絕緣材料經鑄造或模製而成，並具有輸入端4，該輸入端通過該載體延伸並在其中就地澆鑄或模製或用其它合適的方式如用膠粘劑加以固定，在該端的端部有一具有形成第一電弧電極的圓形周邊的第一觸頭5，一銅圓柱體6，從載體3延伸到一也是由絕緣材料製成的安裝塊7。該安裝塊支承著第二觸頭8，該第二觸頭與具有從中延伸的帶螺紋的連接栓10的輸出端9作電氣聯接。第一和第二觸頭5和8通過可熔元件11作電氣連接。銅圓柱體6的內表面形成電弧觸頭，它位於密封室的內部並徑向地圍繞觸頭5，並與觸頭5在徑向上隔開。銅圓柱體注有電負性介質如六氟化硫。
熔斷器第2部分2包括一絕緣的殼體20，它有一與其部分內表面相連的由導電材料製成的襯套21，襯套21並與導電盤22相聯，即與輸出端10作電接觸。線圈23澆鑄或模製到一由絕緣材料製成的塊24內，該塊粘到襯套21上，線圈繞組的一端和襯套21作電氣連接，另一端與一環25作電氣連接，環25構成線圈架和線圈的短接的最內圈，環25和指形爪26作電氣連接，當熔斷器的兩部分如圖1所示進行裝配時該指形爪26與銅圓柱體6相結合。
在正常工作時，供電導體和輸出端4相聯，負載導體和輸出端9相連。負載導體可以裝在形成例如開關裝置或變壓器的部件的套管27裡，並可以固定到連接栓10上。通過在端點4和10之間的熔斷器的正常電流通路是利用觸頭5和8以及相連的可熔元件11形成的，萬一因故障形成一過載電流，元件11將熔斷，從觸頭5向觸頭產生電弧。然而由於磁迴路的作用迫使電弧從觸頭8轉換到銅圓柱體6的內表面上，這樣就導致電弧電流經線圈23到輸出端9。在線圈中所感應的磁場將使電弧旋轉，並將使電弧在電負性滷化介質中在零電流或接近零電流時熄滅。
上述熔斷器及其工作的進一步的細節在GB-A-2179508中給出，同時GB-A-2179508還描述了其它類型的熔斷器。所有這些都可以改進，用於本發明之中。
圖2表示按本發明進行改進後的圖1的熔斷器。改進包括取消襯套21和環22之間的電氣連接，而使襯套和輸出導體10電絕緣，為代替這種連接而將導體40原地澆鑄在殼體10內和襯套21作電接觸，以提供一處在殼體外面的第三端41。
圖3圖示圖1的熔斷器，它通過供電導體30使單相交流電源和輸入端4相聯，並通過負載導體31使輸出端9和電氣負載相聯。如果發生故障，那麼如已述的那樣，可熔元件熔斷，電弧電流流過線圈。電流對時間的曲線表示有(a)系統預期的電流，(b)在線圈中流動的電流，(c)通過負載的通過電流。電弧僅在零電流時熄滅，因此通過電流實質上與系統預期電流相同，這樣通過能量很大。
圖4表示連接在單相電源電路中的圖2的熔斷器。供電導體50和輸入端4相聯，負載導體51和輸出端9相聯，第三端41直接接地。因而，如出現故障情況時，故障電流將熔斷可熔元件，產生的電弧如已述的那樣將轉換到圓柱體6的內表面上，然後電弧電流將流過線圈23到地。在線圈中感應出的電磁場使電弧旋轉並在零電流時熄滅。圖中所示的各電流/時間曲線為(a)在供電導體50上(b)在負載導體51上，(c)通過線圈的電流曲線。應注意的是系統預期電流和線圈電流類似於圖3中所示的電流。當故障電流流到地而不流到故障區域時，只要電弧已轉到圓柱體6上，通過電流就開始下降到零。因此，相對於故障來說，到故障區的通過能量要比在圖3的實施例中的低得多。
在圖5所示的實施例中，第三端41通過阻抗60接地。當發生故障時的工作與已描述過的相似，表示有(a)在供電導體61上，(b)在負載導體62上和(c)在線圈中的電流/時間曲線，可以看出如從線圈電流/時間曲線所見到的那樣，阻抗的作用是減小流過線圈的電流。因此，可將設計來對待已知故障電流的熔斷器做成在結構上更加牢固。換句話說，具有所給的結構的熔斷器能夠通過在線圈和大地之間裝有阻抗來處理較大的故障電流。應注意是的其通過電流依舊很低。
在圖6所示的實施例中，熔斷器的第三端41通過一限流熔斷器70接地，熔斷器70可用任何合適的結構例如能處理在2至20安培範圍內的電流的熔斷器，另外，表示有(a)在供電導體71上(b)在負載導體72上和(c)線圈的電流/時間曲線。在本實施例中，故障電流將流過線圈，在電源的電流自然為零之前，當熔斷器70迫使電流為零時電流通路將很快地斷開，因而電弧熄滅。還可以看出，通過電流低，且在線圈中流過的電流比圖5實施例所得到的電流還進一步減少。結果是，可採用輕得多的熔斷器結構和/或對於給出的線圈結構能處理大得多的故障電流。
在圖4到圖6的每張圖中都表示有簡單的接地情況，應理解到，儘管電源的返回導體一般也接地，但這種連接可以接到返回導體，而不接到地。在其他實施例中返回導體可以不接地，接地可用接到返回導體來代替。
圖7到圖9表示保護三相電源的接法，這電源有與各熔斷器85至88的輸入端83到85相連的三個供電導體80至82，和其與各負載導體92至94相連的各輸出端89至91。三相的線圈95到97中，每一個由各熔斷器的第三端連到在圖中所示的鄰相的輸出端。假設故障出現在裝備的與負載導體92相連的那一相。熔斷器86的可熔元件將熔斷，形成電弧(圖7)這電弧將轉換到圓柱體的內表面上。電弧電流將流過線圈95到輸出端90和負載導體93，在線圈95中感應的磁場將使電弧在熔斷器86中旋轉，電弧在該相上的零電流時被熄滅。可是通過線圈95流到負載導體93的電流將作為故障電流由熔斷器87檢測出，而導致該熔斷器的可熔元件熔斷，並產生電弧(圖8)而使線圈96通電並使故障電流流到熔斷器88的輸出端91和負載導體94。熔斷器87的電弧旋轉並將在零電流時熄滅。在第三相中涉及到的電流將再次作為故障電流被測出，如圖9所示在熔斷器88中引起電弧。在熔斷器87中電弧的熄滅將斷開通過兩個熔斷器87和88的電流通路，而使在下一個熔斷器中的電弧和在熔斷器87中的電弧實質上同時熄滅。應理解到，所示的相互連接將自動地根據任一相上的故障電流而使所有三相都斷開。
迄今所述的熔斷器都是單向的，其中如熔斷器連成電源線接到輸入端4，負載接到輸出端9，則熔斷器可正確工作。如熔斷器接錯，那麼在觸頭8和圓柱體6的內表面之間的總的電弧將不會旋轉，圖10表示一熔斷器的改進形式，它可避免上述缺點，當輸入和輸出端中任一個和電源相連，而另一個和負載相連，則它將給電路保護。在本實施例中，觸頭8被與觸頭5有相同直徑的圓形觸頭98代替，觸頭5和98兩者在軸向上放置在線圈23的範圍內。在熔斷器一側上的故障將在觸頭98和圓柱體6之間引起電弧，而在另一側上的故障將在觸頭5和圓柱體6之間引起電弧。在任一種情況下，故障電流都將在線圈中流動，因電弧位於由其所感應的磁場之中，故它進行旋轉並被熄滅。
應理解到，可以使用依靠熄滅電弧而斷開電流通路的其它種類型的熔斷器，在圖2到圖6的每個實施例中，只要電弧觸頭和輸出端作電絕緣，並和第三端作電氣連接，則可得出相同的優點，也應理解的是，第三端可用任何合適的形式即允許與返回導體或其他相電源相連接，或已經形成和返回導體或其他相電源的整體連接。
權利要求
1.一交流電源電路用的熔斷器，包括輸入端；和該輸入端作電氣連接的第一觸頭；輸出端；和該輸出端作電氣連接的第二觸頭；與第一和第二觸頭在電氣上相連接並使輸入端與輸出端之間形成正常電氣通路的可熔元件；電弧觸頭，該觸頭相對於第一觸頭放置成在第一觸頭和電弧觸頭間形成一潛在的電弧通路，並在可熔元件響應故障電流熔斷後沿該通路形成電弧；其特徵在於電弧觸頭和一第三端作電氣連接，並和輸出端作電絕緣。
2.按權利要求1所述的熔斷器包括一電弧移動裝置，該裝置當在第一觸頭和電弧觸頭之間形成電弧時進行工作，使一電弧弧根在第一觸頭表面上移動，並使另一電弧弧根在電弧觸頭的表面上移動。
3.按權利要求2所述的熔斷器，其中電弧移動裝置包括一在電弧觸頭和第三端之間作電氣連接的線圈。
4.按權利要求3所述的熔斷器，其中熔斷器包括一充有電負性滷化介質的密封室，第一觸頭裝在室內並具有一形成第一電弧電極的實質上為圓形的圓周邊，及電弧觸頭包括一在室內具有導電錶面的第二電弧電極，並圍繞著第一電弧電極，且在徑向上與第一電弧電極隔開。
5.按權利要求4所述的熔斷器，其中線圈在徑向上圍繞該室且線圈的徑向中平面和第一電極的圓周的徑向中平面實質上是重合的。
6.一單向交流電源電路包括按在前面權利要求中的任一權利要求所述的熔斷器;和熔斷器的輸入端作電氣聯接的供電導體，和熔斷器的輸出端作電氣聯接的負載導體，和熔斷器的第三端作電氣聯接的返回導體。
7.按權利要求6所述的電路，其中返回導體是大地或與大地相連。
8.按權利要求6或7所述的電路，其中返回導體和熔斷器的第三端通過一阻抗在電氣上相聯。
9.按權利要求6或7所述的電路，其中返回導體通過一限流熔斷器和熔斷器的第三端作電氣聯接。
10.一三相交流電源電路包括每個都按上述權利要求中的任一權利要求所述的第一第二和第三熔斷器，和第一熔斷器的輸入端在電氣上相聯的第一供電導體，和第一熔斷器的輸出端在電氣上相聯的第一負載導體，和第二熔斷器的輸入端在電氣上相聯的第二供電導體，和第二熔斷器的輸出端在電氣上相聯的第二負載導體，和第三熔斷器的輸入端在電氣上相聯的第三供電導體，和第三熔斷器的輸出端在電氣上相聯的第三負載導體，其中第一熔斷器的第三端在電氣上和第二熔斷器的輸出端在電氣上相聯，第二熔斷器的第三端在電氣上和第三熔斷器的輸出端在電氣上相聯，及第三熔斷器的第三端在電氣上和第一熔斷器的輸出端在電氣上相聯。
全文摘要
交流電源電路用熔斷器，包括輸入端4，和其相連的第一觸頭5，輸出端9，和其相連的第二觸頭8，可溶元件11與兩觸頭相連並構成輸入和輸出間的通路。電弧觸頭6相對第一觸頭和電弧觸頭間形成潛在電弧通路，並在可溶元件因故障斷開後形成電弧。電弧觸頭6和第三端41相連，並和輸出端9作電絕緣，本熔斷器可用於單相電路，在故障時能減少負載的通過能量，或在多相電路中在任一相故障時可斷開所有各相的電源。
文檔編號H01H85/143GK1039679SQ8810020
公開日1990年2月14日 申請日期1988年1月9日 優先權日1987年1月10日
發明者俄凱斯·馬丁·克里斯多福, 克勞斯·戴維·威廉 申請人:Y·S·安全有限公司