CN109149539A - 包括电流限制器设备的电气保护单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电气保护单元A，该电气保护单元包括至少一个主导体以及用于该主导体或每个主导体的与该主导体串联连接的电流限制器设备，以在超过电流或温度阈值时限制电流，所述限制器设备包括由具有正温度系数的材料制成的元件，称为PTC(6至9)，并且能够控制用于使用来打开保护单元D的触头(1、2)打开的机构跳闸的装置(d)，从而在超过前述阈值时使得单元的触头打开，导致所述元件的状态在低电阻状态和高电阻状态之间变化。该单元的特征在于，所述前述PTC元件(6至9)包括前述跳闸装置(d)，使得该元件本身提供故障电流限制的功能和使用于打开触头(1、2)的机构跳闸的功能。

Description

包括电流限制器设备的电气保护单元
技术领域
本发明涉及一种电气保护单元，该电气保护单元包括至少一个主导体以及用于该主导体或每个主导体的与该主导体串联连接的至少一个电流限制器设备，以在超过电流或温度阈值时限制电流，所述限制器设备包括由具有正温度系数的材料制成的元件，称为PTC，并且能够控制用于使用来打开保护单元的触头打开的机构跳闸的装置，从而在超过前述阈值时导致单元的触头打开，导致所述元件的状态在低电阻状态和高电阻状态之间变化。
背景技术
被称为低额定值断路器的那些断路器通常采用由大量线匝组成的电磁线圈以及被称为加热器的与双金属片相关联的元件，该线圈既充当用于检测短路的装置，又充当用于致动断路器的打开机构的装置，而加热器允许双金属片在电流过载的情况下弯曲，并且构成用于致动前述打开机构的装置。
该架构导致断路器的整体电阻的可观数值，并因此导致由于焦耳热引起的大量损耗(通常在额定电流下高于2W)。
已知描述微型断路器的文献US5999384是已知的，其中PTC部件替代双金属片、线圈和灭弧室。PTC部件提供故障(过载或短路)检测功能，其限制故障电流，并与线圈配合以使用于打开单元的触头的机构跳闸。
因此，当发生短路故障时，大短路电流非常快地加热PTC部件(在几毫秒内)，这导致PTC部件的电阻增加，从而增加了通过线圈的电流的值，以便以与当发生电过载时相同但更快的方式打开单元的触头。
发明内容
本发明提供了一种包括电流限制器设备的电气保护单元，所述单元在设计上被简化，由此允许成本降低，并且由于焦耳热引起的损耗显著降低。
为此，本发明的主题是上文讨论的类型的电气保护单元，该单元的特征在于，所述PTC元件包括前述跳闸装置，使得该元件本身提供故障电流限制和使用于打开触头的机构跳闸的功能。
根据一个特定特征，所述PTC元件还包括用于检测过载故障的装置和用于检测短路故障的装置。
根据另一个特征，前述跳闸装置通过前述PTC元件沿优选的方向上的尺寸变化控制，在前述状态改变期间，该尺寸变化能够使PTC元件的一部分能够在属于前述跳闸装置的跳闸杆的方向上移动。
根据另一个特征，前述跳闸装置通过在前述状态改变期间的PTC元件的厚度变化控制。
根据另一个特征，该单元包括称为放大装置的装置，能够基于前述元件的一部分的小的移动施加更高强度的作用力。
根据另一个特征，前述限制器设备包括沿着前述优选的方向堆叠并且并联电连接的多个PTC元件。
根据另一个特征，堆叠元件的数量包括在二和十范围内。
有利的是，堆叠元件的数量是四。
根据另一个特征，该单元包括用于限制沿着除了优选方向以外的至少一个方向上的体积膨胀的装置。
根据另一个特征，前述装置包括在所述元件的至少一个面上产生的敷金属，可以促进填充聚合物的粘附，例如，通过树枝状结构的装置或经由化学蚀刻产生微孔。
根据另一个特征，当该装置由铜制成时，该敷金属的厚度大于50μm，当该装置由镍制成时，该敷金属厚度大于35μm。
根据另一个特征，前述限制器设备还包括至少一个分流器，该分流器分别与至少一个PTC元件并联连接，并且能够设定在PTC元件转变之后的限制电流的最大值。
根据另一个特征，该分流器(或每一个)的电阻值在室温下包括在相应PTC电阻的十倍至二十倍范围内。
根据另一个特征，前述限制器还包括被称为过电压保护器的至少一个部件，该部件分别与至少一个PTC元件并联连接，并且旨在限制易于损害PTC部件的可能的过电压。
根据另一个特征，该PTC元件或每个PTC元件基于半结晶聚合物产生，例如聚乙烯、聚丙烯等。
根据另一个特征，该单元是微型断路器。
附图说明
然而，本发明的其他优点和特征在参照附图的详细描述中将变得更清楚明了，附图仅以示例的方式给出，其中：
-图1是根据本发明的断路器的俯视图，盖已经移除以示出其内部部分；
-图2是表示根据本发明的限制设备的操作的示意图；
-图3是表示随着温度的PTC部件的电阻变化(左侧刻度)和体积膨胀的百分比(右侧刻度)的变化的图示；
-图4是表示对于施加到材料上的各种负载，PTC材料随着温度的体积膨胀的图示；
-图5示出标准2A断路器的典型跳闸曲线，图示根据电流的打开触头所需的时间；
-图6和7分别表示根据电流的热应力和峰值电流的值，在其中一条曲线是常规电路器的情况，另一条曲线是根据本发明的断路器的情况；以及
-图8图示在根据本发明的断路器的情况下，随着时间变化，在被PTC限制之前通过根据本发明的单元的故障电流、在被PTC限制之后的该相同故障电流，以及电弧电压。
具体实施方式
图1示出了低电压断路器A，其包括以本身已知的方式容纳在实质为平行六面体的外壳B中的两个触头1、2，其中固定的一个触头1电连接到单元的被称为输入端子的端子3的其中一个上，而被称为可移动触头的另一个触头2电连接到两个端子3、4的被称为输出端子的另一个端子4上。该可移动触头2能够经由打开和闭合机构M在两个触头1、2的闭合位置和这些相同触头分离的位置之间移动，机构M能够被手动或自动地控制。
手动控制经由能够由用户致动的杠杆m来执行。触头1、2的自动打开经由跳闸装置d来执行，跳闸装置d通过用于检测指示电过载的热源故障的装置或通过用于检测指示短路故障的磁源故障的装置来控制。这些跳闸装置旨在与跳闸杆5配合，在跳闸杆5被致动时，其能够释放机械闩锁，该释放的效应是导致电弧触头1、2自动打开。
该单元还包括电流限制器设备，位于在被称为单元的输入端子3和固定触头1之间的电流线上，旨在限制在触头1、2打开之前的故障电流值。
根据所描述的实施例，该限制设备包括具有多个部件6、7、8、9的组件，每个部件由具有正温度系数的材料组成，该材料被称为PTC材料。以本身已知的方式，在正常的操作温度下，这种类型的材料的电阻非常低。在过电流经过该材料的情况下，材料温度的增加超过临界值会导致所述材料的电阻的迅速增加，从而允许其限制电流的增加。这种电阻的增加是由元件的材料在被称为非转变状态的状态和被称为转变状态的状态之间的状态变化导致的。
根据本发明的该特定实施例，该限制设备由四个PTC部件6、7、8、9的堆叠组成，这些部件中的每一个为实质性平行六面体的形状，这些元件通过其具有最大面积的面结合。该部件的组件形成实质平行六面体的块L，该块通过其一个侧面a附接到相对于单元的外壳固定的支撑元件10上。
以本身已知的方式，每个部件在前述状态改变期间经历膨胀，该膨胀导致可能达到最初体积的+10％或20％的体积膨胀。
根据本发明，部件的该体积膨胀被用于使用来打开前述触头的机构M跳闸，如图2中示意性地示出的。在图1中，可以看到前述部件的块L的面b与前述支撑10附接到的面相对，并与跳闸杆5配合，使得在跳闸杆5的方向上的部件的组件的体积膨胀导致所述杆被致动，并且因此导致用于打开触头的机构M跳闸。
因此，根据本发明的该特定实施例，该限制设备同时执行检测热源故障的功能、检测磁源故障的功能、灭弧室的功能、故障电流限制的功能以及用于使用来打开触头的机构跳闸的装置d的功能。
图3示出对于基于炭黑填充聚乙烯的PTC部件，PTC部件的电阻R(左侧刻度)和体积膨胀D的百分比(右侧刻度)随着温度T的变化。
致动器功能(使断路器跳闸)的实现利用了沿优选方向的部件的膨胀，例如，在部件的厚度方向上。为了获得沿着该方向的最大膨胀，最好是限制沿着另外两个方向的体积膨胀：这可以通过例如各种装置达到，例如树枝状敷金属(该技术已知用于获得由依附在PTC材料上的树枝状物提供的敷金属的高水平的接触电阻)。该敷金属必须足够厚(对于铜来说通常厚度大于50μm，对于镍来说大于35μm)，从而在部件的体积膨胀期间不会断裂。
由于图1中描述的特定实施例的情况是这样，为了获得可以通过断路器的打开机构直接利用的膨胀，可以沿着优选方向堆叠部件(对应于机械地串联放置部件)。二到十个部件，优选为四个部件的并列使得可以在距离(通常为约1至2mm的量级)方面和力方面获得足够的膨胀。图4示出随着温度T变化以及对于施加到材料的各种负载(MPa)(0MPa、15MPa、40MPa)，以基于聚乙烯的PTC材料以及以百分数的体积膨胀D的变化。这些负载值对应于通过PTC部件对给定的膨胀所传递的每个单位面积的力。
图5示出了2A断路器CB典型的跳闸曲线(这两条曲线分别表示为对应于最小曲线和最大曲线的实线)。
PTC部件的转变仅由热交换现象(如对于双金属片)决定，在绝热模式下用等式I2.t＝常数(曲线示出为虚线)表征，即，小于几秒钟的次数(热交换可以忽略不计)。
对于非常短的时间，通常小于10ms，在使机构跳闸之后打开触头所需的时间决定了跳闸时间的最小值，在朝向3-4ms的渐近线相对的图上示出。
如图1所示，包括将PTC部件电并联和机械串联放置的特定布置使得能够获得用于断路器的低电阻和足以致动跳闸机构的导致的膨胀。为避免妨碍PTC部件的膨胀，电连接将有利地通过柔性连接进行，该柔性连接的厚度将为0.2mm至0.4mm范围内的数量级。
在PTC的室温下的跳闸(I2.t)和电阻应力(由于焦耳热引起的最大损耗)允许确定PTC部件的尺寸。以下给出1A、2A和6A额定值的规格示例。
在该表中，根据本发明的单元包括并联电连接的四个PTC。为了优化致动器效果，这些PTC机械串联连接。
上文给出的示例性尺寸示出，借助于本发明，例如可以减小断路器的总电阻，并且因此减少由于焦耳热引起的损耗二分之一。
如图1所示，分流器11与PTC部件的块L并联连接，并且可以设置PTC转变之后的限制电流的最大值。该分流器的电阻值通常是在室温下的PTC块的电阻值的10至20倍。
最后，有利的是将过电压保护部件(MOV类型)与PTC部件的块L并联联结(在图1中未示出)以限制可能损坏PTC部件的可能的过电压，特别是在其快速转变期间。
图6和图7是给出热应力I2.t的值和对应于尺寸适于2A额定值的PTC部件的峰值电流的值且与5Ω分流器关联的图表。PTC部件的值和分流器的值已经被确定以获得最大峰值电流值，与通过标准断路器所获得的相似。
应当注意的是，在这两条曲线上，对于在200A和10000A之间的所有短路电流热应力I2.t实际上是恒定的。分流器暴露于的最大能量约为200J的数量级，该值将考虑到该相同分流器的尺寸。
本发明提供的优点如下：
不论电路中发生的电气故障的类型(过载或短路)，断路器的触头都在有限的电流下(通常在PTC转换后的几毫秒之后，该时间对应于机构打开触头所需的时间)。该限制电流的值仅由与PTC部件并联放置的分流器的电阻值决定(见图8，2A PTC断路器，1kA/240V短路，5Ω分流器)。该结果允许断路器触头的使用寿命大幅地增加。另一种选择在于使用不那么贵重的触头材料，因此较便宜。
在发生故障(过载或短路)的情况下，断路器和电路暴露于的热应力的值实际上是恒定的，而且无关于故障电流的值。该特点保证了所提出的解决方案的上游选择性。
低额定值的断路器(通常具有小于或等于6A的额定电流)利用由大量线匝组成的电磁线圈和加热器以允许双金属片在电流过载的情况下弯曲。该架构导致断路器的整体电阻的可观值，并导致由于焦耳热引起的大量损耗(通常在额定电流下高于2W)，如下表所示。
下表给出了每个电极的每个额定值下以瓦为单位的功率损耗：
额定值 0.5 0.75 1 1.2 1.5 2 3 4 5 6
瓦/电极 2.2 2.96 2.3 2.4 2.1 2.5 2.2 2.4 2.5 2.7.
下表给出了每个电极的每个额定值下设备的以mV为单位的电压的下降：
额定值(A) 0.5. 0.75 1 1.2 1.5 2 3 4 5 6
mV/电极 4400 3950 2300 2000 1400 1276 745 600 500 480
因此可以看出，所提出的解决方案允许断路器的电阻显著降低。例如，由焦耳热引起的损耗可减半。
由焦耳热引起的损耗值在产品目录中给出。客户因此可以比较对于安装者来说重要的数据。由焦耳热引起的损耗越低，给定空间中的设备的数量就越多，并且在该空间中的通风设备将越少。
另外，所提供的简单性允许断路器的成本大幅地降低。
当然，本发明不限于仅作为示例给出所描述和说明的实施例。
因此，当根据所描述的实施例，单个部件提供电流限制(PTC效应)和跳闸(致动器效应)的功能，这特别地允许两个功能几乎同时被执行，本发明还涵盖两个功能分离的情况，例如，当致动器由PTC元件间接加热。然而，考虑到热传递，该解决方案具有较长跳闸时间的缺点。
PTC部件的块的优化需要与并联的电连接相关联的串联的机械连接。然而，本发明还涵盖串联和并联放置元件的任何其他组合，诸如串联和并联的机械连接。
相反的，本发明包括描述的装置的所有技术等同物以及他们的组合，只要这些是根据本发明的精神实现的。

Claims (16)

1.一种电气保护单元，该电气保护单元包括至少一个主导体，以及用于该主导体或每个主导体的与所述主导体串联连接的至少一个电流限制器设备，用以在超过电流或温度阈值时限制电流，所述限制器设备包括由具有正温度系数的材料制成的元件，称为PTC，并且能够控制用于使用来打开保护单元的触头的机构跳闸的装置，从而在超过前述阈值时使得单元的触头打开，导致所述元件的状态在低电阻状态和高电阻状态之间变化，
其特征在于，所述前述PTC元件(6、7、8、9)包括前述跳闸装置(d)，使得该元件本身提供故障电流限制的功能和使用于打开触头(1、2)的机构M跳闸的功能。
2.根据权利要求1所述的电气保护单元，其特征在于，所述PTC元件(6、7、8、9)还包括用于检测过载故障的装置和用于检测短路故障的装置。
3.根据权利要求1或2所述的电气保护单元，其特征在于，前述跳闸装置(d)通过前述PTC元件(6至9)沿优选的方向上的尺寸变化控制，在前述状态改变期间，该尺寸变化能够使PTC元件的一部分在属于前述跳闸装置(d)的跳闸杆(5)的方向上移动。
4.根据权利要求3所述的电气保护单元，其特征在于，前述跳闸装置(d)通过在前述状态改变期间的PTC元件的厚度变化控制。
5.根据权利要求3或4所述的电气保护单元，其特征在于，其包括放大装置，该放大装置能够基于前述元件(6至9)的一部分的小的移动施加更高强度的作用力。
6.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护单元，其特征在于，前述限制器设备包括沿着前述优选的方向堆叠并且并联电连接的多个PTC元件(6至9)。
7.根据权利要求6所述的电气保护单元，其特征在于，堆叠元件(6至9)的数量包括在二至十范围内。
8.根据权利要求7所述的电气保护单元，其特征在于，堆叠元件(6至9)的数量是四。
9.根据权利要求3至8中任一项所述的电气保护单元，其特征在于，其包括用于限制沿着除了优选方向以外的至少一个方向上的体积膨胀的装置。
10.根据权利要求9所述的电气保护单元，其特征在于，前述装置包括在所述元件的至少一个面上产生的敷金属，以促进填充聚合物的粘附。
11.根据权利要求10所述的电气保护单元，其特征在于，该装置由铜制成时，该敷金属的厚度大于50μm，当该装置由镍制成时，该敷金属的厚度大于35μm。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的电气保护单元，其特征在于，前述限制器设备还包括至少一个分流器(11)，该分流器分别与至少一个PTC元件并联连接，并且能够设定在PTC元件转变之后的限制电流的最大值。
13.根据权利要求12所述的电气保护单元，其特征在于，该分流器(11)(或每一个分流器)的电阻值在室温下包括在相应PTC电阻的十倍至二十倍范围内。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的电气保护单元，其特征在于，前述限制器还包括至少一个被称为过电压保护器的部件，该部件分别与至少一个PTC元件并联连接，并且旨在限制易于损害PTC部件的可能的过电压。
15.根据前述权利要求中任一项所述的电气保护单元，其特征在于，该PTC元件或每个PTC元件基于半结晶聚合物产生。
16.根据权利要求15所述的电气保护单元，其特征在于，其是微型断路器。
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