專利名稱：自復(fù)原的電流限制元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按權(quán)利要求1前序部分所述的自復(fù)原的電流限制元件。
這種電流限制元件稱為"7Jc久電力炫斷器(PPF: permanent ￡ower ￡use )"。
背景技術(shù)：
為克制在能量分配系統(tǒng)的低壓電網(wǎng)內(nèi)發(fā)生短路時(shí)出現(xiàn)的大電流，按現(xiàn) 有技術(shù)使用保護(hù)元件，它在短路的情況下足夠迅速地切斷電路，從而既不 會(huì)在電網(wǎng)中也不會(huì)在耗電器中進(jìn)一步形成直接或間接的破壞。
上述保護(hù)元件應(yīng)能夠不僅有目的地從外部引入斷開過程，亦即起開關(guān) 的作用，而且在故障的情況下采取恰當(dāng)?shù)膬?nèi)部措施能導(dǎo)致自動(dòng)分離。此外， 這種保護(hù)元件還應(yīng)能夠在排除故障后重新恢復(fù)原始狀態(tài)。
尤其是，要求所述的切斷和重新接通的過程能在無須采取維修措施的 情況下多次實(shí)施。在作為開關(guān)時(shí)這可以通過就地接通、通過遙控間接接通 實(shí)現(xiàn)，亦即作為保護(hù)裝置，或通過更換一個(gè)僅能使用一次的元件實(shí)現(xiàn)，亦 即作為保險(xiǎn)裝置。
按現(xiàn)有技術(shù)，為了解決上述問題主要釆用兩種不同設(shè)計(jì)方案，但有時(shí) 也可以組合這兩種方案，具體地i兌 -機(jī)電式開關(guān)裝置， -保險(xiǎn)裝置。
機(jī)電式開關(guān)關(guān)置(簡(jiǎn)稱開關(guān))按現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)為，使它們通過將觸點(diǎn) 分離時(shí)形成的電弧排入預(yù)定區(qū)域內(nèi)，例如滅弧室內(nèi)，強(qiáng)烈地限制電流。在 那里電弧的熄滅通過冷卻和分成許多前后連接的電弧進(jìn)行。滅弧室必須按 可能的短路條件設(shè)計(jì)為，使得能在所有可能的工作情況下克制電弧。因此 在電網(wǎng)內(nèi)流動(dòng)的電流被限制為導(dǎo)通電流值，該導(dǎo)通電流值可以在自然的電 流過零后實(shí)現(xiàn)滅弧。
通常上述開關(guān)有一個(gè)用于提前識(shí)別短路的內(nèi)部系統(tǒng)，該系統(tǒng)大多是熱 和/或電磁式的致動(dòng)器，在短路的情況下招致引發(fā)斷開過程。這種開關(guān)中滅弧室的設(shè)計(jì)對(duì)于大的額定電流和短路電流需要比較大的 主要用于麻煩地控制開關(guān)的費(fèi)用，在正常工作時(shí)，亦即在工作電流導(dǎo)通時(shí) 是不必要的。
這些開關(guān)的優(yōu)點(diǎn)是，在實(shí)現(xiàn)了短路切斷后以很少的費(fèi)用便可以實(shí)現(xiàn)使 電網(wǎng)和/或耗電器重新沖殳入運(yùn)行。
保險(xiǎn)裝置在電網(wǎng)中使用在那些在短路的情況下從屬的開關(guān)裝置其斷流 容量可能不足以保證電網(wǎng)可靠斷開的地方。它們的功能大多基于通過短路 電流熔斷并汽化金屬絲的原理，在這種情況下不得不持續(xù)地切斷電流分路。 基于所述原理，保險(xiǎn)裝置原則上只能使用一次，以及，相應(yīng)地在如此切斷 的電路能重新投入運(yùn)行前，必須用許多時(shí)間和耗費(fèi)材料重新替換。在公開
出版的(專業(yè)雜志Electrica 4, 1979，第85頁起)"Pe廳腦tsichemng in Niederspannungs-Leistungsschaltern" 中已知一種按"Permanent Power Fuse (PPF)"原理自復(fù)原的保險(xiǎn)裝置，其中，被形狀封閉地封閉的在工作溫度 下液態(tài)的金屬導(dǎo)體或金屬合金，通過一種與溫度有關(guān)的電阻增大造成電流
在后面還要詳細(xì)說明的上述出版物的附圖中，表示出了在未受影響的 情況下在50Hz的相位中電流變化過程，以及一個(gè)具體的PPF元件可達(dá)到的 電流或電壓變化過程和對(duì)Permanent Power Fuse (PPF)短路電流的限制情 況及計(jì)算出的溫度和內(nèi)阻。由此得出在三相電網(wǎng)中導(dǎo)通電流的范圍作為所 涉及的金屬合金可達(dá)到的最大電阻變化的函數(shù)。
然而迄今使用的金屬和與之相關(guān)的合金，汽化點(diǎn)(以及進(jìn)而電流限制 元件的足夠高的單位電阻)要在很高的溫度和相應(yīng)地也要在很高的壓力下 才達(dá)到。由此大多超過構(gòu)成這些金屬容器的工業(yè)陶瓷的強(qiáng)度。
因此在現(xiàn)有技術(shù)中使用低汽化點(diǎn)的金屬，尤其鈉(Na)、鉀(Ka)和它 們的混合物。當(dāng)然在有故障情況下這些金屬被腐蝕以及甚至可能導(dǎo)致引發(fā) 燃燒。因此與這種已知的"Permanent Power Fuse ( PPF )"相聯(lián)的是設(shè)備和 人員的高風(fēng)險(xiǎn)。此外，由US3670282A和US3909763A已知，作為液態(tài)金屬 尤其采用鎵-銦合金，以及一種三元合金可附加地含有鋅。

發(fā)明內(nèi)容
因此從上述現(xiàn)有技述出發(fā)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種改限制。進(jìn)的自復(fù)原的電流限制元件，它使用可以在壓力和溫度盡可能低的情況下 達(dá)到大電阻變化目的的金屬合金或混合物。與此同時(shí)，在故障情況下同樣 要既不促進(jìn)燃燒也不引發(fā)燃燒或甚至也不導(dǎo)致有毒或腐蝕的效應(yīng)。
按本發(fā)明上述技術(shù)問題通過權(quán)利要求1的特征得以解決。在從屬權(quán)利 要求中給出 一些有利的有利的擴(kuò)展設(shè)計(jì)。
本發(fā)明的技術(shù)主題是一種用于"Permanent Power Fuse ( PPF )"的特殊 材料，在這方面已知，在電子技術(shù)中常用的和能良好導(dǎo)電的有比較低的熔 點(diǎn)的基本金屬內(nèi)，特殊添加一些在比較低的溫度下已能促使部分相變?yōu)檎?汽狀態(tài)的物質(zhì)。
按照本發(fā)明，電流的限制現(xiàn)在這樣造成，即，在工作溫度和額定工作 電流時(shí)固態(tài)的金屬導(dǎo)體用 一種材料制成，這種材料具有與絕緣體相比更低 的熔點(diǎn)和汽化點(diǎn)，以及在那里的電流限制效果通過部分相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)造 成。在這里，所述材料是一種包括至少兩種成分的多成分材料，其中一種 成分保證在工作條件下足夠低的內(nèi)阻，以及另 一種成分在溫度低于絕緣體 軟化點(diǎn)時(shí)已經(jīng)促使相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)。在這里內(nèi)阻典型地小于10mQ。
優(yōu)選地，所述材料是這樣一種雙成分材料，它的第一種成分保證低的
這里尤其雙成分材料中的一種成分保證在工作條件下有足夠低的在o，lmQ 至幾個(gè)lOmQ范圍內(nèi)的內(nèi)阻，以及另一種成分在溫度低于絕緣體軟化點(diǎn)時(shí) 已經(jīng)促使相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)。也可以是更多成分的材料，尤其系統(tǒng)。
在這里基本金屬優(yōu)選地是錫(Sn)、鋁(A1)、銀(Ag)、銅(Cu)、金 (Au)以及它們的混合物，而添加物優(yōu)選地是銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、 碲(Te)和尤其鋅(Zn)。
在本發(fā)明中特別有利的是，由上述成分組成的合金或金屬間化合的化 合物，在本發(fā)明的自復(fù)原保險(xiǎn)裝置的工作溫度下始終保持處于固體狀態(tài)， 從而不再需要造成并維持在kW范圍內(nèi)的靜壓。尤其在室溫時(shí)已成液態(tài)的合 金，例如已知的鎵銦合金，這種合金在易熔的成分占24.5%的重量百分比 時(shí)在室溫下已經(jīng)是液化，因此在本發(fā)明中明確地將它們排除在外。


由下面借助附圖對(duì)實(shí)施例的說明并結(jié)合其他權(quán)利要求，給出本發(fā)明的其他詳情和優(yōu)點(diǎn)。其中
圖1示意表示一種已知的"Permanent Power Fuse ( PPF )，，；
圖2表示在單相短路的情況下電流和電壓與數(shù)量的關(guān)系的變化過程曲
線圖3表示獲知的導(dǎo)通電流與電阻相對(duì)變化的關(guān)系；以及 圖4表示一種特別適用于達(dá)到上述目的的合金的狀態(tài)圖。
具體實(shí)施例方式
圖1表示一種作為保險(xiǎn)裝置已知的自復(fù)原的電流限制元件1，在專業(yè)界 也稱它為"Permanent Power Fuse (PPF )"。保險(xiǎn)裝置1由陶瓷容器2構(gòu)成， 它有一個(gè)平行于縱向的內(nèi)腔3，其中置入一種金屬合金作為電流導(dǎo)體5。端 側(cè)存在兩個(gè)觸點(diǎn)接通裝置6和7。
圖2中在橫坐標(biāo)上標(biāo)注單相短路情況的時(shí)間，而縱坐標(biāo)按選擇表示電
流齊次方程式的計(jì)算值Isim、溫度變化過程T、電壓變化過程Usim和電阻變
化過程R。在這里以一種預(yù)計(jì)的短路電流I，sp為28kA的短路為出發(fā)點(diǎn)。 具體而言，圖2中曲線21作為包絡(luò)線表征針對(duì)模擬電壓預(yù)計(jì)的短路電
流lpr。sp。曲線22表征模擬電流強(qiáng)度Isim，曲線23表征相關(guān)的電壓Usim,曲
線24表征計(jì)算的電阻以及25表征溫度或壓力變化過程。為此在縱坐標(biāo)上 右邊標(biāo)示在0與30kA之間的電流，而左邊標(biāo)示0至300V的電壓。其他參 數(shù)T、 P和R在縱坐標(biāo)上按專用的單位標(biāo)注。
按圖2,采用PPF預(yù)計(jì)為28kA的峰值電流Ipr。sp減小到在橫坐標(biāo)值約為 2.5ms時(shí)的最大值17kA。接著，此值減小到典型的7至8kA。
圖3中在橫坐標(biāo)上標(biāo)注電阻的相對(duì)變化R/Ro，在縱坐標(biāo)上表示計(jì)算出 的最大導(dǎo)通電流ID或可由此導(dǎo)出的最大I2t值，它在這里稱為開關(guān)負(fù)荷Qs。 具體而言，區(qū)域31表征最大導(dǎo)通電流Io的變化過程，以及區(qū)域32表征Qs 的變化過程。由這兩個(gè)區(qū)域得出，導(dǎo)電的臨界值取決于借助圖1說明的PPF 的材料5的電阻相對(duì)變化。
圖4舉例表示錫-鋅狀態(tài)圖。由此狀態(tài)圖可以看出，純錫(Sn)在熔點(diǎn) 為232。C時(shí)有比較高的汽化點(diǎn)約為2500°C。對(duì)于熔點(diǎn)為419.4°C的純鋅(Zn ) 而言，汽化點(diǎn)在約100(TC便已達(dá)到。因此存在一個(gè)非常寬廣的液態(tài)-氣態(tài)二 相區(qū)。對(duì)于雙成分合金SnZnx,尤其可以通過規(guī)定恰當(dāng)?shù)匿\份額達(dá)到在二相 區(qū)內(nèi)在明顯地降低熔點(diǎn)的同時(shí)有低的汽化點(diǎn)。在易熔成分Zn約為15 %時(shí)熔 點(diǎn)最低為198°C。錫的份額從10%起看來是恰當(dāng)?shù)?，其中，在模型?jì)算的 框架內(nèi)詳細(xì)研究了一種SnZn25合金。在這種合金中至少部分相變?yōu)楹?的鋅蒸汽的汽態(tài)，可以為了某種目的利用于作為上面介紹的PPF的材料。
按照?qǐng)D4的錫(Sn )-鋅(Zn )狀態(tài)圖，當(dāng)Zn的份額約為10 %以及溫 度約為120(TC時(shí)，便已經(jīng)存在一種汽/液混合物。對(duì)于上面列舉的SnZn25 合金此溫度為IIO(TC。提高Zn的份額在環(huán)境壓力為lbar時(shí)汽化溫度降到 1000 °C 。合金SnZn75看來也是可能的。
除了上述示例外，能良好導(dǎo)電的低熔點(diǎn)金屬、如錫(Sn)、銦(In)、 鋁(Al)、 4艮(Ag)、銅(Cu))與鋅(Zn)的所有混合物均適合使用于作 為PPF的材料。尤其基于鋅的高的蒸汽壓力，在溫度和壓力比較低時(shí)通過 相變已經(jīng)達(dá)到電阻有大的改變。鋁(Al)-鋅(Zn)合金看來是適用的，例 如一種A150Zn50合金。
具體而言，在這里重要的是可達(dá)到的電阻增大，在前提條件是 Tma^P^Tbc" ( lbar ),亦即在工作范圍擴(kuò)展至汽相時(shí)，可達(dá)到的值為 R匪/R。^60-70。對(duì)于錫(Sn )-鋅(Zn )合金SnZn75,還在值為R證/R。-40-50 時(shí)存在電阻增大。
除了鋅(Zn)外，當(dāng)基本金屬為錫(Sn)時(shí)也可以采用其他添加物， 例如銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、碲(Te)或它們的混合物。在這種情況 下在各自的狀態(tài)圖中需要一個(gè)鮮明的液態(tài)-氣態(tài)二相區(qū)，用于至少部分相變 為氣態(tài)。
總之，除包含由上面列舉的兩組中的金屬的二元合金外，還可以考慮 由各種成分組成的三元或四元合金，但在室溫下已成液態(tài)的合金排除在夕卜。
權(quán)利要求
1.一種自復(fù)原的電流限制元件(永久電力熔斷器)，其中，一個(gè)形狀封閉地封閉在絕緣體內(nèi)的金屬導(dǎo)體通過一種由電流引發(fā)的與溫度有關(guān)的電阻增大造成電流限制，其特征為在工作溫度和額定工作電流時(shí)固態(tài)的金屬導(dǎo)體用這樣的材料制成，這種材料具有與絕緣體相比更低的熔點(diǎn)和汽化點(diǎn)，以及在那里的電流限制效果通過部分相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)造成。
2. 按照權(quán)利要求1所述的電流限制元件，其特征為，所述材料是一種 包括至少兩種成分的多成分材料，它的第一種成分保證在工作條件下有足 夠低的在O，l至幾個(gè)10mQ范圍內(nèi)的內(nèi)阻，以及它的另一種成分在溫度低于 絕緣體軟化點(diǎn)時(shí)已經(jīng)促使相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)。
3. 按照權(quán)利要求2所述的電流限制元件，其特征為，所述內(nèi)阻的值小 于10mQ。
4. 按照權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的電流限制元件，其特征為所 述材料的第一種成分是錫(Sn)、鋁(Al)、銀(Ag)、銅(Cu)、金(Au) 或它們的混合物。
5. 按照權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的電流限制元件，其特征為，所 述材料的第二種成分是銻(Sb)、鎵(Ga)、銦(In)、碲(Te)、鋅(Zn) 或它們的混合物。
6. 按照權(quán)利要求4和權(quán)利要求5所述的電流限制元件，其特征為，所 述材料是一種由錫(Sn、和鋅(Zn)組成的雙成分合金。
7. 按照權(quán)利要求6所述的電流限制元件，其特征為，所述雙成分合金 中Zn份額的下限為10%重量比。
8. 按照權(quán)利要求6所述的電流限制元件，其特征為，所述材料是一種 SnZn25合金。
9. 按照權(quán)利要求6所述的電流限制元件，其特征為，所述材料是一種 SnZn75合金。
10. 按照權(quán)利要求4和權(quán)利要求5所述的電流限制元件，其特征為，所 述材料是一種由鋁(Al)和鋅(Zn)組成的雙成分合金。
11. 按照權(quán)利要求10所述的電流限制元件，其特征為，所述材料是一 種A150Zn50合金。
12.按照權(quán)利要求1至5之一所述的電流限制元件，其特征為，所述材 料包含三元和/或四元合金或由恰當(dāng)成分組成的化合物。
全文摘要
自復(fù)原的電流限制元件的一種實(shí)施形式是“Permanent Power Fuse(PPF)”。其有一種形狀封閉地封閉在絕緣體內(nèi)的金屬材料，該金屬材料具有一種由電流引發(fā)的與溫度有關(guān)的電阻增大并由此造成電流限制。按本發(fā)明，這種在額定工作電流時(shí)固態(tài)的金屬導(dǎo)體用這樣的材料制成，這種材料具有與絕緣體相比低的熔點(diǎn)，以及在那里的電流限制效果主要通過部分相變?yōu)檎羝麪顟B(tài)造成。作為材料一些合金是適用的，它們包括由良好導(dǎo)電的材料組成的第一種成分和由汽化點(diǎn)較低的金屬材料組成的第二種成分，從而在這種二元系統(tǒng)中在總體上降低了汽化點(diǎn)。看來尤其適用的是錫(Sn)-鋅(Zn)系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H01H87/00GK101310352SQ200680039745
公開日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2006年8月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年8月25日
發(fā)明者克勞斯-迪特爾·羅德, 威爾弗里德·哈斯, 沃納·哈特曼, 阿爾夫·韋布納, 雷納·施密德-費(fèi)策爾 申請(qǐng)人:西門子公司