[发明专利]熔丝元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种包括多个电容器子单元的电力电容器装置，其中，每个电容器子单元由与电容器子单元串联连接的内部熔丝元件电保护。

本发明还涉及一种组装在电容器组中且由共同壳体中的多个电容器子单元构成的高功率电容器，其中，电容器子单元以并联和串联电路电连接。这种电容器组可例如用于中压或高压电网中的功率因素校正系统。

背景技术

中压或高压电网中的功率因素校正系统需要组装在大电容组中的高功率电容器。单独的电容器通常由位于单个壳体中的多个较小的电容器子单元构成。较小的电容器子单元以串联和并联电路的不同变型连接，以满足特定应用的需求。然而，如果单个电容器子单元有故障，则整个电容器组件经由该子单元放电，导致甚至可能使电容器壳体发生故障的强烈电弧，所谓的外壳破裂(case rupture)。那么，该故障模式可导致整体电容器组完全故障。

作为增加这种电容器组的安全性的措施，单独的电容器装置可由位于电容器装置外部的单独串联的熔丝来保护。然而，该方案是昂贵的，并且总会导致完全损耗单个电容器装置(这必须得到尽快调整)。为了避免完全损耗电容器装置，单独的电容器子单元可由位于电容器装置内部的单独的熔丝来保护。该方案的优点是，在发生故障的情况下仅损耗单个电容器子单元，整个电容器组不会毁坏，而是继续几乎未受损坏地工作。

对该问题常见解决方案是与单独的电容器子单元串联连接的单线熔丝元件。然而，由于每子单元几千伏特的高压，熔丝需要特别长，例如通常100mm长或更长，而线(通常为铜线)的直径通常介于0.3至0.5mm之间。在一些应用中，多个这些熔丝安装在间的单个卡板上，以便于操纵。单独的熔丝还可通过纸、聚合物或陶瓷壳而彼此分离，以避免位于单个电容器壳体中的反应和非反应熔丝之间的意外相互作用。在一些产品中，熔丝单独地安装在每个电容器子单元上，而不是共同的板上。另外，本领域中已知的是，通过在熔丝的两端使熔丝与额外线扭转来减小熔丝阻抗，并因此减小额外功率损耗的部分。另一已知设计使用平行的两条线来减小熔丝阻抗，并增加为了使用响应必须达到的作用积分∫I²dt，从而减少流入故障电容器元件的能量。两条线在并入电容器之前一起焊接到铜条。

关于单线，该技术的缺点是熔丝响应I²dt值与线R直径的相关性与R⁴成比例，从而十分陡峭。因此，在熔丝生产和操纵期间，因颈缩(necking)、强烈弯曲、拉伸等产生的与标称直径的甚至轻微局部偏差导致熔丝响应值的大偏差。此外，具有良好限定直径的铜线的可用性是有限的，由此，关于陡峭熔丝响应特性，仅可选择熔丝响应值的粗略步调(coarse steps)。此外，单线熔丝在标称电流下通过欧姆损耗产生大量热量。在熔丝两端使用扭转的多股电流引线可部分地减少这些损耗。

使用平行的两条线的优点是，与单线方案相比，热量损耗明显降低，另外，对线直径偏差的灵敏度降低。然而，制造更加复杂，需要更多焊接连接，这会增加成本和故障风险。

文献US2010/0224955A1公开了包括介质中间层的装置和方法，介质中间层由能够在半导体衬底上形成张力的材料制成。此外，比第一介质中间层具有更大张力的熔丝金属形成在第一介质中间层上。相应地，可以防止在烧断熔丝时形成熔丝残留物。而且，在烧断熔线时施加的激光的能量和光斑大小可以减小。此外，可以避免对相邻熔丝的损坏，可以切割由难以烧断熔丝的材料制成的熔丝。另外，因为聚合物系列材料用作介质中间层，所以可以显著减少布线之间的耦合效应。

在未出版的欧洲专利申请11182747.3中公开了改进的熔丝元件。该熔丝元件具有位于自支撑细长熔丝金属条内的至少一个细长凹槽或切口，以提供至少两个平行的金属子条。在一些实施例中，并排定位的两个或更多个凹槽可以具有多于两个的并排平行的子条。然而，这种熔丝设计的电压保持能力(voltage hold-off capability)是有限的，因为当熔丝操作时，并非所有沿熔丝腿的熔丝材料都在纵向孔的整个长度上完全分解。另外，在熔丝操作期间蒸发的一些铜再次沉积在熔丝的载体材料上，导致传导路径。最后，一些载体材料和/或绝缘油碳化，导致剩余载体材料上的碳迹，这会导致在熔丝的剩余端部之间形成传导路径。因此，通过这些迹线的长度，有效绝缘长度减小，这导致在熔丝操作之后，保持电压的能力降低。因此，至少一个熔丝部件必须明显长于必要的长度，以提供足够长的绝缘长度，从而导致熔丝阻抗成比例地增加，这导致非期望的功率损耗和电容器加热。

发明内容