熔丝元件的制作方法
【技术领域】
[0001]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恪丝元件电保护。
[0002]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】
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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10mm长或更长，而线(通常为铜线)的直径通常介于0.3至0.5_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f 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。
[0006]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，单线恪丝在标称电流下通过欧姆损耗产生大量热量。在恪丝两端使用扭转的多股电流引线可部分地减少这些损耗。
[0007]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。
[0008]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。
[0009]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，这种恪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】
[0010]本发明的目的是与现有技术相比，增加这种电力电容器或电容器组的安全性。制造和操纵应当得到改进。熔丝生产期间的公差以及初期故障应当得到减少。所需的熔丝形状应当易于形成。
[0011]该目的通过根据独立权利要求的电力电容器装置和根据方法权利要求的制造电力电容器装置的方法来实现。
[0012]根据一个方面，熔丝元件包括由至少四个金属子条形成的活性响应部分，至少相应两个金属子条是平行的，子条由一个或两个自支撑细长熔丝金属条内的至少两个细长凹槽提供，至少两个凹槽沿相应熔丝金属条串行对准地设置。
[0013]出乎意料地，两个或更多个串行绝缘间隙(优选地具有与根据欧洲专利申请11182747.3的单个间隙或凹槽相同的总长度)具有比相同总绝缘长度的单个间隙或凹槽更好的绝缘强度。因此，与具有仅单个绝缘间隙或凹槽的类似熔丝相比，熔丝部分的总长度可制得更短，根据总活性熔丝部分的长度减少，这会显著地减少熔丝损耗。由于单独熔丝部分(子条)在单个结合熔丝元件的串行连接，这种熔丝的实现是可能的，由此，故障电流同时流过所有熔丝子条，因此导致所有熔丝子条的同时响应。新的熔丝设计由此允许以相同的熔丝参数和大小构建具有减少的功率损耗的熔丝。
[0014]根据另一方面，执行一种通过以下步骤制造熔丝元件的方法:提供活性熔丝响应部分，包括提供活性熔丝响应部分，活性熔丝响应部分包括具有至少四个金属子条，至少相应两个金属子条是平行的，子条由一个或两个自支撑细长熔丝金属条内的至少两个细长凹槽提供，至少两个凹槽沿相应熔丝金属条串行对准地设置。
[0015]该方案通过使用复合材料导致低阻抗、低成本、易于制造以及具有小公差的可靠熔丝，复合材料包括作为薄金属箔的增强件的薄聚合基层。
[0016]根据另一方面，熔丝元件用于电保护由多个电容器子单元构成的电力电容器装置，其中，每个电穷器子单元由内部串联连接到电容器子单元的这种熔丝元件之一电保护。
[0017]复合材料的连续宽条由合适的低成本聚合箔和薄金属箔的层状结构制成。通常，作为聚合物，可选择在这种电容器子单元的环境下，尤其与现代电容器装置中使用的绝缘液体相互作用的环境下，呈现被证实的兼容性的材料。特别地，便宜的聚合物比如作为电容器介质的标准材料的聚丙烯、聚乙烯等仅对材料成本有不足道的增加，却能明显减少由操纵需求和废品率导致的成本。其它合适的基底材料包括聚酰亚胺和类似材料，它们可与电容器内部环境兼容。在选择足够厚的金属箔(在操纵期间抵抗材料应力)的特定情况下，聚合物基底材料可以省略，熔丝元件由纯金属构造构成。用于由金属制成的熔丝的合适金属是高导电铜、银和这些材料的合金。
[0018]优于常规熔丝设计的额外优点如下。电流限制范围更快地达到，导致在熔丝操作期间释放的能量更少。获得熔丝的更稳定的I2t响应值，导致电容器组的可靠性更高。放电能量限制更好，导致更少的放电能量、对电容器内部元件损坏更小以及避免了外壳破裂。电容器元件之间的更好壳体是可能的。故障电弧和外壳之间以及单独熔丝之间没有相互作用是可能的。总的电容损耗下降高达25%。熔丝制造以及结合的材料和劳动力成本下降高达50%。电容器噪声降低。不管熔丝的厚度如何，由