1.6--快速熔断器

1.6快速熔断器1.6快速熔断器1.6.1快速熔断器的结构和工作原理1.6.2快速熔断器的特性1.6.3快速熔断器的选择1.6快速熔断器快速熔断器是熔断器的一种，快熔对器件的保护方式可分为全保护和短路保护两种。全保护：过载、短路均由快熔进行保护，适用于小功率装置或器件裕度较大的场合。短路保护：快熔只在短路电流较大的区域起保护作用。快速熔断器主要用于半导体整流元件或整流装置的短路保护。由于半导体元件的过载能力很低。只能在极短时间内承受较大的过载电流，因此要求短路保护具有快速熔断的能力。快速熔断器的结构和有填料封闭式熔断器基本相同，但熔体材料和形状不同，它是以银片冲制的有V形深槽的变截面熔体。快速熔断器的熔丝除了具有一定形状的金属丝外，还会在上面点上某种材质的焊点，其目的为了使熔丝在过载情况下迅速断开。1.6快速熔断器1.6.1快速熔断器的结构和工作原理1.快速熔断器的结构熔断器由磁壳、导电板、熔体、石英砂、消弧剂、指示器六部分组成。熔体的材质为纯银，形状为矩形薄片，且具有圆孔狭颈。2.快速熔断器的灭弧原理快速熔断器的熔体是由纯银制成的，由于纯银的电阻率低、延展性好、化学稳定性好，因此快速熔断器的熔体可做成薄片，且具有圆孔狭颈结构。发生短路故障时，狭颈处电流密度大，故狭颈处首先熔断，并被石英砂分隔成许多小段。这样，由于熔体熔断而形成的电弧就被石英砂分隔成许多小段，电弧电流较小，分布的空间小，易被消弧剂吸收。又由于石英砂是绝缘的，电弧熄灭后立即形成一个绝缘体，将电路分断。3.电流的流通能力快速熔断器的额定电流是以有效值表示的，一般正常通过电流为标称额定电流的30%～70%。快速熔断器使用时或其一端被半导体器件加热而另一端被水冷母排冷却，或双面都被水冷母排冷却；或进行强制风冷来控制温升使之保持电流通过能力。整流器中快速熔断器接头处的连接状况直接影响着快速熔断器的温升和可靠运行，为此必须保持接触面的平整和清洁。如无镀层的母排的接触面要去除氧化层，安装时给予规定的压紧力，最好使接触面产生弹性变形。并联的快速熔断器要求逐个检测接触面的压降。1.6.1快速熔断器的结构和工作原理4.快速熔断器的温升与功耗快速熔断器的功耗：W=ΔUIw；ΔU=f（Iw）式中：Iw—工作电流；ΔU—快速熔断器的压降。快速熔断器的功耗与其冷态电阻有很大的关系，选用冷态电阻较小的快速熔断器有利于降低温升，因为电流通过能力主要受温升限制。如前所述，快速熔断器接头处的连接状况也影响着快速熔断器的温升，要求快速熔断器接头处的温升不应影响其相邻器件的工作。实验证明，快速熔断器的温升低于80℃时可以长期运行，温升100℃时制造工艺稳定的产品仍能长期运行，温升120℃是电流通过能力的临界点，若温升达到140℃时，快速熔断器不能长期运行。目前，化工行业一般采用水冷母排和风冷方式来降低快速熔断器的温升。水冷母排尤其对低电压规格的快速熔断器如400～600V效果更佳。快速熔断器端子与水冷母排连接端温差一般在1.0～2.0℃。许多大功率快速熔断器是按水冷条件设计的，所以，用户在使用前应向制造厂垂询。风冷也是一种减少温升的有效方法，根据风速通过能力曲线来确定风速对快速熔断器温升的影响，风速约5m/s时一般可以提高25%的通流能力，风速若再增加将不会有明显的作用。另外，在同样的通流情况下，温升还与快速熔断器是否采用单一或双并有关。先进工业国家制造的大功率整流装置中多采用快速熔断器的双并与半导体器件串联，如700A×2、1400A×2、2500A×2。双并结构的快速熔断器端子可以尽量减薄，以减小电阻。有一类双并连接的快速熔断器靠螺栓和连板连接，另一类是连板（端子）与2个熔体（端子）焊为一体的结构，此类结构比较先进。1.6.1快速熔断器的结构和工作原理电压较高的快速熔断器其内阻较大，尤其是800V以上产品，由于外壳瓷套有一定的长度，表面积较大，而熔体产生的热量经由填料、外壳传导散热，故电压高的快速熔断器风冷效果较显著。5.绝缘电阻快速熔断器分断后的绝缘电阻的指标由经验证明是很重要的。20世纪90年代大量的产品中加入了钾盐、钠盐，钠盐可以提高电弧栅的分断能力。而制造较差的快速熔断器分断后绝缘电阻大多低于0.3MΩ，甚至有漏电现象，特殊情况下切断故障后经一段时间又重燃，这将引起更大的故障。质量好的快速熔断器（加入了钾盐、钠盐）分断后应形成0.5MΩ以上的绝缘电阻。快速熔断器在分断10min后能达到大于1～30MΩ的绝缘电阻，可认为有良好的可靠性。另外，使用快速熔断器时还要考虑其寿命及可靠性；分断后的绝缘电阻指标（＞0.5MΩ）；尽量低的暂态恢复电压；不使用有隐形故障的产品等。1.6.2快速熔断器的特性◆反时限电流保护特性（如右图）熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。所以，在一定过载电流和过载时间范围内，熔断器是不会熔断的，可连续使用。熔断器有各种不同的熔断特性曲线，可以适用于不同类型保护对象的需要。◆限流特性由于快速熔断器的熔体为具有一系列圆孔狭颈的矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。圆孔狭颈处的截面积小，热容量小，发生短路故障时，故障电流尚未达到预期的短路电流时，即被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段。这样，既限制了短路电流增加，亦加速电弧的熄灭。◆分断能力强发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧被很快熄灭。由于石英砂是绝缘的，电弧熄灭后，熔断器立即变成一个绝缘体，将电路分断。因而快速熔断器分断能力强，可高达50kA。1.6.2快速熔断器的特性◆负载设备承受的冲击能量小电路出现短路故障时，负载设备承受的冲击能量为：W=I²Rt式中，I为短路电流；R为电路的电阻；t为从短路故障发生到电路被切断的时间。快速熔断器分断的时间短，且有很好的限流作用，故负载设备承受的冲击能量小。1.6.3快速熔断器的选择（1）电压等级的选择电压等级应根据熔断后快熔实际承受的电压来确定。线路变流变压器的线电压应低于快速熔断器的额定电压。（2）电流等级的选择电流容量应按其在主电路中的接入方式和主电路联结形式确定。快熔一般与电力半导体器件串联连接，在小容量装置中也可以串接于阀侧交流母线或者直流母线中。经电力半导体器件与快速熔断器串联短路实验验证，以半导体额定电流乘以系数，做为所选用的快速熔断器的额定电流。但必须注意：快速熔断器的额定电流是有效值，而半导体器件的额定电流是平均值。快速熔断器的熔断电流Io的熔断时间在理论上是无限大的，称为最小融化电流或临界电流，即通过熔体的电流小于临界值就不会熔断。（3）I²t的选择快熔的I²t值应小于被保护器件的允许I²t值。为保证熔体在正常过载情况下不熔化，应考虑其时间——电流特性。由于各种电器设备（包括电网）都有一定的过载能力，当过载较轻时可以允许较长时间运行，而超过某一过载倍数时，相应要求熔断器在一定时间内熔断。选择熔断器做设备（器件）的过载和短路保护，必须了解被保护设备（器件）的过载特性，使这一特性恰当地处在熔断器时间——电流特性的保护范围之内。在设计快速熔断器时，为满足半导体器件不断提高的额定电流，要采取许多措施，而不能简单地用算术方法来选择快速熔断器。实验证明，当额定电流增加1倍时，快速熔断器的I2t值是原来的4倍，而半导体器件I2t值的增加要小的多。要使快速熔断器降低I2t值有较大的难度，只有多方面采取措施，如合理的熔片分布、缩短熔体长度、减小电弧栅和提高灭弧材料的熄弧能力等。I2t值是精选快速熔断器的重要指标之一。1.6.3快速熔断器的选择（4）分断能力的选择快速熔断器的外壳强度在很大程度上确定了对最大故障电流的分断能力。其次，快速熔断器内部的金属熔片形状、填料吸附金属蒸汽能力和热量、熔断体的电动力等都影响分断能力。设计整流器时应计算“整流变压器”的相间短路电流，并按此电流选用具有足够分断能力的快速熔断器。分断能力不足的快速熔断器会持续燃弧直至爆炸，严重时会导致交直流短路，故额定分断能力是一个安全指标。另外，产品制造的分散性也是影响分断能力的因素之一。易于忽视的问题是在短路故障时线路的功率因数，因为在快速熔断器分断时所产生的电弧能量的大小与电路感抗的大小有很大的关系，当线路功率因数cosφ＜0.2时对分断能力有特别高的要求。快速熔断器分断时的能量：Wo=Wa+Wr+W1式中：Wa——电弧能量；Wr——电阻消耗能量；W1——线路电感释放的能量。在分断能力满足“整流器”的要求时，还要注意分断瞬间电弧电压峰值（标准中称为“暂态恢复电压”）不能过高，要在快速熔断器制造时予以限制，使其低于半导体器件所能承受的最大值，否则半导体器件将会损坏。故分断时间最短的熔断器不一定最适用。当快速熔断器用于直流电路中时，因为在直流分断过程中不存在电压的过零点，这对快速熔断器的可靠分断是一个苛刻的条件，所以一般情况下快速熔断器若用在直流电路中只能用到快速熔断器额定电压的60%，最好选用直流快速熔断器。