快速熔斷器的選用及應(yīng)用特性
摘要：分析了快速熔斷器在氯堿整流系統(tǒng)中的電流特性，說明選擇性能優(yōu)良的快速熔斷器對整流器的正常運(yùn)行至關(guān)重要。
 　　
 　　關(guān)鍵詞：快速熔斷器；整流器；特性；應(yīng)用
 　　
 　　整流變電是氯堿行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，而快速熔斷器在半導(dǎo)體電力整流變電保護(hù)中的配置至關(guān)重要，一旦設(shè)備定型后，快速熔斷器的選用會(huì)直接影響直流供電的質(zhì)量和用電的效率等整流變電參數(shù)。
 　　電力半導(dǎo)體器件熱容量小，在故障狀態(tài)下必須要有快速熔斷器保護(hù)，而快速熔斷器具有與半導(dǎo)體器件類似的熱特性，是一種良好的保護(hù)器件。本文涉及的是封閉式有填料式快速熔斷器，在運(yùn)行中沒有外部現(xiàn)象。
 　　
 　　1 快速熔斷器的配置
 　　快速熔斷器在半導(dǎo)體電力整流器保護(hù)中的配置一般分2類。
 　　1.1 變流臂內(nèi)部并聯(lián)支路配置保護(hù)式
 　　此類型主要用于大功率和超大功率整流器的保護(hù)。當(dāng)變流臂中某一支路器件因某種原因損壞時(shí)（每一支路根據(jù)設(shè)備功率不同，一般并聯(lián)幾對快速熔斷器和半導(dǎo)體整流元件串聯(lián)而成，圖1僅標(biāo)出1對快速熔斷器與半導(dǎo)體整流元件），導(dǎo)致與之串聯(lián)的快速熔斷器保護(hù)分?jǐn)嗪螅话闱闆r下僅1個(gè)器件出故障，并不影響整個(gè)整流器的正常運(yùn)行。目前，唐山三友集團(tuán)冀東化工有限公司的半導(dǎo)體電力整流器保護(hù)中的配置就屬于變流臂內(nèi)部并聯(lián)支路配置保護(hù)式，運(yùn)行效果很好，如圖1所示。
 　　
 　　1.2 分相配置總體保護(hù)式
 　　此類型主要用于中、小功率整流器的保護(hù)。當(dāng)某一變流臂中的器件因某種原因損壞時(shí)，導(dǎo)致該相快速熔斷器保護(hù)分?jǐn)嗪螅髌鞯谋Ｗo(hù)將自動(dòng)切斷供電電源，停止向整流器供電，氯堿行業(yè)不常用該配置，如圖2所示。
 　　
 　　2 快速熔斷器的選用
 　　也稱電壓電流法。線路變流變壓器的線電壓應(yīng)低于快速熔斷器的額定電壓。經(jīng)電力半導(dǎo)體器件與快速熔斷器串聯(lián)短路實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以半導(dǎo)體額定電流乘以系數(shù)，做為所選用的快速熔斷器的額定電流。因快速熔斷器的額定電流是有效值，而半導(dǎo)體器件的額定電流是平均值，針對上述**類配置方案（圖1），對**代產(chǎn)品RS0、RS3系列（我國快速熔斷器的發(fā)展史可分為4個(gè)階段，**代是國內(nèi)聯(lián)合設(shè)計(jì)的RS0、RS3系列，參數(shù)為480A、750V以下，分?jǐn)嗄芰?0kA，是一種體積較大、價(jià)格低廉、電壽命短的初級(jí)產(chǎn)品，目前尚有相當(dāng)裝機(jī)量）而言，該系數(shù)可按整流管為1.4、晶體管1.2、快速晶體管為1來選配，如ZP1000配1400A快速熔斷器。針對上述**類配置方案（圖2），則可依據(jù)閥電流Iv以及變流裝置的負(fù)載特性選擇快速熔斷器，再按整流器可能產(chǎn)生的*大故障電流，來選擇有足夠分?jǐn)嗄芰Φ目焖偃蹟嗥鳎?0kA或100kA，其中50kA為合格品，100kA為**品。
 　　
 　　3 快速熔斷器的應(yīng)用特性
 　　3.1 電流通過能力
 　　快速熔斷器的額定電流是以有效值表示的，一般正常通過電流為標(biāo)稱額定電流的30%～70%。快速熔斷器使用時(shí)或其一端被半導(dǎo)體器件加熱而另一端被水冷母排冷卻，或雙面都被水冷母排冷卻；或進(jìn)行強(qiáng)制風(fēng)冷來控制溫升使之保持電流通過能力。
 　　整流器中快速熔斷器接頭處的連接狀況直接影響著快速熔斷器的溫升和可靠運(yùn)行，為此必須保持接觸面的平整和清潔。如無鍍層的母排的接觸面要去除氧化層，安裝時(shí)給予規(guī)定的壓緊力，*好使接觸面產(chǎn)生彈性變形。并聯(lián)的快速熔斷器要求逐個(gè)檢測接觸面的壓降。
 　　3.2 快速熔斷器的溫升與功耗
 　　快速熔斷器的功耗W=ΔUIw；ΔU=f(Iw)式中：Iw---工作電流；ΔU---快速熔斷器的壓降。
 　　快速熔斷器的功耗與其冷態(tài)電阻有很大的關(guān)系，選用冷態(tài)電阻較小的快速熔斷器有利于降低溫升，因?yàn)殡娏魍ㄟ^能力主要受溫升限制。如前所述，快速熔斷器接頭處的連接狀況也影響著快速熔斷器的溫升，要求快速熔斷器接頭處的溫升不應(yīng)影響其相鄰器件的工作。實(shí)驗(yàn)證明，快速熔斷器的溫升低于80℃時(shí)可以長期運(yùn)行，溫升100℃時(shí)制造工藝穩(wěn)定的產(chǎn)品仍能長期運(yùn)行，溫升120℃是電流通過能力的臨界點(diǎn)，若溫升達(dá)到140℃時(shí)，快速熔斷器不能長期運(yùn)行。
 　　目前，化工行業(yè)一般采用水冷母排和風(fēng)冷方式來降低快速熔斷器的溫升。水冷母排尤其對低電壓規(guī)格的快速熔斷器如400～600V效果更佳。快速熔斷器端子與水冷母排連接端溫差一般在1.0～2.0℃。許多大功率快速熔斷器是按水冷條件設(shè)計(jì)的，所以，用戶在使用前應(yīng)向制造廠垂詢。風(fēng)冷也是一種減少溫升的有效方法，根據(jù)風(fēng)速通過能力曲線來確定風(fēng)速對快速熔斷器溫升的影響，風(fēng)速約5m/s時(shí)一般可以提高25%的通流能力，風(fēng)速若再增加將不會(huì)有明顯的作用。
 　　根據(jù)制造廠提供的快速熔斷器電壓降曲線以及額定電流下的功耗，測量快速熔斷器兩極端子間的電壓降可以快速計(jì)算出該支路的實(shí)際電流。
 　　另外，在同樣的通流情況下，溫升還與快速熔斷器是否采用單一或雙并有關(guān)。先進(jìn)工業(yè)國家制造的大功率整流裝置中多采用快速熔斷器的雙并與半導(dǎo)體器件串聯(lián)，如700A×2、1400A×2、2500A×2。雙并結(jié)構(gòu)的快速熔斷器端子可以盡量減薄，以減小電阻。有一類雙并連接的快速熔斷器靠螺栓和連板連接，另一類是連板（端子）與2個(gè)熔體（端子）焊為一體的結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)比較先進(jìn)。電壓較高的快速熔斷器其內(nèi)阻較大，尤其是800V以上產(chǎn)品，由于外殼瓷套有一定的長度，表面積較大，而熔體產(chǎn)生的熱量經(jīng)由填料、外殼傳導(dǎo)散熱，故電壓高的快速熔斷器風(fēng)冷效果較顯著。
 　　3.3 分?jǐn)嗄芰Φ倪x擇
 　　快速熔斷器的外殼強(qiáng)度在很大程度上確定了對*大故障電流的分?jǐn)嗄芰ΑＦ浯危焖偃蹟嗥鲀?nèi)部的金屬熔片形狀、填料吸附金屬蒸汽能力和熱量、熔斷體的電動(dòng)力等都影響分?jǐn)嗄芰ΑＴO(shè)計(jì)整流器時(shí)應(yīng)計(jì)算“整流變壓器”的相間短路電流，并按此電流選用具有足夠分?jǐn)嗄芰Φ目焖偃蹟嗥鳌７謹(jǐn)嗄芰Σ蛔愕目焖偃蹟嗥鲿?huì)持續(xù)燃弧直至爆炸，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致交直流短路，故額定分?jǐn)嗄芰κ且粋€(gè)**指標(biāo)。
 　　另外，產(chǎn)品制造的分散性也是影響分?jǐn)嗄芰Φ囊蛩刂弧?br> 　　易于忽視的問題是在短路故障時(shí)線路的功率因數(shù)，因?yàn)樵诳焖偃蹟嗥鞣謹(jǐn)鄷r(shí)所產(chǎn)生的電弧能量的大小與電路感抗的大小有很大的關(guān)系，當(dāng)線路功率因數(shù)cosφ＜0.2時(shí)對分?jǐn)嗄芰τ刑貏e高的要求。
 　　快速熔斷器分?jǐn)鄷r(shí)的能量Wo=Wa+Wr+W1
 　　式中：Wa---電弧能量；Wr---電阻消耗能量；W1---線路電感釋放的能量。
 　　在分?jǐn)嗄芰M足“整流器”的要求時(shí)，還要注意分?jǐn)嗨查g電弧電壓峰值（標(biāo)準(zhǔn)中稱為“暫態(tài)恢復(fù)電壓”）不能過高，要在快速熔斷器制造時(shí)予以限制，使其低于半導(dǎo)體器件所能承受的*大值，否則半導(dǎo)體器件將會(huì)損壞。故分?jǐn)鄷r(shí)間*短的熔斷器不一定*適用。
 　　當(dāng)快速熔斷器用于直流電路中時(shí)，因?yàn)樵谥绷鞣謹(jǐn)噙^程中不存在電壓的過零點(diǎn)，這對快速熔斷器的可靠分?jǐn)嗍且粋€(gè)苛刻的條件，所以一般情況下快速熔斷器若用在直流電路中只能用到快速熔斷器額定電壓的60%，*好選用直流快速熔斷器。
 　　3.4 I2t的選擇
 　　熔斷器的熔斷時(shí)間t與熔斷電流I的大小有關(guān)，其規(guī)律是與電流的平方成反比。圖3表示t∞1/I2的關(guān)系曲線，稱為熔斷器的秒-安特性曲線。
 　　
 　　由于各種電器設(shè)備（包括電網(wǎng)）都有一定的過載能力，當(dāng)過載較輕時(shí)可以允許較長時(shí)間運(yùn)行，而超過某一過載倍數(shù)時(shí)，相應(yīng)要求熔斷器在一定時(shí)間內(nèi)熔斷。選擇熔斷器保護(hù)過載和短路，必須了解用電設(shè)備的過載特性，使這一特性恰當(dāng)?shù)靥幵谌蹟嗥髅?安特性的保護(hù)范圍之內(nèi)。
 　　由圖3可見，熔斷電流Io的熔斷時(shí)間在理論上是無限大的，稱為*小融化電流或臨界電流，即通過熔體的電流小于臨界值就不會(huì)熔斷。所以選擇熔體的額定電流Ie應(yīng)小于Io；通常取Io與Ie的比值為1.5～2.0，稱作熔化系數(shù)。該系數(shù)反映熔斷器在過載時(shí)的不同保護(hù)特性，如要使熔斷器能保護(hù)小過載電流，融化系數(shù)就應(yīng)該低些；為了避免電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)的短時(shí)過電流使熔體熔化，融化系數(shù)就應(yīng)高些。
 　　快速熔器電流通過能力滿足系統(tǒng)短路電流的要求后，發(fā)生短路故障時(shí)可以隔離故障電流，但能否保護(hù)所串聯(lián)的半導(dǎo)體器件則必須分析二者的I2t值。只有當(dāng)快速熔斷器的I2t值小于半導(dǎo)體器件I2t值時(shí)，才能對半導(dǎo)體器件起到保護(hù)作用。短路故障時(shí)I2t值分為兩個(gè)階段，即弧前I2t和熔斷I2t。熔體金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)的時(shí)間是弧前時(shí)間， 大約1.0～2.0ms，可以認(rèn)為是絕熱過程，此時(shí)間段快速熔斷器產(chǎn)生的電流時(shí)間積分可以認(rèn)為是一定值，由設(shè)計(jì)來確定。弧前I2t值對于不同的材料其值也不同，對于每一種材料它是一個(gè)常數(shù)。當(dāng)熔體金屬變?yōu)檎魵鈺r(shí)電弧始燃，在燃弧過程中電流由限流值降至零，此階段的I2t即為熔斷I2t，它是一個(gè)變量。這一過程主要依靠填料被腐蝕而吸收能量。
 　　在設(shè)計(jì)快速熔斷器時(shí)，為滿足半導(dǎo)體器件不斷提高的額定電流，要采取許多措施，而不能簡單地用算術(shù)方法來選擇快速熔斷器。實(shí)驗(yàn)證明，當(dāng)額定電流增加1倍時(shí)，快速熔斷器的I2t值是原來的4 倍，而半導(dǎo)體器件I2t值的增加要小的多。要使快速熔斷器降低I2t值有較大的難度，只有多方面采取措施，如合理的熔片分布、縮短熔體長度、減小電弧柵和提高滅弧材料的熄弧能力等。I2t值是精選快速熔斷器的重要指標(biāo)之一。
 　　3.5 絕緣電阻
 　　快速熔斷器分?jǐn)嗪蟮慕^緣電阻的指標(biāo)由經(jīng)驗(yàn)證明是很重要的。20世紀(jì)90年代大量的產(chǎn)品中加入了鉀鹽、鈉鹽，鈉鹽可以提高電弧柵的分?jǐn)嗄芰Α６圃燧^差的快速熔斷器分?jǐn)嗪蠼^緣電阻大多低于0.3MΩ，甚至有漏電現(xiàn)象，特殊情況下切斷故障后經(jīng)一段時(shí)間又重燃，這將引起更大的故障。質(zhì)量好的快速熔斷器（加入了鉀鹽、鈉鹽）分?jǐn)嗪髴?yīng)形成0.5MΩ以上的絕緣電阻。快速熔斷器在分?jǐn)?0min后能達(dá)到大于1～30MΩ的絕緣電阻，可認(rèn)為有良好的可靠性。
 　　另外，使用快速熔斷器時(shí)還要考慮其壽命及可靠性；分?jǐn)嗪蟮慕^緣電阻指標(biāo)（＞0.5MΩ）；盡量低的暫態(tài)恢復(fù)電壓；不使用有隱形故障的產(chǎn)品等