快速熔斷器的選用及應用特性
摘要：分析了快速熔斷器在氯堿整流系統中的電流特性，說明選擇性能優良的快速熔斷器對整流器的正常運行至關重要。
 　　
 　　關鍵詞：快速熔斷器；整流器；特性；應用
 　　
 　　整流變電是氯堿行業中的重要環節，而快速熔斷器在半導體電力整流變電保護中的配置至關重要，一旦設備定型后，快速熔斷器的選用會直接影響直流供電的質量和用電的效率等整流變電參數。
 　　電力半導體器件熱容量小，在故障狀態下必須要有快速熔斷器保護，而快速熔斷器具有與半導體器件類似的熱特性，是一種良好的保護器件。本文涉及的是封閉式有填料式快速熔斷器，在運行中沒有外部現象。
 　　
 　　1 快速熔斷器的配置
 　　快速熔斷器在半導體電力整流器保護中的配置一般分2類。
 　　1.1 變流臂內部并聯支路配置保護式
 　　此類型主要用于大功率和超大功率整流器的保護。當變流臂中某一支路器件因某種原因損壞時（每一支路根據設備功率不同，一般并聯幾對快速熔斷器和半導體整流元件串聯而成，圖1僅標出1對快速熔斷器與半導體整流元件），導致與之串聯的快速熔斷器保護分斷后，一般情況下僅1個器件出故障，并不影響整個整流器的正常運行。目前，唐山三友集團冀東化工有限公司的半導體電力整流器保護中的配置就屬于變流臂內部并聯支路配置保護式，運行效果很好，如圖1所示。
 　　
 　　1.2 分相配置總體保護式
 　　此類型主要用于中、小功率整流器的保護。當某一變流臂中的器件因某種原因損壞時，導致該相快速熔斷器保護分斷后，整流器的保護將自動切斷供電電源，停止向整流器供電，氯堿行業不常用該配置，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低于快速熔斷器的額定電壓。經電力半導體器件與快速熔斷器串聯短路實驗驗證，以半導體額定電流乘以系數，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**代產品RS0、RS3系列（我國快速熔斷器的發展史可分為4個階段，**代是國內聯合設計的RS0、RS3系列，參數為480A、750V以下，分斷能力為50kA，是一種體積較大、價格低廉、電壽命短的初級產品，目前尚有相當裝機量）而言，該系數可按整流管為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），則可依據閥電流Iv以及變流裝置的負載特性選擇快速熔斷器，再按整流器可能產生的*大故障電流，來選擇有足夠分斷能力的快速熔斷器，如50kA或100kA，其中50kA為合格品，100kA為**品。
 　　
 　　3 快速熔斷器的應用特性
 　　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稱額定電流的30%～70%。快速熔斷器使用時或其一端被半導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；或進行強制風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，安裝時給予規定的壓緊力，*好使接觸面產生彈性變形。并聯的快速熔斷器要求逐個檢測接觸面的壓降。
 　　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電阻有很大的關系，選用冷態電阻較小的快速熔斷器有利于降低溫升，因為電流通過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影響其相鄰器件的工作。實驗證明，快速熔斷器的溫升低于80℃時可以長期運行，溫升100℃時制造工藝穩定的產品仍能長期運行，溫升120℃是電流通過能力的臨界點，若溫升達到140℃時，快速熔斷器不能長期運行。
 　　目前，化工行業一般采用水冷母排和風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計的，所以，用戶在使用前應向制造廠垂詢。風冷也是一種減少溫升的有效方法，根據風速通過能力曲線來確定風速對快速熔斷器溫升的影響，風速約5m/s時一般可以提高25%的通流能力，風速若再增加將不會有明顯的作用。
 　　根據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算出該支路的實際電流。
 　　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。先進工業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體器件串聯，如700A×2、1400A×2、2500A×2。雙并結構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個熔體（端子）焊為一體的結構，此類結構比較先進。電壓較高的快速熔斷器其內阻較大，尤其是800V以上產品，由于外殼瓷套有一定的長度，表面積較大，而熔體產生的熱量經由填料、外殼傳導散熱，故電壓高的快速熔斷器風冷效果較顯著。
 　　3.3 分斷能力的選擇
 　　快速熔斷器的外殼強度在很大程度上確定了對*大故障電流的分斷能力。其次，快速熔斷器內部的金屬熔片形狀、填料吸附金屬蒸汽能力和熱量、熔斷體的電動力等都影響分斷能力。設計整流器時應計算“整流變壓器”的相間短路電流，并按此電流選用具有足夠分斷能力的快速熔斷器。分斷能力不足的快速熔斷器會持續燃弧直至爆炸，嚴重時會導致交直流短路，故額定分斷能力是一個**指標。
 　　另外，產品制造的分散性也是影響分斷能力的因素之一。
 　　易于忽視的問題是在短路故障時線路的功率因數，因為在快速熔斷器分斷時所產生的電弧能量的大小與電路感抗的大小有很大的關系，當線路功率因數cosφ＜0.2時對分斷能力有特別高的要求。
 　　快速熔斷器分斷時的能量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。
 　　在分斷能力滿足“整流器”的要求時，還要注意分斷瞬間電弧電壓峰值（標準中稱為“暫態恢復電壓”）不能過高，要在快速熔斷器制造時予以限制，使其低于半導體器件所能承受的*大值，否則半導體器件將會損壞。故分斷時間*短的熔斷器不一定*適用。
 　　當快速熔斷器用于直流電路中時，因為在直流分斷過程中不存在電壓的過零點，這對快速熔斷器的可靠分斷是一個苛刻的條件，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
 　　熔斷器的熔斷時間t與熔斷電流I的大小有關，其規律是與電流的平方成反比。圖3表示t∞1/I2的關系曲線，稱為熔斷器的秒-安特性曲線。
 　　
 　　由于各種電器設備（包括電網）都有一定的過載能力，當過載較輕時可以允許較長時間運行，而超過某一過載倍數時，相應要求熔斷器在一定時間內熔斷。選擇熔斷器保護過載和短路，必須了解用電設備的過載特性，使這一特性恰當地處在熔斷器秒-安特性的保護范圍之內。
 　　由圖3可見，熔斷電流Io的熔斷時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熔斷。所以選擇熔體的額定電流Ie應小于Io；通常取Io與Ie的比值為1.5～2.0，稱作熔化系數。該系數反映熔斷器在過載時的不同保護特性，如要使熔斷器能保護小過載電流，融化系數就應該低些；為了避免電動機起動時的短時過電流使熔體熔化，融化系數就應高些。
 　　快速熔器電流通過能力滿足系統短路電流的要求后，發生短路故障時可以隔離故障電流，但能否保護所串聯的半導體器件則必須分析二者的I2t值。只有當快速熔斷器的I2t值小于半導體器件I2t值時，才能對半導體器件起到保護作用。短路故障時I2t值分為兩個階段，即弧前I2t和熔斷I2t。熔體金屬從固態轉為液態的時間是弧前時間， 大約1.0～2.0ms，可以認為是絕熱過程，此時間段快速熔斷器產生的電流時間積分可以認為是一定值，由設計來確定。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常數。當熔體金屬變為蒸氣時電弧始燃，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，它是一個變量。這一過程主要依靠填料被腐蝕而吸收能量。
 　　在設計快速熔斷器時，為滿足半導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方法來選擇快速熔斷器。實驗證明，當額定電流增加1倍時，快速熔斷器的I2t值是原來的4 倍，而半導體器件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之一。
 　　3.5 絕緣電阻
 　　快速熔斷器分斷后的絕緣電阻的指標由經驗證明是很重要的。20世紀90年代大量的產品中加入了鉀鹽、鈉鹽，鈉鹽可以提高電弧柵的分斷能力。而制造較差的快速熔斷器分斷后絕緣電阻大多低于0.3MΩ，甚至有漏電現象，特殊情況下切斷故障后經一段時間又重燃，這將引起更大的故障。質量好的快速熔斷器（加入了鉀鹽、鈉鹽）分斷后應形成0.5MΩ以上的絕緣電阻。快速熔斷器在分斷10min后能達到大于1～30MΩ的絕緣電阻，可認為有良好的可靠性。
 　　另外，使用快速熔斷器時還要考慮其壽命及可靠性；分斷后的絕緣電阻指標（＞0.5MΩ）；盡量低的暫態恢復電壓；不使用有隱形故障的產品等