低压熔断器技术研究现状及展望.doc

低压熔断器技术研究现状及展望上海电器科学研究所（集团）有限公司 上海电器设备检测所 邢琳 梁科 孙莉 摘要：本文主要对当前的低压熔断器的原理和熔断器的各研究方面进行了介绍和总结，并对熔断器的发展趋势作出了展望。关键词：熔断器 熔体 电弧1引言熔断器作为一种传统的电路保护设备，在世界上被各国大量地生产和使用，它们承担着保护导线和电器设备的重要任务，减少了事故的发生，从而确保了对用户供电的安全。当前世界各国生产厂家和各研究单位都在不断努力改进熔断器的产品性能，尤其是提高熔断器的分断能力。随着当今电子技术和计算机科技的飞速发展，促使电力系统的各项保护设备向自动化、智能化和小型化方向迈进，以满足我国达到国际先进水平成为世界电力需求大国的需求。对于熔断器，有很多研究课题，例如，熔断器的工作状态、熔体的材料成分、温升、弧前特性、电流断开以及断开过程的燃弧现象、老化现象及可靠性、熔断器的发展方向等等。下面就以上这些研究的现状进行介绍和展望。2熔断器过载电流下的工作状态当熔断器通过超过一定的数值的额定电流时，熔断器的熔体因通过过载电流或短路电流而发热，其温度上升到熔体材料的熔点，但仍处于固态，尚未开始熔化。随着温度的升高，熔体的电阻会变大，温度将加速地向熔体熔点升高，熔体的部分金属开始由固态向液态转化，这时由于熔体熔化要吸收一部分热量（熔解热），故熔体温度始终保护为熔点。经过一定的时间，熔体的温升将达到熔化点，熔体在恒定的温度先开始熔化，在熔化过程中熔体呈液态，一直温升到汽化点，此即第二期加热阶段。熔体在熔化时，热量的上升会使熔体的狭颈处电阻迅速增大，这样狭颈处会产生大量的热量，结果使熔体和电弧发生断裂，出现间隙，并因间隙被击穿而产生电弧，直至该电弧被熄灭。此时，电流迅速下降，电压迅速上升，在燃弧熄灭时，电弧电压大于电源电压，此时的感应电压为：电弧熄灭以后，电压降到电源电压，电路被切断。 图1 熔体温度上升到电流断开的过程 （）熔体温度开始升温至熔点的时间，（）熔化的时间，（）升温至汽化点的时间，（）汽化和产生电弧至电流断开的时间弧前过程的主要特征是熔体的发热与熔化，即熔断器在此过程中的功能在于对故障作出反应。显然，过载电流相对额定电流的倍数越大，温度上升就越快，弧前过程也越短；反之，过载电流倍数越小，弧前过程就越长。电弧过程的主要特征是含有大量金属蒸汽的电弧在间隙内蔓延、燃炽，并在电动力作用下于介质中运动，为介质所冷却，最后因弧隙增大以及电弧能量被吸收而无法持续燃积，终于熄灭。这个过程的持续时间决定于熔断器的有效熄弧能力。3短路下的工作状态电路短路时，在极短的时间里（通常是几毫秒）就使得熔体熔化和汽化，熔化和汽化的瞬间爆炸般产生的电弧，因为时间较为短暂，可以认为没有热量传输，这个状态称为绝热状态。图2 熔断器开断短路电路时的电流和电压示波图熔断器应该能承受在短路时电流所产生的电弧能量。由于熔体周围填充物的熄弧和冷却作用，会引起电压上升，使电弧产生的总电弧电压增大到大于电源电压和达到制造厂家所规定的允许值。电弧熄灭，电流下降到零。在电流过零时，电流被开断。4熔体的材料成分常用的低熔点材料（铅锡合金、锌）在临界电流时的发热对熔断器各部分影响不大，不致超过规定值。但它的电阻率较大，在一定电阻时，需要较大的截面积，体积增大，熔断时会产生大量金属蒸气，不利于灭弧，其分断能力也受到限制，通常只适宜做小电流熔断器。 高熔点材料（银、铜、铝）通常用于有填料（石英砂）的熔断器，而且用纯铜或纯银制造，其纯度要求高于99.99。因为在一定电阻时，所需截面积较小，在熔化时金属蒸气较少，有利于灭弧。由于其电阻率较低，制成熔体后与相同尺寸的其他低熔点熔体材料相比，额定电流大、功耗低，容易满足高分断电流能力的要求。其缺点是熔点高，在过电流分断时的温度甚高，可能使整个熔断器达到不能承受的程度。这样就会对小过载失去保护。20世纪50年代以后，人们利用冶金效应来降低熔体的熔化温度。70年代开始也有选用纯铝作为熔体。通常管式熔断器的熔体多数采用锌片，也有采用铜片或黄铜片。家用熔断器的熔体绝大多数采用铅锡合金丝，成分为铅70和锡30。额定电流较大时，也有选用铜丝的。指示熔断器是与主熔断器并联，当主熔断器熔断时能显示熔断的一种信号熔断器。希望它在正常工作时几乎没有电流流过或仅几毫安电流流过，因此常采用机械强度较高的细康铜丝作为熔体，它是铜60和镍40组成的合金丝。在限流熔断体中，高分断能力熔断器的熔体通常采用铜，也有采用银。当额定电流较小时，熔体常做成丝状；当额定电流较大时，则做成变截面状。由于铜和银均为高熔点金属材料，为保证在过载电流下能可靠地分断电流，常在熔体一定间隔处，焊上低熔点金属，如锡或镉合金等，这样就设置成了软锡焊点。它可以缩短熔断器在过载电流时的熔化时间，当熔断器发生过载电流现象时，就会在熔体的软锡焊点处发生扩散过程，软锡焊点处的锡会渗透到纯银熔体材料中去，这种现象称为冶金效应。它可以使这部分电阻不断增大，最终导致软锡焊点处加速熔化，从而断开电路。利用软锡焊点可以显著降低纯金属的熔化温度，例如，纯银的熔点为960，铜的熔点为1080，而加入软锡后，软锡焊点处的熔点可以降低到220左右。这样，就使过载电流的熔化时间缩短到几秒钟。在软锡中再加入其它少量不同的金属后，还可以不同程度地降低熔体熔化温度。当前各生产厂家都有自己的生产配方。冶金效应也有缺点，它会使熔断体容易老化，使熔断体的时间电流特性曲线不稳定，国外已经有很多熔断器生产厂家在采取其它措施来改善过载电流的性能。随着熔断器技术的不断进步，对熔体材料的研究还会不断地深入。5熔断器的温升熔断器在稳定运行时的温升是其性能指标的重要参数之一，特别是大容量的熔断器。为了降低熔断器运行时的温升，改善其性能，研究者采取了很多有效的措施，例如采取冶金效应点，冶金效应首先是可以降低熔断器的温升，其次是改善熔断器低过载故障电流的开断性能。还可以采取强迫冷却的措施，即在熔断器两端加散热片，或采用水冷管对熔断器进行冷却，或者采用金属作为外壳来改善其稳定运行时的外壳散热条件等等。在稳定的运行条件下，熔断器的各处部件的热作用对温升均有影响，从理论上精确计算熔断器的稳定温升还比较困难，研究者通过对熔断器的各部分（外壳、触头、盖端）的热作用等采取热阻、热容效应进行等效，这样就建立起一个容易分析和计算的模型。近几年来还可以利用红外线测试仪来测量熔断器在稳定时各部分的温度分布，这样就能较为精确地计算出熔断器的稳定温升了。对熔断器的温升的研究，直接影响着其产品设计，对于额定电流较大的熔断器，其稳定温升仍然是需要解决的重要问题之一。6弧前特性熔断器的熔体形状比较简单，通常都是圆形丝状或带状，对与弧前特性分析通常是以绝热假设为基础，利用为常数来进行计算。现在的熔体大部分采用各种形状截面的带状熔体。英国A.Wright用计算机的熔断器的弧前现象进行了分析。他认为：对于一般的短路的情况，热量只在熔体间发生传导，应采用有限差分方法来计算其热过程，不应考虑石英砂及端子的传热；对于短路电流较大的情况，由于时间极为短暂，可以认为热量不向外传导扩散，以绝热为基础，利用为常数来进行分析；在最小熔化电流或稳定工作电流时，就应该考虑熔断器各部分的传热；如果熔断器通过小的过载故障电流时，就必须考虑到石英砂的传热。这样在各种电流下的热分析与实际情况较为接近，计算结果也较为准确。一些其它的研究者也发表过有关此类的文章。在对不同形式的熔断器的弧前现象研究中，通过在真空和在空气中的细丝状熔体熔断器的热耗散的测量，可以得出下列结论：真空熔断器的总功耗比在空气中的无填料熔断器的要小很多。对于周期性的负载，熔体散热和电流周期分布的均匀性对熔断器的承受周期性负载的稳定性有很大裨益。熔管中填入石英砂后，也能提高其周期性负载的稳定性。有关熔断器弧前特性现象的研究工作，在理论计算和试验研究各方面，都取得了很大的成果。借助于计算机技术的发展和广泛应用，对于弧前特性现象的研究正向着更精确的计算和模拟方法的方向发展。7电流断开和燃弧现象熔断器的电流断开和电弧现象直接关系到电路中的设备的安全和工作人员的人身安全。熔断器研究者在这方面的研究也是最多的。熔体的结构、宽度和厚度、并联数目等都对电流断开性能的影响比较显著。减小熔体的厚度，可以提高其电流断开的性能。对于电流等级相同的熔断器，采用多个细薄的熔体并联，其效果比采用单个厚度较大的熔体要好得多。多个细薄的熔体并联，增大了其散热面积，而且在燃弧期间值会明显地减小，燃弧过程中的金属蒸汽的扩散面积也增大了，还有利于介质恢复强度的提高。熔断器在开断电流和燃弧现象时产生的压力，也有很多学者进行研究。熔体在断开大电流时产生的压力有两种：首先是熔体熔化并汽化时所产生的压力，叫做爆炸压力；另外是电弧能量增加而使压力进一步增大，叫做燃弧压力。而且两种压力都可能引起外壳的炸裂。目前这方面的研究还在进行中，相信会对产生的压力机理的分析计算、压力波的传播过程等等都建立数学模型并给出理论解释。对各种不同材料的填料，或混合不同组成成分的填料进行试验研究，对其燃弧过程中的相关参数如燃弧时间、燃弧值等进行比较分析，认为石英砂作为填料还是最理想的。而且石英砂通过胶合作用而使颗粒固化为一个整体后，可以抑制燃弧过程中电弧直径的扩展，这样就提高了熔断器的极限分断能力。另外为了提高熔断器的低过载电流开断性能，可以利于产气熄弧法，即利用产气有机材料（PVC，PTFE）作支撑，电弧燃烧时，电弧的高温使有机材料分解产生气体，这种气体就可以起到快速熄灭电弧的作用。当前对这方面的研究较为活跃。在上世纪70年代以前，研究者对熔断器电弧的研究，通常都是假设电弧直径为常数的，事实上电弧通道是随着电弧的燃烧而不断变化的。20世纪70年代之后，A.Wright和Gnalingam.S等人通过试验观察和对电流断开后的熔断器进行分析，提出了电弧随时间、电流等参数变化的观点，并在数学模型中加入这些因素的影响。此后的研究者都在研究时的数学模型中考虑到电弧通道变化的因素。在短路情况下，熔断器的开断过程比较简单，研究者对开断电流的电弧特性的研究就比较多。而对于低过载电流情况，熔体的开断过程就很复杂，建立数学模型也比较困难，相对研究就少一些。在低过载情况下，只对直流电路条件，单根均匀丝的熔断器的开断小过载电流时的电弧数学模型进行过研究。相信对于这方面的研究也会朝着更精确的方向发展。而且随着全范围分断能力熔断体的发展应用，对在交流情况下的熔断体变截面熔体开断低过载电流时的电弧数学模型的研究也会取得突破性进展。8保护特性、可靠性和老化现象熔断器的保护特性亦可称熔化特性，它是熔断器的主要特性。 熔断器的保护特性中有条熔断电流与不熔断电流的分界线，与此相应的电流就是最小熔断电流。 最小熔化电流与熔体的额定电流之比称为溶化系数，它是表征熔断器保护小倍数过载时的灵敏度的指标。从过载保护的观点来看，小，对小倍数过载有利，例如，从电缆和电动机的过载保护来看，值宜在1.21.4之间。如果值小到接近于1，则不仅熔体在额定电流下的工作温度会过高，而且还有可能因本身的误差而发生熔体在额定工作电流下也熔断的现象，这就影响了熔断器工作的可靠性。 由于熔体材料成分的变化，熔体尺寸的偏差及其表面状态和冷却条件的变化，熔断器接触不良以及周围介质温度的变化，使熔断时间也发生变化，以致熔断器的保护曲线不稳定，形成一个有10%20%误差的一条带。这样，就有可能发生在额定电流下熔断，而在小倍数过载时反而不熔断的现象。在安装和使用熔断器时，均应充分注意到这一点。熔断器的可靠性取决与分断能力。为了保证从最小过载电流至最高短路电流范围内稳定的额定分断能力，在设计和制造熔断体时必须重视许多质量特征，例如除了熔体设计外，对熔体的外形尺寸、冲裁图形及其在熔管中的位置、熔管的抗压强度和温度交变强度以及石英砂的化学纯度、颗粒大小和振实密度都具有重要意义。熔断器的可靠性除了稳定的额定分断能力以外，熔断体的限流作用对供电系统的经济性起着重要的作用。用熔断器分断短路时，短路电流在熔断体分断之前是不断地流入电网。短路电流只受到电网阻抗的限制。 通过熔体的全部狭颈处的同时熔化，这样就会产生一连串的一段电弧，它具有极强的限流作用，保证了快速分断。同样，限流特性在很大程度上是决定于熔断体的制造质量。电弧的快速建立与准确的熄灭是保证可靠分断能力的先决条件。熔断器的老化问题，尤其是由于冶金效应对熔体老化的影响，历来是研究的热点。对这方面的研究，如扩散时的温度和冶金效应点的形状和材料对时间-电流特性的影响，熔体的形状和材料、冶金效应点对于狭颈的位置对熔断器老化问题的影响，依据有一些研究者进行了深入的研究。有冶金效应点的熔体，在循环电流负载条件下时，如果承受小电流而长时间通电的循环负载电流，熔断器的老化主要是由于扩散作用引起的，即冶金效应点材料的扩散导致熔断器老化的效果比较明显；如果承受大电流而短时间通电的循环负载电流，熔断器的老化主要是由于熔体氧化所导致的，氧化的部位通常在熔体的狭颈处。没有冶金效应点的熔体，其老化的主要原因是由于氧化所引起的。熔断器的电接触部分的老化问题，通过镀锡、镀镍、镀银情况下的接触电阻的研究，结论是在镀银时，电接触能在长时间的温度循环时也能保持一个较低的接触电阻，而镀锡和镀镍的熔断器，时间长久以后其接触电阻会变大。对于熔断器可靠性的研究，是一个新的领域，相信不久会有很大的进展。9未来熔断器的发展趋势尽管熔断器是一种传统的电路保护设备，但它仍然是一种很有效的电器保护设备，相信对它的研究还会取得不断的突破。笔者认为，随着技术的不断发展，熔断器会朝着以下几个方向发展：9.1 性能会越来更高随着电子产品发展的多样化和新型化,人们对电路也提出许多新的保护要求,由此会陆续出现许多新型的或具有新颖保护功能的熔断器品种,例如熔断的动作会更快、耐脉冲能力特强,微小额定电流或更大额定电流、以及更小的体积的等等，这些都是发展的方向。9.2 向智能化和小型化方向发展由于电子技术的不断发展,特别是微电子和数字电子的发展,对电路保护就出现了许多新的课题,例如静电保护、雷击保护、电磁干扰保护等等。熔断器的发展也许会朝着微型化、表面贴装、多功能或多回路的集成化的方向发展，成为兼有过电流保护特性以及电路其它保护特性的新产品，甚至兼有可重复使用的功能。这也是可能的发展趋势。9.3 朝着更环保的方向发展随着人们环保意识的逐步增强，熔断器会朝着环保的方向发展。现在的熔断器中通常都含铅、镉和其它一些重金属，而这些金属都会对环