大功率整流器中快速熔断器的选型.doc

大功率整流器中快速熔断器的选型时间：2011-03-16 22:53:18 来源：西安西电电力整流器公司，西安中电变压整流器厂 作者：钟授钊，贾继业，吴春学摘要：说明了作为大功率整流器中整流管或晶闸管的短路保护元件快速熔断器的选型与参数计算。 关键词：整流器；快速熔断器；短路保护 快速熔断器在大功率整流器中与整流管或晶闸管串联连接，作为对整流器件短路故障的保护元件。当整流器件发生反向击穿故障时，快速熔断器快速分断故障支路的短路电流，保护整流器免受故障短路电流的危害。 1 大功率整流器的特点 大功率整流器可以电解铝用整流器为代表，在我国随着单个电解槽产量的提高，电解铝的年产量已由100kt增加到140kt，于是槽电压已由800V提高到1200V，槽电流已由160kA增至280kA，相应的整流变压器容量已提高到75100MVA。单台输出电流高达5075kA的整流器，对整流管、快速熔断器也提出了更高的技术要求。 图1为年产140kt电解铝用直流系统图，它由四组整流机组并联组成，其中一组为备用。每组整流变压器容量254.99MVA，向二台1220V、37kA整流装置供电。整流器采用三相桥式同相逆并联电路，每桥臂由4只ZP-4800V/4500A整流管并联组成，下面讨论如何选用合适的快速熔断器进行保护。 图1 整流系统结构图 2 快速熔断器的选用 2.1 熔断器的额定电压UNF UNF值应稍大于熔断器熔断后两端出现的外加电压稳态最大有效值。对数台整流器并联运行的直流供电系统，当其中某一桥臂短路时，或逆变器中发生桥臂直通故障时，施加在熔断器二端的电压为交流电压UVO与部分直流电压Udo之和，可按下式计算1： UNF（三相桥式电路） 或UNF（双反星形电路） 图1中整流变压器阀侧电压1050V，可选用1200V电压等级的快速熔断器。 2.2 熔断器的额定电流INF INF的选用应以整流电路中实际流过熔断器的电流有效值IF为基础，并考虑环境温度（系数ka），冷却条件（系数kT），电流裕度（系数kI）等因素影响进行计算，而不是按与熔断器串联的半导体器件的通态电流平均值转化成有效值来计算。当流过熔断器的电流是脉冲波形时，应计算相应的有效值，而不是取其最大值。 INFIFkakTkIkIF 式中：k值一般可取1.52。对自冷式熔断器，k取较大值，尤其对熔断器两端连接导线特别短的电路结构，需取最大值；对水冷式熔断器k取较小值。快速熔断器选用的额定电流过大，势必增加熔断器的I2tF值，对半导体器件的保护是有害的。 图1中每个整流桥臂有4个整流管并联工作，当均流系数按09考虑时，则流过熔断器中的最大电流的有效值为 IFmax=Id/2(0.934)=2970A 由于大电流快速熔断器采用水冷式结构，因此它的额定电流可选用INF=1.5IFmax4500A。当桥臂中一个整流管损坏后，流过熔断器的电流增加到3960A，仍可保证整流器额定电流的输出。 2.3 I2t值的核算 当半导体器件与快速熔断器串联工作时，半导体器件允许通过的I2tD值应大于快速熔断器的I2tF值，不然熔断器熔断时，器件也被烧损。二者关系可按下式计算 I2tF0.9I2tD 整流管的I2tD值随电流的倍数平方值增加，见表1。快速熔断器的I2tF值则增加更快，见表2。从表1、表2中可以看出，200A整流管可配315A熔断器作保护，而2000A整流管只能配用2200A以下熔断器作保护了。 表1 ZP型整流管的I2tD值（平均值） 通态电流/A 200 400 600 800 1000 1600 2000 I2t/A2s 0.6105 2.2105 4.75105 8.5105 13.9105 35.5105 56.7105 表2 法国FERRAZ公司PSC系列（660V）快速熔断器的最大熔断I2tF值额定电流有效值/A 315 630 900 1250 1600 2200 2800 最大熔断的I2t值/A2s 0.4105 2.8105 9105 11105 19105 50105 100105 大功率整流器的桥臂中通常设计为26个整流管并联运行，如图1所示。当A相某整流管反向击穿形成变压器阀侧短路时，流过两个健全臂（B、C相）的电流幅值并不相等，B、C相电流幅值为A相短路电流幅值的50802。图2为1500V、2000A整流器中快速熔断器保护试验波形，它是在人工短接A相桥臂整流管（相当于整流管反向击穿而形成桥臂短路）时拍摄的变压器阀侧短路的相关波形图。从图2中看出，人工短接整流管支路的快速熔断器经9.9ms后分断（由于短路电流值较小，因此分断速度较慢），B、C相熔断器与整流管完好，流过B、C相桥臂的短路电流幅值分别为12.3kA与11.0kA，为A相桥臂短路电流幅值的60与54。短路电流的幅值大小与产生短路的时刻（合闸角）及短路电路中的感抗X与电阻R值等因素有关。从这个观点考虑，在多个整流管并联的桥臂中，快速熔断器的I2tF值允许大于串联连接的整流管的I2tD值，但不宜相差太多。众所周知，熔断器的熔断能量I2tF是熔化能量I2t1与燃弧能量I2t2之和，即I2tF=I2t1I2t2，I2t1值约为（1525）I2tF。因此，在选用快速熔断器时，要防止流过健全臂中熔断器的I2t1值过大，否则会引起健全臂中熔断器热疲劳损坏及整流管的过载损坏。 图2 模拟整流管击穿短路时的相关波形图 熔断器的I2tF值与其设计参数，生产工艺有关。因此，由于生产厂家不同，设计参数不同，生产工艺不同，国内外厂家生产的相同额定电压，额定电流的快速熔断器，却有着不同的I2tF值。如西安西整熔断器厂生产的1000V，6000A快速熔断器老产品的I2tF值为76106A2s，而该企业的新产品RS-1000V/6000AP115SS型快速熔断器（1000V、6000A）的I2tF值为55106A2s，二者相差38。因此，在设计大功率整流器时，对于具有相同电压和电流的快速熔断器应优先选用I2tF值较小的。 按上所述，针对图1中的大功率整流器选用快速熔断器时，应选用I2tF值为40106A2s，与ZP4800V/4500A整流管的I2tD相比，后者I2tD值为30106A2s，尚小于前者，但相差不大。由于桥臂上有四只整流管并联工作，这样选用快速熔断器是合理的，并且是可靠的。 2.4 分断能力的核算 大功率整流器的整流变压器容量大，当变压器阀侧桥臂短路时，短路电流相当大，整流器或直流电源系统设计时应计算桥臂短路电流值与直流侧短路电流值。被选用快速熔断器的分断能力应大于可能流过故障支路熔断器的最大短路电流值，否则快速熔断器在分断短路电流时可能会发生瓷套炸裂、喷弧、甚至烧损整流器等现象。 文献3曾对图1所示整流电路的桥臂短路电流进行过计算，流过桥臂故障整流管的稳态短路电流有效值IbD=186kA，直流侧短路时，短路电流平均值IbDp1=100.12kA。 在数台整流器并联的直流电源系统中，对三相桥式电路的桥臂熔断器核算其分断短路电流值时，可以计算整流变压器阀侧短路的稳态电流有效值。但对双反星型电路的整流器来说，流过故障桥臂熔断器的短路电流除上述变压器阀侧短路的交流分量外，尚包含其余并联整流器输入的直流电流分量，这时，快速熔断器应有更高的分断能力。过去国产快速熔断器的分断能力为50、70、100kA数种，已不能适应大功率整流器配套的需要。目前，西安西整熔断器厂已研制成功RS4（H）系列高分断能力的快速熔断器，经国际著名试验站试验，其分断能力达到230kA（有效值），可满足大功率整流器配套的需要。 2.5 燃弧峰值电压 快速熔断器分断时，其断口产生的过电压为熔断器工作电压的22.5倍，为此要防止正常的半导体器件受到损害。 3 结语 快速熔断器的选型应综合考虑额定电压UNF、额定电流INF、最大熔断I2t值、分断能力等参数，以做出最佳选择。 电容器组熔断器使用及电子开关熔断器使用选择：熔断器是根据电流超过额定值一定时间后，使其自身产生的热量使熔体熔化，使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，尤其是应用于电容器组是当今保护最为广伐的主要产品之一；熔断器是一种短路过电流保护电器。熔断器的主要组成部分有熔体和熔管外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过额定值，并经过一定时间后，熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，快速切除该故障回路，起到保护的作用。以金属导体作为熔体而分断电路的电器。串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。 熔断器的使用和维护 配电系统中熔断器是起安全保护作用的一种电器，熔断器广泛应用于电网保护和用电设备保护，当电网或用电设备发生短路故障或过载时，可自动切断电路，避免电器设备损坏，防止事故蔓延。熔断器由绝缘底座(或支持件)、触头、熔体等组成，熔体是熔断器的主要工作部分，熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线，当电路发生短路或过载时，电流过大，熔体因过热而熔化，从而切断电路。熔体常做成丝状、栅状或片状。熔体材料具有相对熔点低、特性稳定、易于熔断的特点。 在熔体熔断切断电路的过程中会产生电弧，为了安全有效地熄灭电弧，一般均将熔体安装在熔断器壳体内，采取措施，快速熄灭电弧。熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在电力系统中广泛被应用。 熔体额定电流不等于熔断器额定电流，熔体额定电流按被保护设备的负荷电流选择，熔断器额定电流应大于熔体额定电流，与主电器配合确定。在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为5200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为501000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。使用的熔体为变截面的锌合金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用。 有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。 由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。照明电路熔体额定电流被保护电路上所有照明电器工作电流之和。 单台直接起动电动机熔体额定电流(1.52.5)电动机额定电流。多台直接起动电动机总保护熔体额定电流(1.52.5)各台电动机电流之和。降压起动电动机熔体额定电流(1.52)电动机额定电流绕线式电动机熔体额定电流(1.21.5)电动机额定电流。配电变压器低压侧熔体额定电流(1.01.5)变压器低压侧额定电流。并联电容器组熔体额定电流(1.31.8)电容器组额定电流。电焊机熔体额定电流(1.52.5)负荷电流。电子整流元件熔体额定电流1.57整流元件额定电流。熔体额定电流的数值范围是为了适应熔体的标准件额定值。熔断器的保护特性应与被保护对象的过载特性相适应，考虑到可能出现的短路电流，选用相应分断能力的熔断器。熔断器的额定电压要适应线路电压等级，熔断器的额定电流要大于或等于熔体额定电流。线路中各级熔断器熔体额定电流要相应配合，保持前一级熔体额定电流必须大于下一级熔体额定电流。熔断器的熔体要按要求使用相配合的熔体，不允许随意加大熔体或用其他导体代替熔体。检查熔断器和熔体的额定值与被保护设备是否相配合。检查熔断器外观有无损伤、变形，瓷绝缘部分有无闪烁放电痕迹。检查熔断器各接触点是否完好，接触紧密，有无过热现象。熔断器的熔断信号指示器是否正常。熔体熔断时，要认真分析熔断的原因，可能的原因有：短路故障或过载运行而正常熔断。熔体使用时间过久，熔体因受氧化或运行中温度高，使熔体特性变化而误断。熔体安装时有机械损伤，使其截面积变小而在运行中引起误断。拆换熔体时，要求做到：安装新熔体前，要找出熔体熔断原因，未确定熔断原因，不要拆换熔体试送。更换新熔体时，要检查熔体的额定值是否与被保护设备相匹配。更换新熔体时，要检查熔断管内部烧伤情况，如有严重烧伤，应同时更换熔管。瓷熔管损坏时，不允许用其他材质管代替。填料式熔断器更换熔体时，要注意填充填料。熔断器应与配电装置同时进行维修工作：清扫灰尘，检查接触点接触情况。检查熔断器外观(取下熔断器管)有无损伤、变形，瓷件有无放电闪烁痕迹。检查熔断器，熔体与被保护电路或设备是否匹配，如有问题应及时调查。注意检查在TN接地系统中的N线，设备的接地保护线上，不允许使用熔断器。维护检查熔断器时，要按安全规程要求，切断电源，不允许带电摘取熔断器管。本文主要介绍电容器保护熔断器选型及使用：常用电容器组熔断器型号如：RT14、RT16、RT18、NT00、NT36、RT30、RT36、aM3、RS、BRW-BRN-喷逐式熔断器以及尾线回收型熔断器（尾线回收型熔断器仅限于使用保护高压电容器组，熔丝熔断瞬间熔体自吸弧，一般使用于装置体积较小场所，熔丝熔断以后无非弧采用弧光自吸灭，减少了装置结构的体积空间，降低了生产成本以及熔丝熔断弧光喷射造成的高压接地事故，这是尾线回收型熔断器在使用中优点之处，缺点是熔断器-熔断以后必须整套更换，熔丝熔断后从外观不易直观看到熔丝的好坏，也是各位设计工程师在选型时要注意的环节，尾线回收型熔断器生产厂家-丹东熔断器场，价格在每套在 40元左右，根据自己使用的熔体熔丝电流