由于限流熔断器具有速断功能，故能有效地保护变压器。限流熔断器依靠填充在熔丝周围的石英砂对电弧的吸热和游离气体向石英砂间缝隙扩散的作用进行熄弧。限流熔断器由底座、底座触头、熔断件三部分组成。图9-14给出了高压大容量限流熔断器的结构原理图。图9-14 高压大容量限流熔断器的结构原理图1—撞击器 2—底座触头 3—熔断件 4—瓷瓶 5—石英砂 6—支持架 7—熔丝 8—熔断件触头 9—接线端子 10—绝缘子 11—熔断器底座......
2023-07-02
高压限流熔断器：保护电路必备的安全装置
【摘要】：由于限流熔断器具有速断功能，故能有效地保护变压器。限流熔断器依靠填充在熔丝周围的石英砂对电弧的吸热和游离气体向石英砂缝隙扩散的作用进行熄弧。限流熔断器由底座、底座触头、熔断件组成。图6-32给出了高压大容量限流熔断器的结构原理图。高压限流熔断器的应用如下。限流熔断器的电流等级应足够高于变压器的满载电流等级。
限流熔断器的限流特性很重要，当开断额定电流时，第一个大半波电流在未到达峰值前就被熄灭，使被保护设备受到很小的焦耳热（I2 t）。由于限流熔断器具有速断功能，故能有效地保护变压器。
限流熔断器依靠填充在熔丝周围的石英砂对电弧的吸热和游离气体向石英砂缝隙扩散的作用进行熄弧。熔丝通常用纯Cu或纯Ag制作，额定电流较小时用线状熔丝，较大时用带状熔丝。在整个带状熔丝长度中有规律地制成狭颈，狭颈处点焊低熔点合金形成冶金效应点，电弧在各狭颈处首先产生。线状熔丝也可用冶金效应，熔丝上会同时多处起弧，形成串联电弧，熄弧后的多断口，足以承受瞬态恢复电压和工频恢复电压。
限流熔断器由底座、底座触头、熔断件组成。熔断件由瓷管或者耐热的玻璃纤维管、导电端帽、芯柱、熔丝和石英砂构成，通常一端装有撞击器或指示器。在熔断器和负荷开关结构中，熔断器的撞击器对负荷开关直接进行分闸脱扣。触发撞击器可用炸药、弹簧或鼓膜。图6-32给出了高压大容量限流熔断器的结构原理图。
图6-32 高压大容量限流熔断器的结构原理图
1—撞击器；2—底座触头；3—熔断件；4—瓷瓶；5—石英砂；6—支持架；7—熔丝；8—熔断件触头；9—接线端子；10—绝缘子；11—熔断器底座。
高压限流熔断器的应用如下。
1.保护电动机用的熔断器的应用
对于高压电动机的保护，通常是由几种保护电器共同完成的，其中限流熔断器是很重要的保护电器，对于它的正确选用十分重要，根据IEC644规范的要求，推荐使用一组曲线，如图6-33所示。
图6-33 保护电动机回路的特性曲线
图6-33表示了保护装置与被保护电动机的特性曲线之间的关系，它们组成了典型的应用曲线，以下予以说明。
（1）用熔断器的时间-电流特性曲线10 s对应的电流值除以一个适当的熔断器K系数所得到的电流坐标应位于电动机启动电流点A的右侧。
（2）熔断器特性曲线与过流继电器保护特性曲线交叉点B的电流值应小于开关装置的开断电流值。
（3）如果安装了瞬时接地继电保护装置，那么动作点将由B点移至C点，这时应该特别注意一种可能性，即开关装置可能在大于它的额定开断电流的一种电流情况下工作。
（4）整个电缆曲线应位于操作特性DBCE的右侧，假如由于电动机起动功能性质不同（如长时间的起动和频繁的起动次数），同时要求所选择的熔断器需要高额定值，那么DBCE段将向右移动，这样电缆的截面尺寸应适当增加。
（5）熔断器在通过大电流时（一般对应电流不大于0.01 s），应把这个电流限制在开关能够承受的电流之内。
（6）要特别注意熔断器的K系数，它说明了熔断器的过载特性，即在规定的系数下使用熔断器可以使熔断器反复耐受电动机的起动和过载冲击，而不会受到损害。这个过载特性通过5～6 s时的熔断器特性电流乘以系数得到。
一般来讲要使熔断器对电动机的起动电流有一个最大的耐受能力，在时间-电流特性的10 s范围内使用一个高的起动电流（直接起动）是比较合适的。
若要对装置、电缆和电动机在0.1 s范围内有一个最大的短路保护，选用一个低的起动电流（即加辅助起动设备）是比较合适的。
总之，熔断器的额定电流选择要根据不同的任务和电动机起动电流及时间、起动次数来决定。
对于用于直接起动的电动机，其熔断器的额定电流为
式中：Iy——在起动时间内对应的电流值；
N——起动电流与满载电流之比，通常N=6；
In——电动机满载电流（即额定电流）；
K——熔断器系数。
在经过计算得出Iy后，即把这个电流值描绘在熔断器时间-电流特性曲线的10 s点上，与其所对应的曲线或靠近该点的曲线即是所要选的熔断器的额定电流，此值一般等于电动机满载电流的2倍。
2.保护变压器的熔断器的应用
对于变压器的保护，通常由几种保护电器共同完成保护任务，其中对限流熔断器的选用非常关键，根据IEC的规范要求，推荐使用图6-34所示的曲线。
为了使变压器得到最合适的保护，一般要根据变压器的特定任务来选择熔断器，其主要参数有变压器的满载电流，允许过载电流及浪涌冲击电流，还应结合下述选用原则进行。
（1）熔断器的时间-电流特性曲线应该位于变压器浪涌冲击电流的右侧，一般其曲线间隔应为25%左右（指电流间隔）。变压器的浪涌冲击电流一般考虑等于变压器满载电流的12倍，持续时间为0.1 s。
（2）限流熔断器的电流等级应足够高于变压器的满载电流等级。
（3）当变压器发生内部故障或二次侧线圈接头区域发生故障短路时，熔断器应能迅速动作以隔离电源。
（4）如果熔断器安装在一个封闭柜体内或使用环境温度高于标准要求，均应考虑熔断器的降容使用问题，以保证熔断器不在过热条件下运行。
（5）如图6-34所示，为了使变压器一次侧高压熔断器和二次侧低压熔断器或保护装置间有良好的配合，其高压侧熔断器时间-电流特性（最小弧前特性）和低压侧保护装置特性（最大总动作特性经过适当换算折合到高压侧的值）的交点B对应电流值应大于二次侧短路而引起的高压侧最大故障电流值。
图6-34 HV/LV变压器回路的保护特性
（6）最严重的故障情况是变压器一次侧与地之间和相间短路故障，这种故障将导致一次侧相电流分配比为1∶2∶1。这时一次侧承受的最大电流相上其变换系数为正常值的
倍，这一情况在选择熔断器时是必须加以考虑的。
（7）在可能出现较小故障电流的情况下，如变压器在无中性点接地，而发生电容性对地故障电流的电力系统中，如图6-35所示。如果D点对地短路，C相的电容与其组成一个较短的通路，那么该相的熔断器就承担了容性电流（与负载电流重叠），这个容性电流为每相正常充电电流的3倍，它很可能维持一个较长的时间，而使熔断器熔断体熔化。这时装有撞击器和熔断器开关联动脱扣装置的组合电器是能够安全分断电路的，但对无撞击器的熔断器来讲，它是不安全的。此时应尽量选用全范围保护用熔断器来进行保护才是较为可靠的。
图6-35 发生电容性对地故障电流的电力系统
（8）高压熔断器的最小分断电流值应小于与其组合使用的开关装置的最大分断电流值。然而，熔断器装有撞击器脱扣机构后，熔断器的最小分断电流值的意义就变得不十分重要了，这主要是因为当发生小倍数故障电流时，熔断器的动作时间一般至少需要0.6 s，而这时熔断器的撞击器联动开关的脱扣时间仅为0.04 s。显然，这时的开关装置在熔断器未完全动作以前就已经把电路切断了，从而对过小故障电流可不需熔断器来进行分断。
3.保护电容器用的熔断器的应用
引进产品的S系列、B系列和F系列保护变压器的限流熔断器，同样适用于户内电容器的保护，在容性电路中，由于各种电容器的安装方式不同，线路参数不确定，而使熔断器的选用比较困难。因此，一般是综合考虑多种因素后，才对熔断器作出最后的选用。主要有以下因素。
（1）由于熔断器在容性回路上不但要承担最大负波电流，而且还要承担谐波电流，因此熔断器的电流等级至少应是回路满载电流的1.43倍。
（2）通常小电流等级的熔断器比大电流等级的熔断器对电容器充电时的电流冲击更为敏感。因此，给出一条曲线来选择熔断器电流等级，以解决熔断器对冲击电流的承受能力问题，这条曲线主要说明了熔断器电流等级相对于负载电流的比率随着负载电流的增加而趋于增大的情况，如图6-36所示。
（3）在多组并联的电容器，以及一组电容器与其他已充好电的电容器组投入并网运行时的条件下，对熔断器的选择，通常是根据图6-36来进行的，并应把实际的电容电流乘以1.6倍后得出的负载电流再来查找相对应的熔断器电流。
图6-36 保护电容器的熔断器选择曲线
上述各因素是用来确定某一使用场合下熔断器的最小额定电流的，因此还需按下述条件来审查熔断器对电容器所能给予的保护程度。
（1）如果熔断器要用于任何没有相应过载保护的电容器回路中，建议最好选用F系列的全范围熔断器保护。因为该系列熔断器具有足够低的最小分断电流，它能防止小电流过载的保护失败。
（2）对于串联的星形连接中性点悬浮的电容器组来说，当一电容器短路时，将导致相应相上电流增加3倍，此时熔断器也同样承受了3倍的电流，并再乘上并联电容器的个数。可以从熔断器的时间-电流特性曲线上查出在这个短路电流下熔断器的动作时间，并把这个点描绘在电容器分断特性曲线图上看该点是否位于曲线的左侧。如果不是，则必须用更多的电容器并联来弥补，以保证当电容器发生击穿时，有足够的并联电容器对其放电，而使故障电容器处的熔断器安全动作。
（3）当有多个电容器并联时，需考虑正常并联电容器给故障电容器的放电能量，一般限流熔断器所能承受的放电能量为10 kJ，具体计算方法如下：
①3.18×并联电容器组的kvar（在50 Hz条件下）；
②2.35×并联电容器组的kvar（在60 Hz条件下）。
（4）当一相电容器组或其端部发生短路故障时，为了不使其影响整个系统，通常用限流熔断器来进行故障的隔离，这通常被称为相电容器保护，对于这样使用的熔断器其额定电流等级一般至少应为单台电容器上熔断器额定电流的2.5倍，如果电容器组内有许多并联单元，则应选择更高的熔断器电流等级。
4.全范围熔断器的应用
全范围熔断器的定义是一高压限流熔断器能够安全地分断所有能够引起熔丝熔化的预期电流，它是近几年来发展起来的新型限流熔断器，具有独特的结构设计，而得以保证熔断器的全范围故障电流的分断能力，以及大大改进了时间-电流特性曲线，使之与变压器过负荷曲线更为接近。
全范围熔断器的主要特点概括如下。
1）分断电流特性
普通的限流熔断器最小分断电流和最小熔断电流之间有区间。在这个小区间里，它不能有效地分断电流，甚至有可能引起熔断器的爆炸，并且这个小区间还会随着熔断器的降容使用而进一步变宽。由于这个不足导致了普通限流熔断器必须依赖开关或其他组合电器来分断这个区间的电流。然而对于F系列的全范围保护熔断器而言，则不存在这个小区间，因此它可以不需要与其他电器组合分断小电流。这主要是由于普通限流熔断器的电弧能量是随着故障过载电流的降低而升高的，而F系列的全范围保护熔断器的电弧能量是随着故障过载电流的降低而减少的，从而使这个不安全的小区间消失，即使在熔断器降容使用的条件下，它仍然能安全、可靠地分断小故障电流。它们之间弧能量特性的对比如图6-37所示。
图6-37 普通限流熔断器与全范围保护熔断器电弧能量特性的对比
2）保护特性
F系列全范围保护熔断器有更大的耐受变压器浪涌电流的能力，并且与变压器的过负荷耐受曲线更为接近，如图6-38所示。
图6-38 变压器与各种保护电器的特性匹配关系
1—理想的高压熔断器（近似于全范围熔断器）的时间-电流特性；2—典型的短路器特性；3—普通熔断器的时间-电流特性；4—变压器耐受能力特性；5—相应于高压侧、低压侧熔断器的特性；6—变压器的满载电流；7—变压器的浪涌电流。
5.智能化高压限流熔断器
今后的高压限流熔断器的发展方向除了要求外形尺寸小、额定电流大和具有高的分断能力外，还希望它的时间-电流特性可控。目前已经研制出智能化高压限流熔断器。
一般的限流熔断器在低过载电流下产生的串联电弧是靠低熔点的M效应措施和特殊狭径的设计来完成电流分断的，而熔断器在低过载电流下的时间-电流特性的分散性较大，不能达到灵活应用的目的。智能化高压限流熔断器在大电流下的开断是靠沿着熔丝的每个狭径部分融化和燃弧直到电弧熄灭来完成的，而在低过载电流下的开断是按熔断器的额定电压值的大小和设计要求进行控制来开断电流的。
智能化熔断器沿着熔丝长度方向多处布置有化学炸药包，线圈、空心电感和空气间隙位于熔断器芯柱的中部，触发电路用金属丝缚住。触发电路焊在芯柱的两个末端接线端子上（一个作为备用）。所有零件都装在熔断器的管内，管子内部填充满石英砂。
智能化熔断器不仅能够按照熔断器的固有时间-电流特性动作，而且还能从外界控制使熔断器动作，满足系统的其他要求，其应用范围不受熔断器固有的时间-电流特性限制。由于采用了现代通信技术，智能化熔断器和其他遥控信号之间相配合，能够可靠、有效地保护变压器和电力系统。
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