如何优化高压熔断器的熔丝材料选择和动作机制？

2023-07-02 理论教育版权反馈

【摘要】：高压熔断器中的主要元件为熔件，或称熔体或熔丝。在高压熔断器中，为减小熔丝截面，避免熔断后产生过多的金属和金属蒸气，都用低电阻系数的铜和银来制造熔丝。这一效应称为锡的冶金效应，在目前高压熔断器中广泛采用。七星柱骨架的一端装有撞击器，在熔断器动作后，撞击器的撞针将向外顶出，并推动跌落式熔断器上的脱扣杆，使熔断器实现转动运动完成跌落动作。待环氧树脂固化后即可安装到跌落式熔断器托架上使用。

高压熔断器中的主要元件为熔件，或称熔体或熔丝。在正常工作情况下，熔丝串联在电路中，通过熔丝的电流不应使熔件熔断。当系统中出现过载或短路时，熔丝将因过热而自行熔断，切断电路，保护其他设备不受到损害。图9-10所示是熔断器开断故障时的示波图。

整个开断过程大致可分为三个阶段。

1）从熔丝中出现短路（或过载）电流起到熔丝熔断所需的时间即图9-10中的t₁，称为熔丝的熔断时间。它与熔丝材料、截面积、流经熔丝的电流以及熔丝的散热情况有关，长到几小时，短到几毫秒甚至更短。

2）从熔丝熔断到产生电弧所需的时间为t₂，这段时间很短，一般在毫秒以下。熔丝熔断后，熔丝先由固体金属材料熔化为液态金属，接着又气化为金属蒸气。由于金属蒸气的温度不是太高，电导率远比固体金属材料的电导率低，因此熔丝气化后的电阻突然增大，电路中的电流被迫突然减小。由于电路中总有电感存在，电流突然减小将在电感及熔丝两端产生很高的过电压，导致熔丝熔断处的间隙击穿，出现电弧。出现电弧后，由于电弧温度高，热游离强烈，维持电弧所需的电弧电压并不太高。

图9-10 熔断器开断短路故障时的示波图

3）从电弧产生到电弧熄灭的时间t₃称为燃弧时间。它与熔断器灭弧装置的原理和结构以及开断电流的大小有关。一般为几十毫秒，短的可到几毫秒。t₁+t₂+t₃称为熔断器的全开断时间。t₁+t₂称为熔断器的弧前时间，由于t₁和t₂相比，常常可以忽略不计，因此弧前时间实际上就是熔体的熔化时间t₁。

表征熔断器工作特性的除额定电压、额定电流和开断能力外，还有熔件的热特性，它们分别如下：

1.时间—电流特性

时间—电流特性是表示熔丝熔化时间与通过电流间关系的曲线，该特性又称熔丝的时间—电流特性，如图9-11所示。每一种额定电流的熔丝都有一条自己的时间—电流特性曲线。根据时间—电流特性进行熔丝的选择就可以获得熔断器的动作选择性。

图9-11 熔丝的时间—电流特性曲线

2.最小熔化电流

电流减小时熔丝熔化时间增大。当电流减小到某一数值时，熔丝的熔断时间为无穷长时的电流，称为熔丝的最小熔化电流I_mm，即熔丝电流比I_mm稍大时熔丝自动熔断；而熔化电流比I_mm稍小时，熔丝虽不会熔断但熔丝的温度却很接近熔丝材料的熔化温度。熔丝不能长期在最小熔化电流I_mm下工作，这样会使熔断器某些部件的温升过高，或者会造成熔丝过早熔断的事件。熔丝允许长期工作电流即熔件的额定电流I_n显然比I_mm小。I_mm与I_n的比值称为熔丝的熔化系数K_m。熔断系数一般取1.2～2.5。不同用途的熔断器可以规定不同的熔断系数，过高的熔断系数会使熔断器失去应有的灵敏度，过低的熔断系数则会造成熔断器在工作电流下误动。

在高压熔断器中，为减小熔丝截面，避免熔断后产生过多的金属和金属蒸气，都用低电阻系数的铜和银来制造熔丝。然而铜和银是高熔点的材料，铜的熔点为1083℃，银的熔点为961℃。如果要使熔丝的温度在最小熔断电流下达到材料的熔点，那么在比最小熔断电流小不多的额定电流下熔丝的温度必然也是相当可观的。要解决这一矛盾可以用在铜熔丝上焊上锡球或搪上一层锡的方法来降低熔丝的熔点。锡的熔点为232℃，熔化的锡可使铜熔解。因此在铜丝上焊上锡球后，只要锡球一熔解，锡液附近的铜也就会随之熔解而将电路开断。这一效应称为锡的冶金效应，在目前高压熔断器中广泛采用。

下面介绍一下带石英砂填料跌落式熔断器。一般管状跌落式熔断器最大分断能力目前只能达到12.5kA，而石英砂填料跌落式熔断器的分断能力一般为40kA，甚至还可以做到100kA的分断能力。

带石英砂填料跌落式熔断器具有以下特点：熔丝用纯铜制造取代了价格昂贵的贵金属银，显著地降低了制造成本；石英砂填料经过一定工艺处理，通过成型的模子浇注，使它与纯铜熔丝结合在一起，形成了一个固化体。这样当熔断器经一次分断使用后，不需更换整个熔断器，而只需要更换固化的熔丝元件就可以了，经过了固化的熔丝元件相当于将纯铜熔体密封在一个不透空气的石英砂中，这样纯铜熔丝不会受空气侵入而氧化，稳定了熔断器的性能并提高了熔丝的使用寿命。

图9-12所示为固化熔丝元件，七星柱骨架用高氧化铝陶瓷制成，其上绕有熔丝，熔丝的头和尾点焊在固定于七星柱骨架上的金属帽上，以便电流通过金属帽向外引出。七星柱骨架的一端装有撞击器，在熔断器动作后，撞击器的撞针将向外顶出，并推动跌落式熔断器上的脱扣杆，使熔断器实现转动运动完成跌落动作。

图9-12 固化熔丝元件

1—石英砂 2—熔丝 3—七星柱骨架 4—金属帽 5—撞击器 6—连接片

图9-13所示为固化熔丝元件装入熔断器管内成为带固化熔丝元件的熔断器结构。固化熔体元件装入熔断器管内的程序如下：用专用工具将固化熔丝元件推入熔断器管内，如图9-13所示位置。然后将金属帽上的连接片向外打弯，并分别旋紧下盖板和上盖板，用电桥测量熔断器的电阻是否达到要求值。若偏高，应进一步旋紧下、上盖板。沿着下盖板和下盖的边缘用环氧树脂密封。待环氧树脂固化后即可安装到跌落式熔断器托架上使用。

图9-13 带固化熔丝元件的熔断器结构

1—下盖板 2—下帽 3—熔断器管 4—石英砂 5—七星柱骨架 6—纯铜熔体 7—上帽 8—上盖板 9—撞击器 10—铜皮封口 11—金属帽上的连接片

如何优化高压熔断器的熔丝材料选择和动作机制？

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