快速熔断器(保险丝|Fuse)的特性与应用

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快速熔断器的特性与应用

西安电工研究院龙申电气厂谭天驹（西安710077）

摘要：分析快速熔断器在半导体电力变流器中的电流特性，说明选择综合性能优良的快速熔断器对于变流设备的正常运行是至关重要的。

关键词：变流器快速熔断器特性应用

The Characteristic and Application of the Quick－ fuse

Abstract: The paper alleges the current characteristic of the quick－ fuse in the semiconductor power converter and explains that to select the quick－ fuse with high quality is important for normal operation of the converter.

Keywords:Converter Quick－ fuse Characteristic Application

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1引言

　　电力半导体器件热容量小，在故障状态下必须要有快速保护。而快速熔断器（以下简称快熔）具有与半导体器件类似的热特性，是一种最好的保护器件。本文涉及的是封闭式有填料限流式快熔，在运行中没有外部现象。

　　我国快熔的发展历史可分为四个阶段，第一代是六十年代全国联合设计的RSO、RS3系列，参数为480A、750V及以下，分断能力50kA，是一种体积较大、价格低廉、电寿命短的初级产品,目前尚有相当装机量。第二代是八十年代参考日本富士电机七十年代典型产品CS8F－1400－C而开发的RSF系列。当年该产品典型规格如1600A、1400A，满足了与ZP1000硅整流管的匹配和分断100kA故障电流的要求，成为大型变流装置的主要保护元件。该产品主要采用了园孔状熔体技术。第三代是九十年代初引进欧洲著名公司产品及相应续延技术研制的快熔。其特点是采用在石英砂填料中添加钠盐的技术，使每电弧栅分断电压从AC150V提高到AC200V。但其缺点是分断后的绝缘电阻在多数情况下不易形成，甚至造成断电后仍然有漏电现象，这是一种初级的加盐产品。第四代是九十年代末为了克服分断后漏电、重燃问题以及配合大功率电力半导器件的发展，要求更进一步提高分断能力，降低I2t等性能，经过对基础材料、基本制造技术的研究，在填料中增加了特制钾盐、钠盐等灭弧材料，使快熔总体水平有了大幅度提高，达到了每电弧栅分断AC250～300V,分断后能形成0.5～500MΩ的绝缘电阻，制造优良的快熔在分断后10min.内能形成1～30MΩ的绝缘电阻，可以配4″硅整流管。其主要技术指标与当代先进工业国家的产品同步，许多规格可以和法国、丹麦、德国、美国等产品互换，如RSM系列、BRS系列等。

2快熔保护的配置

　　快熔在半导体电力变流器保护中的配置，一般分为二类。

　　（1）变流臂内部并联支路配置保护式，主要用于大功率和超大功率变流器的保护。当变流臂中某一支路的器件因某种原因损坏，导致与之串联的快熔保护分断后，一般情况下仅一个器件出故障，并不影响整个变流器的正常运行，如图1－2所示。

图1

（2）分相配置总体保护式，主要用于中小功率变流器的保护。当某一变流臂中的器件因某种原因损坏，导致该相快熔保护分断后，变流器的保护将自动切断供电电源，停止向变流器供电，如图3－4所示。

3快熔的选用

3.1粗选（电压电流法）

　　依据线路变流变压器的线电压应低于快熔的额

图2

图3

图4

定电压。经电力半导体器件与快熔串联短路试验验证，按半导体器件额定电流乘以一个系数，作为所选用快熔的额定电流。因快熔的额定电流是有效值，而半导器件额定电流是平均值，针对2（1）所述的保护方式，对第一代产品RSO、RS3系列而言，该系数可按整流管为1.4、晶体管为1.2、快速晶体管为1来取；如ZP1000配1400A快熔，针对2（2）所述的保护方式，则可依据阀电流IV以及变流装置的负载特性选择快熔。然后按变流器可能产生的最大故障电流，选择快熔的分断能力，如50kA或100kA（50kA为合格品，100kA为一级品）。

3.2精选

快熔的许多指标是在IEC国际电工标准规定的条件下确定的,与变流器的使用条件有一定差距，所以要比较精确地计算和选用快熔是比较复杂的,需分解快熔的各项重要性能才可以做出正确的选择。现将快熔性能分解如下：

　　（1）电流通过能力的选择

　　快熔的额定电流是以有效值表示的。根据IEC60269－4、GB13539.4－92标准是在电流密度1～1.6A/mm2的标准试验架上确定的,当它用于变流器中时不可能有如此宽松的条件,故必须降容使用。一般正常通过电流为标称额定电流的30％～70％。快熔使用时或其一端被半导体器件加热另一端被水冷母排冷却；或双面都被水冷母排冷却；或进行强制风冷；或自然冷却控制温升使之保持电流通过能力。若要计算热平衡则需求出母排电功耗，快熔电工耗，各连接处电工耗，还要考虑散热条件等。变流器中快熔的接头处是一个容易被忽视的部位，接头处的连接状况，影响着快熔的温升和安全运行，为此必须保持接触面的平整和清洁。无镀层的母排接触面要去除氧化层；安装时给予一致的压紧力；最好使接触面产生弹性变形。并联的快熔要求逐个检测接触面压降。

　　（2）快熔的温升与功耗

　　快熔的功耗W为：

W=ΔUIw（1）

　　ΔU=f(Iw)（2）

式中，Iw－工作电流,ΔU－快熔的压降

　　快熔的功耗与其冷态电阻有很大关系，选用冷态电阻低的快熔有利于降低温升，因为电流通过能力主要受温升限制。如前所述，快熔接头处的连接状况，也影响快熔的温升，要求快熔接头处的温升不应影响相邻器件的工作。试验证明，快熔温升低于80K可以长期运行，温升100K时制造工艺稳定的产品仍能长期运行，温升120K是电流通过能力的临界点，若温升达到140K则快熔不能长期运行。水冷母排可以降低快熔温升，尤其对低电压规格的快熔如400～600V效果更佳。快熔端子与水冷母排连接端温差一般在1～2℃。许多大功率快熔是按水冷条件设计的，所以用户在使用前应向制造厂垂询。风冷也是一种降低温升的有效方法，根据风速通过能力曲线可以确定风速对快熔温升的影响，风速约5m/s时一般可以提高25％的通流能力，风速若再增加将不会有明显的作用。

　　根据制造厂提供的快熔电压降曲线以及额定电流下的功耗，测量快熔两极端子间的电压降可以快速计算出该支路的实际电流。

　　同样的通流情况下，温升还与快熔是采用单一或双并有关。先进工业国家制造的大功率变流装置中多采用快熔双并与半导体器件串联，如700A×2、

图5

1400A×2、2500A×2。双并结构的快熔端子可以尽量减薄,以减少电阻。双并连接的快熔有一类靠螺栓和连板连接(二代产品),有一类是连板(端子)与两熔体(端子)焊接为一体的结构,此类结构比较先进。电压较高的快熔其内电阻较大,尤其是800V以上产品,由于外壳瓷套有一定的长度，表面积较大，而熔体产生的热量经由填料、外壳传导散热，故电压高的快熔风冷效果显著。

　　（3）分断能力的选择

　　快熔的外壳强度，很大程度上确定了对最大故障电流的分断能力，IEC标准中称为“额定分断能力”。其次，快熔内部的金属熔片形状、填料吸附金属蒸气能力和热量、熔断体的电动力方向等都影响分断能力。设计变流器时应计算变流变压器的相间短路电流，并按此电流选用具有足够分断能力的快熔。分断能力不足的快熔会持续燃弧直至爆炸，严重时会导致交直流短路，故额定分断能力是一个安全指标。

　　产品制造的分散性也是影响分断能力的因素之一。

　　有一个易于忽视的问题是在短路故障时线路的功率因数，因为在快熔分断时所产生的电弧能量的大小取决于电路感抗的大小，当线路功率因数cos