快速熔断器的选择及应用

快速熔断器的选择及应用整流变电是氯碱行业中的重要环节,而快速熔断器在半导体电力整流变电保护中的配置至关重要,一旦设备定型后,快速熔断器的选用会直接影响直流供电的质量和用电的效率等整流变电参数。

电力半导体器件热容量小,在故障状态下必须要有快速熔断器保护,而快速熔断器具有与半导体器件类似的热特性,是一种良好的保护器件。

本文涉及的是封闭式有填料式快速熔断器,在运行中没有外部现象。

1 快速熔断器的配置快速熔断器在半导体电力整流器保护中的配置一般分2类。

1.1 变流臂内部并联支路配置保护式此类型主要用于大功率和超大功率整流器的保护。

当变流臂中某一支路器件因某种原因损坏时(每一支路根据设备功率不同,一般并联几对快速熔断器和半导体整流元件串联而成,图1仅标出1对快速熔断器与半导体整流元件),导致与之串联的快速熔断器保护分断后,一般情况下仅1个器件出故障,并不影响整个整流器的正常运行。

目前,唐山三友集团冀东化工有限公司的半导体电力整流器保护中的配置就属于变流臂内部并联支路配置保护式,运行效果很好,如图1所示。

1.2 分相配置总体保护式此类型主要用于中、小功率整流器的保护。

当某一变流臂中的器件因某种原因损坏时,导致该相快速熔断器保护分断后,整流器的保护将自动切断供电电源,停止向整流器供电,氯碱行业不常用该配置,如图2所示。

2 快速熔断器的选用也称电压电流法。

线路变流变压器的线电压应低于快速熔断器的额定电压。

经电力半导体器件与快速熔断器串联短路实验验证,以半导体额定电流乘以系数,做为所选用的快速熔断器的额定电流。

因快速熔断器的额定电流是有效值,而半导体器件的额定电流是平均值,针对上述第一类配置方案(图1),对第一代产品RS0、RS3系列(我国快速熔断器的发展史可分为4个阶段,第一代是全国联合设计的RS0、RS3系列,参数为480A、750V以下,分断能力为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)而言,该系数可按整流管为1.4、晶体管1.2、快速晶体管为1来选配,如ZP1000配1400A快速熔断器。

针对上述第二类配置方案(图2),则可依据阀电流Iv以及变流装置的负载特性选择快速熔断器,再按整流器可能产生的最大故障电流,来选择有足够分断能力的快速熔断器,如50kA或100kA,其中50kA为合格品,100kA为一级品。

3 快速熔断器的应用特性3.1 电流通过能力快速熔断器的额定电流是以有效值表示的,一般正常通过电流为标称额定电流的30%～70%。

快速熔断器使用时或其一端被半导体器件加热而另一端被水冷母排冷却,或双面都被水冷母排冷却；或进行强制风冷来控制温升使之保持电流通过能力。

整流器中快速熔断器接头处的连接状况直接影响着快速熔断器的温升和可靠运行,为此必须保持接触面的平整和清洁。

如无镀层的母排的接触面要去除氧化层,安装时给予规定的压紧力,最好使接触面产生弹性变形。

并联的快速熔断器要求逐个检测接触面的压降。

3.2 快速熔断器的温升与功耗快速熔断器的功耗W=ΔUIw；ΔU=f(Iw)式中:Iw---工作电流；ΔU---快速熔断器的压降。

快速熔断器的功耗与其冷态电阻有很大的关系,选用冷态电阻较小的快速熔断器有利于降低温升,因为电流通过能力主要受温升限制。

如前所述,快速熔断器接头处的连接状况也影响着快速熔断器的温升,要求快速熔断器接头处的温升不应影响其相邻器件的工作。

实验证明,快速熔断器的温升低于80 Degree时可以长期运行,温升100 Degree 时制造工艺稳定的产品仍能长期运行,温升120 Degree是电流通过能力的临界点,若温升达到140 Degree时,快速熔断器不能长期运行。

目前,化工行业一般采用水冷母排和风冷方式来降低快速熔断器的温升。

水冷母排尤其对低电压规格的快速熔断器如400～600V效果更佳。

快速熔断器端子与水冷母排连接端温差一般在1.0～2.0 Degree。

许多大功率快速熔断器是按水冷条件设计的,所以,用户在使用前应向制造厂垂询。

风冷也是一种减少温升的有效方法,根据风速通过能力曲线来确定风速对快速熔断器温升的影响,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速熔断器电压降曲线以及额定电流下的功耗,测量快速熔断器两极端子间的电压降可以快速计算出该支路的实际电流。

另外,在同样的通流情况下,温升还与快速熔断器是否采用单一或双并有关。

先进工业国家制造的大功率整流装置中多采用快速熔断器的双并与半导体器件串联,如700A×2、1400A×2、2500A×2。

双并结构的快速熔断器端子可以尽量减薄,以减小电阻。

有一类双并连接的快速熔断器靠螺栓和连板连接,另一类是连板(端子)与2个熔体(端子)焊为一体的结构,此类结构比较先进。

电压较高的快速熔断器其内阻较大,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,故电压高的快速熔断器风冷效果较显著。

3.3 分断能力的选择快速熔断器的外壳强度在很大程度上确定了对最大故障电流的分断能力。

其次,快速熔断器内部的金属熔片形状、填料吸附金属蒸汽能力和热量、熔断体的电动力等都影响分断能力。

设计整流器时应计算"整流变压器"的相间短路电流,并按此电流选用具有足够分断能力的快速熔断器。

分断能力不足的快速熔断器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。

另外,产品制造的分散性也是影响分断能力的因素之一。

易于忽视的问题是在短路故障时线路的功率因数,因为在快速熔断器分断时所产生的电弧能量的大小与电路感抗的大小有很大的关系,当线路功率因数cosφ＜0.2时对分断能力有特别高的要求。

快速熔断器分断时的能量Wo=Wa+Wr+W1式中:Wa---电弧能量；Wr---电阻消耗能量；W1---线路电感释放的能量。

在分断能力满足"整流器"的要求时,还要注意分断瞬间电弧电压峰值(标准中称为"暂态恢复电压")不能过高,要在快速熔断器制造时予以限制,使其低于半导体器件所能承受的最大值,否则半导体器件将会损坏。

故分断时间最短的熔断器不一定最适用。

当快速熔断器用于直流电路中时,因为在直流分断过程中不存在电压的过零点,这对快速熔断器的可靠分断是一个苛刻的条件,所以一般情况下快速熔断器若用在直流电路中只能用到快速熔断器额定电压的60%,最好选用直流快速熔断器。

3.4 I2t的选择熔断器的熔断时间t与熔断电流I的大小有关,其规律是与电流的平方成反比。

图3表示t∞1/I2的关系曲线,称为熔断器的秒-安特性曲线。

由于各种电器设备(包括电网)都有一定的过载能力,当过载较轻时可以允许较长时间运行,而超过某一过载倍数时,相应要求熔断器在一定时间内熔断。

选择熔断器保护过载和短路,必须了解用电设备的过载特性,使这一特性恰当地处在熔断器秒-安特性的保护范围之内。

由图3可见,熔断电流Io的熔断时间在理论上是无限大的,称为最小融化电流或临界电流,即通过熔体的电流小于临界值就不会熔断。

所以选择熔体的额定电流Ie应小于Io；通常取Io与Ie的比值为1.5～2.0,称作熔化系数。

该系数反映熔断器在过载时的不同保护特性,如要使熔断器能保护小过载电流,融化系数就应该低些；为了避免电动机起动时的短时过电流使熔体熔化,融化系数就应高些。

快速熔器电流通过能力满足系统短路电流的要求后,发生短路故障时可以隔离故障电流,但能否保护所串联的半导体器件则必须分析二者的I2t值。

只有当快速熔断器的I2t值小于半导体器件I2t值时,才能对半导体器件起到保护作用。

短路故障时I2t值分为两个阶段,即弧前I2t和熔断I2t。

熔体金属从固态转为液态的时间是弧前时间,大约1.0～2.0ms,可以认为是绝热过程,此时间段快速熔断器产生的电流时间积分可以认为是一定值,由设计来确定。

弧前I2t值对于不同的材料其值也不同,对于每一种材料它是一个常数。

当熔体金属变为蒸气时电弧始燃,在燃弧过程中电流由限流值降至零,此阶段的I2t即为熔断I2t,它是一个变量。

这一过程主要依靠填料被腐蚀而吸收能量。

在设计快速熔断器时,为满足半导体器件不断提高的额定电流,要采取许多措施,而不能简单地用算术方法来选择快速熔断器。

实验证明,当额定电流增加1倍时,快速熔断器的I2t值是原来的4 倍,而半导体器件I2t值的增加要小的多。

要使快速熔断器降低I2t值有较大的难度,只有多方面采取措施,如合理的熔片分布、缩短熔体长度、减小电弧栅和提高灭弧材料的熄弧能力等。

I2t值是精选快速熔断器的重要指标之一。

3.5 绝缘电阻快速熔断器分断后的绝缘电阻的指标由经验证明是很重要的。

20世纪90年代大量的产品中加入了钾盐、钠盐,钠盐可以提高电弧栅的分断能力。

而制造较差的快速熔断器分断后绝缘电阻大多低于0.3MΩ,甚至有漏电现象,特殊情况下切断故障后经一段时间又重燃,这将引起更大的故障。

质量好的快速熔断器(加入了钾盐、钠盐)分断后应形成0.5MΩ以上的绝缘电阻。

快速熔断器在分断10min后能达到大于1～30MΩ的绝缘电阻,可认为有良好的可靠性。

另外,使用快速熔断器时还要考虑其寿命及可靠性；分断后的绝缘电阻指标(＞0.5MΩ)；尽量低的暂态恢复电压；不使用有隐形故障的产品等。