低压熔断器技术研究报告现状及展望

低压熔断器技术研究现状及展望上海电器科学研究所<集团）有限公司上海电器设备检测所

邢琳梁科孙莉

摘要：本文主要对当前的低压熔断器的原理和熔断器的各研究方面进行了介绍和总结，并对熔断器的发展趋势作出了展望。

关键词：熔断器熔体电弧

1引言

熔断器作为一种传统的电路保护设备，在世界上被各国大量地生产和使用，它们承担着保护导线和电器设备的重要任务，减少了事故的发生，从而确保了对用户供电的安全。

当前世界各国生产厂家和各研究单位都在不断努力改进熔断器的产品性能，尤其是提高熔断器的分断能力。随着当今电子技术和计算机科技的飞速发展，促使电力系统的各项保护设备向自动化、智能化和小型化方向迈进，以满足我国达到国际先进水平成为世界电力需求大国的需求。

对于熔断器，有很多研究课题，例如，熔断器的工作状态、熔体的材料成分、温升、弧前特性、电流断开以及断开过程的燃弧现象、老化现象及可靠性、熔断器的发展方向等等。下面就以上这些研究的现状进行介绍和展望。

2熔断器过载电流下的工作状态

当熔断器通过超过一定的数值的额定电流时，熔断器的熔体因通过过载电流或短路电流而发热，其温度上升到熔体材料的熔点，但仍处于固态，尚未开始熔化。随着温度的升高，熔体的电阻会变大，温度将加速地向熔体熔点升高，熔体的部分金属开始由固态向液态转化，这时由于熔体熔化要吸收一部分热量<熔解热），故熔体温度始终保护为熔点。经过一定的时间，熔体的温升将达到熔化点，熔体在恒定的温度先开始熔化，在熔化过程中熔体呈液态，一直温升到汽化点，此即第二期加热阶段。熔体在熔化时，热量的上升会使熔体的狭颈处电阻迅速增大，这样狭颈处会产生大量的热量，结果使熔体和电弧发生断裂，出现间隙，并因间隙被击穿而产生电弧，直至该电弧被熄灭。此时，电流迅速下降，电压迅速上升，在燃弧熄灭时，电弧电压大于电源电压，此时的感应电压为：

电弧熄灭以后，电压降到电源电压，电路被切断。

图1 熔体温度上升到电流断开的过程

<－）熔体温度开始升温至熔点的时间，<－）熔化的时间，<－）升温至汽化点的时间，<－）汽化和产生电弧至电流断开的时间

弧前过程的主要特征是熔体的发热与熔化，即熔断器在此过程中的功能在于对故障作出反应。显然，过载电流相对额定电流的倍数越大，温度上升就越快，弧前过程也越短；反之，过载电流倍数越小，弧前过程就越长。

电弧过程的主要特征是含有大量金属蒸汽的电弧在间隙内蔓延、燃炽，并在电动力作用下于介质中运动，为介质所冷却，最后因弧隙增大以及电弧能量被吸收而无法持续燃积，终于熄灭。这个过程的持续时间决定于熔断器的有效熄弧能力。

3短路下的工作状态

电路短路时，在极短的时间里<通常是几毫秒）就使得熔体熔化和汽化，熔化和汽化的瞬间爆炸般产生的电弧，因为时间较为短暂，可以认为没有热量传输，这个状态称为绝热状态。

图2 熔断器开断短路电路时的电流和电压示波图

熔断器应该能承受在短路时电流所产生的电弧能量。由于熔体周围填充物的熄弧和冷却作用，会引起电压上升，使电弧产生的总电弧电压增大到大于电源电压和达到制造厂家所规定的允许值。电弧熄灭，电流下降到零。在电流过零时，电流被开断。

4熔体的材料成分

常用的低熔点材料<铅锡合金、锌）在临界电流时的发热对熔断器各部分影响不大，不致超过规定值。但它的电阻率较大，在一定电阻时，需要较大的截面积，体积增大，熔断时会产生大量金属蒸气，不利于灭弧，其分断能力也受到限制，通常只适宜做小电流熔断器。

高熔点材料<银、铜、铝）通常用于有填料<石英砂）的熔断器，而且用纯铜或纯银制造，其纯度要求高于99.99％。因为在一定电阻时，所需截面积较小，在熔化时金属蒸气较少，有利于灭弧。由于其电阻率较低，制成熔体后与相同尺寸的其他低熔点熔体材料相比，额定电流大、功耗低，容易满足高分断电流能力的要求。其缺点是熔点高，在过电流分断时的温度甚高，可能使整个熔断器达到不能承受的程度。这样就会对小过载失去保护。

20世纪50年代以后，人们利用冶金效应来降低熔体的熔化温度。70年代开始也有选用纯铝作为熔体。通常管式熔断器的熔体多数采用锌片，也有采用铜片或黄铜片。家用熔断器的熔体绝大多数采用铅锡合金丝，成分为铅70％和锡30％。额定电流较大时，也有选用铜丝的。指示熔断器是与主熔断器并联，当主熔断器熔断时能显示熔断的一种信号熔断器。希望它在正常工作时几乎没有电流流过或仅几毫安电流流过，因此常采用机械强度较高的细康铜丝作为熔体，它是铜60％和镍40％组成的合金丝。

在限流熔断体中，高分断能力熔断器的熔体通常采用铜，也有采用银。当额定电流较小时，熔体常做成丝状；当额定电流较大时，则做成变截面状。由于铜和银均为高熔点金属材料，为保证在过载电流下能可靠地分断电流，常在熔体一定间隔处，焊上低熔点金属，如锡或镉合金等，这样就设置成了软锡焊点。它可以缩短熔断器在过载电流时的熔化时间，当熔断器发生过载电流现象时，就会在熔体的软锡焊点处发生扩散过程，软锡焊点处的锡会渗透到纯银熔体材料中去，这种现象称为冶金效应。它可以使这部分电阻不断增大，最终导致软锡焊点处加速熔化，从而断开电路。利用软锡焊点可以显著降低纯金属的熔化温度，例如，纯银的熔点为960℃，铜的熔点为1080℃，而加入软锡后，软锡焊点处的熔点可以降低到220℃左右。这样，就使过载电流的熔化时间缩短到几秒钟。在软锡中再加入其它少量不同的金属后，还可以不同程度地降低熔体熔化温度。当前各生产厂家都有自己的生产配方。冶金效应也有缺点，它会使熔断体容易老化，使熔断体的时间——电流特性曲线不稳定，国外已经有很多熔断器生产厂家在采取其它措施来改善过载电流的性能。随着熔断器技术的不断进步，对熔体材料的研究还会不断地深入。

5熔断器的温升

熔断器在稳定运行时的温升是其性能指标的重要参数之一，特别是大容量的熔断器。为了降低熔断器运行时的温升，改善其性能，研究者采取了很多有效的措施，例如采取冶金效应点，冶金效应首先是可以降低熔断器的温升，其次是改善熔断器低过载故障电流的开断性能。还可以采取强迫冷却的措施，即在熔断器两端加散热片，或采用水冷管对熔断器进行冷却，或者采用金属作为外壳来改善其稳定运行时的外壳散热条件等等。

在稳定的运行条件下，熔断器的各处部件的热作用对温升均有影响，从理论上精确计算熔断器的稳定温升还比较困难，研究者通过对熔断器的各部分<外壳、触头、盖端）的热作用等采取热阻、热容效应进行等效，这样就建立起一个容易分析和计算的模型。近几年来还可以利用红外线测试仪来测量熔断器在稳定时各部分的温度分布，这样就能较为精确地计算出熔断器的稳定温升了。对熔断器的温升的研究，直接影响着其产品设计，对于额定电流较大的熔断器，其稳定温升仍然是需要解决的重要问题之一。

6弧前特性