大功率整流器中快速熔断器的选型

大功率整流器中快速熔断器的选型

时间：2011-03-16 22:53:18 来源：西安西电电力整流器公司，西安中电变压整流器厂作者：钟授钊，贾继业，吴春学摘要：说明了作为大功率整流器中整流管或晶闸管的短路保护元件——快速熔断器的选型与参数计算。

关键词：整流器；快速熔断器；短路保护

快速熔断器在大功率整流器中与整流管或晶闸管串联连接，作为对整流器件短路故障的保护元件。当整流器件发生反向击穿故障时，快速熔断器快速分断故障支路的短路电流，保护整流器免受故障短路电流的危害。

1 大功率整流器的特点

大功率整流器可以电解铝用整流器为代表，在我国随着单个电解槽产量的提高，电解铝的年产量已由100kt增加到140kt，于是槽电压已由800V 提高到1200V，槽电流已由160kA增至280kA，相应的整流变压器容量已提高到75～100MVA。单台输出电流高达50～75kA的整流器，对整流管、快速熔断器也提出了更高的技术要求。

图1为年产140kt电解铝用直流系统图，它由四组整流机组并联组成，其中一组为备用。每组整流变压器容量2×54.99MVA，向二台1220V、37kA 整流装置供电。整流器采用三相桥式同相逆并联电路，每桥臂由4只ZP-4800V/4500A整流管并联组成，下面讨论如何选用合适的快速熔断器进行保护。

图1 整流系统结构图

2 快速熔断器的选用

2.1 熔断器的额定电压U NF

U NF值应稍大于熔断器熔断后两端出现的外加电压稳态最大有效值。对数台整流器并联运行的直流供电系统，当其中某一桥臂短路时，或逆变器中发生桥臂直通故障时，施加在熔断器二端的电压为交流电压U VO与部分直流电压U do之和，可按下式计算[1]：

U NF>（三相桥式电路）

或U NF>（双反星形电路）

图1中整流变压器阀侧电压1050V，可选用1200V电压等级的快速熔断器。

2.2 熔断器的额定电流I NF

=·I

图2 模拟整流管击穿短路时的相关波形图

熔断器的I2t F值与其设计参数，生产工艺有关。因此，由于生产厂家不同，设计参数不同，生产工艺不同，国内外厂家生产的相同额定电压，额定电流的快速熔断器，却有着不同的I2t F值。如西安西整熔断器厂生产的1000V，6000A快速熔断器老产品的I2t F值为76×106A2s，而该企业的新产品

RS-1000V/6000AP115SS型快速熔断器（1000V、6000A）的I2t F值为55×106A2s，二者相差38％。因此，在设计大功率整流器时，对于具有相同电压和电流的快速熔断器应优先选用I2t F值较小的。

按上所述，针对图1中的大功率整流器选用快速熔断器时，应选用I2t F值为40×106A2s，与ZP 4800V/4500A整流管的I2t D相比，后者I2t D值为30×106A2s，尚小于前者，但相差不大。由于桥臂上有四只整流管并联工作，这样选用快速熔断器是合理的，并且是可靠的。

2.4 分断能力的核算

大功率整流器的整流变压器容量大，当变压器阀侧桥臂短路时，短路电流相当大，整流器或直流电源系统设计时应计算桥臂短路电流值与直流侧短路电流值。被选用快速熔断器的分断能力应大于可能流过故障支路熔断器的最大短路电流值，否则快速熔断器在分断短路电流时可能会发生瓷套炸裂、喷弧、甚至烧损整流器等现象。

文献[3]曾对图1所示整流电路的桥臂短路电流进行过计算，流过桥臂故障整流管的稳态短路电流有效值I bD=186kA，直流侧短路时，短路电流平均值I bDp1=100.12kA。

在数台整流器并联的直流电源系统中，对三相桥式电路的桥臂熔断器核算其分断短路电流值时，可以计算整流变压器阀侧短路的稳态电流有效值。但对双反星型电路的整流器来说，流过故障桥臂熔断器的短路电流除上述变压器阀侧短路的交流分量外，尚包含其余并联整流器输入的直流电流分量，这时，快速熔断器应有更高的分断能力。过去国产快速熔断器的分断能力为50、70、100kA数种，已不能适应大功率整流器配套的需要。目前，西安西整熔断器厂已研制成功RS4（H）系列高分断能力的快速熔断器，经国际著名试验站试验，其分断能力达到230kA（有效值），可满足大功率整流器配套的需要。

2.5 燃弧峰值电压

快速熔断器分断时，其断口产生的过电压为熔断器工作电压的2～2.5倍，为此要防止正常的半导体器件受到损害。

3 结语

快速熔断器的选型应综合考虑额定电压U NF、额定电流I NF、最大熔断I2t值、分断能力等参数，以做出最佳选择。

电容器组熔断器使用及电子开关熔断器使用选择：

熔断器是根据电流超过额定值一定时间后，使其自身产生的热量使熔体熔化，使电路断开的原理制成的一种电流保护器。熔断器广泛应用于高低压配电系统和控制系统及用电设备中，作为短路和过电流保护，尤其是应用于电容器组是当今保护最为广伐的主要产品之一；

熔断器是一种短路过电流保护电器。熔断器的主要组成部分有熔体和熔管外加填料等组成。使用时，将熔断器串联于被保护电路中，当被保护电路的电流超过额定值，并经过一定时间后，熔体自身产生的热量熔断熔体，使电路断开，快速切除该故障回路，起到保护的作用。

以金属导体作为熔体而分断电路的电器。串联于电路中，当过载或短路电流通过熔体时，熔体自身将发热而熔断，从而对电力系统、各种电工设备及家用电器起到保护作用。具有反时延特性，当过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。因此，在一定过载电流范围内至电流恢复正常，熔断器不会熔断，可以继续使用。熔断器主要由熔体、外壳和支座3 部分组成，其中熔体是控制熔断特性的关键元件。

熔断器的使用和维护

配电系统中熔断器是起安全保护作用的一种电器，熔断器广泛应用于电网保护和用电设备保护，当电网或用电设备发生短路故障或过载时，可自动切断电路，避免电器设备损坏，防止事故蔓延。

熔断器由绝缘底座(或支持件)、触头、熔体等组成，熔体是熔断器的主要工作部分，熔体相当于串联在电路中的一段特殊的导线，当电路发生短路或过载时，电流过大，熔体因过热而熔化，从而切断电路。熔体常做成丝状、栅状或片状。熔体材料具有相对熔点低、特性稳定、易于熔断的特点。在熔体熔断切断电路的过程中会产生电弧，为了安全有效地熄灭电弧，一般均将熔体安装在熔断器壳体内，采取措施，快速熄灭电弧。

熔断器具有结构简单、使用方便、价格低廉等优点，在电力系统中广泛被应用。

熔体额定电流不等于熔断器额定电流，熔体额定电流按被保护设备的负荷电流选择，熔断器额定电流应大于熔体额定电流，与主电器配合确定。

在熔断管装有石英砂，熔体埋于其中，熔体熔断时，电弧喷向石英砂及其缝隙，可迅速降温而熄灭。为了便于监视，熔断器一端装有色点，不同的颜色表示不同的熔体电流，熔体熔断时，色点跳出，示意熔体已熔断。螺旋式熔断器额定电流为5～200A，主要用于短路电流大的分支电路或有易燃气体的场所。

有填料管式熔断器是一种有限流作用的熔断器。由填有石英砂的瓷熔管、触点和镀银铜栅状熔体组成。填料管式熔断器均装在特别的底座上，如带隔离刀闸的底座或以熔断器为隔离刀的底座上，通过手动机构操作。填料管式熔断器额定电流为50～1000A，主要用于短路电流大的电路或有易燃气体的场所。

无填料管式熔断器的熔丝管是由纤维物制成。使用的熔体为变截面的锌合金片。熔体熔断时，纤维熔管的部分纤维物因受热而分解，产生高压气体，使电弧很快熄灭。无填料管式熔断器具有结构简单、保护性能好、使用方便等特点，一般均与刀开关组成熔断器刀开关组合使用。

有填料封闭管式快速熔断器是一种快速动作型的熔断器，由熔断管、触点底座、动作指示器和熔体组成。熔体为银质窄截面或网状形式，熔体为一次性使用，不能自行更换。由于其具有快速动作性，一般作为半导体整流元件保护用。

由于各种电气设备都具有一定的过载能力，允许在一定条件下较长时间运行；而当负载超过允许值时，就要求保护熔体在一定时间内熔断。还有一些设备起动电流很大，但起动时间很短，所以要求这些设备的保护特性要适应设备运行的需要，要求熔断器在电机起动时不熔断，在短路电流作用下和超过允许过负荷电流时，能可靠熔断，起到保护作用。熔体额定电流选择偏大，负载在短路或长期过负荷时不能及时熔断；选择过小，可能在正常负载电流作用下就会熔断，影响正常运行，为保证设备正常运行，必须根据负载性质合理地选择熔体额定电流。