快熔及元件选型.九方

整流元件与快速熔断器的选型西安九方科技开发有限公司王颐龙董卫社前言在变流设备及装置中，元件与快速熔断器匹配不恰当，往往出现元件、快速熔断器频繁发生故障损坏或快速熔断器起不到保护作用的现象，从而造成设备不能正常稳定、有效地运行，故二者的合理匹配对设备的正常运行非常重要。

本文对变流设备及变流装置中主要元器件晶闸管、快速熔断器、变压器等的相关参数的计算给出了相应的公式，公式及系数来源于《电机工程手册》第32篇及多年从事变流设计的经验，在此对各参数的概念及定义和对公式及系数的推导不做讨论，只追求简捷与实用。

一、快速熔断器概述快速熔断器简称快熔，主要由熔体（纯银）、触刀（铜）及瓷瓶（氧化铝）和填充材料（石英砂）组成。

熔体焊接在两端的触刀（即安装的导电面）上，触刀用盖板紧固在瓷瓶两端，瓷瓶里面填充着灭弧介质石英砂。

快速熔断器是利用热效应原理工作的保护器件，当电路中发生故障短路或过载电流时，流过熔体的电流随之增大，快熔的熔体在极短的时间内产生大量的热量，当熔体的温度达到熔点时，开始熔化直至汽化，从而分断故障电流，达到保护整个电路和设备的作用。

快速熔断器的熔体熔断时一般分为四个阶段：1.升温阶段：当熔体通过过载或短路电流时，熔体的温度会不断升高到熔化温度，此时熔体并未开始熔化，而是仍处于固体状态。

温度的上升率与电流的大小成正比。

2.熔化阶段：故障电流继续通过熔体产生大量的热量，熔体吸收热量开始熔化，熔体继续熔化而温度不变。

3.电弧阶段：熔化了的金属在短时间内仍保持原来状态，熔体在电流的作用下继续产生热量而使熔体温度不断升高直到汽化点，开始产生金属蒸气。

此时，由于瞬间产生的绝缘间隙很小，电流突然中断，电路电压立即击穿此间隙，产生电弧。

4.熄灭阶段：电弧形成后，汽化的金属离子扩散、渗透到周围灭弧介质石英砂中，电弧能量被吸收，电弧间隙扩大而自行熄灭，快熔切断电流。

快速熔断器具有分断时间短，限流特性好的特点。

其熔体多采用纯银（电阻率1.64×10-6Ω•cm熔点960℃热熔常数8×108A2S/CM4）材质，而不采用铜（电阻率1.7×10-6Ω•cm 熔点1083℃热熔常数11.72×108A2S/CM）和铝（电阻率2.86×10-6Ω•cm熔点660℃热熔常数4.42×108A2S/CM）等材质，虽然铜和银的电阻率接近，但限流特性不如银的显著，并且其弧后的残躯电阻比银小；虽然铝的热熔常数比银低，但相同尺寸的熔体，银比铝通过电流的能力要强许多，并且其弧后的残躯电阻比银小；所以，银是比较理想的首选材料。

快速熔断器的熔体一般设计为变截面多并联的形式。

熔体的厚度影响其分断的速度，厚度薄了虽然可以提高其分断的快速性，但机械性能降低，不利于生产制作；厚度厚了虽然增大了额定电流，有利于生产制作，但会增大金属的趋肤效应，降低电流的通过效率；所以，设计者应综合考虑选择科学合理的熔体厚度，以达到熔断器最佳的工作状态。

快速熔断器在设备装置中主要对大的故障电流起保护作用。

熔断器在分断大的故障电流时处）过载电于绝热状况下，其弧前I2T与其熔体的材料和几何尺寸有关；当小倍数（<4～5IN 流通过时，部分能量通过瓷壳和触刀传递到外部，其弧前I2T与时间成正比关系，不利于熔断器的分断及对设备的保护，故对小倍数过载电流应选择其它电器（空气开关、电流继电器、接触器等）元件或方式进行保护；所以，同规格的熔断器功耗较小，弧前I2T较小，其保护性能就更佳。

灭弧介质石英砂的纯度、粒度、形状、填充的密度、瓷管的强度以及熔体的布局等对熔断器的分段能力及质量有很大的关系。

熔断器的灭弧介质石英砂固化和散沙各有特点，同规格的石英砂固化虽然分断性能比散沙的要好，但弧后的残躯电阻比散沙的要小。

快速熔断器是利用热效应原理进行保护的元件，故而要考虑其正常运行时的温升，如果不采取其他方式进行冷却散热，只是一味要求其温升降低，则会分断时间延长，不能起到很好的保护作用；若不考虑正常运行时的温升，则常常会因过载而频繁更换熔断器；所以，设计者和使用者应综合考虑，选择科学合理的方式及规格，以达到满意可靠的保护作用。

在相同的外环境（电流和冷却条件）下，快熔运行的温升与快熔本身的冷态（20℃）电阻有关，快熔的冷态电阻越大则发热越多，温升越高。

快熔冷态电阻R=R1×2＋R2式中R1为快熔端电阻，即触刀电阻。

R2为快熔熔体电阻，同规格的电流其电压等级越高则R2越大，所以选用快熔时电压余度不宜过大。

当负载短路或元件损坏情况发生时，造成流经快熔的电流瞬时急剧上升，使快熔熔体熔断以防事态扩大，对电路相关元器件进行有效的保护。

注意事项：必须严重拒绝元件与快熔的不匹配选型！（1）元件合适而快熔过大则起不到有效的保护作用；（2）元件合适或过大而快熔过小则有可能会发生快熔发热严重熔断频繁的故障现象；（3）快熔合适或过大而元件过小则有可能会发生元件损坏频繁甚至快熔不断的故障现象；二、三相桥电路2.1如图1（桥臂为单元件的三相桥整流电路）2.1.1元件参数的确定（1）元件电流平均值I AV的确定：I AV=K AV×I d/3元件为水冷时，冗余系数K AV=3所以I AV=I d------①自冷I AV取水冷的 1.5～2（2）元件电压耐受值V RRM的确定：V RRM=K RRM×u d io/1.35------②冷却方式为水冷时，K RRM=3冷却方式为自冷时，K RRM= 4.52.1.2快熔参数的确定（1）快熔电流有效值I R的确定：I R=K IR×I d/1.732单面水冷时，K IR取 1.6～1.8所以I R=I d------③自冷I R取水冷的 1.2～1.5倍（2）快熔电压有效值V R的确定：V R=K VR×u d io/1.35------④当I d小于3000A时，K VR取 1.1～1.2当I d大于3000A时，K VR取 1.2～1.5K VR取过小则不利于燃弧的熄灭，过大则会导致熔体电阻值的增大、温升过高。

2.1.3变压器二次参数的确定（1）二次线电流I2L的确定：I2L=I d×0.816------⑤（2）二次线电压U2L的确定：U2L=u d io/1.35------⑥2.1.4理想空载直流电压u d io的计算u d io=(U d＋△V×2＋V L)×(1＋K V)×(1＋K Z)------⑦式中：U d------输出额定负载电压△V------元件正向导通平均压降，通常取1VV L------线路压降，通常取1VK V是变压器网侧电压负波动系数常取5%～10%K Z是变压器阻抗，常取5%～8%注意：计算时K V、K Z不可随意取的太大，否则会造成元件的深控而导致损坏！2.2如图2（桥臂为多元件并联的三相桥整流电路）2.2.1元件参数的确定（1）元件电流平均值I AV的确定：I AV=K AV×I d/[3(n×Ki)]冷却方式为水冷时，K AV=3所以I AV=I d/(n×Ki)------⑧n----为桥臂并联支路数Ki----为桥臂支路的均流系数，通常取0.80～0.85自冷时，I AV取水冷的 1.5～2（2）元件电压耐受值V RRM的确定：同图1按2.1.1公式②算法2.2.2快熔参数的确定（1）快熔电流有效值I R的确定：I R=K IR×I d/[1.732×(n×Ki)]单面水冷时，K IR取 1.6～1.8所以I R=I d/（n×Ki）----⑨自冷I R取水冷的 1.2倍（2）快熔电压有效值V R的确定：同2.1如图1按2.1.2公式④算法。

2.2.3变压器二次参数的确定：同2.1如图1按2.1.3公式⑤⑥算法。

2.2.4理想空载直流电压u d io的计算：同2.1如图1按2.1.4公式⑦算法。

2.3如图3（快熔装于桥口的三相桥整流电路，如有些中频电路电源）2.3.1元件参数的确定：同2.1如图1按2.1.1公式①②算法。

2.3.2快熔参数的确定（1）快熔电流有效值I R的确定I R=K IR×I d/1.732×1.414单面水冷时，K IR取 1.6～1.8所以I R=I d×1.414----⑩自冷I R取水冷的 1.2倍（2）快熔电压有效值V R的确定：同2.1如图1按2.1.1公式④算法。

2.3.3变压器二次参数的确定：同2.1如图1按2.1.3公式⑤⑥算法。

2.3.4理想空载直流电压u d io的计算同2.1如图1按2.1.4公式⑦算法。

三、双反星电路3.1如图4（桥臂为单元件的双反星型带有平衡电抗器的整流电路）3.1.1元件参数的确定（1）元件电流平均值I AV的确定：I AV=K AV×I d/（3×2）元件为水冷时，取冗余系数K AV=3所以I AV=I d/2------⑪自冷时，I AV取水冷的 1.5～2（2）元件电压耐受值V RRM的确定：V RRM=K RRM×u d io/0.675----⑫冷却方式为水冷时，K RRM=3冷却方式为自冷时，K RRM= 4.53.1.2快熔参数的确定（1）快熔电流有效值I R的确定：I R=K IR×I d/（1.732×2）单面水冷时，K IR取 1.6～1.8所以I R=I d/2------⑬自冷I R取水冷的 1.2～1.5倍（2）快熔电压有效值V R的确定：V R=K VR×u d io/0.675------⑭当I d小于5000A时，K VR取 1.1～1.2当I d大于5000A时，K VR取 1.2～1.5K VR取过小则不利于燃弧的熄灭，过大则会导致熔体电阻值的增大、温升过高。

3.1.3变压器二次参数的确定（1）二次线电流I2L的确定：I2L=I d×0.289------⑮（2）二次线电压U2L的确定：U2L=u d io/0.675------⑯3.1.4理想空载直流电压u d io的计算u d io=(U d＋△V＋V L)×(1＋K V)×(1＋K Z)------⑰式中：U d------输出额定负载电压△V------元件正向导通平均压降，通常取1VV L------线路压降，通常取1VK V是变压器网侧电压负波动系数常取5%～10%K Z是变压器阻抗，常取5%～8%注意：计算时K V、K Z不可随意取的太大，否则会造成元件的深控而导致损坏！3.2如图5（桥臂为多元件并联的双反星型带有平衡电抗器的整流电路）3.2.1元件参数的确定（1）元件电流平均值I AV的确定：I AV=K AV×I d/[(3×2)(n×Ki)]冷却方式为水冷时，K AV=3所以I AV=I d/[2(n×Ki)]----⑱n----为桥臂并联支路数Ki----为桥臂支路的均流系数，通常取0.80～0.85自冷I AV取水冷的 1.5～2.0倍（2）元件电压耐受值V RRM的确定：同3.1如图4按3.1.1公式⑫算法。