文山

                隆瑞电子全名深圳市隆瑞电子有限公司，是力特littelfuse和巴士曼bussmann的一级代理商。代理其线下各类保险丝，熔断器等电子元器件。是目前的产品线有巴士曼Bussmann、三菱Mitsubishi Materials、斯丹麦德、MTA、绿测器、DAITO、BesTeks等等国内外知名的熔断器座（保险丝）、保护继电器、冷却风扇、避雷针等等。公司网址：http://www.long-reen.com
93,

浅析快速熔断器的选型与应用

本文论述了快速熔断器的选型的原则，并对应用中的需要注意的问题进行了分析。

1概述

地铁列车中，牵引和辅助系统主电路的维护是由快速熔断器和高速开关共同承当的这种设计是基于以下几个方面的考虑：

⑴高速开关具有短路维护、过流保护、过载维护和欠压维护等功能，且具有可频繁操作的优点。但高速开关短路维护的性能不理想，不能将短路电流和分断过电压限制在电路可以接受的范围内。

2⑵快速熔断器具有分断能力强、分断时间短、限流特性好、IT值小、分断过电压低等

优点，可以将短路电流和分断过电压限制在电路可以接受的范围内，最理想的维护器件。然而熔断器不能重复使用，用一次就得更换。

⑶电路出现短路故障的几率很小。

将高速开关和熔断器两者结合起来，使两者的优势互补，就能使电路得到有效的维护，又能防止经常更换熔断器麻烦。

选择高速熔断器时，设计师既要根据被保护电路的特性，分别确定高速开关和快速熔断器参数，还要考虑高速开关与快速熔断器的匹配。如何正确的选择、使用快速熔断器，系统开发、设计人员必需关注和解决的实际问题。

2快速熔断器的结构、工作原理和特性

2.1快速熔断器的结构

熔断器由磁壳、导电板、熔体、石英砂、消弧剂、指示器六部分组成。

熔体的材质为纯银，形状为矩形薄片，且具有圆孔狭颈。如图所示：

图1快速熔断器熔体的几何形状

2.2快速熔断器的灭弧原理

快速熔断器的熔体是由纯银制成的由于纯银的电阻率低、延展性好、化学稳定性好，因此快速熔断器的熔体可做成薄片，且具有圆孔狭颈结构。发生短路故障时，狭颈处电流密度大，故狭颈处首先熔断，并被石英砂分隔成许多小段。这样，由于熔体熔断而形成的电弧就被石英砂分隔成许多小段，电弧电流较小，分布的空间小，易被消弧剂吸收。又由于石英砂是绝缘的电弧熄灭后立即形成一个绝缘体，将电路分断。

2.3快速熔断器的特性

2.3.1反时限电流维护特性

熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。所以，一定过载电流和过载时间范围内，熔断器是不会熔断的可连续使用。

熔断器熔体的熔断特性曲线如图1所示。

图1熔断器的熔断特性曲线

表1熔断电流与熔断时间之间的关系

图1标明：熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短；一定过载电流和过载时间范围内，熔断器是不会熔断的可连续使用。熔断器的这种反时限电流维护特性，与被维护电路所要求的维护性能是一致的

熔断器有各种不同的熔断特性曲线，可以适用于不同类型维护对象的需要。

2.3.2限流特性

由于快速熔断器的熔体为具有一系列圆孔狭颈的矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。圆孔狭颈处的截面积小，热容量小，发生短路故障时，故障电流尚未达到预期的短路电流时，即被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段。这样，既限制了短路电流增加，亦加速电弧的熄灭。

例如：系统中预期的短路故障电流有效值为40kA 采用高压限流熔断器，由于熔断器的限流作用，故障电流将被限制在10kA 以下。

2.3.3分断能力强

由于快速熔断器的熔体为具有一系列圆孔狭颈的矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧被很快熄灭。由于石英砂是绝缘的电弧熄灭后，熔断器立即变成一个绝缘体，将电路分断。因而快速熔断器分断能力强，可高达50kA

2.3.4负载设备接受的冲击能量小

电路出现短路故障时，负载设备接受的冲击能量为

W=I2Rt

式中，I短路电流；

R电路的电阻；

t从短路故障发生到电路被切断的时间。

快速熔断器分断的时间短，且有很好的限流作用，故负载设备接受的冲击能量小。例如：系统中预期的短路故障电流为40kA 用高速开关分断作短路维护时，其负载设备接受的冲击能量为W1=I12Rt1其中I1=40kA t1=25m若采用高压限流熔断器作短路维护时，此时负载设备接受的冲击能量为W2=I22Rt2其中I2=10kA t2=10mW2/W1=1/40

2.3.5分断过电压低

由于快速熔断器的熔体为具有圆孔狭颈矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧电流小，且在电弧电流接近零时被熄灭，故分断过电压低。当快速熔断器的额定电流选择时当时，分断过电压约为电路额定电压的2.5倍。

3熔断器的选型

3.1熔断器的选型原则

⑴快速熔断器的额定电压应等于电网电压；

⑵熔断器应能耐受正常负荷和正常负荷的浪涌电流（如：变压器的励磁峰值电流、电动机的启动电流、电容器充电电流等）

⑶熔断器应能要求的时间内分断被保护电路的最小短路电流；

⑷熔断器的分断能力应大于被保护电路的最大短路电流；

⑸熔断器应有良好的限流特性，使短路电流限制在被维护电路所能承受的范围内；⑹熔断器的分断过电压应小于被维护电路所能承受的最大过电压。

⑺快速熔断器、高速开关和负荷特性三者之间应良好匹配。

3.2熔断器选型的方法

⑴根据被保护电路的额定电流和负载性质，初步确定熔断器额定电流；

⑵根据初步确定熔断器额定电流，对照熔断器选型手册，选择熔断器的型号；

⑶根据所选熔断器的电流维护特性曲线检验是否满足被保护电路的要求，若不满足，则改选高一级（或高一级）额定电流的熔断器，偏重新检验，直至满足被保护电路的要求。

3.3熔断器额定电流的计算公式（初选）

⑴无起动过程的平稳负载的维护

无起动过程的平稳负载，如：照明线路、电阻、电炉等。

IFN≥ IN①

式中：IFN--熔断器额定电流；

IN--负荷电路的额定电流。

⑵单台长期工作的电机的维护

IFN≥ 1.52.5IN②

式中：IFN--熔断器额定电流；

IN--电动机额定电流。

如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至33.5

⑶多台电机（供电干线）维护

IFN≥ 1.52.5INmax+ΣIN③

式中：IFN--熔断器额定电流；

INmax--容量最大单台电机的额定电流。

ΣIN其余电动机额定电流之和。

⑷变压器的维护

⑴ 根据变压器额定电流，初选熔断器额定电流

一般取变压器额定电流ITN1.31.5倍，即

IFN≥（1.31.5ITN④

式中：IFN--熔断器额定电流；

ITN--变压器的额定电流。

3.4熔断器选型举例

⑴维护变压器的熔断器

1变压器参数：

额定电压：6kV额定容量：200kVA 额定电流：ITN=19.2A短路阻抗：ud%=5%

2对熔断器的要求：

①熔断器的额定电压VFN≥6kV

②熔断器必需能够切断变压器的最小短路电流，即I0＜ITN/ud%＝19.2/5%＝384A③熔断器必需能耐受变压器的励磁冲击电流，即IF0.1＞14ITN＝1419.2＝268A

3熔断器选型

①根据变压器的额定电流初步选定熔断器额定电流：

IFN≥1.3ITN=1.319.2=25A

②初选熔断器的型号：

熔断器的额定电压VFN≥6kV额定电流IFN≥25A与该参数符相近的熔断器有：25A/7.2kV

该熔断器的0.1s熔化电流IF0.1=230A熔断器的最小熔断电流I0=112A

③校验：

所选熔断器0.1熔化电流IF0.1小了改选高一级额定电流的熔断器，即40A /7.2kV该熔断器0.1s熔化电流IF0.1=400A熔断器的最小熔断电流I0=180A满足要求。确定选用：40A /7.2kV熔断器。

⑵维护牵引主电路的熔断器

1牵引主电路参数：

额定电压：DC1500V电压变化范围900V至2000V额定电流：800A 最大工作电流900AIGBT模块额定电压：3300V额定电流：1200A

2维护电路的设置

牵引变流器的过流维护由高速开关承当，短路维护由快速熔断器承担，IGBT过流维护由栅极驱动电路承当。

3三级维护参数的具体设定：

①IGBT过流保护电路的设计原则：

IGBT过流能力：10μS2倍的额定电流。

由于IGBT抗过载能力只有：10μS2倍的额定电流。因此，IGBT过流保护，不可能通过高速开关来实现，只能由栅极驱动电路来实现。

IGBT过流保护电路的设计原则是当过电流值小于2倍额定电流值时，采用瞬时封锁栅极电压脉冲的方法；当过电流值大于2倍额定电流值时，采用软关断方法，2μS5μS

时间内使栅极电压降至零，至最终为-5伏的反电压（因为，瞬时封锁脉冲电压会使di/dt过大，会在主回路中感应出较高的尖峰电压）

②高速开关的选型原则：

高速开关的额定电压应等于接触网的额定电压，并能接受接触网的最高过电压；高速开关的额定电流应大于等于牵引变流器的工作电流；高速开关的过电流跳闸设定值应按IGBT额定电流的1.2倍整定。

基于以上分析，选定高速开关的有关参数如下：

额定电压:1500V

额定电流:1200A

额定脉冲接受电压:18kV

跳闸电流设定值:1400A

额定绝缘电压:3000V

③快速熔断器的选型：

快速熔断器的额定电压应等于接触网的额定电压；快速熔断器的额定电流应等于牵引变流器的工作电流；快速熔断器应能接受高速开关的跳闸的设定电流；快速熔断器应能分断牵引主电路的最小短路电流；快速熔断器的分断能力，应能分断牵引主电路的最大短路电流。

基于以上分析，高速开关的有关参数如下：

额定电压:1500V

额定电流:1000A

25m熔化电流:≥2000A跳闸电流1400A,跳闸时间25m

10m熔化电流:≤4000A

额定分断能力:50kA

4熔断器选型注意事项

⑴快速熔断器的额定电压应等于电网电压；

⑵快速熔断器的额定电流一定要和被保护电路的工作电流相匹配，不可降额使用，降额使用将造成过高的分断过电压；

⑶应考虑设备特性的容差，以获得良好的维护效果；

⑷在同时设置熔断器和高速开关的维护电路中，影响维护特性的一个重要参数便是其交接电流Izy高速开关与限流熔断器保护曲线的交接点电流，即大于该电流时维护功能由限流熔断器执行，小于该电流，维护功能由高速开关执行。

交接电流Izy要根据下列原则确定：

过电流维护设定值＜Izy＜电路的短路电流


篇二 :快速熔断器选型说明

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维护元件。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，维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，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75100MVA 单台输出电流高达5075kA 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，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254.99MVA 向二台1220V37kA 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。

快速熔断器选型说明 熔断器选型

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UNF

UNF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UVO与局部直流电压Udo之和，可按下式计算[1]

UNF>快速熔断器选型说明 熔断器选型三相桥式电路）

或UNF>快速熔断器选型说明 熔断器选型双反星形电路）

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INF

INF选用应以整流电路中实际流过熔断器的电流有效值IF为基础，并考虑环境温度（系数ka冷却条件（系数kT电流裕度（系数kI等因素影响进行计算，而不是按与熔断器串联的半导体器件的通态电流平均值转化成有效值来计算。当流过熔断器的电流是脉冲波形时，应计算相应的有效值，而不是取其最大值。

INF≥IFkakTkI≥kIF

式中：k值一般可取1.52对自冷式熔断器，k取较大值，尤其对熔断器两端连接导线特别短的电路结构，需取最大值；对水冷式熔断器k取较小值。快速熔断器选用的额定电流过大，势必增加熔断器的I2tF值，对半导体器件的维护是有害的

图1中每个整流桥臂有4个整流管并联工作，当均流系数按0?9考虑时，则流过熔断器中的最大电流的有效值为

IFmax=快速熔断器选型说明 熔断器选型Id/20.934=2970A

由于大电流快速熔断器采用水冷式结构，因此它额定电流可选用INF=1.5IFmax≈4500A 当桥臂中一个整流管损坏后，流过熔断器的电流增加到3960A 仍可保证整流器额定电流的输出。

2.3I2t值的核算

当半导体器件与快速熔断器串联工作时，半导体器件允许通过的I2tD值应大于快速熔断器的I2tF值，不然熔断器熔断时，器件也被烧损。二者关系可按下式计算

I2tF≤0.9I2tD整流管的I2tD值随电流的倍数平方值增加，见表1快速熔断器的I2tF值则增加更快，见表2从表1表2中可以看出，200A 整流管可配315A 熔断器作保护，而2000A 整流管只能配用2200A 以下熔断器作保护了

表1ZP型整流管的I2tD值（平均值）

通态电流/A 200400600800100016002000I2t/A 2s0.61052.21054.751058.510513.910535.510556.7105

表2法国FERRA Z公司PSC系列（660V快速熔断器的最大熔断I2tF值

额定电流有效值/A 3156309001250160022002800最大熔断的I2t值/A 2s0.41052.81059105111051910550105100105

大功率整流器的桥臂中通常设计为26个整流管并联运行，如图1所示。当A相某整流管反向击穿形成变压器阀侧短路时，流过两个健全臂（BC相）电流幅值并不相等，BC相电流幅值为A相短路电流幅值的50％～80％[2]图2为1500V2000A 整流器中快速熔断器维护试验波形，人工短接A相桥臂整流管（相当于整流管反向击穿而形成桥臂短路）时拍摄的变压器阀侧短路的相关波形图。从图2中看出，人工短接整流管支路的快速熔断器经9.9m后分断（由于短路电流值较小，因此分断速度较慢）BC相熔断器与整流管完好，流过BC相桥臂的短路电流幅值分别为12.3kA 与11.0kA 为A相桥臂短路电流幅值的60％与54％。短路电流的幅值大小与产生短路的时刻（合闸角）及短路电路中的感抗X与电阻R值等因素有关。从这个观点考虑，多个整流管并联的桥臂中，快速熔断器的I2tF值允许大于串联连接的整流管的I2tD值，但不宜相差太多。众所周知，熔断器的熔断能量I2tF熔化能量I2t1与燃弧能量I2t2之和，即I2tF=I2t1＋I2t2I2t1值约为（1525％I2tF因此，选用快速熔断器时，要防止流过健全臂中熔断器的I2t1值过大，否则会引起健全臂中熔断器热疲劳损坏及整流管的过载损坏。

快速熔断器选型说明 熔断器选型

图2模拟整流管击穿短路时的相关波形图

熔断器的I2tF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I2tF值。如西安西整熔断器厂生产的1000V6000A 快速熔断器老产品的I2tF值为76106A 2而该企业的新产品RS-1000V/6000A P115SS型快速熔断器（1000V6000A I2tF值为55106A 2二者相差38％。因此，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I2tF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I2tF值为40106A 2与ZP?4800V/4500A 整流管的I2tD相比，后者I2tD值为30106A 2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IbD=186kA 直流侧短路时，短路电流平均值IbDp1=100.12kA

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，尚包括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5070100kA 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RS4H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22.5倍，为此要防止正常的半导体器件受到损害。