>快速熔斷器的特性與應用
西安電工研究院 譚天駒（西安710077）
摘要：分析快速熔斷器在半導體電力變流器中的電流特性，說明選擇綜合性能優良的快速熔斷器對於變流設備的正常運行是至關重要的。
關鍵詞：變流器快速熔斷器特性應用
The Characteristic and Application of the Quick-fuse
Abstract: The paper alleges the current characteristic of the quick－ fuse in the semiconductor power converter and explains that to select the quick－ fuse with high quality is important for normal operation of the converter.
Keywords:Converter Quick--fuse Characteristic Application
1引言
電力半導體器件熱容量小，在故障狀態下必須要有快速保護。而快速熔斷器（以下簡稱快熔）具有與半導體器件類似的熱特性，是一種最好的保護器件。本文涉及的是封閉式有填料限流式快熔，在運行中沒有外部現象。
我國快熔的發展曆史可分為四個階段，第一代是六十年代全國聯合設計的RSO、RS3係列，參數為480A、750V及以下，分斷能力50kA，是一種體積較大、價格低廉、電壽命短的初級產品,目前尚有相當裝機量。第二代是八十年代參考日本富士電機七十年代典型產品CS8F－1400－C而開發的RSF係列。當年該產品典型規格如1600A、1400A，滿足了與ZP1000矽整流管的匹配和分斷100kA故障電流的要求，成為大型變流裝置的主要保護元件。該產品主要采用了園孔狀熔體技術。第三代是九十年代初引進歐洲著名公司產品及相應續延技術研製的快熔。其特點是采用在石英砂填料中添加鈉鹽的技術，使每電弧柵分斷電壓從AC150V提高到AC200V。但其缺點是分斷後的絕緣電阻在多數情況下不易形成，甚至造成斷電後仍然有漏電現象，這是一種初級的加鹽產品。第四代是九十年代末為了克服分斷後漏電、重燃問題以及配合大功率電力半導器件的發展，要求更進一步提高分斷能力，降低I2t等性能，經過對基礎材料、基本製造技術的研究，在填料中增加了特製鉀鹽、鈉鹽等滅弧材料，使快熔總體水平有了大幅度提高，達到了每電弧柵分斷AC250～300V,分斷後能形成0.5～500MΩ的絕緣電阻，製造優良的快熔在分斷後10min.內能形成1～30MΩ的絕緣電阻，可以配4″矽整流管。其主要技術指標與當代先進工業國家的產品同步，許多規格可以和法國、丹麥、德國、美國等產品互換，如RSM係列、BRS係列等。
2快熔保護的配置
快熔在半導體電力變流器保護中的配置，一般分為二類。
（1）變流臂內部並聯支路配置保護式，主要用於大功率和超大功率變流器的保護。當變流臂中某一支路的器件因某種原因損壞，導致與之串聯的快熔保護分斷後，一般情況下僅一個器件出故障，並不影響整個變流器的正常運行，如圖1－2所示。@Ttj1.gif
圖1
（2）分相配置總體保護式，主要用於中小功率變流器的保護。當某一變流臂中的器件因某種原因損壞，導致該相快熔保護分斷後，變流器的保護將自動切斷供電電源，停止向變流器供電，如圖3－4所示。
3快熔的選用
3.1粗選（電壓電流法）
依據線路變流變壓器的線電壓應低於快熔的額
定電壓。經電力半導體器件與快熔串聯短路試驗驗證，按半導體器件額定電流乘以一個係數，作為所選用快熔的額定電流。因快熔的額定電流是有效值，而半導器件額定電流是平均值，針對2（1）所述的保護方式，對第一代產品RSO、RS3係列而言，該係數可按整流管為1.4、晶體管為1.2、快速晶體管為1來取；如ZP1000配1400A快熔，針對2（2）所述的保護方式，則可依據閥電流IV以及變流裝置的負載特性選擇快熔。然後按變流器可能產生的最大故障電流，選擇快熔的分斷能力，如50kA或100kA（50kA為合格品，100kA為一級品）。
3.2精選
快熔的許多指標是在IEC國際電工標準規定的條件下確定的,與變流器的使用條件有一定差距，所以要比較精確地計算和選用快熔是比較複雜的,需分解快熔的各項重要性能才可以做出正確的選擇。現將快熔性能分解如下：
（1）電流通過能力的選擇
快熔的額定電流是以有效值表示的。根據IEC60269－4、GB13539.4－92標準是在電流密度1～1.6A/mm2的標準試驗架上確定的,當它用於變流器中時不可能有如此寬鬆的條件,故必須降容使用。一般正常通過電流為標稱額定電流的30％～70％。快熔使用時或其一端被半導體器件加熱另一端被水冷母排冷卻；或雙麵都被水冷母排冷卻；或進行強製風冷；或自然冷卻控製溫升使之保持電流通過能力。若要計算熱平衡則需求出母排電功耗，快熔電工耗，各連接處電工耗，還要考慮散熱條件等。變流器中快熔的接頭處是一個容易被忽視的部位，接頭處的連接狀況，影響著快熔的溫升和安全運行，為此必須保持接觸麵的平整和清潔。無鍍層的母排接觸麵要去除氧化層；安裝時給予一致的壓緊力；最好使接觸麵產生彈性變形。並聯的快熔要求逐個檢測接觸麵壓降。
（2）快熔的溫升與功耗
快熔的功耗W為：
W=ΔUIw（1）
ΔU=f(Iw)（2）
式中，Iw－工作電流,ΔU－快熔的壓降
快熔的功耗與其冷態電阻有很大關係，選用冷態電阻低的快熔有利於降低溫升，因為電流通過能力主要受溫升限製。如前所述，快熔接頭處的連接狀況，也影響快熔的溫升，要求快熔接頭處的溫升不應影響相鄰器件的工作。試驗證明，快熔溫升低於80K可以長期運行，溫升100K時製造工藝穩定的產品仍能長期運行，溫升120K是電流通過能力的臨界點，若溫升達到140K則快熔不能長期運行。水冷母排可以降低快熔溫升，尤其對低電壓規格的快熔如400～600V效果更佳。快熔端子與水冷母排連接端溫差一般在1～2℃。許多大功率快熔是按水冷條件設計的，所以用戶在使用前應向製造廠垂詢。風冷也是一種降低溫升的有效方法，根據風速通過能力曲線可以確定風速對快熔溫升的影響，風速約5m/s時一般可以提高25％的通流能力，風速若再增加將不會有明顯的作用。
根據製造廠提供的快熔電壓降曲線以及額定電流下的功耗，測量快熔兩極端子間的電壓降可以快速計算出該支路的實際電流。
同樣的通流情況下，溫升還與快熔是采用單一或雙並有關。先進工業國家製造的大功率變流裝置中多采用快熔雙並與半導體器件串聯，如700A×2、
圖5
1400A×2、2500A×2。雙並結構的快熔端子可以盡量減薄,以減少電阻。雙並連接的快熔有一類靠螺栓和連板連接(二代產品),有一類是連板(端子)與兩熔體(端子)焊接為一體的結構,此類結構比較先進。電壓較高的快熔其內電阻較大,尤其是800V以上產品,由於外殼瓷套有一定的長度，表麵積較大，而熔體產生的熱量經由填料、外殼傳導散熱，故電壓高的快熔風冷效果顯著。
（3）分斷能力的選擇
快熔的外殼強度，很大程度上確定了對最大故障電流的分斷能力，IEC標準中稱為“額定分斷能力”。其次，快熔內部的金屬熔片形狀、填料吸附金屬蒸氣能力和熱量、熔斷體的電動力方向等都影響分斷能力。設計變流器時應計算變流變壓器的相間短路電流，並按此電流選用具有足夠分斷能力的快熔。分斷能力不足的快熔會持續燃弧直至爆炸，嚴重時會導致交直流短路，故額定分斷能力是一個安全指標。
產品製造的分散性也是影響分斷能力的因素之一。
有一個易於忽視的問題是在短路故障時線路的功率因數，因為在快熔分斷時所產生的電弧能量的大小取決於電路感抗的大小，當線路功率因數cos
