摘要：分析快速熔斷器在半導(dǎo)體電力變流器中的電流特性，說明選擇綜合性能優(yōu)良的快速熔斷器對于變流設(shè)備的正常運行是至關(guān)重要的。
關(guān)鍵詞：變流器快速熔斷器特性應(yīng)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(dǎo)體器件熱容量小，在故障狀態(tài)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(dǎo)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(xiàn)象。
我國快熔的發(fā)展歷史可分為四個階段，第一代是六十年代全國聯(lián)合設(shè)計的RSO、RS3系列，參數(shù)為480A、750V及以下，分?jǐn)嗄芰?0kA，是一種體積較大、價格低廉、電壽命短的初級產(chǎn)品,目前尚有相當(dāng)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(chǎn)品CS8F－1400－C而開發(fā)的RSF系列。當(dāng)年該產(chǎn)品典型規(guī)格如1600A、1400A，滿足了與ZP1000硅整流管的匹配和分?jǐn)?00kA故障電流的要求，成為大型變流裝置的主要保護元件。該產(chǎn)品主要采用了園孔狀熔體技術(shù)。第三代是九十年代初引進歐洲著名公司產(chǎn)品及相應(yīng)續(xù)延技術(shù)研制的快熔。其特點是采用在石英砂填料中添加鈉鹽的技術(shù)，使每電弧柵分?jǐn)嚯妷簭腁C150V提高到AC200V。但其缺點是分?jǐn)嗪蟮慕^緣電阻在多數(shù)情況下不易形成，甚至造成斷電后仍然有漏電現(xiàn)象，這是一種初級的加鹽產(chǎn)品。第四代是九十年代末為了克服分?jǐn)嗪舐╇?、重燃問題以及配合大功率電力半導(dǎo)器件的發(fā)展，要求更進一步提高分?jǐn)嗄芰Γ档虸2t等性能，經(jīng)過對基礎(chǔ)材料、基本制造技術(shù)的研究，在填料中增加了特制鉀鹽、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?jǐn)郃C250～300V,分?jǐn)嗪竽苄纬?.5～500MΩ的絕緣電阻，制造優(yōu)良的快熔在分?jǐn)嗪?0min.內(nèi)能形成1～30MΩ的絕緣電阻，可以配4″硅整流管。其主要技術(shù)指標(biāo)與當(dāng)代先進工業(yè)國家的產(chǎn)品同步，許多規(guī)格可以和法國、丹麥、德國、美國等產(chǎn)品互換，如RSM系列、BRS系列等。
2快熔保護的配置
快熔在半導(dǎo)體電力變流器保護中的配置，一般分為二類。
?。?）變流臂內(nèi)部并聯(lián)支路配置保護式，主要用于大功率和超大功率變流器的保護。當(dāng)變流臂中某一支路的器件因某種原因損壞，導(dǎo)致與之串聯(lián)的快熔保護分?jǐn)嗪螅话闱闆r下僅一個器件出故障，并不影響整個變流器的正常運行，如圖1－2所示。@
（2）分相配置總體保護式，主要用于中小功率變流器的保護。當(dāng)某一變流臂中的器件因某種原因損壞，導(dǎo)致該相快熔保護分?jǐn)嗪?，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(jù)線路變流變壓器的線電壓應(yīng)低于快熔的額定電壓。經(jīng)電力半導(dǎo)體器件與快熔串聯(lián)短路試驗驗證，按半導(dǎo)體器件額定電流乘以一個系數(shù)，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(dǎo)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(chǎn)品RSO、RS3系列而言，該系數(shù)可按整流管為1.4、晶體管為1.2、快速晶體管為1來??；如ZP1000配1400A快熔，針對2（2）所述的保護方式，則可依據(jù)閥電流IV以及變流裝置的負(fù)載特性選擇快熔。然后按變流器可能產(chǎn)生的最大故障電流，選擇快熔的分?jǐn)嗄芰?，?0kA或100kA（50kA為合格品，100kA為一級品）。
3.2精選
快熔的許多指標(biāo)是在IEC國際電工標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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復(fù)雜的,需分解快熔的各項重要性能才可以做出正確的選擇?，F(xiàn)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(jù)IEC60269－4、GB13539.4－92標(biāo)準(zhǔn)是在電流密度1～1.6A/mm2的標(biāo)準(zhǔn)試驗架上確定的,當(dāng)它用于變流器中時不可能有如此寬松的條件,故必須降容使用。一般正常通過電流為標(biāo)稱額定電流的30％～70％?？烊凼褂脮r或其一端被半導(dǎo)體器件加熱另一端被水冷母排冷卻；或雙面都被水冷母排冷卻；或進行強制風(fēng)冷；或自然冷卻控制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，為此必須保持接觸面的平整和清潔。無鍍層的母排接觸面要去除氧化層；安裝時給予一致的壓緊力；最好使接觸面產(chǎn)生彈性變形。并聯(lián)的快熔要求逐個檢測接觸面壓降。
?。?）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(tài)電阻有很大關(guān)系，選用冷態(tài)電阻低的快熔有利于降低溫升，因為電流通過能力主要受溫升限制。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(yīng)影響相鄰器件的工作。試驗證明，快熔溫升低于80K可以長期運行，溫升100K時制造工藝穩(wěn)定的產(chǎn)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(guī)格的快熔如400～600V效果更佳?？烊鄱俗优c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(shè)計的，所以用戶在使用前應(yīng)向制造廠垂詢。風(fēng)冷也是一種降低溫升的有效方法，根據(jù)風(fēng)速通過能力曲線可以確定風(fēng)速對快熔溫升的影響，風(fēng)速約5m/s時一般可以提高25％的通流能力，風(fēng)速若再增加將不會有明顯的作用。
根據(jù)制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并有關(guān)。先進工業(yè)國家制造的大功率變流裝置中多采用快熔雙并與半導(dǎo)體器件串聯(lián)，如700A×2、
1400A×2、2500A×2。雙并結(jié)構(gòu)的快熔端子可以盡量減薄,以減少電阻。雙并連接的快熔有一類靠螺栓和連板連接(二代產(chǎn)品),有一類是連板(端子)與兩熔體(端子)焊接為一體的結(jié)構(gòu),此類結(jié)構(gòu)比較先進。電壓較高的快熔其內(nèi)電阻較大,尤其是800V以上產(chǎn)品,由于外殼瓷套有一定的長度，表面積較大，而熔體產(chǎn)生的熱量經(jīng)由填料、外殼傳導(dǎo)散熱，故電壓高的快熔風(fēng)冷效果顯著。
?。?）分?jǐn)嗄芰Φ倪x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?jǐn)嗄芰?，IEC標(biāo)準(zhǔn)中稱為“額定分?jǐn)嗄芰Α?。其次，快熔?nèi)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?jǐn)嗄芰ΑＴO(shè)計變流器時應(yīng)計算變流變壓器的相間短路電流，并按此電流選用具有足夠分?jǐn)嗄芰Φ目烊?。分?jǐn)嗄芰Σ蛔愕目烊蹠掷m(xù)燃弧直至爆炸，嚴(yán)重時會導(dǎo)致交直流短路，故額定分?jǐn)嗄芰κ且粋€安全指標(biāo)。
產(chǎn)品制造的分散性也是影響分?jǐn)嗄芰Φ囊蛩刂弧?/FONT>
有一個易于忽視的問題是在短路故障時線路的功率因數(shù)，因為在快熔分?jǐn)鄷r所產(chǎn)生的電弧能量的大小取決于電路感抗的大小，當(dāng)線路功率因數(shù)cos<0.2時 對 分 斷 能 力 有 特 別 高 的 要 求 。
快熔分?jǐn)鄷r的能量W0為：
W0=Wa＋Wr(3)
式中：Wa－電弧能量,Wr－電阻消耗能量
在分?jǐn)嗄芰M足變流器的要求時，還要注意分?jǐn)嗨查g電弧電壓峰值（標(biāo)準(zhǔn)中稱為“暫態(tài)恢復(fù)電壓”），要在快熔制造時予以限制，使其低于半導(dǎo)體器件所能承受的最大值，否則半導(dǎo)體器件將會損壞。故分?jǐn)鄷r間最短的熔斷器不一定最適用。
當(dāng)快熔用于直流電路中時，因為在直流分?jǐn)噙^程中不存在電壓的過零點，這對快熔的可靠分?jǐn)嗍且粋€苛刻的條件，所以一般情況下快熔若用在直流電路中只能用到快熔額定電壓的60％，最好用直流快熔。
（4）I2t的選擇快熔電流通過能力滿足系統(tǒng)短路電流的要求后，發(fā)生短路故障時可以隔離故障電流，但能否保護所串聯(lián)的半導(dǎo)體器件則必須分析二者的I2t值。只有當(dāng)快熔的I2t小于半導(dǎo)體器件的I2t值時，才能對半導(dǎo)體器件起到保護作用。短路故障時的I2t分為兩個階段，即弧前I2t和分?jǐn)郔2t。
1）弧前I2t熔體金屬從固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)的時間是弧前時間，大約在1～2ms,可以認(rèn)為是絕熱過程，此時間段快熔產(chǎn)生的電流時間積分以A2s值表示，可以認(rèn)為是定值，由設(shè)計來確定。tm時刻的電流值Im是快熔的限流值，如圖5所示。弧前I2t值對于不同的材料其值也不同，對于每一種材料它是一個常數(shù)?！ 。?）
式中，to－故障電流開始時刻,tm－熔體變?yōu)橐簯B(tài)時
刻,C－熔體材料系數(shù)。
低倍數(shù)故障電流的I2t值則因部分能量通過外殼傳導(dǎo)至外界，此時間段的弧前I2t值將隨著時間而增加，I2t上升率取決于熔體結(jié)構(gòu)。變流器電路中應(yīng)避免快熔低倍數(shù)過載。根據(jù)IEC60269－4和GB13539.4－92標(biāo)準(zhǔn),大于額定電流In至30s分?jǐn)嗟墓收想娏?約3～4In)不在快熔的保護區(qū)，這一區(qū)間的故障電流的保護應(yīng)用其他方式解決。
2)熔斷I2t當(dāng)熔體金屬變?yōu)檎魵鈺r電弧始燃,在燃弧過程中電流由限流值Im降至0,此階段I2t即為熔斷I2t,以A2s值表示。這一過程主要依靠填料被腐蝕而吸收能量。熔斷I2t是一個變量,是在時刻tm至tt的時間段產(chǎn)生的。制造商給出I2t有的是110％額定電壓下的值，有的是90％額定電壓下的值。I2t的檢測既應(yīng)滿足閉合電相角0～20°,又應(yīng)滿足電弧始燃時達到預(yù)期故障電流的0.60～0.75倍。此時間段有最緩慢的di/dt和最大的電弧能量,所提供的I2t是最大值。
在電路中快熔的額定電壓總是高于使用電壓。因弧能的變化，熔斷I2t也相應(yīng)變化，用電壓系數(shù)k修正，可以得出實際熔斷I2t=k熔斷I2t。則∑I2t=弧前I2t＋k熔斷I2t。
在設(shè)計快熔時為滿足半導(dǎo)體器件不斷提高的額定電流，要采取許多措施，而不能簡單地用算術(shù)方法來選擇快熔。試驗證明，當(dāng)額定電流增加一倍時，快熔的I2t是原來的4倍，而半導(dǎo)體器件I2t值的增加要小得多。要快熔降低I2t有難度，只有多方面采取措施，如縮短熔體長度，降低內(nèi)電阻；減少電弧柵，降低熔體氣化電流值；提高滅弧材料的熄燃能力，在石英砂中加入鈉鹽、鉀鹽；適合粒度的純凈填料，以快速吸附金屬蒸氣；合理的熔片分布等等。
I2t是精選快熔的重要指標(biāo)。
?。?）壽命與可靠性。
快熔的壽命取決于設(shè)計、材料、制造工藝。設(shè)計改進：熔片由第一代的直片改進至現(xiàn)在的波浪形等
有膨漲彎曲片；采用高純度的石英砂；外殼由高頻瓷改為導(dǎo)熱良好的高強度的氧化鋁瓷，玻璃纖維套管等。但無論如何改進，在長期電流波動荷載和電動力作用下，快熔經(jīng)冷熱周期性變化引起熔體金屬老化，最后導(dǎo)致快熔故障運行，直至損壞。所以當(dāng)快熔內(nèi)電阻增加超過10％時，快熔應(yīng)予更換。
熔體精度：熔體是由多個熔片并聯(lián)組成的，是快熔的關(guān)鍵件。熔體狹徑是多單元串聯(lián)、并聯(lián)的電路，狹徑的均流是靠狹徑的尺寸精度、材質(zhì)精度來保證的，從而使熔體得以長期運行。加工精度不高的快熔由于熔片之間均流度差，運行時將發(fā)生狹徑逐個熔斷的情況，最終引起整個熔體非故障熱熔化。從出廠產(chǎn)品的電阻分散性可作出初步判斷，熔體電阻值的誤差在±10％以內(nèi)屬于八十年代水平，誤差達到±1％就有可能長期運行。
?。?）隱形故障下的運行
快熔有許多連接件，焊接工藝尤其重要。焊接的好壞是由設(shè)備，工藝來保障的，用常規(guī)方法不易檢測。一批內(nèi)部虛焊的快熔可以在變流臂為多個半導(dǎo)體器件并聯(lián)的電路中不斷地改變支路間的均流狀況，導(dǎo)致部分半導(dǎo)體器件長時間過載而引起損壞，此現(xiàn)象如果發(fā)生在大型電化用變流器上則是一個隱形故障，嚴(yán)重時可導(dǎo)致整個設(shè)備不能正常運行。
（7）分?jǐn)嗪蠼^緣電阻的指標(biāo)在新國標(biāo)中沒有要求，實際證明這是很重要的。九十年代大量的產(chǎn)品中加入了鉀鹽，鈉鹽以提高電弧柵的分?jǐn)嗄芰?。而制造較差的快熔分?jǐn)嗪蠼^緣電阻大多低于0.3MΩ，甚至有漏電現(xiàn)象，特殊情況下切斷故障后經(jīng)一段時間又重燃，這將引起更大故障。質(zhì)量好的快熔（加鉀鹽、鈉鹽）分?jǐn)嗪笮纬?.5MΩ以上的絕緣電阻。大多數(shù)快熔在分?jǐn)?0min.后能達到大于1～30MΩ的絕緣電阻。
典型的試驗波形圖與分析見圖6－10。其中圖6為低倍數(shù)電流5kA4In的分?jǐn)嗖ㄐ螆D。分?jǐn)嗪舐╇?、重燃。示波圖分析：絕緣電阻不能快速生成，重燃，不能分?jǐn)唷D7為高倍數(shù)電流100kA25In分?jǐn)嗖ㄐ螆D。未分?jǐn)?、重燃。示波圖分析：分?jǐn)嗪蠼^緣電阻不能繼續(xù)增長而重燃，不能分?jǐn)?。圖8為高倍數(shù)電流70kA100In分?jǐn)嗖ㄐ螆D。分?jǐn)鄾]有限流。示波圖分析：100In應(yīng)在10ms內(nèi)分?jǐn)啵蓟『箅娏飨陆担?ms后電流重新上升至180°電相角時過零點沒有熄弧，繼續(xù)燃弧10ms分?jǐn)唷＿@是一例極為勉強的分?jǐn)嗍静▓D，有可能造成多個半導(dǎo)體器件損壞，絕緣電阻0.5MΩ。圖9為高倍數(shù)電流70kA100In分?jǐn)嗖ㄐ螆D，分?jǐn)?。示波圖分析：良好的弧前示波圖，在59kA時開始燃弧，由兩段曲線組成燃弧過程，電流下降斜率不同，表示分?jǐn)嘁延行├щy。絕緣電阻1MΩ。圖10為高
倍數(shù)電流108kA54In分?jǐn)嗖ㄐ螆D。分?jǐn)?。示波圖分析：直線的示波圖呈三角狀，由弧前轉(zhuǎn)變?yōu)槿蓟r刻有明顯的拐點，表示有較高的分?jǐn)嗄芰Α＝^緣電阻30MΩ。
4結(jié)論
本文介紹了快熔的結(jié)構(gòu)和發(fā)展，分析了快熔的主要特性，得出選用快熔的基本原則是：
（1）確定電流通過能力；
（2）I2t值應(yīng)小于被保護的半導(dǎo)體器件的I2t值；
（3）盡量低的暫態(tài)恢復(fù)電壓；
（4）大于電路最大故障電流的分?jǐn)嗄芰Γ?/FONT>
（5）分?jǐn)嗪蟮慕^緣電阻>0.5～30MΩ；
（6）不使用有隱形故障的產(chǎn)品。
（轉(zhuǎn)載）
