快速熔断器的设计原理和应用技术

西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 不得复制快速熔断器的设计原理和应用技术————电力，变频器整流装置的研制: 曾敏钊西安开尔泰电力电子制造快速保险丝. 关键字: 快速熔断器，半导体保护熔断器，熔断器，短路计算，低压电器1，快速熔断器1的设计原理，概述: KSP3系列快速熔断器由西安凯尔泰电力电子制造开发制造. 其中，KS代表快速熔断器，P代表结构形式，3代表设计序列号. 2，功能特点: 快速熔断器对整流桥主电路的保护主要是短路保护和过流保护. 作为故障电路的短路保护，KSP系列快速熔断器具有低分断过压，小I2T值和低峰值短路电流限制的特点. 它们特别适用于整流桥内部的短路保护，在短路时可以避免熔断而避免快速熔断和保护. 克服了快速熔炼的频繁燃烧，甚至发生电弧喷涂，爆裂，爆炸等现象. 3.组成: KSP系列特种快速熔断器主要由瓷壳，导电板，熔体，石英砂快速熔断器，灭弧剂和指示剂六部分组成.

4. 核心技术简介: 4.1灭弧介质. 快速熔断器的灭弧介质填充有的石英砂，其形状光滑且圆润. 化学组成和目数如下表1和表2所示. 化学组成表1组成SiO2 Fe2O3 TiO2 MgO K2O Na2O烧失率%%≧99.8 0.01 0.002 0.04 0.01 0.01≦0.05西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有. 2粒度分布表2粒度（mm）0.7〜0.55 0.6〜0.5 0.5〜0.45 0.45〜0.1∠0.1含量％4 35 40 20∠1经过大量试验，应用和评价表明: 上述成分和目数比选择石英砂填充物可以促进电弧扩散，降低过电压，然后用专门开发的包含硅酸钠（或钾盐）的灭弧固化剂固化以包围熔体. 熔体通过电流时产生的大部分热量通过瓷瓶周围的石英砂传导，然后与周围的空气交换热量以建立动态平衡. 当短路保险丝断裂时，在高温电弧下会释放出灭火剂. 钠离子可以限制电弧的体积膨胀和电弧柱等离子体的形成，从而极大地提高了石英砂的灭火能力. 弧线. 在灭弧过程中，断裂的耐压升高到300V左右，试验后熔断器的绝缘电阻达到2MΩ〜1 0MΩ.

从示波器中可以看出，没有灭弧剂的快速熔化的断裂曲线要比电弧和熔化过程之前的平稳熔化时间更长；灭弧剂的快速熔断电流波形像陡峭的脉冲波熔化时间短，更强的限流效果. 图1 1 00KAKSP熔断器示波器图2 1 00KAKSP熔断器示波器（不添加灭弧剂）（添加灭弧剂）使用石英砂固化技术可使KSP快速熔断器具有以下优点. 1）将先进技术等级的石英砂均匀填充，堆积密度从原来的1.7〜1.8g / cm3增加到2g / cm3. 2）避免了在设备使用过程中石英砂在熔体窄颈上的磨损，延长了保险丝的正常使用寿命. 西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 3）不会因运输而引起熔体破裂和局部松散的沙子. 4）可以提高保险丝的分断能力. 5）固化的石英砂熔体变成密封状态，避免了银片氧化，稳定了工作特性并提高了熔体的强度. 4.2熔断: 4.2.1快速熔断器的熔断是熔断器的最关键要素. 熔体材料的选择，尺寸和形状的设计以及对公差精度的要求将直接影响保险丝的断裂特性. KSP系列快速熔断器根据法国FERRAZ公司和丹麦BUSSMANN公司的熔体理论，熔体横截面是均匀的细丝，或者矩形横截面带状变为可变横截面的圆孔带状，如图所示. 图3，其具体尺寸主要确定保护特性的要求以及电压的大小和性质，以在各种短路电流下实现安全可靠的分断，从而为分立元件和主电路提供可靠的保护.

4.2.2 KSP系列快速熔断器以“ C”形排列，窄颈与开孔的比例以及窄颈与薄板的厚度之比从1: 1 0变为1: 1 3〜1 5和1 in过去: 从1.3〜0.8更改为1: 1.7〜1.2由于这种改进和消弧介质的改进，熔体窄颈的灭弧能力大大提高，并且每个窄颈都被熔化额定电压断口从AC 1 30V增加到150V，再从200V增加到220V. 当石英砂采用新的固化工艺并显着提高消弧性能时，裂缝的额定恢复电压可以上升到300V，因此在相同的电压下，可以减少新熔体的细颈的数量，长度可以缩短熔体的寿命，减小熔断器的尺寸，减小温度上升，并且还大大减小I2T，以满足与大功率硅元件匹配的要求，如下表3所示在经过优化的KSP3-800V / 1 250A快速熔断器与散装的RSF3-800V / 1 250A快速熔断器之间: 西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. . 版权所有，不可重印4表3电气参数类别RSF3-800V / 1 250A KSP3-800V / 1 250A额定电压（V）800800额定电流（A）1 250 1 250极限分断容量（KA）1 00 1 00或70 1 0ms最小断开电流（KA）断开g I2TR（A2S）2.2×1 06〜2.45×1 06 1 0.2 0.65×1 06〜0.7×1 06断开电弧电压（V）1600 1 350断开时的绝热电阻（MΩ）0.2〜0.5 3〜6 4.2 .3熔体材料KSP系列快速熔断器使用99.98％的纯银（Ag）作为熔体材料，其熔点为960℃，电阻率ρ20℃= 1.64×1 0-6Ω·㎝.

热电常数CR = 8×1 08A2S / cm4. 4.2.4熔体形状: 熔体形状为矩形片状圆孔窄颈，熔体尺寸如图3所示. 图3西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造版权所有转载5 4.2.4熔体精度KSP系列快速熔断器的熔模精度为千分之三，减少了熔断器的分散，时间电流曲线控制在±5以内％. 4.1.3高强度氧化铝瓷管快速熔断器的瓷管从两个方面影响熔断器的性能. 一是瓷管的内外绝缘强度，二是瓷管应能承受规定的工频和冲击耐受电压，并且能承受内部气体压力的热冲击和由热引起的压力填料的膨胀. KSP系列快速熔断器使用95％的AL2O3瓷管（称为95瓷），可以承受12 atm的内部耐压，而75％的AL2O3瓷管只能承受7atm的内部耐压，95％的AL2O3瓷管式快速熔断器可抵抗断裂时快速熔化所产生的快速内部压力，避免了在快速断裂过程中瓷瓶的爆裂，从而确保了整流装置的可靠性和安全性. 3.快速熔断器的应用技术1.电源系统KSP系列快速熔断器可以根据各种电源的质量（谐波，功率因数，工作过电压，主电路设备参数，控制系统），操作工作条件以及电气保护对支持快速熔断器的设计的选择性.

如果机车牵引电源系统如图4所示: A相A分相B B相B分相C C相A相B相C相图4所示图4机车接触网的电压波动范围1 9KV〜31 KV，线路阻抗变化很大，西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有. 6发生故障时，机车与供电变电站之间的距离将产生不同的短路电流. ，即最小短路电流和最大短路电流，熔断器电流值的设计值必须可靠地破坏故障电路中随机出现的最小短路电流或最大短路电流，并且必须满足电力机车运行条件的需要. 当保险丝电流值设计过高时，ZP和KP管破裂，快速熔断仍不能破裂，导致机车跳至主要断裂，空姐没有理由判断故障当保险丝电流值太低时，机车过载，有脉冲或电动机偶尔起火. 此时，将发生燃烧和快速熔化的现象. 这两种设计都失去了快速熔断的保护功能. 其次，必须合理设计快速熔断器的电压. 影响快速熔断器电压的因素主要包括以下两个方面: 1）悬链电压的波动高达31 KV； 2. 2）电路环路的过电压，尤其是分相时的磁通量最大的变化是，环路电感产生的过电压很可能导致ZP，KP dv / dt击穿和非周期性的组件干扰（例如直流组件），当保险丝损坏时.

如果不考虑这些电压因素，并且干燥并抽空填充介质，则保险丝破裂时可能会引起爆炸，危及其他设备甚至人身安全. 2.转换器设备的内部短路电流的计算转换器设备的整流桥的内部短路是由于构成桥臂的整流器元件的反向闭锁能力下降而引起的. 通过短路故障电流的计算，可以准确设计出快速熔断的电气参数，同时达到了断开隔离保护的目的. 下图为示例，用于分析和计算短路电流. 图5西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 假设在某个时刻，可控硅V3的击穿电路可以简化为图6，它等效于次级侧的变压器突然短路，短路电阻RK和短路电抗LK = XK / W（其中XK是短路电抗）是恒定的，因此当RL串联电路突然短路时，变压器次级侧会突然收到一个正弦电压. 过渡过程类似. 假设变电站的电网容量是无限的，并且故障的位置发生在变电站的开头. 短路电流不会引起电网电压. 图6故障电路的等效电路. 图6从图6下降. 在突然发生短路的情况下，环路的微分方程: LK * dik / dt + RKiK = UmSim（wt +α）=√2 U Sim（wt +α）（1） Um-变压器阀侧绕组的峰值电压U-变压器阀侧绕组有效值W-电压U的角频率α-电路U的总接通电阻处的电压U的初始相位角RK电压U减小至次级牵引绕组LK -将总电感减小到次级牵引绕组的解决方案（1）可以使用常系数微分方程: 西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 8Um iK =√RK2 +（WLK）2Um√2 IK =稳定短路电流幅度√RK2 +（WLK）2以三相整流桥直流电动机的速度调节为例: RK = 0.021mΩ；短路阻抗Uk = 9.2％;绕组额定电压U = 686.8V；绕组额定电流I = 1940A绕组短路阻抗ZK和牵引绕组短路电抗XK为: ZK = Uk×U / I = 9.2％×686.8 / 1940 = 0.0326（Ω）XK = WL =√ （ZK2-RK2）=√0.03262-0.0212 = 0.0249（Ω）TK = XK / W RK = 0.0249 / 3.1 4×0.021 = 0.003 78（S）由于WL≥RK，因此tg-1WLK /RK≈π/ 2是因为负载电流远小于短路电流，认为短路发生在空载条件下，即当t = 0，IK = 0代入公式（2）时，得到: 0 = 1.41 4IKSin（α－π / 2）+ Ce-RKT / L，t = -RK / LK，则0 = 1.41 4IKSin（α－π / 2）＋ C可以得到: C = 1.414IKcosα将上述公式代入（2）并得出ik = -1.41 4IKcos（wt +α）+1.414IKcosαet / T = 1.41 4IK {-cos（wt +α）+Cosαe-t/ T}（3）ik = ik，+ ik， ，（4）Sim（wt +α-tg-1WLK/ RK）+ Ce-RKT / LK（2）西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子onics Manufacturing Co.，Ltd.保留所有权利. 9 ik，-短路电流的稳态分量为ik，= -1.41 4 IK（coswt +α）ik ,,-短路电流的瞬态分量数值为ik，，= 1.41 4 IKcosαe-t/ T IK = U / Z = 686.8 / 0.0326 = 21067（A）考虑高电网电压（29KV）的情况，则: IK = 1.1 6×21067 = 24438（A）从（3） ，我们可以知道短路电流的变化. 在以下两种情况下讨论了压力的初始相位角α: 1）当电压的初始相位角α= 0时，从（3）开始发生短路: ik = 1.41 4 IK（-coswt + et / T）（4）因为COSα= 1，所以瞬变分量的幅度最大，并且电流变化曲线如图5所示: i / Aik ik ,, ik， U1 .41 4IK t1 t0t / ms图7来自ik = 1.41 4 IK（-Coswt + et / T）= 0可以得到t1≈17.5 ms将一个周期的短路电流有效值设置为Ik1: Ik1 = √T1∫0t1{1 .41 4 IK（-coswt + et / T）｝ 2dt = 1.4Ik = 1.4×21 067 = 29493（A）T –工频电压周期，T = 20ms 2）当α为其他值时，当α≠0时发生短路，电路短路电流幅度小于α= 0的当前幅度. 当α= 90°时，短路回路直接进入稳态.

西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 10已知: 影响短路电流值的因素如下: （1）电压的初始相位角α； （2）电网电压； （3）电源线阻抗. 由整流桥内部的短路形成的短路电流最大. 保险丝的设计必须确保最大短路电流被可靠地断开，以确保快速熔断隔离的功能. 当整流器元件发生故障时，短路保护可避免扩大系统故障范围. 3.外部短路电流的计算使用变频器的外部短路时，短路电流的计算方法和步骤与内部短路相同，在此省略. 当转换器的外部短路发生短路时，必须确保快速熔化不会中断. . 4.选择额定电流对于间歇负载，运行负载曲线不是连续的而是间歇的，如图6所示. 电流（I）I2 I3I1I4IN……时间（T）T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 T1 0 TN图8根据图6，可以计算出全周期快速熔断电流的有效值IG: IG =√（I12T1 ＋ I22T2 ＋ I32T3 ＋…IN2TN）/（T1 ＋ T2 ＋ T3 ＋…TN）保险丝当前我应该是: IGA2－0.75 a－1 30a-θaa-30×C1×A2I≥西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有. 连接到保险丝的11 C1-0.9铜排的系数.

然后，基于负载的过载能力，环境温度，冷却条件，启动频率和老化系数，采用工程经验系数K（K: 通常在1.3到1.8之间），即设计快速熔断器电流值IN≥KI连续负载的设计值快速熔断器额定电流IN≥KIK: 通常在1.3到1.6之间\ I: 连续负载的平均电流5，选择熔断器额定电压额定电压应大于施加电压保险丝烧断后两端的故障电路的故障. 当变频器为电动机供电时发生故障时，故障电压等于变压器阀侧的电压. 当转换器被半导体器件触发或换向故障时，但是，当引起电路通过故障时，短路电流会使保险丝烧断. 此时，如图2所示，熔丝两端的施加电压等于直流负载电压VD和交流电压之和. 9 AC电源+ FUVDu-FIG. 9电流互感器故障电路（通过故障电路）如图所示，由于半导体器件的失控，在转换器中打开转换器臂时，IF故障电流如图10所示，这将导致直流电源通过桥臂的两个设备短路. 此时，保险丝两端的施加电压与直流故障中的直流负载电压和交流电压之和相同. － +中频再生西安凯尔泰电力电子制造版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 12FU1- + FU2图1 0再生式变频器故障电路（直流短路电流）为保证上述效果当发生两个故障时，保险丝可靠地断开. 保险丝的额定电压: UN≥U ＋ VD /√2保险丝的额定电压不应选择太高，否则会产生以下缺点: 1）保险丝的损耗将遵循相同的电流. 额定电压和熔丝损耗值的增加要求连接线散热面积的增加，这给转换装置的设计带来了不利因素.

2）电压电平增加后，保险丝的I2T值会显着增加，这需要增加设备的额定电流. 6.快速熔断器和半导体组件的匹配为了满足保护性能的要求，快速熔断器I2TR必须小于半导体组件I2TKP，只要理论计算中的熔断器I2TR小于0.9，则半导体组件I2TKP满足它们之间的匹配，例如三相桥式整流桥的直流电动机的速度控制采用KP1 300-28晶闸管I2TKP = 2.5×1 06A2S；使用常规速效800V / 1250A I2TR = 2.1×1 06A2S. 简而言之，如果考虑快速熔断器的设计原理和应用技术来保护半导体器件，我们在选择时可以达到最佳匹配，并消除隐患，从而实现设备的安全可靠运行. VD再生IF西安凯尔泰电力电子制造. 版权所有©西安凯尔泰电力电子制造. 保留所有权利. 13参考文献[1]王兆安，张明勋电力电子设备设计与应用手册（第二版）[2]徐南平，陈烨，张大为快速熔断器，董敏清，陈守良中国第一次电化学电源新技术研讨会电气学院[3]王继美低压熔断器，请登录以获取更多信息:

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