谈经验: 快速熔断器的应用

快速熔断器的特性和应用1简介功率半导体器件的热容量小，在故障情况下必须提供快速保护. 快速熔断器（以下称为快速熔断器）具有与半导体器件类似的热特性，并且是最好的保护器件之一. 本文指的是带填料的封闭式快速流动熔炼，在操作中没有外部现象. 中国快熔发展的历史可以分为四个阶段. 第一代是1960年代共同设计的RSO和RS3系列. 参数为480A，750V及以下，分断能力为50kA. 它是大尺寸且价格低廉. 电力寿命短的主要产品仍具有相当大的安装容量. 第二代是在1980年发的RSF系列，它参考了富士电机在1970年代的典型产品CS8F-1400-C. 当时，该产品的典型规格为1600A和1400A，满足了与ZP1000硅整流器匹配并断开100kA故障电流的要求快速熔断器，并成为大型转换器设备的主要保护元件. 该产品主要采用圆孔熔化技术. 第三代是通过在1990年代初期引入欧洲著名公司和相应的扩展技术而开发的一种快速熔化的产品. 它的特点是在石英砂填料中加入钠盐，以将每个电弧栅的击穿电压从AC150V增加到AC200V. 但是它的缺点是在大多数情况下不容易形成断裂后的绝缘电阻，即使在切断电源之后，仍然存在漏电现象. 这是主要的盐腌产品.

第四代是1990年代末. 为了克服断裂后的漏电和再点火的问题并配合大功率功率半导体器件的发展，需要进一步提高断裂能力并降低I2t的性能. 经过基础材料和基础制造技术研究后，在填料中加入特殊的钾盐，钠盐等灭弧材料，使快速熔炼的整体水平得到了很大的提高，达到了每弧250-300V网格，断裂电阻后可形成0.5-500MΩ的绝缘，制造优良的快速熔炼可在10分钟内形成1〜30MΩ的绝缘电阻. 它可以配备4英寸硅整流器. 其主要技术指标与现代先进工业国家的产品同步，并且许多规格可以与法国和丹麦，德国，美国等产品进行互换，例如RSM系列，BRS系列等. 2配置快速熔断保护半导体功率转换器保护中的快速熔断配置通常分为两类. （1）转换器臂的内部并联连接分支配置保护类型主要用于保护大功率和超大功率转换器. 当变流器支路中的支路设备由于某种原因损坏时，指南串联的快速熔断保护装置断开后，通常情况下，只有一个设备发生故障，不会影响整个换流器的正常运行，如图1-2所示. 图1（2）整体保护类型的分相配置，主要用于中小型功率转换器的保护. 当某个变流器臂中的设备由于某种原因损坏而导致相速熔保护断开时，变流器的保护将自动切断电源并停止变流器电源，如图3所示. 4.

3快速熔断的选择3.1粗略选择（电压和电流方法）根据线路转换器变压器，线路电压应低于快速熔断量ͼ2ͼ3ͼ4恒定电压. 已经通过功率半导体器件的短路测试和快速熔断系列进行了验证，并且通过将半导体器件的额定电流乘以一个系数来选择快速熔断的额定电流. 对于2（1）中所述的保护方法，对于第一代产品RSO，RS3系列，由于速熔的额定电流是有效值，而半导体器件的额定电流是平均值，因此系数可以是1.4. 晶体管为1.2，快速晶体管为1. 如果ZP1000配备1400A快速熔断器，则可以根据阀电流IV和转换器设备的负载特性选择2（2）中所述的保护方法. 然后，根据转换器可能产生的最大故障电流，选择快速断开的分断能力，例如50kA或100kA（50kA是合格产品，而100kA是一流产品）. 3.2选择的快速熔炼的许多指标是在IEC国际电工技术标准规定的条件下确定的，并且与转换器的工作条件有一定的差距，因此更准确地计算和选择快速熔炼会更加复杂，并且需要快速分解只有熔化的重要属性才能做出正确的选择. 现在，快速熔化的性能分解如下: （1）通过电流的能力的选择快速熔化的额定电流以有效值表示. 根据IEC60269-4和GB13539.4-92的标准，在电流密度为1至1.6A / mm2的标准测试架上确定该值. 在转换器中使用时，不可能有如此宽松的条件，因此必须降额使用.

通常，正常通过电流为标称额定电流的30％至70％. 使用快速熔化时，或者一端被半导体器件加热，另一端被水冷母线冷却；或两侧均由水冷母线冷却；或强制风冷；或自然冷却控制温度上升以维持电流通过能力. 为了计算热平衡，还必须考虑母线放电的功耗，快速熔化的功耗，每个连接的功耗以及散热条件. 转炉中的快速熔接是一个容易忽视的部分. 接头处的连接条件会影响温度升高和快速熔炼的安全运行. 因此，接触面必须保持平坦和清洁. 应从未镀敷的母线接触面去除氧化层；在安装过程中应施加一致的压力；最好使接触面弹性变形. 平行快速熔化要求对接触表面的压降进行逐一检测. （2）速熔温度升高和功耗W速熔W为: W =ΔUIw（1）ΔU = f（Iw）（2）其中，Iw工作电流，ΔU-速熔功率电压降快速熔化与其耐寒性有很大关系. 选择快速熔化和低耐寒性有助于减少温度升高，因为电流通过能力主要受温度升高的限制. 如前所述，快速熔接处的连接条件也会影响快速熔接处的温度升高. 要求快速熔接处的温度升高不应影响相邻设备的操作. 试验证明，快速熔化温度升高小于80K，可以长时间运行. 当温度升高到100K时，具有稳定制造过程的产品仍可长时间运行. 120K的温升是电流通过能力的临界点. 如果温度上升到140K，则快熔不能长时间运行.

水冷母线可以减少快速熔化的温度升高，特别是对于低电压规格（例如400〜600V）. 快速熔断端子的连接端子与水冷母线之间的温度差通常为1〜2℃. 许多大功率快速熔断器是根据水冷条件设计的，因此用户在使用前应咨询制造商. 空气冷却也是减少温度升高的有效方法. 根据通过容量曲线的风速，可以确定风速对快速熔化温度升高的影响. 当风速约为5m / s时，通常可以使流量增加25％. 会有明显的效果. 根据制造商提供的快速熔断电压降曲线和额定电流下的功耗，测量快速熔断两端之间的电压降可以快速计算出支路的实际电流. 在相同的流动条件下，温度升高还与快速熔化是单熔化还是双熔化有关. 在先进工业国家制造的大多数大功率转换器都使用快速熔化双电源，并与700A×2，图5、1400A×2和2500A×2等半导体器件串联连接. 可以使结构尽可能薄以减小电阻. 有一种通过螺栓和连接板（第二代产品）进行的快速熔化双连接，一种类型是将连接板（端子）和两个熔体（端子）焊接在一起的结构. 更先进. 具有较高电压的较快熔断器具有较高的内部电阻，尤其是对于800V以上的产品. 由于瓷壳的一定长度和较大的表面积，熔体产生的热量通过填料和壳传导而散发热量，因此在高压下快速熔化. 空冷效果显着.

（3）断开容量的选择快速熔断壳的强度在很大程度上决定了最大故障电流的断开容量，在IEC标准中称为“额定断开容量”. 其次，快速熔断器内部的金属熔断器的形状，填料吸收金属蒸气和热量的能力以及熔断器链节的电功率方向都会影响分断能力. 设计转换器时，应计算出转换器变压器的相间短路电流，并应根据该电流选择具有足够分断能力的快速熔断. 快速熔断能力不足的熔体将继续燃烧直至爆炸. 在严重的情况下，它将导致交流和直流短路，因此额定分断能力是一个安全指标. 产品制造的分散性也是影响断裂能力的因素之一. 一个容易忽略的问题是短路故障期间线路的功率因数，因为在快速熔断期间产生的电弧能量的大小取决于电路电感的大小. 当线路功率因数cos <0.2时，它具有特殊的分断能力. 快速熔断时的能量W0为: W0 = Wa + Wr（3）其中: 电弧能量，耐Wr消耗能量. 当分断能力满足转换器要求时，还应注意分断时的峰值电弧电压峰值（标准称为“瞬态恢复电压”），在快速熔化的生产过程中应加以限制，以便它低于半导体器件可以承受的最大值，否则会损坏半导体器件. 因此，断开时间最短的保险丝可能不是最合适的. 当在DC电路中使用快速熔断时，由于在DC断开过程中电压没有零交叉，因此这是可靠断开快速熔断的严酷条件，因此，通常，快速熔断仅可用于直流电路请使用额定值的60％的快熔电压，最好使用直流快熔.

（4）I2t的选择当快速熔断电流通过能力满足系统短路电流的要求时，可以在发生短路故障时隔离故障电流，但是它是否可以保护半导体器件串联连接必须分析两者的I2t值. 只有当快速熔化的I2t小于半导体器件的I2t值时，它才能保护半导体器件. 短路故障期间的I2t分为两个阶段，即弧前I2t和断开I2t. 1）电弧I2t熔化金属从固态转变为液态之前的时间是电弧前时间，大约1〜2ms，可以认为是绝热过程，在此期间由快速熔化产生的当前时间积分表示为A2s值，可以考虑. 固定值由设计确定. 如图5所示，在时间tm处的电流值Im是快速熔化的电流极限值. 对于不同的材料，电弧前的I2t值是不同的，并且对于每种材料都是恒定的. 低倍故障电流的I2t值是因为一部分能量通过外壳传递到外部. 在此期间电弧之前的I2t值将随时间增加，并且I2t的上升速率取决于熔体的结构. 在转换器电路中，应避免快速熔化和低多重过载. 根据IEC60269-4和GB13539.4-92的标准，大于额定电流In至30s的故障电流（大约3〜4In）不在快速熔断保护区内，因此对故障进行保护本节中的当前问题应通过其他方法解决. 2）熔融I2t当熔融金属变成蒸气时，电弧开始点燃. 在电弧放电过程中快速熔断器，电流从电流限制值Im减小到0. 在此阶段，I2t是可熔I2t，表示为A2s的值.

此过程主要依靠填料的腐蚀来吸收能量. 保险丝I2t是在tm至tt的时间段内生成的变量. 制造商给出110％额定电压和90％额定电压下的I2t值. I2t的检测不仅应满足0-20°的闭合电相位角，而且还应满足电弧启动时预期的故障电流0.60-0.75倍. 此周期的di / dt最慢，电弧能量最大，提供的I2t为最大值. 快速熔断电路的额定电压始终高于使用电压. 由于电弧能量的变化，保险丝I2t也相应地变化. 电压系数k用于校正实际保险丝I2t = k保险丝I2t. 然后∑I2t = I2t，然后电弧+ k保险丝I2t. 为了在设计快熔时满足半导体器件不断增加的额定电流，必须采取许多措施，而不是简单地通过算术方法选择快熔. 测试表明，当额定电流增加一倍时，快速熔化的I2t是原始电流的4倍，并且半导体器件I2t值的增加要小得多. 通过快速熔融难以降低I 2t，并且仅在许多方面采取措施，例如缩短熔体的长度和降低内部电阻；以及降低电阻. 减少电弧栅格并降低熔体的气化电流值；在石英砂中加入钠盐，钾盐，提高了灭弧材料的灭火能力；适合粒径的纯填料，可快速吸附金属蒸气；熔融膜等的合理分布.

I 2t是选择的快速熔化的重要指标. （5）寿命和可靠性. 快速熔化的寿命取决于设计，材料和制造过程. 设计改进: 将保险丝从第一代直件改进到当前的波形，等等. ͼ6ͼ7ͼ8ͼ9图10有膨胀和弯曲的部件；高纯石英砂；外壳从高频瓷变为具有良好导热性的高强度氧化铝瓷，玻璃纤维套管等. 但是无论如何进行改进，在长期的电流波动负载和电动势的作用下，快速熔化都会导致熔融金属通过冷，热的周期性变化而老化，最终导致快速熔融破坏操作，直至损坏. 因此，当快熔的内阻增加超过10％时，应更换快熔. 熔体精度: 熔体由多个平行的熔融块组成，是快速熔融的关键部分. 熔体窄径是多单元串联和并联电路. 窄直径的尺寸精度和材料精度保证了窄直径的均匀电流，因此熔体可以长时间运行. 为了以较低的加工精度进行快速熔融，由于熔融块之间的平均流动性不同，在操作过程中，狭窄的直径将被逐一熔融，最终将导致整个熔融物的无故障热熔融. 可以根据制成品的电阻偏差进行初步判断. 熔体电阻值的误差在±10％内属于1980年代的水平，±1％的误差可能是长期运行. （6）在看不见的故障下的操作快速熔化有许多连接器，并且焊接过程尤为重要. 焊接质量是由设备和工艺来保证的，并且用传统方法很难检测到. 一组内部快速焊接快速熔化会连续改变电路分支之间的电流共享条件，在该分支中，转换器臂是多个半导体器件的并联连接，导致某些半导体器件长时间过载并造成损坏. 发生此现象. 带电转换器上有看不见的故障. 在严重的情况下，它可能导致整个设备无法正常运行.

（7）在新的国家标准中，不需要断裂后的绝缘电阻指数，事实证明该指数非常重要. 在1990年代，大量产品中加入了钾盐和钠盐，以改善电弧栅的破坏能力. 但是，制造不当的快速熔断的绝缘电阻大多小于0.3MΩ，甚至漏电. 在特殊情况下，故障被切断后的一段时间后将重新点燃，这将导致更大的故障. 优质快熔（钾盐，钠盐）破裂后，将形成高于0.5MΩ的绝缘电阻. 大多数速熔材料在破裂10分钟后可获得的绝缘电阻大于1〜30MΩ. 典型的测试波形和分析如图6-10所示. 其中，图6是低倍电流5kA4In的中断波形. 破裂后泄漏和复燃. 波形图分析: 绝缘电阻不能快速产生，重新点燃并且不能破坏. 图7显示了高倍电流100kA25In的断开波形. 不间断，重新点燃. 示波器分析: 断裂后，绝缘电阻不能继续增加和重燃，也不能断裂. 图8显示了高倍电流70kA100In的断开波形. 断开电流没有限制. 示波器分析: 100In应在10ms内断开，电弧放电后电流会下降，2ms后电流将上升到180°电相角，并且在零交叉点不会熄灭电弧. 这是一个极不愿意破坏的示波器，可能会损坏多个半导体器件，并且绝缘电阻为0.5MΩ.

图9显示了高倍电流70kA100In的断开波形. 示波器分析: 好的弧形示波器在59kA时开始燃烧. 电弧燃烧过程由两条曲线组成，并且电流下降的斜率不同，这表明很难断开. 绝缘电阻1MΩ. 图10显示了高倍电流108kA54In的断开波形. 打破. 示波图分析: 直线示波图为三角形，从前弧到圆弧过渡的瞬间有一个清晰的拐点，表明更高的分断能力. 绝缘电阻30MΩ. 4结束语本文介绍了快速熔炼的结构和发展，分析了快速熔炼的主要特点，并得出结论，选择快速熔炼的基本原则是: （1）确定电流通过能力； （2）I2t值应小于被保护的半导体器件的I2t值； （3）尽可能低的瞬态恢复电压； （4）分断能力大于电路的最大故障电流； （5）断裂后绝缘电阻> 0.5〜30MΩ； （6）请勿使用有明显缺陷的产品.

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