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快熔的选择标准

电力半导体器件热容量小, 在故障状态下必须要有快速保护。而快速熔断器( 以下简称快熔) 具有与半导体器件类似的热特性, 是一种最好的保护器件。本文涉及的是封闭式有填料限流式快熔, 在运行中没有外部现象。
　　中国快熔的发展历史可分为四个阶段, 第一代是六十年代全国联合设计的RSO、 RS3系列, 参数为480A、 750V及以下, 分断能力50kA, 是一种体积较大、 价格低廉、 电寿命短的初级产品,当前尚有相当装机量。第二代是八十年代参考日本富士电机七十年代典型产品CS8F－1400－C而开发的RSF系列。当年该产品典型规格如1600A、 1400A, 满足了与ZP1000硅整流管的匹配和分断100kA故障电流的要求, 成为大型变流装置的主要保护元件。该产品主要采用了园孔状熔体技术。第三代是九十年代初引进欧洲著名公司产品及相应续延技术研制的快熔。其特点是采用在石英砂填料中添加钠盐的技术, 使每电弧栅分断电压从AC150V提高到AC200V。但其缺点是分断后的绝缘电阻在多数情况下不易形成, 甚至造成断电后依然有漏电现象, 这是一种初级的加盐产品。第四代是九十年代末为了克服分断后漏电、 重燃问题以及配合大功率电力半导器件的发展, 要求更进一步提高分断能力, 降低I2t等性能, 经过对基础材料、 基本制造技术的研究, 在填料中增加了特制钾盐、 钠盐等灭弧材料, 使快熔总体水平有了大幅度提高, 达到了每电弧栅分断AC250～300V,分断后能形成0.5～500MΩ的绝缘电阻, 制造优良的快熔在分断后10min.内能形成1～30MΩ的绝缘电阻, 能够配4″硅整流管。其主要技术指标与当代先进工业国家的产品同步, 许多规格能够和法国、 丹麦、 德国、 美国等产品互换, 如RSM系列、 BRS系列等。
2快熔保护的配置
　　快熔在半导体电力变流器保护中的配置, 一般分为二类。
　　( 1) 变流臂内部并联支路配置保护式, 主要用于大功率和超大功率变流器的保护。当变流臂中某一支路的器件因某种原因损坏, 导致与之串联的快熔保护分断后, 一般情况下仅一个器件出故障, 并不影响整个变流器的正常运行, 如图1－2所示。

图1
( 2) 分相配置总体保护式, 主要用于中小功率变流器的保护。当某一变流臂中的器件因某种原因损坏, 导致该相快熔保护分断后, 变流器的保护将自动切断供电电源, 停止向变流器供电, 如图3－4所示。
3快熔的选用
3.1粗选( 电压电流法)
　　依据线路变流变压器的线电压应低于快熔的额

图2

图3

图4
定电压。经电力半导体器件与快熔串联短路试验验证, 按半导体器件额定电流乘以一个系数, 作为所选用快熔的额定电流。因快熔的额定电流是有效值, 而半导器件额定电流是平均值, 针对2( 1) 所述的保护方式, 对第一代产品RSO、 RS3系列而言, 该系数可按整流管为1.4、 晶体管为1.2、 快速晶体管为1来取; 如ZP1000配1400A快熔, 针对2( 2) 所述的保护方式, 则可依据阀电流IV以及变流装置的负载特性选择快熔。然后按变流器可能产生的最大故障电流, 选择快熔的分断能力, 如50kA或100kA( 50kA为合格品, 100kA为一级品) 。
3.2精选
快熔的许多指标是在IEC国际电工标准规定的条件下确定的,与变流器的使用条件有一定差距, 因此要比较精确地计算和选用快熔是比较复杂的,需分解快熔的各项重要性能才能够做出正确的选择。现将快熔性能分解如下:
　　( 1) 电流经过能力的选择
　　快熔的额定电流是以有效值表示的。根据IEC60269－4、 GB13539.4－92标准是在电流密度1～1.6A/mm2的标准试验架上确定的,当它用于变流器中时不可能有如此宽松的条件,故必须降容使用。一般正常经过电流为标称额定电流的30％～70％。快熔使用时或其一端被半导体器件加热另一端被水冷母排冷却; 或双面都被水冷母排冷却; 或进行强制风冷; 或自然冷却控制温升使之保持电流经过能力。若要计算热平衡则需求出母排电功耗, 快熔电工耗, 各连接处电工耗, 还要考虑散热条件等。变流器中快熔的接头处是一个容易被忽视的部位, 接头处的连接状况, 影响着快熔的温升和安全运行, 为此必须保持接触面的平整和清洁。无镀层的母排接触面要去除氧化层; 安装时给予一致的压紧力; 最好使接触面产生弹性变形。并联的快熔要求逐个检测接触面压降。
　　( 2) 快熔的温升与功耗
　　快熔的功耗W为:
W=ΔUIw( 1)
　　ΔU=f(Iw)( 2)
式中, Iw－工作电流,ΔU－快熔的压降
　　快熔的功耗与其冷态电阻有很大关系, 选用冷态电阻低的快熔有利于降低温升, 因为电流经过能力主要受温升限制。如前所述, 快熔接头处的连接状况, 也影响快熔的温升, 要求快熔接头处的温升不应影响相邻器件的工作。试验证明, 快熔温升低于80K能够长期运行, 温升100K时制造工艺稳定的产品仍能长期运行, 温升120K是电流经过能力的临界点, 若温升达到140K则快熔不能长期运行。水冷母排能够降低快熔温升, 特别对低电压规格的快熔如400～600V效果更佳。快熔端子与水冷母排连接端温差一般在1～2℃。许多大功率快熔是按水冷条件设计的, 因此用户在使用前应向制造厂垂询。风冷也是一种降低温升的有效方法, 根据风速经过能力曲线能够确定风速对快熔温升的影响, 风速约5m/s时一般能够提高25％的通流能力, 风速若再增加将不会有明显的作用。
　　根据制造厂提供的快熔电压降曲线以及额定电流下的功耗, 测量快熔两极端子间的电压降能够快速计算出该支路的实际电流。
　　同样的通流情况下, 温升还与快熔是采用单一或双并有关。先进工业国家制造的大功率变流装置中多采用快熔双并与半导体器件串联, 如700A×2、

图5
1400A×2、 2500A×2。双并结构的快熔端子能够尽量减薄,以减少电阻。双并连接的快熔有一类靠螺栓和连板连接(二代产品),有一类是连板(端子)与两熔体(端子)焊接为一体的结构,此类结构比较先进。电压较高的快熔其内电阻较大,特别是800V以上产品,由于外壳瓷套有一定的长度, 表面积较大, 而熔体产生的热量经由填料、 外壳传导散热, 故电压高的快熔风冷效果显著。
　　( 3) 分断能力的选择
　　快熔的外壳强度, 很大程度上确定了对最大故障电流的分断能力, IEC标准中称为”额定分断能力”。其次, 快熔内部的金属熔片形状、 填料吸附金属蒸气能力和热量、 熔断体的电动力方向等都影响分断能力。设计变流器时应计算变流变压器的相间短路电流, 并按此电流选用具有足够分断能力的快熔。分断能力不足的快熔会持续燃弧直至爆炸, 严重时会导致交直流短路, 故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分断能力的因素之一。
　　有一个易于忽视的问题是在短路故障时线路的功率因数, 因为在快熔分断时所产生的电弧能量的大小取决于电路感抗的大小, 当线路功率因数cos<0.2时对分 断 能 力 有 特 别 高 的 要 求 。
　　快熔分断时的能量W0为:
W0=Wa＋Wr(3)
式中: Wa－电弧能量,Wr－电阻消耗能量
　　在分断能力满足变流器的要求时, 还要注意分断瞬间电弧电压峰值( 标准中称为”暂态恢复电压”) , 要在快熔制造时予以限制, 使其低于半导体器件所能承受的最大值, 否则半导体器件将会损坏。故分断时间最短的熔断器不一定最适用。
　　当快熔用于直流电路中时, 因为在直流分断过程中不存在电压的过零点, 这对快熔的可靠分断是一个苛刻的条件, 因此一般情况下快熔若用在直流电路中只能用到快熔额定电压的60％, 最好用直流快熔。
　　( 4) I2t的选择快熔电流经过能力满足系统短路电流的要求后, 发生短路故障时能够隔离故障电流, 但能否保护所串联的半导体器件则必须分析二者的I2t值。只有当快熔的I2t小于半导体器件的I2t值时, 才能对半导体器件起到保护作用。短路故障时的I2t分为两个阶段, 即弧前I2t和分断I2t。
1) 弧前I2t熔体金属从固态转为液态的时间是弧前时间, 大约在1～2ms,能够认为是绝热过程, 此时间段快熔产生的电流时间积分以A2s值表示, 能够认为是定值, 由设计来确定。tm时刻的电流值Im是快熔的限流值, 如图5所示。弧前I2t值对于不同的材料其值也不同, 对于每一种材料它是一个常数。　　( 4)
式中, to－故障电流开始时刻,tm－熔体变为液态时
　　刻,C－熔体材料系数。
　　低倍数故障电流的I2t值则因部分能量经过外壳传导至外界, 此时间段的弧前I2t值将随着时间而增加, I2t上升率取决于熔体结构。变流器电路中应避免快熔低倍数过载。根据IEC60269－4和GB13539.4－92标准,大于额定电流In至30s分断的故障电流(约3～4In)不在快熔的保护区, 这一区间的故障电流的保护应用其它方式解决。
　　2)熔断I2t当熔体金属变为蒸气时电弧始燃,在燃弧过程中电流由限流值Im降至0,此阶段I2t即为熔断I2t,以A2s值表示。这一过程主要依靠填料被腐蚀而吸收能量。熔断I2t是一个变量,是在时刻tm至tt的时间段产生的。制造商给出I2t有的是110％额定电压下的值, 有的是90％额定电压下的值。I2t的检测既应满足闭合电相角0～20°,又应满足电弧始燃时达到预期故障电流的0.60～0.75倍。此时间段有最缓慢的di/dt和最大的电弧能量,所提供的I2t是最大值。
　　在电路中快熔的额定电压总是高于使用电压。因弧能的变化, 熔断I2t也相应变化, 用电压系数k修正, 能够得出实际熔断I2t=k熔断I2t。则∑I2t=弧前I2t＋k熔断I2t。
　　在设计快熔时为满足半导体器件不断提高的额定电流, 要采取许多措施, 而不能简单地用算术方法来选择快熔。试验证明, 当额定电流增加一倍时, 快熔的I2t是原来的4倍, 而半导体器件I2t值的增加要小得多。要快熔降低I2t有难度, 只有多方面采取措施, 如缩短熔体长度, 降低内电阻; 减少电弧栅, 降低熔体气化电流值; 提高灭弧材料的熄燃能力, 在石英砂中加入钠盐、 钾盐; 适合粒度的纯净填料, 以快速吸附金属蒸气; 合理的熔片分布等等。
　　I2t是精选快熔的重要指标。
　　( 5) 寿命与可靠性。
　　快熔的寿命取决于设计、 材料、 制造工艺。设计改进: 熔片由第一代的直片改进至现在的波浪形等

图6

图7

图8

图9

图10
有膨涨弯曲片; 采用高纯度的石英砂; 外壳由高频瓷改为导热良好的高强度的氧化铝瓷, 玻璃纤维套管等。但无论如何改进, 在长期电流波动荷载和电动力作用下, 快熔经冷热周期性变化引起熔体金属老化, 最后导致快熔故障运行, 直至损坏。因此当快熔内电阻增加超过10％时, 快熔应予更换。
熔体精度: 熔体是由多个熔片并联组成的, 是快熔的关键件。熔体狭径是多单元串联、 并联的电路, 狭径的均流是靠狭径的尺寸精度、 材质精度来保证的, 从而使熔体得以长期运行。加工精度不高的快熔由于熔片之间均流度差, 运行时将发生狭径逐个熔断的情况, 最终引起整个熔体非故障热熔化。从出厂产品的电阻分散性可作出初步判断, 熔体电阻值的误差在±10％以内属于八十年代水平, 误差达到±1％就有可能长期运行。
　　( 6) 隐形故障下的运行
　　快熔有许多连接件, 焊接工艺特别重要。焊接的好坏是由设备, 工艺来保障的, 用常规方法不易检测。一批内部虚焊的快熔能够在变流臂为多个半导体器件并联的电路中不断地改变支路间的均流状况, 导致部分半导体器件长时间过载而引起损坏, 此现象如果发生在大型电化用变流器上则是一个隐形故障, 严重时可导致整个设备不能正常运行。
( 7) 分断后绝缘电阻的指标在新国标中没有要求, 实际证明这是很重要的。九十年代大量的产品中加入了钾盐, 钠盐以提高电弧栅的分断能力。而制造较差的快熔分断后绝缘电阻大多低于0.3MΩ, 甚至有漏电现象, 特殊情况下切断故障后经一段时间又重燃, 这将引起更大故障。质量好的快熔( 加钾盐、 钠盐) 分断后形成0.5MΩ以上的绝缘电阻。大多数快熔在分断10min.后能达到大于1～30MΩ的绝缘电阻。
典型的试验波形图与分析见图6－10。其中图6为低倍数电流5kA4In的分断波形图。分断后漏电、 重燃。示波图分析: 绝缘电阻不能快速生成, 重燃, 不能分断。图7为高倍数电流100kA25In分断波形图。未分断、 重燃。示波图分析: 分断后绝缘电阻不能继续增长而重燃, 不能分断。图8为高倍数电流70kA100In分断波形图。分断没有限流。示波图分析: 100In应在10ms内分断, 燃弧后电流下降, 2ms后电流重新上升至180°电相角时过零点没有熄弧, 继续燃弧10ms分断。这是一例极为勉强的分断示波图, 有可能造成多个半导体器件损坏, 绝缘电阻0.5MΩ。图9为高倍数电流70kA100In分断波形图, 分断。示波图分析: 良好的弧前示波图, 在59kA时开始燃弧, 由两段曲线组成燃弧过程, 电流下降斜率不同, 表示分断已有些困难。绝缘电阻1MΩ。图10为高
倍数电流108kA54In分断波形图。分断。示波图分析: 直线的示波图呈三角状, 由弧前转变为燃弧时刻有明显的拐点, 表示有较高的分断能力。绝缘电阻30MΩ。
4结论
本文介绍了快熔的结构和发展, 分析了快熔的主要特性, 得出选用快熔的基本原则是:
( 1) 确定电流经过能力;
( 2) I2t值应小于被保护的半导体器件的I2t值;
( 3) 尽量低的暂态恢复电压;
( 4) 大于电路最大故障电流的分断能力;
( 5) 分断后的绝缘电阻>0.5～30MΩ