1.1為什么需要熔斷器?

1.1.1過載電流

各種各樣的原因可能都會造成電路中出現(xiàn)故障電流。按照電流的大小和特點，故障電流分為過載電流和短路電流。過載電流的定義是：超出電路安全工作所允許的更大的電流。過載電流的大小通常是電路正常負載電流的8~10倍，持續(xù)時間從數(shù)秒到數(shù)小時，如果超出一定限度，過載電流會產(chǎn)生比正常情況下更大的熱效應(yīng)，引起電路中與導(dǎo)體相連的絕緣材料失效，導(dǎo)致電路故障而無法正常工作。

常見的引起過載電流的原因包括：超出電路額定范圍過度使用；接地不充分；電網(wǎng)波動；材料熱疲勞；設(shè)備老化；電路中進入異物或被灰塵污染等。

當(dāng)出現(xiàn)過載電流后，電路不被損壞的要求是：電路中安裝的保護器件必須能夠限制過載電流的持續(xù)時間。合適的熔斷器可以滿足這個要求，當(dāng)過載電流出現(xiàn)時熔斷器可以有效保護電路。

1.1.2短路電流

短路電流的定義是：超出電路正常負載電流10倍以上的大故障電流。短路形成的熱效應(yīng)強度非常高，在毫秒量級的時間內(nèi)會對系統(tǒng)造成損害。出現(xiàn)短路電流時保護電路要滿足兩個條件：第一，限制短路電流產(chǎn)生的能量；第二，限制通過電路的最大電流。電磁力與電流瞬態(tài)值的平方成正比，如果不能迅速限制并減小短路電流的大小，電路將會遭受巨大的機械損傷。如果短路峰值電流不能降低到一定水平，電路中的斷路器、接觸器以及隔離器等的連接觸頭將會熔化；電路中的導(dǎo)體將會熔化，出現(xiàn)電弧，引起火災(zāi)，進而摧毀整個系統(tǒng)，甚至危及人們的生命安全

產(chǎn)生短路電流的常見原因包括：電路中導(dǎo)電部位出現(xiàn)異物，如螺釘、螺絲刀及其他導(dǎo)電物體；電路元件(如半導(dǎo)體)失效造成短路；電網(wǎng)中由于閃電、開關(guān)浪

涌等形成電壓尖峰；接地故障電流過大；外部原因，如水災(zāi)、火災(zāi)以及振動等。

1.1.3短路電流造成的嚴(yán)重危害

短路電流可能會誘發(fā)電弧過程。圖1-1是銅排之間產(chǎn)生的電弧，瞬間溫度接近20000°C，同時伴隨著強大的沖擊波以及灼熱的金屬碎塊、金屬液滴。圖1-2、圖1-3示出了短路時產(chǎn)生的電弧。一旦發(fā)生電弧，無論是對人還是對設(shè)備都會構(gòu)成極大的威脅！

圖1-1

作為比較：

(1)太陽表面溫度約5500℃；

(2)火山巖漿的溫度一般在900~1200℃之間，最高達1300℃

圖1-1銅排之間產(chǎn)生的電弧及其效應(yīng)

圖1-2

圖1-2短路時在開關(guān)產(chǎn)生的電弧(歷史圖片)

圖1-3

圖1-3光伏電池短路引起的直流電弧和火災(zāi)(歷史圖片)

總之，過載電流，特別是短路電流會造成非常嚴(yán)重的直接危害或損失，包括：

l  人身危害：包括造成生命危險、高溫?zé)齻?、強光?dǎo)致視力下降或喪失；

l  停機、停工，造成經(jīng)濟損失；

l  過程控制失效：對于需要保證工藝過程連續(xù)的化工、冶煉等生產(chǎn)造成巨大損失，導(dǎo)致出現(xiàn)不良品；

l  機械損害，包括由于強大磁力造成機器設(shè)備被損壞或徹底被摧毀；

l  熱損害，如產(chǎn)生的電弧損壞，甚至摧毀設(shè)備及周邊系統(tǒng)，等等。

過載或短路電流故障還會產(chǎn)生復(fù)雜的經(jīng)濟及法律責(zé)任，諸如：

l  如果是電路元器件原因造成的故障，元器件生產(chǎn)廠家要為此負責(zé)；

l  如果是設(shè)備或安裝原因造成的故障，設(shè)備廠家或系統(tǒng)安裝提供方要為此負責(zé)；

l  處理故障的代價極其昂貴，責(zé)任范圍包括要賠償事故造成的人員傷害、設(shè)備損壞、停機停工等各種直接的以及間接的損失，除此之外，有時還要承擔(dān)相關(guān)罰款，等等。

 1.1.4 熔斷器保護故障電流的特點和優(yōu)勢

 1.1.4.1 使用熔斷器是被充分證明的有效故障電流保護方案

熔斷器作為過流保護器件其應(yīng)用已經(jīng)有上百年的歷史。現(xiàn)代的熔斷器具有極高的故障電流分斷能力和極強的限制電流的能力，被廣泛應(yīng)用于配電系統(tǒng)及工業(yè)設(shè)備中，當(dāng)過載或短路發(fā)生時能夠有效保護電路、設(shè)備及系統(tǒng)。

使用熔斷器是配電網(wǎng)絡(luò)的最佳保護方案：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如電纜破損或維護不當(dāng)造成短路）或上下級保護缺乏選擇性時，安裝在配電屏上的保護器件動作以切斷電路。短路電流可能非常大，故障消除前閉合電路對系統(tǒng)造成的損害極其嚴(yán)重，其后果常常是災(zāi)難性的。在此情形下熔斷器的高分斷能力和無可匹敵的可靠性能夠?qū)ο到y(tǒng)提供非常有效的保護。出現(xiàn)故障后必須仔細檢查，只有在故障被徹底消除后系統(tǒng)才能重新啟動。

熔斷器斷開后必須更換以確100%的有效性和安全性：當(dāng)故障發(fā)生后，熔斷器不能重置，必須更換。在這一點，熔斷器不及其他保護器件方便，但是，更新后的熔斷器的特性恢復(fù)到初始值，保護的有效性和安全性恢復(fù)到100%。

短路故障時只有熔斷器才能夠保證多級保護之間的準(zhǔn)確選擇：應(yīng)用熔斷器保護，不用考慮短路電流的大小，只要選擇上下級熔斷器的額定電流比例大于一定數(shù)值(一般是1。6)，就能總是保證準(zhǔn)確的選擇性保護，應(yīng)用選型非常簡單。當(dāng)流經(jīng)熔斷器的電流達到特定值時熔斷器斷開。熔斷器的額定電流越小，斷開電路需要的能量就越小，短路出現(xiàn)時只有故障點的熔斷器動作而其他保護器件不受影響，從而保證保護的可靠而準(zhǔn)確的選擇性。從系統(tǒng)角度看，選擇性保護將故障限制在最小范圍，系統(tǒng)中的其他部分能夠繼續(xù)正常工作。

即使最小的熔斷器也具備很高的分斷能力(按照IEC標(biāo)準(zhǔn)可以達到100kA，按照UL標(biāo)準(zhǔn)可以達到約200kA)，熔斷器進行保護可以自身完成，保護無須多級聯(lián)動。熔斷器保護方案結(jié)構(gòu)簡單，開斷快速、干凈。

二類配合：由于確保在故障后重啟時系統(tǒng)具有更高的安全級別，現(xiàn)在二類配合已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。熔斷器由于具有更高的限流能力，實現(xiàn)二類配合更加容易。電機啟動時可能出現(xiàn)從小過載到達電流短路的一系列故障，多級保護要有效配合，確保電機不受損害。

熔斷器保護可以使系統(tǒng)中的其他連接器件的尺寸變小：連接器及熱繼電器的短路承受能力與其物理尺寸緊密相關(guān)。熔斷器與其他保護器件相比較允通電流更小，從而使系統(tǒng)中的連接器件有可能尺寸更小，從而成本更低。

只有快速熔斷器可以保護半導(dǎo)體設(shè)備：現(xiàn)代工廠越來越多地使用軟啟動、驅(qū)動器、UPS，等等，如何保護這一類重要的敏感器件和設(shè)備?只有快速熔斷器才能夠?qū)@類電力電子設(shè)備提供恰當(dāng)?shù)谋Ｗo。

熔斷器是免維護的保護器件：熔斷器的工作原理是基于電路中特殊內(nèi)置的弱連接，當(dāng)過流出現(xiàn)時該弱連接，首先斷開切斷電路，從而保護電路中的其他器件?，F(xiàn)代的熔斷器，其熔體完全密封，從而保證熔斷器在極端惡劣的環(huán)境中能夠長期有效地工作，無須維護。熔體的反應(yīng)機理基于能量法則，故障發(fā)生時總能有效動作，準(zhǔn)確無誤，而且短路發(fā)生過程中熔體釋放的能量被限制在熔斷器管殼內(nèi)，不會產(chǎn)生有害的外部影響。

在壽命長達二十年或更長的時間里熔斷器能夠有效動作：熔體的熔化特性可能由于熱老化效應(yīng)發(fā)生較小的變化，但是不會影響熔斷器的安全性和可靠性。

熔斷式隔離器及熔斷式開關(guān)可以確保更換熔斷器時操作人員的安全性：由于熔斷器開斷后將電源與負載完全隔離，操作人員能夠在完全安全的條件下進行更換工

作。在更換過程中將熔斷器從熔斷器底座拿開后，操作人員可以看到電路被斷開，從而更加自信、高效地進行更換操作。

應(yīng)用熔斷器是限制短路電流的最佳方案：熔斷器的大優(yōu)勢是具備極高的限制故障電流及故障能量的能力。當(dāng)熔斷器分斷故障電流時，在故障電流遠未達到其

預(yù)期最大值之前將電路斷開，使流經(jīng)熔斷器及電路的電流比最大預(yù)期值小很多。限制電流及能量是熔斷器的重要特性，可以保護設(shè)備、電纜、電機及電路中的其他器件免受短路產(chǎn)生的電動力及熱能可能造成的破壞。

1.1.4.2熔斷器的特點和優(yōu)勢

限流熔斷器既可以保護電路又能保護電路中的設(shè)備和器件，實現(xiàn)對故障電流效應(yīng)的完全保護。熔斷器具有系列綜合優(yōu)勢，例如：

(1)高分斷能力(額定分斷電流低)。

(2)功率損耗低。

(3)低壓熔斷器在很多情況下比斷路器具有更低的功率損耗。

(4)無須復(fù)雜的短路計算。

(5)高的限流能力：當(dāng)系統(tǒng)擴張可能出現(xiàn)故障電流增大時，保護升級簡單、成本低。

(6)熔斷器確保在系統(tǒng)重新啟動前故障被消除。

(7)可靠：熔斷器無運動部件磨損，也不會出現(xiàn)由灰塵、油漬或腐蝕造成損害。熔斷器更換后，保護能力恢復(fù)到原來水平。

(8)熔斷器可以降低系統(tǒng)的整體成本：熔斷器的高限流能力可以幫助減低系統(tǒng)中其他器件的大小，從而極大地降低了大短路電流系統(tǒng)的整體成本。

(9)熔斷器通過IC60947-4-1規(guī)定的二類保護使啟動器和連接器免受損害。

(10)熔斷器工作安全、安靜：當(dāng)熔斷器開斷系統(tǒng)的最大短路電流時不會外泄氣體、火焰、電弧或其他材料，另外，出現(xiàn)大的短路電流時熔斷器開斷時間很短極大地限制了故障點可能出現(xiàn)的閃弧危害。

(11)熔斷器容易實現(xiàn)器件之間的配合：熔斷器的標(biāo)準(zhǔn)特性及其高限流能力容易實現(xiàn)器件間的配合。

(12)熔斷器特性標(biāo)準(zhǔn)化：IEC60269規(guī)定了熔斷器設(shè)計、生產(chǎn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由于特性標(biāo)準(zhǔn)化，全球各個廠家的同一規(guī)格的熔斷器可以互換。

(13)熔斷器可以改善電網(wǎng)質(zhì)量：限流熔斷器在毫秒級時間內(nèi)切斷故障電流，使系統(tǒng)供電電壓的波動降到最低

(14)熔斷器可以防止人為破壞：熔斷器安裝后不能被隨意篡改從而保持原有特性，避免誤動作。

(15)熔斷器免維護：選型正確的熔斷器無須維護、調(diào)整或校準(zhǔn)，有效工作數(shù)十年而且保持過流保護水平不變。

(16)熔斷器在出現(xiàn)電弧時能夠?qū)θ藛T及設(shè)備提供極佳的保護：在出現(xiàn)噴弧故障時，選型正確的限流熔斷器可以在幾毫秒內(nèi)切斷電流，使電弧能量遠遠低于傷害人員、破壞設(shè)備的水平。熔斷器原理及應(yīng)用

(17)應(yīng)用熔斷器是保護光伏陣列及光伏系統(tǒng)的一個低成本方案：應(yīng)用特殊設(shè)計的直流熔斷器(gPV型熔斷器)是保護光伏電池、光伏模塊及光伏陣列的簡單而有效的方案。gPV型熔斷器結(jié)合逆變器熔斷器(VSI型)可以保護所有類型光伏系統(tǒng)出現(xiàn)的過載及短路故

障，被保護的系統(tǒng)可以高達1500V直流電壓。

(18)應(yīng)用熔斷器是目前最經(jīng)濟的過電流保護方案，特別是在考慮在整個生命周期內(nèi)的總費用后。這個優(yōu)勢更加明顯。其中：

生命周期的總費用=初次購置費用+維護費用+功率損耗費用+維護及維修費用

圖1-4是熔斷器與斷路器分斷故障電流特性比較可以看出：第一，熔斷器通過的峰值電流??；第二，熔斷器通過故障電流的時間短；第三，熔斷器通過的能量

(與陰影面積成比例)小。

圖1-4

圖1-4電流保護器件的比較

表1-1是熔斷器與斷路器保護特性的比較。

表1-1熔斷器與斷路器比較