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，引起電路中與導體相連的絕緣材料失效，導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；設備老化；電路中進入異物或被灰塵污染等。

當出現(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；電路中的導體將會熔化，出現(xiàn)電弧，引起火災，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：電路中導電部位出現(xiàn)異物，如螺釘、螺絲刀及其他導電物體；電路元件(如半導體)失效造成短路；電網(wǎng)中由于閃電、開關浪

涌等形成電壓尖峰；接地故障電流過大；外部原因，如水災、火災以及振動等。

1.1.3短路電流造成的嚴重危害

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備都會構成極大的威脅！

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

圖1-2

圖1-2短路時在開關產(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(歷史圖片)

總之，過載電流，特別是短路電流會造成非常嚴重的直接危害或損失，包括：

l  人身危害：包括造成生命危險、高溫燒傷、強光導致視力下降或喪失；

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，甚至摧毀設備及周邊系統(tǒng)，等等。

過載或短路電流故障還會產(chǎn)生復雜的經(jīng)濟及法律責任，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；

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

l  處理故障的代價極其昂貴，責任范圍包括要賠償事故造成的人員傷害、設備損壞、停機停工等各種直接的以及間接的損失，除此之外，有時還要承擔相關罰款，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用已經(jīng)有上百年的歷史?，F(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，被廣泛應用于配電系統(tǒng)及工業(yè)設備中，當過載或短路發(fā)生時能夠有效保護電路、設備及系統(tǒng)。

使用熔斷器是配電網(wǎng)絡的最佳保護方案：當系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如電纜破損或維護不當造成短路）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)造成的損害極其嚴重，其后果常常是災難性的。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到初始值，保護的有效性和安全性恢復到100%。

短路故障時只有熔斷器才能夠保證多級保護之間的準確選擇：應用熔斷器保護，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)，就能總是保證準確的選擇性保護，應用選型非常簡單。當流經(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標準可以達到100kA，按照UL標準可以達到約200kA)，熔斷器進行保護可以自身完成，保護無須多級聯(lián)動。熔斷器保護方案結構簡單，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)標準。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。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體設備：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備?只有快速熔斷器才能夠?qū)@類電力電子設備提供恰當?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。現(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。熔體的反應機理基于能量法則，故障發(fā)生時總能有效動作，準確無誤，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。當熔斷器分斷故障電流時，在故障電流遠未達到其

預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備和器件，實現(xiàn)對故障電流效應的完全保護。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)無須復雜的短路計算。

(5)高的限流能力：當系統(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：熔斷器的標準特性及其高限流能力容易實現(xiàn)器件間的配合。

(12)熔斷器特性標準化：IEC60269規(guī)定了熔斷器設計、生產(chǎn)的統(tǒng)一標準，由于特性標準化，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，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、破壞設備的水平。熔斷器原理及應用

(17)應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：應用特殊設計的直流熔斷器(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小；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