1.1為什么需要熔斷器?

1.1.1過(guò)載電流

各種各樣的原因可能都會(huì)造成電路中出現(xiàn)故障電流。按照電流的大小和特點(diǎn)，故障電流分為過(guò)載電流和短路電流。過(guò)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(guò)載電流的大小通常是電路正常負(fù)載電流的8~10倍，持續(xù)時(shí)間從數(shù)秒到數(shù)小時(shí)，如果超出一定限度，過(guò)載電流會(huì)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(wú)法正常工作。

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

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

1.1.2短路電流

短路電流的定義是：超出電路正常負(fù)載電流10倍以上的大故障電流。短路形成的熱效應(yīng)強(qiáng)度非常高，在毫秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損害。出現(xiàn)短路電流時(shí)保護(hù)電路要滿足兩個(gè)條件：第一，限制短路電流產(chǎn)生的能量；第二，限制通過(guò)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(huì)遭受巨大的機(jī)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(huì)熔化；電路中的導(dǎo)體將會(huì)熔化，出現(xiàn)電弧，引起火災(zāi)，進(jìn)而摧毀整個(gè)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(guò)大；外部原因，如水災(zāi)、火災(zāi)以及振動(dòng)等。

1.1.3短路電流造成的嚴(yán)重危害

短路電流可能會(huì)誘發(fā)電弧過(guò)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(shí)伴隨著強(qiáng)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(shí)產(chǎn)生的電弧。一旦發(fā)生電弧，無(wú)論是對(duì)人還是對(duì)設(shè)備都會(huì)構(gòu)成極大的威脅！

圖1-1

作為比較：

(1)太陽(yáng)表面溫度約5500℃；

(2)火山巖漿的溫度一般在900~1200℃之間，最高達(dá)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(shí)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(guò)載電流，特別是短路電流會(huì)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(xiǎn)、高溫?zé)齻?qiáng)光導(dǎo)致視力下降或喪失；

l  停機(jī)、停工，造成經(jīng)濟(jì)損失；

l  過(guò)程控制失效：對(duì)于需要保證工藝過(guò)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(jī)械損害，包括由于強(qiáng)大磁力造成機(jī)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(guò)載或短路電流故障還會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)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(fù)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(fù)責(zé)；

l  處理故障的代價(jià)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(jī)停工等各種直接的以及間接的損失，除此之外，有時(shí)還要承擔(dān)相關(guān)罰款，等等。

 1.1.4 熔斷器保護(hù)故障電流的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

 1.1.4.1 使用熔斷器是被充分證明的有效故障電流保護(hù)方案

熔斷器作為過(guò)流保護(hù)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?jǐn)嗄芰蜆O強(qiáng)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(guò)載或短路發(fā)生時(shí)能夠有效保護(hù)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(hù)方案：當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障（如電纜破損或維護(hù)不當(dāng)造成短路）或上下級(jí)保護(hù)缺乏選擇性時(shí)，安裝在配電屏上的保護(hù)器件動(dòng)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(duì)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?jǐn)嗄芰蜔o(wú)可匹敵的可靠性能夠?qū)ο到y(tǒng)提供非常有效的保護(hù)。出現(xiàn)故障后必須仔細(xì)檢查，只有在故障被徹底消除后系統(tǒng)才能重新啟動(dòng)。

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(diǎn)，熔斷器不及其他保護(hù)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(hù)的有效性和安全性恢復(fù)到100%。

短路故障時(shí)只有熔斷器才能夠保證多級(jí)保護(hù)之間的準(zhǔn)確選擇：應(yīng)用熔斷器保護(hù)，不用考慮短路電流的大小，只要選擇上下級(jí)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(hù)，應(yīng)用選型非常簡(jiǎn)單。當(dāng)流經(jīng)熔斷器的電流達(dá)到特定值時(shí)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(shí)只有故障點(diǎn)的熔斷器動(dòng)作而其他保護(hù)器件不受影響，從而保證保護(hù)的可靠而準(zhǔn)確的選擇性。從系統(tǒng)角度看，選擇性保護(hù)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?jǐn)嗄芰?/span>(按照IEC標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到100kA，按照UL標(biāo)準(zhǔn)可以達(dá)到約200kA)，熔斷器進(jìn)行保護(hù)可以自身完成，保護(hù)無(wú)須多級(jí)聯(lián)動(dòng)。熔斷器保護(hù)方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開斷快速、干凈。

二類配合：由于確保在故障后重啟時(shí)系統(tǒng)具有更高的安全級(jí)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(shí)現(xiàn)二類配合更加容易。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)可能出現(xiàn)從小過(guò)載到達(dá)電流短路的一系列故障，多級(jí)保護(hù)要有效配合，確保電機(jī)不受損害。

熔斷器保護(hù)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(hù)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(hù)半導(dǎo)體設(shè)備：現(xiàn)代工廠越來(lái)越多地使用軟啟動(dòng)、驅(qū)動(dòng)器、UPS，等等，如何保護(hù)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(hù)。

熔斷器是免維護(hù)的保護(hù)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(guò)流出現(xiàn)時(shí)該弱連接，首先斷開切斷電路，從而保護(hù)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(zhǎng)期有效地工作，無(wú)須維護(hù)。熔體的反應(yīng)機(jī)理基于能量法則，故障發(fā)生時(shí)總能有效動(dòng)作，準(zhǔn)確無(wú)誤，而且短路發(fā)生過(guò)程中熔體釋放的能量被限制在熔斷器管殼內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生有害的外部影響。

在壽命長(zhǎng)達(dá)二十年或更長(zhǎng)的時(shí)間里熔斷器能夠有效動(dòng)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(huì)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(shí)操作人員的安全性：由于熔斷器開斷后將電源與負(fù)載完全隔離，操作人員能夠在完全安全的條件下進(jìn)行更換工

作。在更換過(guò)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(jìn)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(shì)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?jǐn)喙收想娏鲿r(shí)，在故障電流遠(yuǎn)未達(dá)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(hù)設(shè)備、電纜、電機(jī)及電路中的其他器件免受短路產(chǎn)生的電動(dòng)力及熱能可能造成的破壞。

1.1.4.2熔斷器的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)

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

(1)高分?jǐn)嗄芰?/span>(額定分?jǐn)嚯娏鞯?/span>)。

(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(wú)須復(fù)雜的短路計(jì)算。

(5)高的限流能力：當(dāng)系統(tǒng)擴(kuò)張可能出現(xiàn)故障電流增大時(shí)，保護(hù)升級(jí)簡(jiǎn)單、成本低。

(6)熔斷器確保在系統(tǒng)重新啟動(dòng)前故障被消除。

(7)可靠：熔斷器無(wú)運(yùn)動(dòng)部件磨損，也不會(huì)出現(xiàn)由灰塵、油漬或腐蝕造成損害。熔斷器更換后，保護(hù)能力恢復(fù)到原來(lái)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(guò)IC60947-4-1規(guī)定的二類保護(hù)使啟動(dòng)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(shí)不會(huì)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(shí)熔斷器開斷時(shí)間很短極大地限制了故障點(diǎn)可能出現(xiàn)的閃弧危害。

(11)熔斷器容易實(shí)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(shí)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(jì)、生產(chǎn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，由于特性標(biāo)準(zhǔn)化，全球各個(gè)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(jí)時(shí)間內(nèi)切斷故障電流，使系統(tǒng)供電電壓的波動(dòng)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(dòng)作。

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

(16)熔斷器在出現(xiàn)電弧時(shí)能夠?qū)θ藛T及設(shè)備提供極佳的保護(hù)：在出現(xiàn)噴弧故障時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(hù)光伏陣列及光伏系統(tǒng)的一個(gè)低成本方案：應(yīng)用特殊設(shè)計(jì)的直流熔斷器(gPV型熔斷器)是保護(hù)光伏電池、光伏模塊及光伏陣列的簡(jiǎn)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(hù)所有類型光伏系統(tǒng)出現(xiàn)的過(guò)載及短路故

障，被保護(hù)的系統(tǒng)可以高達(dá)1500V直流電壓。

(18)應(yīng)用熔斷器是目前最經(jīng)濟(jì)的過(guò)電流保護(hù)方案，特別是在考慮在整個(gè)生命周期內(nèi)的總費(fèi)用后。這個(gè)優(yōu)勢(shì)更加明顯。其中：

生命周期的總費(fèi)用=初次購(gòu)置費(fèi)用+維護(hù)費(fèi)用+功率損耗費(fèi)用+維護(hù)及維修費(fèi)用

圖1-4是熔斷器與斷路器分?jǐn)喙收想娏魈匦员容^可以看出：第一，熔斷器通過(guò)的峰值電流小；第二，熔斷器通過(guò)故障電流的時(shí)間短；第三，熔斷器通過(guò)的能量

(與陰影面積成比例)小。

圖1-4

圖1-4電流保護(hù)器件的比較

表1-1是熔斷器與斷路器保護(hù)特性的比較。

表1-1熔斷器與斷路器比較