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1.1为什么需要熔断器?1.1.1过载电流各种各样的原因可能都会造成电路中出现故障电流。按照电流的大小和特点，故障电流分为过载电流和短路电流。过载电流的定义是：超出电路安全工作所允许的更大的电流。过载电流的大小通常是电路正常负载电流的8~10倍，持续时间从数秒到数小时，如果超出一定限度，过载电流会产生比正常情况下更大的热效应，引起电路中与导体相连的绝缘材料失效，导致电路故障而无法正常工作。常见的引起过载电流的原因包括：超出电路额定范围过度使用；接地不充分；电网波动；材料热疲劳；设备老化；电路中进入异物或被灰尘污染等。当出现过载电流后，电路不被损坏的要求是：电路中安装的保护器件必须能够限制过载电流的持续时间。合适的熔断器可以满足这个要求，当过载电流出现时熔断器可以有效保护电路。1.1.2短路电流短路电流的定义是：超出电路正常负载电流10倍以上的大故障电流。短路形成的热效应强度非常高，在毫秒量级的时间内会对系统造成损害。出现短路电流时保护电路要满足两个条件：第一，限制短路电流产生的能量；第二，限制通过电路的最大电流。电磁力与电流瞬态值的平方成正比，如果不能迅速限制并减小短路电流的大小，电路将会遭受巨大的机械损伤。如果短路峰值电流不能降低到一定水平，电路中的断路器、接触器以及隔离器等的连接触头将会熔化；电路中的导体将会熔化，出现电弧，引起火灾，进而摧毁整个系统，甚至危及人们的生命安全产生短路电流的常见原因包括：电路中导电部位出现异物，如螺钉、螺丝刀及其他导电物体；电路元件(如半导体)失效造成短路；电网中由于闪电、开关浪涌等形成电压尖峰；接地故障电流过大；外部原因，如水灾、火灾以及振动等。1.1.3短路电流造成的严重危害短路电流可能会诱发电弧过程。图1-1是铜排之间产生的电弧，瞬间温度接近20000°C，同时伴随着强大的冲击波以及灼热的金属碎块、金属液滴。图1-2、图1-3示出了短路时产生的电弧。一旦发生电弧，无论是对人还是对设备都会构成极大的威胁！图1-1作为比较：(1)太阳表面温度约5500℃；(2)火山岩浆的温度一般在900~1200℃之间，最高达1300℃图1-1铜排之间产生的电弧及其效应图1-2图1-2短路时在开关产生的电弧(历史图片)图1-3图1-3光伏电池短路引起的直流电弧和火灾(历史图片)总之，过载电流，特别是短路电流会造成非常严重的直接危害或损失，包括：l  人身危害：包括造成生命危险、高温烧伤、强光导致视力下降或丧失；l  停机、停工，造成经济损失；l  过程控制失效：对于需要保证工艺过程连续的化工、冶炼等生产造成巨大损失，导致出现不良品；l  机械损害，包括由于强大磁力造成机器设备被损坏或彻底被摧毁；l  热损害，如产生的电弧损坏，甚至摧毁设备及周边系统，等等。过载或短路电流故障还会产生复杂的经济及法律责任，诸如：l  如果是电路元器件原因造成的故障，元器件生产厂家要为此负责；l  如果是设备或安装原因造成的故障，设备厂家或系统安装提供方要为此负责；l  处理故障的代价极其昂贵，责任范围包括要赔偿事故造成的人员伤害、设备损坏、停机停工等各种直接的以及间接的损失，除此之外，有时还要承担相关罚款，等等。 1.1.4 熔断器保护故障电流的特点和优势 1.1.4.1 使用熔断器是被充分证明的有效故障电流保护方案熔断器作为过流保护器件其应用已经有上百年的历史。现代的熔断器具有极高的故障电流分断能力和极强的限制电流的能力，被广泛应用于配电系统及工业设备中，当过载或短路发生时能够有效保护电路、设备及系统。使用熔断器是配电网络的最佳保护方案：当系统出现故障（如电缆破损或维护不当造成短路）或上下级保护缺乏选择性时，安装在配电屏上的保护器件动作以切断电路。短路电流可能非常大，故障消除前闭合电路对系统造成的损害极其严重，其后果常常是灾难性的。在此情形下熔断器的高分断能力和无可匹敌的可靠性能够对系统提供非常有效的保护。出现故障后必须仔细检查，只有在故障被彻底消除后系统才能重新启动。熔断器断开后必须更换以确100%的有效性和安全性：当故障发生后，熔断器不能重置，必须更换。在这一点，熔断器不及其他保护器件方便，但是，更新后的熔断器的特性恢复到初始值，保护的有效性和安全性恢复到100%。短路故障时只有熔断器才能够保证多级保护之间的准确选择：应用熔断器保护，不用考虑短路电流的大小，只要选择上下级熔断器的额定电流比例大于一定数值(一般是1。6)，就能总是保证准确的选择性保护，应用选型非常简单。当流经熔断器的电流达到特定值时熔断器断开。熔断器的额定电流越小，断开电路需要的能量就越小，短路出现时只有故障点的熔断器动作而其他保护器件不受影响，从而保证保护的可靠而准确的选择性。从系统角度看，选择性保护将故障限制在最小范围，系统中的其他部分能够继续正常工作。即使最小的熔断器也具备很高的分断能力(按照IEC标准可以达到100kA，按照UL标准可以达到约200kA)，熔断器进行保护可以自身完成，保护无须多级联动。熔断器保护方案结构简单，开断快速、干净。二类配合：由于确保在故障后重启时系统具有更高的安全级别，现在二类配合已经成为工业标准。熔断器由于具有更高的限流能力，实现二类配合更加容易。电机启动时可能出现从小过载到达电流短路的一系列故障，多级保护要有效配合，确保电机不受损害。熔断器保护可以使系统中的其他连接器件的尺寸变小：连接器及热继电器的短路承受能力与其物理尺寸紧密相关。熔断器与其他保护器件相比较允通电流更小，从而使系统中的连接器件有可能尺寸更小，从而成本更低。只有快速熔断器可以保护半导体设备：现代工厂越来越多地使用软启动、驱动器、UPS，等等，如何保护这一类重要的敏感器件和设备?只有快速熔断器才能够对这类电力电子设备提供恰当的保护。熔断器是免维护的保护器件：熔断器的工作原理是基于电路中特殊内置的弱连接，当过流出现时该弱连接，首先断开切断电路，从而保护电路中的其他器件。现代的熔断器，其熔体完全密封，从而保证熔断器在极端恶劣的环境中能够长期有效地工作，无须维护。熔体的反应机理基于能量法则，故障发生时总能有效动作，准确无误，而且短路发生过程中熔体释放的能量被限制在熔断器管壳内，不会产生有害的外部影响。在寿命长达二十年或更长的时间里熔断器能够有效动作：熔体的熔化特性可能由于热老化效应发生较小的变化，但是不会影响熔断器的安全性和可靠性。熔断式隔离器及熔断式开关可以确保更换熔断器时操作人员的安全性：由于熔断器开断后将电源与负载完全隔离，操作人员能够在完全安全的条件下进行更换工作。在更换过程中将熔断器从熔断器底座拿开后，操作人员可以看到电路被断开，从而更加自信、高效地进行更换操作。应用熔断器是限制短路电流的最佳方案：熔断器的大优势是具备极高的限制故障电流及故障能量的能力。当熔断器分断故障电流时，在故障电流远未达到其预期最大值之前将电路断开，使流经熔断器及电路的电流比最大预期值小很多。限制电流及能量是熔断器的重要特性，可以保护设备、电缆、电机及电路中的其他器件免受短路产生的电动力及热能可能造成的破坏。1.1.4.2熔断器的特点和优势限流熔断器既可以保护电路又能保护电路中的设备和器件，实现对故障电流效应的完全保护。熔断器具有系列综合优势，例如：(1)高分断能力(额定分断电流低)。(2)功率损耗低。(3)低压熔断器在很多情况下比断路器具有更低的功率损耗。(4)无须复杂的短路计算。(5)高的限流能力：当系统扩张可能出现故障电流增大时，保护升级简单、成本低。(6)熔断器确保在系统重新启动前故障被消除。(7)可靠：熔断器无运动部件磨损，也不会出现由灰尘、油渍或腐蚀造成损害。熔断器更换后，保护能力恢复到原来水平。(8)熔断器可以降低系统的整体成本：熔断器的高限流能力可以帮助减低系统中其他器件的大小，从而极大地降低了大短路电流系统的整体成本。(9)熔断器通过IC60947-4-1规定的二类保护使启动器和连接器免受损害。(10)熔断器工作安全、安静：当熔断器开断系统的最大短路电流时不会外泄气体、火焰、电弧或其他材料，另外，出现大的短路电流时熔断器开断时间很短极大地限制了故障点可能出现的闪弧危害。(11)熔断器容易实现器件之间的配合：熔断器的标准特性及其高限流能力容易实现器件间的配合。(12)熔断器特性标准化：IEC60269规定了熔断器设计、生产的统一标准，由于特性标准化，全球各个厂家的同一规格的熔断器可以互换。(13)熔断器可以改善电网质量：限流熔断器在毫秒级时间内切断故障电流，使系统供电电压的波动降到最低(14)熔断器可以防止人为破坏：熔断器安装后不能被随意篡改从而保持原有特性，避免误动作。(15)熔断器免维护：选型正确的熔断器无须维护、调整或校准，有效工作数十年而且保持过流保护水平不变。(16)熔断器在出现电弧时能够对人员及设备提供极佳的保护：在出现喷弧故障时，选型正确的限流熔断器可以在几毫秒内切断电流，使电弧能量远远低于伤害人员、破坏设备的水平。熔断器原理及应用(17)应用熔断器是保护光伏阵列及光伏系统的一个低成本方案：应用特殊设计的直流熔断器(gPV型熔断器)是保护光伏电池、光伏模块及光伏阵列的简单而有效的方案。gPV型熔断器结合逆变器熔断器(VSI型)可以保护所有类型光伏系统出现的过载及短路故障，被保护的系统可以高达1500V直流电压。(18)应用熔断器是目前最经济的过电流保护方案，特别是在考虑在整个生命周期内的总费用后。这个优势更加明显。其中：生命周期的总费用=初次购置费用+维护费用+功率损耗费用+维护及维修费用图1-4是熔断器与断路器分断故障电流特性比较可以看出：第一，熔断器通过的峰值电流小；第二，熔断器通过故障电流的时间短；第三，熔断器通过的能量(与阴影面积成比例)小。图1-4图1-4电流保护器件的比较表1-1是熔断器与断路器保护特性的比较。表1-1熔断器与断路器比较熔断器断路器初始成本低高（约3倍左右)维护成本无有复位功能无可复位，但是为保证初始设定，动作后要做校正和维护尺寸大小物理尺寸小物理尺寸大，占用较大的空间分断能力约200kA成本随分断能力急剧提高 。系统故障电流变大时，开关升级成本昂贵选型匹配时延特性可使之与负载更好地匹配，保护效果好为兼容感应负载，选择时要保留较大余量保护能力提供二类“无损保护”。限流熔断器断开时间<1/2周期。不提供二类“无损保护”。限流断路器断开时间为4~6周期 协同特性协同特性比为1.6：1， 避免上游保护器件过大协同选型复杂，短路时协同保护非常困难维护特性无须维护需要定期维护、调整，以保证初始参数不变可靠性无机械故障，更加可靠机制复杂，如维护不当，后果难以预见替换性同样标准规格的产品可以互换互换难度高