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載電流的8~10倍，持續時(shí)間從數秒到數小時(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，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(wú)法正常工作。常見(jiàn)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；設備老化；電路中進(jìn)入異物或被灰塵污染等。當出現過(guò)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(guò)載電流的持續時(shí)間。合適的熔斷器可以滿(mǎn)足這個(gè)要求，當過(guò)載電流出現時(shí)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(shí)間內會(huì )對系統造成損害。出現短路電流時(shí)保護電路要滿(mǎn)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；電路中的導體將會(huì )熔化，出現電弧，引起火災，進(jìn)而摧毀整個(gè)系統，甚至危及人們的生命安全產(chǎn)生短路電流的常見(jiàn)原因包括：電路中導電部位出現異物，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(kāi)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、火災以及振動(dòng)等。1.1.3短路電流造成的嚴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(zhù)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(shí)產(chǎn)生的電弧。一旦發(fā)生電弧，無(wú)論是對人還是對設備都會(huì )構成極大的威脅！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(shí)在開(kāi)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(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(guò)程控制失效：對于需要保證工藝過(guò)程連續的化工、冶煉等生產(chǎn)造成巨大損失，導致出現不良品；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，等等。過(guò)載或短路電流故障還會(huì )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(chǎng)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(chǎng)家或系統安裝提供方要為此負責；l  處理故障的代價(jià)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(shí)還要承擔相關(guān)罰款，等等。 1.1.4 熔斷器保護故障電流的特點(diǎn)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(guò)流保護器件其應用已經(jīng)有上百年的歷史?，F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及工業(yè)設備中，當過(guò)載或短路發(fā)生時(shí)能夠有效保護電路、設備及系統。使用熔斷器是配電網(wǎng)絡(luò )的最佳保護方案：當系統出現故障（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(shí)，安裝在配電屏上的保護器件動(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系統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(wú)可匹敵的可靠性能夠對系統提供非常有效的保護。出現故障后必須仔細檢查，只有在故障被徹底消除后系統才能重新啟動(dòng)。熔斷器斷開(kāi)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(diǎn)，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(shí)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(jiǎn)單。當流經(jīng)熔斷器的電流達到特定值時(shí)熔斷器斷開(kāi)。熔斷器的額定電流越小，斷開(kāi)電路需要的能量就越小，短路出現時(shí)只有故障點(diǎn)的熔斷器動(dòng)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。從系統角度看，選擇性保護將故障限制在最小范圍，系統中的其他部分能夠繼續正常工作。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(jìn)行保護可以自身完成，保護無(wú)須多級聯(lián)動(dòng)。熔斷器保護方案結構簡(jiǎn)單，開(kāi)斷快速、干凈。二類(lèi)配合：由于確保在故障后重啟時(shí)系統具有更高的安全級別，現在二類(lèi)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(shí)現二類(lèi)配合更加容易。電機啟動(dòng)時(shí)可能出現從小過(guò)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中的其他連接器件的尺寸變?。哼B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：現代工廠(chǎng)越來(lái)越多地使用軟啟動(dòng)、驅動(dòng)器、UPS，等等，如何保護這一類(lèi)重要的敏感器件和設備?只有快速熔斷器才能夠對這類(lèi)電力電子設備提供恰當的保護。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置的弱連接，當過(guò)流出現時(shí)該弱連接，首先斷開(kāi)切斷電路，從而保護電路中的其他器件?，F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(cháng)期有效地工作，無(wú)須維護。熔體的反應機理基于能量法則，故障發(fā)生時(shí)總能有效動(dòng)作，準確無(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，不會(huì )產(chǎn)生有害的外部影響。在壽命長(cháng)達二十年或更長(cháng)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(kāi)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(kāi)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(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(kāi)后，操作人員可以看到電路被斷開(kāi)，從而更加自信、高效地進(jìn)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(shí)，在故障電流遠未達到其預期最大值之前將電路斷開(kāi)，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(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(shí)現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(wú)須復雜的短路計算。(5)高的限流能力：當系統擴張可能出現故障電流增大時(shí)，保護升級簡(jiǎn)單、成本低。(6)熔斷器確保在系統重新啟動(dòng)前故障被消除。(7)可靠：熔斷器無(wú)運動(dòng)部件磨損，也不會(huì )出現由灰塵、油漬或腐蝕造成損害。熔斷器更換后，保護能力恢復到原來(lái)水平。(8)熔斷器可以降低系統的整體成本：熔斷器的高限流能力可以幫助減低系統中其他器件的大小，從而極大地降低了大短路電流系統的整體成本。(9)熔斷器通過(guò)IC60947-4-1規定的二類(lèi)保護使啟動(dòng)器和連接器免受損害。(10)熔斷器工作安全、安靜：當熔斷器開(kāi)斷系統的最大短路電流時(shí)不會(huì )外泄氣體、火焰、電弧或其他材料，另外，出現大的短路電流時(shí)熔斷器開(kāi)斷時(shí)間很短極大地限制了故障點(diǎn)可能出現的閃弧危害。(11)熔斷器容易實(shí)現器件之間的配合：熔斷器的標準特性及其高限流能力容易實(shí)現器件間的配合。(12)熔斷器特性標準化：IEC60269規定了熔斷器設計、生產(chǎn)的統一標準，由于特性標準化，全球各個(gè)廠(chǎng)家的同一規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(shí)間內切斷故障電流，使系統供電電壓的波動(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：選型正確的熔斷器無(wú)須維護、調整或校準，有效工作數十年而且保持過(guò)流保護水平不變。(16)熔斷器在出現電弧時(shí)能夠對人員及設備提供極佳的保護：在出現噴弧故障時(shí)，選型正確的限流熔斷器可以在幾毫秒內切斷電流，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的一個(gè)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(jiǎn)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(lèi)型光伏系統出現的過(guò)載及短路故障，被保護的系統可以高達1500V直流電壓。(18)應用熔斷器是目前最經(jīng)濟的過(guò)電流保護方案，特別是在考慮在整個(gè)生命周期內的總費用后。這個(gè)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(guò)的峰值電流??；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熔斷器斷路器初始成本低高（約3倍左右)維護成本無(wú)有復位功能無(wú)可復位，但是為保證初始設定，動(dòng)作后要做校正和維護尺寸大小物理尺寸小物理尺寸大，占用較大的空間分斷能力約200kA成本隨分斷能力急劇提高 。系統故障電流變大時(shí)，開(kāi)關(guān)升級成本昂貴選型匹配時(shí)延特性可使之與負載更好地匹配，保護效果好為兼容感應負載，選擇時(shí)要保留較大余量保護能力提供二類(lèi)“無(wú)損保護”。限流熔斷器斷開(kāi)時(shí)間<1/2周期。不提供二類(lèi)“無(wú)損保護”。限流斷路器斷開(kāi)時(shí)間為4~6周期 協(xié)同特性協(xié)同特性比為1.6：1， 避免上游保護器件過(guò)大協(xié)同選型復雜，短路時(shí)協(xié)同保護非常困難維護特性無(wú)須維護需要定期維護、調整，以保證初始參數不變可靠性無(wú)機械故障，更加可靠機制復雜，如維護不當，后果難以預見(jiàn)替換性同樣標準規格的產(chǎn)品可以互換互換難度高