高铁、地铁、电动汽车快速熔断器的选型与应用

快速熔断器的选型与应用

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本文论述了快速熔断器的选型的原则，并对应用中的需要注意的问题进行了分析。

1，概述

在地铁列车中，牵引和辅助系统主电路的保护是由快速熔断器和高速开关共同承担的。这种设计是基于以下几个方面的考虑：

⑴高速开关具有短路保护、过流保护、过载保护和欠压保护等功能，且具有可频繁操作的优点。但高速开关短路保护的性能不理想，不能将短路电流和分断过电压限制在电路可以承受的范围内。

⑵快速熔断器具有分断能力强、分断时间短、限流特性好、I2T值小、分断过电压低等优点，可以将短路电流和分断过电压限制在电路可以承受的范围内，是最理想的保护器件。然而熔断器不能重复使用，用一次就得更换。

⑶电路出现短路故障的几率很小。

将高速开关和熔断器两者结合起来，使两者的优势互补，就能使电路得到有效的保护，又能避免经常更换熔断器麻烦。

在选择高速熔断器时，设计师既要根据被保护电路的特性，分别确定高速开关和快速熔断器参数，还要考虑高速开关与快速熔断器的匹配。如何正确的选择、使用快速熔断器，是系统开发、设计人员必须关注和解决的实际问题。

2，快速熔断器的结构、工作原理和特性

2.1，快速熔断器的结构

熔断器由磁壳、导电板、熔体、石英砂、消弧剂、指示器六部分组成。

熔体的材质为纯银，形状为矩形薄片，且具有圆孔狭颈。如图所示：

图1 快速熔断器熔体的几何形状

2.2，快速熔断器的灭弧原理

快速熔断器的熔体是由纯银制成的，由于纯银的电阻率低、延展性好、化学稳定性好，因此快速熔断器的熔体可做成薄片，且具有圆孔狭颈结构。发生短路故障时，狭颈处电流密度大，故狭颈处首先熔断，并被石英砂分隔成许多小段。这样，由于熔体熔断而形成的电弧就被石英砂分隔成许多小段，电弧电流较小，分布的空间小，易被消弧剂吸收。又由于石英砂是绝缘的，电弧熄灭后立即形成一个绝缘体，将电路分断。

2.3，快速熔断器的特性

2.3.1反时限电流保护特性

熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短。所以，在一定过载电流和过载时间范围内，熔断器是不会熔断的，可连续使用。

熔断器熔体的熔断特性曲线如图1所示。

图1 熔断器的熔断特性曲线

表1熔断电流与熔断时间之间的关系

图1表明：熔断器具有反时延特性，即过载电流小时，熔断时间长；过载电流大时，熔断时间短；在一定过载电流和过载时间范围内，熔断器是不会熔断的，可连续使用。熔断器的这种反时限电流保护特性，与被保护电路所要求的保护性能是一致的。

熔断器有各种不同的熔断特性曲线，可以适用于不同类型保护对象的需要。

2.3.2限流特性

由于快速熔断器的熔体为具有一系列圆孔狭颈的矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。圆孔狭颈处的截面积小，热容量小，发生短路故障时，故障电流尚未达到预期的短路电流时，即被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段。这样，既限制了短路电流增加，亦加速电弧的熄灭。

例如：系统中预期的短路故障电流有效值为40kA，采用高压限流熔断器，由于熔断器的限流作用，故障电流将被限制在10kA以下。

2.3.3分断能力强

由于快速熔断器的熔体为具有一系列圆孔狭颈的矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧被很快熄灭。由于石英砂是绝缘的，电弧熄灭后，熔断器立即变成一个绝缘体，将电路分断。因而快速熔断器分断能力强，可高达50kA。

2.3.4负载设备承受的冲击能量小

电路出现短路故障时，负载设备承受的冲击能量为

W=I2Rt

式中，I—短路电流；

R—电路的电阻；

t—从短路故障发生到电路被切断的时间。

快速熔断器分断的时间短，且有很好的限流作用，故负载设备承受的冲击能量小。

例如：系统中预期的短路故障电流为40kA，用高速开关分断作短路保护时，其负载设备承受的冲击能量为W1=I12Rt1（其中I1=40kA，t1=25ms）；若采用高压限流熔断器作短路保护时，此时负载设备承受的冲击能量为W2=I22Rt2（其中I2=10kA，t2=10ms）；W2/W1=1/40。

2.3.5分断过电压低

由于快速熔断器的熔体为具有圆孔狭颈矩形薄片，且充有石英砂灭弧介质。发生短路故障时，圆孔狭颈处首先被熔断，电弧被石英砂分隔成许多小段，电弧电流小，且在电弧电流接近零时被熄灭，故分断过电压低。当快速熔断器的额定电流选择时当时，分断过电压约为电路额定电压的2.5倍。

3，熔断器的选型

3.1，熔断器的选型原则

⑴快速熔断器的额定电压应等于电网电压；

⑵熔断器应能耐受正常负荷和正常负荷的浪涌电流（如：变压器的励磁峰值电流、电动机的启动电流、电容器充电电流等）；

⑶熔断器应能要求的时间内分断被保护电路的最小短路电流；

⑷熔断器的分断能力应大于被保护电路的最大短路电流；

⑸熔断器应有良好的限流特性，使短路电流限制在被保护电路所能承受的范围内；

⑹熔断器的分断过电压应小于被保护电路所能承受的最大过电压。

⑺快速熔断器、高速开关和负荷特性三者之间应良好匹配。

3.2熔断器选型的步骤

⑴根据被保护电路的额定电流和负载性质，初步确定熔断器额定电流；

⑵根据初步确定熔断器额定电流，对照熔断器选型手册，选择熔断器的型号；

⑶根据所选熔断器的电流保护特性曲线检验是否满足被保护电路的要求，若不满足，则改选高一级（或高一级）额定电流的熔断器，并重新检验，直至满足被保护电路的要求。

3.3熔断器额定电流的计算公式（初选）

⑴无起动过程的平稳负载的保护

无起动过程的平稳负载，如：照明线路、电阻、电炉等。

I FN≥ I N①

式中：I FN --熔断器额定电流；

I N --负荷电路的额定电流。

⑵单台长期工作的电机的保护

I FN≥ (1.5～2.5)I N②

式中：I FN --熔断器额定电流；

I N --电动机额定电流。

如果电动机频繁起动，式中系数可适当加大至3～3.5。

⑶多台电机（供电干线）的保护

I FN≥ (1.5～2.5) I Nmax+ΣI N③

式中：I FN --熔断器额定电流；

I Nmax--容量最大单台电机的额定电流。

ΣI N其余电动机额定电流之和。

⑷变压器的保护

⑴根据变压器额定电流，初选熔断器额定电流

一般取变压器额定电流ITN的1.3～1.5倍，即

I FN≥（1.3～1.5）I TN④

式中：I FN --熔断器额定电流；

I TN --变压器的额定电流。

3.4熔断器选型举例

⑴保护变压器的熔断器

1）变压器参数：

额定电压：6 kV，额定容量：200 kVA，额定电流：I TN=19.2 A，短路阻抗：ud%=5%。

2）对熔断器的要求：

①熔断器的额定电压V FN≥6 kV

②熔断器必须能够切断变压器的最小短路电流，即I0＜I TN/ud%＝19.2/5%＝384 A

③熔断器必须能耐受变压器的励磁冲击电流，即I F0.1＞14I TN＝14×19.2＝268 A

3）熔断器选型

①根据变压器的额定电流初步选定熔断器额定电流：

I FN≥1.3I TN=1.3×19.2=25 A

②初选熔断器的型号：

熔断器的额定电压V FN≥6 kV，额定电流I FN≥25 A，与该参数符相近的熔断器有：25 A/7.2 kV。

该熔断器的0.1 s的熔化电流I F0.1=230 A，熔断器的最小熔断电流I0=112 A。

③校验：

所选熔断器0.1s的熔化电流I F0.1小了，改选高一级额定电流的熔断器，即40A/7.2 kV。

该熔断器0.1 s的熔化电流I F0.1=400 A，熔断器的最小熔断电流I0=180 A，满足要求。

确定选用：40A/7.2 kV的熔断器。

⑵保护牵引主电路的熔断器

1）牵引主电路参数：

额定电压： DC1500V（电压变化范围900V至2000V），额定电流：800A（最大工作电流900 A）， IGBT模块额定电压：3300V、额定电流：1200A。

2）保护电路的设置

牵引变流器的过流保护由高速开关承担，短路保护由快速熔断器承担，IGBT的过流保护由栅极驱动电路承担。

3）三级保护参数的具体设定：

①IGBT过流保护电路的设计原则：

IGBT的过流能力：10μS，2倍的额定电流。

由于IGBT抗过载能力只有：10μS、2倍的额定电流。因此，IGBT过流保护，不可能通过高速开关来实现，只能由栅极驱动电路来实现。

IGBT过流保护电路的设计原则是：当过电流值小于2倍额定电流值时，采用瞬时封锁栅极电压脉冲的方法；当过电流值大于2倍额定电流值时，采用软关断方法，在2μS—5μS 的时间内使栅极电压降至零，至最终为-5伏的反电压（因为，瞬时封锁脉冲电压会使di/dt 过大，会在主回路中感应出较高的尖峰电压）。

②高速开关的选型原则：

高速开关的额定电压应等于接触网的额定电压，并能承受接触网的最高过电压；高速开关的额定电流应大于等于牵引变流器的工作电流；高速开关的过电流跳闸设定值应按IGBT 额定电流的1.2倍整定。

基于以上分析，选定高速开关的有关参数如下：

额定电压: 1500 V

额定电流: 1200 A

额定脉冲承受电压: 18 kV

跳闸电流设定值: 1400 A

额定绝缘电压: 3000 V

③快速熔断器的选型：

快速熔断器的额定电压应等于接触网的额定电压；快速熔断器的额定电流应等于牵引变流器的工作电流；快速熔断器应能承受高速开关的跳闸的设定电流；快速熔断器应能分断牵引主电路的最小短路电流；快速熔断器的分断能力，应能分断牵引主电路的最大短路电流。

基于以上分析，高速开关的有关参数如下：

额定电压: 1500 V

额定电流: 1000 A

25ms熔化电流: ≥2000 A(跳闸电流1400 A, 跳闸时间25ms)

10ms熔化电流: ≤4000 A

额定分断能力: 50 kA

4，熔断器选型注意事项

⑴快速熔断器的额定电压应等于电网电压；

⑵快速熔断器的额定电流一定要和被保护电路的工作电流相匹配，不可降额使用，降额使用将造成过高的分断过电压；

⑶应考虑设备特性的容差，以获得良好的保护效果；

⑷在同时设置熔断器和高速开关的保护电路中，影响保护特性的一个重要参数便是其交接电流Izy，它是高速开关与限流熔断器保护曲线的交接点电流，即大于该电流时保护功能由限流熔断器执行，小于该电流，保护功能由高速开关执行。

交接电流Izy要根据下列原则确定：

过电流保护设定值＜Izy＜电路的短路电流