2.2.1 低壓熔斷器的結構及工作原理

2.2.1.1 低壓熔斷器的結構

低壓熔斷器由熔斷器底座、載熔件和熔斷體等三部分組成。熔斷器底座（熔斷器支架）是熔斷器的固定部件，帶有觸頭、接線端子；載熔件是熔斷器可運動部件，用作載運熔斷體；熔斷體是帶有熔體的部件，在熔斷器熔斷后可以更換。熔斷體可包含幾個并聯的熔體。熔斷器底座及載熔件的組合稱為熔斷器支持件。圖2-3是典型的熔斷體結構原理圖。

以圖2-3b為例，說明低壓熔斷器的結構原理，這是一種有填料式熔斷器，熔斷體由瓷質管體、熔體、熔斷指示器、石英砂和刀型觸頭等部分組成，熔體采用紫銅箔沖制的網狀多根并聯形式的狹頸（缺口）熔片，中間部位有冶金效應點（球狀），裝配時將熔片圍成籠狀，再與兩端的刀型觸頭連接，以充分發揮填料與熔體接觸的作用，這樣既可均勻分布電弧能量而提高分斷能力，又可使熔斷管體受熱比較均勻而不易使其斷裂。有的產品的熔體為銀質狹頸（缺口）或網狀形式。熔斷指示器是機械信號裝置，指示器上焊有一根很細的康銅絲，它與熔體并聯，在正常情況下，由于康銅絲電阻很大，電流基本上從熔體流過，只有在熔體熔斷之后，電流才轉移到康銅絲上，使它立即熔斷，指示器便在彈簧作用下向外彈出，顯出醒目的紅色標志信號。有的產品有3極并列的整體結構，并備有觸頭罩、極間隔板、絕緣手柄（載熔件）等附件，以便于在三相中使用。絕緣手柄（載熔件）是用來裝卸熔斷體的可動部件。

另外，圖2-3a是有填料密封管式熔斷器，也是高分斷能力型。熔斷器為瓷質圓管狀，兩端有帽蓋，它分為帶撞擊器和不帶撞擊器兩種類型，帶撞擊器的熔斷器熔體熔斷時，撞擊器彈出，既可作熔斷信號指示，也可觸動微動開關以控制接觸器線圈，作為三相電動機斷相保護。也有熔斷器在其瓷質管體兩端的銅帽上焊有偏置式聯結板，可用螺栓安裝在母線排上，管內裝有變截面熔體（冶金效應材料），在管體上有一指示用的紅色小珠，熔體熔斷時紅色小珠就彈出。這種熔斷器常用于開關熔斷器組中。

熔斷體材料分為低熔點材料和高熔點材料兩大類。常用的低熔點材料有鉛、銻鉛合金、錫鉛合金、鋅等，其熔點低，易熔斷，電阻率較大，制成的熔體截面尺寸較大，熔斷時產生的金屬蒸氣較多，只適用于低分斷能力的熔斷器。高熔點材料有銅、銀和鋁等，其熔點高，不易熔斷，但其電阻率較低，制成的熔體截面尺寸較小，熔斷時產生的金屬蒸氣少。高熔點材料適用于高分斷能力的熔斷器，通常用銅作主體材料，而用錫及其合金作輔助材料，以提高熔斷器的分斷能力。

有填料封閉管式熔斷器外形結構如圖2-4所示。

有填料高分斷能力熔斷器廣泛應用于各種低壓電氣線路和設備中作為短路和過電流保護。典型產品有NT（RT16、RT17）系列和RT20系列高分斷能力熔斷器。

常用的熔斷體有RO、RS系列圓筒帽形熔斷體；NH、RS、RO、RT、NTA、RTO系列方管刀型觸頭熔斷體；RW、RF系列無填料圓筒帽形/圓管刀型觸頭熔斷體；RG、RGS系列螺栓連接式熔斷體等。圖2-5是部分熔斷體產品的外形圖。

2.2.1.2 熔斷器的工作原理

熔斷器是在短路和過載兩個條件下動作。典型的短路電流耐受值是熔斷器額定電流的10倍或以上，過載電流耐受值為低于熔斷器額定電流的10倍。

熔斷體串接于被保護電路，當電路發生短路或過載時，通過熔斷體的電流使其發熱，當達到熔體熔化溫度時就會自行熔斷，期間伴隨著燃弧和熄弧過程，隨之切斷故障電路，起到保護作用。

過電流保護動作的物理過程主要是熱熔化過程，而短路保護動作的物理過程主要是電弧的熄滅過程，大致可看成在未產生電弧之前的弧前過程和已產生電弧之后的弧后過程的兩個連續過程?；∏斑^程的主要特征是熔斷體的發熱與熔化，在此過程中的功能在于對故障做出反應，過電流相對額定電流的倍數越大，產生的熱量就越多，溫度上升也越迅速，弧前過程時間就越短暫。反之，過電流倍數越小，弧前過程時間就越長?；『筮^程的主要特征是含有大量金屬蒸氣的電弧在間隙內蔓延、燃燒，并在電動力的作用下在介質中運動并冷卻，最后因弧隙增大，以及電弧能量被吸收而無法持續，從而熄滅。這個過程的持續時間決定于熔斷器的有效熄弧能力。因此，通常熔斷器的保護性能在熔斷時間小于0.1s時是以I2t特性表征，在熔斷時間大于0.1s時則用弧前電流-時間特性表征。電流-時間特性曲線也稱為安-秒特性曲線，如圖2-6所示。

熔斷器的熔斷時間與通過熔體的電流大小有關，同時存在熔斷電流與不熔斷電流的分界線，此分界電流稱為最小熔斷電流I_min。熔斷器的額定電流必須小于最小熔斷電流。熔斷器的最小熔斷電流與額定電流之比稱為熔斷器的熔化系數，熔化系數主要取決于熔體的材料、工作溫度和結構。

熔斷器的時間-電流特性曲線表征流過熔斷體的電流與熔斷體的熔斷時間（熔斷時間等于弧前時間或熔化時間與燃弧時間之和）的關系，這一關系與熔斷體的材料和結構有關。在圖2-6中，I_p稱為熔斷器的預期電流，t為熔斷時間，通常產品樣本中均給出多條I_p-t曲線，以適用于不同類型保護對象的需要。電流-時間特性曲線的形狀與熱繼電器的反時限保護特性曲線相似，這是因為熔斷器和熱繼電器一樣，都是以熱效應原理工作的，而在電流引起的發熱過程中，總是存在I2t特性關系，即電流通過熔斷體時產生的熱量與電流的二次方和電流持續的時間成正比，電流越大，則熔斷體熔斷時間越短。另外，熔斷器也具有反時限特性，即過電流小時，熔斷時間長；過電流大時，熔斷時間短。所以，在一定過電流范圍內，當電流恢復正常時，熔斷器不會熔斷，可繼續使用。一般地，熔斷體的熔斷電流與熔斷時間的關系見表2-2。

從參數方面來看，過電流保護要求熔化系數小，發熱時間常數大；短路保護則要求較大的限流系數、較小的發熱時間常數、較高的分斷能力和較低的過電壓。另外，在供配電系統中通常是由若干個不同額定電流的熔斷器構成分級保護。上下級保護動作需要有選擇性，即在系統回路中出現故障時，只斷開發生故障的回路，以縮小事故影響范圍，不影響其他回路的運行。高分斷熔斷器選擇性比例一般為1:1.25，即下一級額定電流與上一級額定電流之比。以下從短路和過載兩個方面進行分析。

1.短路情況下熔斷器的動作

在電路發生短路故障期間，熔體狹頸（缺口）全部同時熔化，形成了與熔體狹頸數量相同的系列電弧。由于電弧電壓的作用，電流快速減小，并強制電流降至為零，此現象稱作限流。圖2-7描述了在短路條件下熔斷體的限流能力。

1）弧前（熔化）時間（t_m）：狹頸（缺口）發熱至熔點，且伴隨材料氣化。

2）燃弧時間（t_a）：每個缺口開始起弧，然后電弧被填料熄滅。

熔斷時間為弧前時間t_m和燃弧時間t_a之和?；∏?i>I2t和熔斷I2t值分別表示在弧前時間和熔斷時間內被保護電路中電流釋放的能量。由圖2-7可見，熔斷體的截斷電流i_c大大低于預期電流峰值I_p。

2.過載情況下熔斷器的動作

在電路發生過載期間，冶金效應的材料熔化，在熔體的缺口處形成電弧。圍繞熔體的填料（石英砂）快速熄滅電弧，并強制電流降至為零。冷卻時，熔化的填料轉變成如玻璃狀的材料，將熔體的各斷開部分進行互相隔離，防止電弧重燃和電流再流通。熔斷器動作分為兩個階段，如圖2-8a、b所示。

第一階段是弧前（熔化）時間（t_m），熔體發熱至含有冶金效應材料截面的熔點。典型的弧前時間大于數毫秒，并且與過載電流的大小成反比。低水平的過載形成長的弧前時間，從數秒至數小時。

第二階段是燃弧時間（t_a），在冶金效應截面處的電弧隨后被填料熄滅。燃弧時間取決于外施電壓。

兩個階段形成了熔斷器熔斷時間（t_m+t_a）?；∏?i>I2t和熔斷I2t值分別在弧前（熔化）時間和熔斷時間內釋放能量，在過載條件下，弧前I2t值很高，在時間大于數個周期或數個時間常數的弧前時間內是熔斷器動作階段。在這種情況下，與弧前時間相比，燃弧時間可忽略。