內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理試驗(yàn)研究.doc

內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理試驗(yàn)研究西安電力電容器研究所（西安710082）趙醒社內(nèi)熔絲是電力電容器的重要安全器件。對內(nèi)熔絲的試驗(yàn)研究以前進(jìn)行過許多工作，主要進(jìn)行的是內(nèi)熔絲性能的研究，對內(nèi)熔絲的熔斷機(jī)理試驗(yàn)研究不多。本文在對不同結(jié)構(gòu)的內(nèi)熔絲的性能試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，通過對內(nèi)熔絲熔斷過程中試驗(yàn)現(xiàn)象的分析，結(jié)合“電器電弧理論”，得出內(nèi)熔絲的熔斷機(jī)理，供大家參考、指正。內(nèi)熔絲在電力電容器中的作用是：（1）快速熄滅元件擊穿產(chǎn)生的（高壓直流）電弧，（2）切斷元件擊穿短路（工頻）電流。熄滅元件擊穿產(chǎn)生的電弧是其主要作用，也是本文討論的重點(diǎn)。內(nèi)熔絲在電力電容器不同工作條件下，其物理模型有所不同。在交流電壓下元件擊穿時，由于絕緣介質(zhì)的擊穿一般在電壓波形的45以上，串聯(lián)段上瞬間電壓不能躍變，所以，可以等效于電容器直流充放電電路，由于元件擊穿后的短路電阻（電弧電阻）小，而且還是一個非線性電阻，為了簡化研究模型，將其忽略，用真空斷路器替代。綜上所述，我們采用的內(nèi)熔絲直流試驗(yàn)研究電路如圖1所示。通過改變放電電容和放電電壓來模擬內(nèi)熔絲的不同工作狀況。內(nèi)熔絲試品放在油中。B試驗(yàn)變壓器D硅堆R0充電電阻Cs充放電電容Us試驗(yàn)電壓L回路固有電感R回路固有電容F內(nèi)容絲K真空斷路器1內(nèi)熔絲的熔斷機(jī)理試驗(yàn)分析傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理是認(rèn)為內(nèi)熔絲的熔斷過程是一個絕熱過程，當(dāng)內(nèi)熔絲上通過一個強(qiáng)大的（脈沖）電流時，內(nèi)熔絲急劇發(fā)熱，熔體的部分或全部迅速完成從固態(tài)到液態(tài)、氣態(tài)的兩個相轉(zhuǎn)變，或直接完成從固態(tài)升華到氣態(tài)的相轉(zhuǎn)變，熔體成為高溫，高壓的熱金屬氣體，金屬氣體以爆炸的形式迅速擴(kuò)散，熄滅在其間形成的電弧。傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲是沿襲前蘇聯(lián)的習(xí)慣，將金屬絲纏繞在花紙板上，內(nèi)熔絲是螺旋結(jié)構(gòu)（以后簡稱紙板內(nèi)熔絲），而內(nèi)熔絲的熔斷過程在幾個到幾十個微秒之間完成，試驗(yàn)中很難檢測到紙板熔絲的熔斷過程和電弧的軌跡，即使有金屬氣體也不可能檢測到，而只能得到熔體的殘段。用傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理解釋紙板內(nèi)熔絲的熔斷過程相當(dāng)滿意?；谶@一理論基礎(chǔ)，我們在制定內(nèi)熔絲研究方案時，將研究的重點(diǎn)放在內(nèi)熔絲的性能和結(jié)構(gòu)對比試驗(yàn)研究上。在對紙板內(nèi)熔絲和線形內(nèi)熔絲對比試驗(yàn)中，進(jìn)行內(nèi)熔絲的最大通過能量、最小熔斷能量、下限熔斷能力檢驗(yàn)試驗(yàn)、上限熔斷能力檢驗(yàn)試驗(yàn)時，出現(xiàn)了一些用傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理難以充分解釋的結(jié)果和現(xiàn)象：在進(jìn)行最大通過能量試驗(yàn)后，線形內(nèi)熔絲的電纜紙包封有明顯的熔體通體連續(xù)的，清晰的灼痕。線形內(nèi)熔絲熔體從單斷口回彈后的灼痕，斷口清晰可辯見。“水錘效應(yīng)”水泵在起動和停車時，水流沖擊管道，產(chǎn)生嚴(yán)重的“水錘效應(yīng)”。水錘效應(yīng)”是指在水管內(nèi)部，管內(nèi)壁光滑，水流動自如。當(dāng)打開的閥門突然關(guān)閉，水流對閥門及管壁，主要是閥門會產(chǎn)生一個壓力。由于管壁光滑，后續(xù)水流在慣性的作用下，迅速達(dá)到最大，并產(chǎn)生破壞作用，這就是水利學(xué)當(dāng)中的“水錘效應(yīng)”，也就是正水錘。相反，關(guān)閉的閥門在突然打開后，也會產(chǎn)生水錘，叫負(fù)水錘，但沒有前者大。另一種關(guān)于水錘效應(yīng)的表述:異步電動機(jī)在全壓啟動時,從靜止?fàn)顟B(tài)加速到額定轉(zhuǎn)速,水的流量從零猛增到額定流量.由于流體具有動量和一定程度的可壓縮性,因此,在極短時間內(nèi)流量的巨大變化將引起對管道的壓強(qiáng)過高或過低的沖擊,并產(chǎn)生空化現(xiàn)象.壓力沖擊將使管壁受力而產(chǎn)生噪音,就像錘子敲擊管子一樣,稱為水錘效應(yīng).采用恒壓供水,可以通過對時間的預(yù)置來延長啟動和停車過程,使動態(tài)轉(zhuǎn)矩大為減小,從而根本上消除了水錘效應(yīng)使盛絕緣油的真空玻璃干燥器、瓷套筒被炸碎。 線形內(nèi)熔絲熔斷后，熔體形成金屬珠。對于這四個現(xiàn)象按傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理解釋，可以理解為內(nèi)熔絲熔斷過程是絕熱過程。、很難解釋清楚。我們曾懷疑我們選定的研究模型和試驗(yàn)回路的正確性。對研究模型和試驗(yàn)回路進(jìn)行更改，但變化不大。于是，我們開始懷疑傳統(tǒng)的內(nèi)熔絲熔斷機(jī)理的正確性，查閱了近年有關(guān)電弧、熔斷器的資料。得出了新的內(nèi)熔絲機(jī)理：內(nèi)熔絲在電力電容器中的熔斷過程是一個絕熱的、低壓直流電弧熄滅過程。當(dāng)在內(nèi)熔絲上通過一個強(qiáng)大的（脈沖）電流時，內(nèi)熔絲的熔體急劇發(fā)熱，熔體的部分或全部迅速完成從固態(tài)到液態(tài)的相轉(zhuǎn)變，在電磁和表面張力的作用下，金屬液體形成金屬“液珠”，同時在“液珠”與“液珠”之間的絕緣介質(zhì)被擊穿，產(chǎn)生高壓直流電弧?！耙褐椤钡臄?shù)量的增加與絕緣介質(zhì)的擊穿，就形成一個由“液珠”連接的“電弧橋”。當(dāng)“電弧橋延伸到一定長度時，高壓直流電弧變成低壓直流電弧，整個“電弧橋”迅速崩潰，電弧熄滅。伴隨產(chǎn)生一個孤立聲波向外傳播?！耙褐椤钡臄?shù)量、大小與形狀決定于電流的大小和梯度、電磁力和表面張力的大小。電流大、梯度大，電磁力就大，熔體的熔點(diǎn)升高多，形成的“液珠”數(shù)量多、體積小，由于熔點(diǎn)升高多，而凝固點(diǎn)不變，冷凝時間長，表面張力作用時間長，形狀呈規(guī)則球形。反之，“液珠”數(shù)量少、體積大，形狀呈不規(guī)則球形?！半娀颉钡难由?，一方面靠“液珠”的數(shù)量的增加，另一方面靠電弧產(chǎn)生的聲壓和電磁力推動“液珠”移動，拉長電弧。“電弧橋”的不斷延伸，電弧的電壓不斷降低，當(dāng)“電弧橋”延伸到一定長度，電弧電壓低于絕緣介質(zhì)的自恢復(fù)電壓，電弧的性質(zhì)從高壓直流電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娀?，電弧開始熄滅，“電弧橋”崩潰。整個電弧熄滅后，每個小電弧都以自己為中心產(chǎn)生一個微小的陡波前孤立聲波向外傳播，由于小電弧不可能同時產(chǎn)生，故所有的小孤立聲波疊加后，形成一個波前有所減緩的大的合成孤立聲波向外傳播。在一定范圍內(nèi)，當(dāng)在內(nèi)熔絲上通過的（脈沖）電流密度增大，或陡度增大時，也就是能量梯度增大時，熔體的熔點(diǎn)升高多；形成的“液珠”小而多，并且移動速度快；“電弧橋”延伸快，“電弧橋”長，并且熄滅得快；合成孤立聲波的波前陡度增大。用這一機(jī)理解釋前面的四個現(xiàn)象，可以理解為內(nèi)熔絲熔斷過程是絕熱過程。電磁力使熔化的熔體回彈移動?！八N效應(yīng)”說明內(nèi)熔絲熔斷過程伴隨有波動過程。說明“液珠”和“電弧橋”的存在。我們此后進(jìn)行的大量試驗(yàn)不僅重復(fù)了以上試驗(yàn)現(xiàn)象，而且進(jìn)一步證明了這一機(jī)理的合理性。我們將內(nèi)熔絲試品夾在模型電容器中間，進(jìn)行同樣的內(nèi)熔絲熔斷研究試驗(yàn)時，聽到的內(nèi)熔絲熔斷的聲音明顯地變低變沉。這進(jìn)一步表明內(nèi)熔絲熔斷過程中伴隨存在一個波動過程。聲波在均一介質(zhì)中傳播衰減要比在分層介質(zhì)中傳播衰減小，失真??；因?yàn)槁暡ㄔ诜謱咏橘|(zhì)中傳播時，在不同介質(zhì)中速度不同，在介質(zhì)的分界面發(fā)生折射和反射，所以，衰減大，失真大。聽到的兩種聲音差別明顯。內(nèi)熔絲熔斷過程時間很短，在幾個到幾十個微秒之間，電弧的各種參數(shù)變化很難記錄下來，我們用721示波器記錄了內(nèi)熔絲熔斷時回路電流波形，進(jìn)行對比分析（由于測量點(diǎn)地電位和儀器接地點(diǎn)電位不同，電流波形從負(fù)值起）。圖2、3、4分別是輸入的能量小、中、大內(nèi)熔絲熔斷時回路電流波形，比較這三個圖形，發(fā)現(xiàn)隨著輸入的能量增大內(nèi)熔絲熔斷時間變短，電流波形上升、下降變陡。從圖3看，電流波形可以分為三個階段，第一階段是RLC過渡電流，熔體發(fā)熱熔化但沒有斷裂，電流的增長服從RLC放電過渡過程方程。第二階段是高壓直流電弧電流，在這一階段，熔體開始斷裂，在裂縫處形成高壓直流電?。颍?，電弧電阻變小，電流激增。第三階段是低壓直流電弧電流，在這一階段，電弧橋已經(jīng)足夠長，電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娀。蛘咄饨巛斎氲哪芰繙p小使電弧轉(zhuǎn)變?yōu)榈蛪褐绷麟娀?，電弧電阻增大，絕緣介質(zhì)的強(qiáng)度恢復(fù)，電流由增大轉(zhuǎn)為下降，電弧熄滅。 不論輸入能量的大小，RLC過渡電流階段都很明顯，基本一致，圖2、3、4是15s之間的電流波形。在高壓、低壓直流電弧電流階段“電弧橋”已經(jīng)貫通引線間，與輸入的能量大小及梯度的關(guān)系密切，當(dāng)能量大小及梯度增加時，電弧電流幅值和上升速度增加，電弧受的磁吹力也增大，熄滅速度快。電流波形變窄變高。但是，輸入的能量不能無限制的增大，因?yàn)椤半娀颉遍L度的增長范圍是有限的，當(dāng)輸入的能量增大一定值后，“電弧橋”長度不能夠遏止電弧電流增加，這將十分危險(xiǎn)，內(nèi)熔絲失去滅弧能力。2產(chǎn)品上的驗(yàn)證試驗(yàn)21內(nèi)熔絲在工頻下熔斷能力試驗(yàn) 211試驗(yàn)電路先將C1和C2并聯(lián)，C4和C5并聯(lián)，再將兩組串聯(lián)接于交流電源。212試驗(yàn)方法將試驗(yàn)電壓從0升到08Un保持30min；升到09Un保持30min；升到11Un保持30min；升到13Un保持30min；升到15Un保持30min；升到18Un保持30min；升到22Un保持30min；在升壓或保持時，如果有內(nèi)熔絲熔斷，應(yīng)迅速降壓，測量電容量變化，再恢復(fù)電壓累積計(jì)時。213試驗(yàn)結(jié)果與分析合閘后C2有放電的“劈啪”聲，當(dāng)電壓升到05Un時，C2有內(nèi)熔絲熔斷聲，測量電容量發(fā)現(xiàn)一根內(nèi)熔絲熔斷。在08Un、09Un、11Un、13Un、15Un各保持30min；C1、C2、C4、C5都沒有內(nèi)熔絲熔斷。當(dāng)升到18Un保持9min后，C1有一根內(nèi)熔絲熔斷；累計(jì)保持27min后，C2有一根內(nèi)熔絲熔斷；其余經(jīng)歷30min；升到22Un保持1min后，C2有一根內(nèi)熔絲熔斷；累計(jì)5min后，C2有兩根內(nèi)熔絲幾乎同時熔斷（聽到相連的熔斷聲）；累計(jì)15min后，內(nèi)熔絲發(fā)生群爆，導(dǎo)致變壓器跳閘，測量電容量發(fā)現(xiàn)四根內(nèi)熔絲熔斷，結(jié)束試驗(yàn)。解剖C2發(fā)現(xiàn)下心子包封件被炸破，打開包封件，發(fā)現(xiàn)在05Un元件重?fù)舸﹥?nèi)熔絲熔斷正常。以下心子第9個元件靠近內(nèi)熔絲連接片處為中心爆炸痕跡，第7、8、9、10元件的內(nèi)熔絲引線斷開，7、8、10元件的電容量正常。群爆的原因是第9個元件的擊穿點(diǎn)剛好在引線底下，雖然熔體正常熔斷，但是“電弧橋”移動到引線與擊穿點(diǎn)之間?！半娀颉遍L度有限，高壓直流電弧不能轉(zhuǎn)化為低壓