熔斷特性介紹

廣泛采用防止短路的裝置———保險(xiǎn)絲、保險(xiǎn)管，這些保險(xiǎn)裝置都是用金屬絲金屬片制成。保險(xiǎn)的基本原理是電流增大到某一值時(shí)，金屬絲金屬片溫度升高到其熔斷溫度而熔斷，從而切斷電流，達(dá)到短路保護(hù)的目的。這一過(guò)程顯然是一個(gè)熱學(xué)過(guò)程，熔斷時(shí)間的滯后是其特點(diǎn)。在一些電氣輸電工程中，由于設(shè)計(jì)不當(dāng)或者出現(xiàn)意外情況也會(huì)出現(xiàn)金屬的熔斷。隨著社會(huì)的進(jìn)步，對(duì)電氣工程施工和電氣設(shè)備使用的要求也越來(lái)越高。因而也對(duì)短路保險(xiǎn)的時(shí)間提出了較高要求。如彩電需要延時(shí)保險(xiǎn)，另一些則需要快速熔斷保險(xiǎn)等等。顯然對(duì)金屬絲熔斷特性的研究具有特別重要的意義。

由于以前的儀器設(shè)備的限制，對(duì)通電熔斷的時(shí)間的精密測(cè)量帶來(lái)很大的困難。這方面的研究很少，我們利用已經(jīng)普遍使用的數(shù)字存貯示波器，（頻率為60MHz，理論上說(shuō)，時(shí)間測(cè)量可達(dá)1/60×10-6s，即幾十納秒）自行設(shè)計(jì)出一個(gè)實(shí)驗(yàn)，對(duì)金屬絲的熔斷特性進(jìn)行了研究，由于保證了時(shí)間的測(cè)量精度，取得了較好的結(jié)果。

熔斷特性理論研究

在理論上，無(wú)限大的空間，金屬絲熔斷可分為兩種熔斷，當(dāng)提供給金屬絲熔斷的能量不是太大時(shí)，金屬絲熔為液態(tài)而斷開(kāi)，稱為熔化熔斷；當(dāng)提供給金屬絲熔斷的能量很大，金屬絲直接氣化成氣體而斷開(kāi)，稱為氣化熔斷。我們只對(duì)前者進(jìn)行研究。熔斷時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，通電熔斷的計(jì)算非常復(fù)雜，在通電期間，既要考慮金屬絲獲得的電能所提供的能量使其溫度升高，又要考慮熱輻射，熱傳導(dǎo)，對(duì)流對(duì)能量的損失。而這些損失都是溫度和波長(zhǎng)的涵數(shù)，還得考慮金屬絲的電阻隨溫度的升高而電流減小的影響等等。但當(dāng)金屬絲熔斷時(shí)間較短時(shí)，可忽略金屬絲輻射熱量散失的影響，設(shè)經(jīng)過(guò)金屬絲熱傳導(dǎo)損失的熱量為Q1；金屬絲達(dá)到熔斷時(shí)的熱容熱量為Q2；電能提供金屬絲溫升的熱量為Q。

熔斷特性實(shí)驗(yàn)儀器

數(shù)字存貯示波器(DS3062M)，多擋位大電流電源(DV-201)，數(shù)字萬(wàn)用表(TD890)，自制的電子濾波大電流恒流源，自制的可調(diào)距離的接線柱，銅絲(d=0.075mm)，千分尺(0~25mm/0.01mm )，游標(biāo)卡尺(0.02mm )等。

熔斷特性研究結(jié)論

金屬絲熔斷特性的實(shí)驗(yàn)研究表明：熔斷電流的平方與熔斷時(shí)間成線性函數(shù)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算符合得很好，因而理論計(jì)算中完全可以忽略掉金屬絲通電發(fā)熱的熱輻射的復(fù)雜影響。

在航天器研制過(guò)程中，多次發(fā)生因?yàn)殡娺B接器插接錯(cuò)誤或?qū)Ь€絕緣皮損傷導(dǎo)致導(dǎo)線承受過(guò)電應(yīng)力而燒毀的故障。導(dǎo)線燒毀問(wèn)題在世界航空航天領(lǐng)域是共性問(wèn)題，如NASA 就發(fā)表過(guò)關(guān)于導(dǎo)線燒毀的研究報(bào)告，資助了研究導(dǎo)線絕緣層燒毀特性的飛行實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

在理想條件下金屬導(dǎo)線熔斷的物理模型。該模型可以較好地表征在大氣環(huán)境或真空環(huán)境下單根、均勻直徑的銅絲的熔斷特性。然而實(shí)際應(yīng)用中的導(dǎo)線往往是多股銅絲絞合使用，且外層套有聚四氟乙烯保護(hù)層。在銅絲熔斷理想模型基礎(chǔ)之上，引入銅絲對(duì)周圍媒介的熱傳導(dǎo)系數(shù)，對(duì)銅導(dǎo)線的實(shí)際熔斷特性開(kāi)展研究。

熔斷特性理論研究

在理想的銅絲熔斷模型中，主要考慮銅絲在通電過(guò)程中積累熱量，當(dāng)局部熱量積累達(dá)到一定程度發(fā)生熔融，熔融局部銅絲由于重力脫離周圍銅絲即發(fā)生熔斷。其中，銅絲獲得的電能所提供的能量使其溫度升高，同時(shí)要考慮熱輻射和熱傳導(dǎo)、對(duì)流造成的能量損失，此外，還要考慮金屬絲的電阻隨溫度升高而增大等相關(guān)影響因素。但是當(dāng)金屬絲熔斷時(shí)間較短時(shí)，可以忽略金屬絲熱輻射所散失的熱量，假設(shè)經(jīng)過(guò)金屬絲熱傳導(dǎo)損失的熱量為Q1；金屬絲達(dá)到熔斷時(shí)的熱容熱量為Q2；金屬絲熔斷熱量為Q3；電能提供金屬絲溫升的熱量為Q。

熔斷特性試驗(yàn)

樣品選擇

航天型號(hào)及某些地面設(shè)備中大量采用AF-250AH 導(dǎo)線，本試驗(yàn)采用AF-250AH 型19 芯鍍銀銅線絞合纏繞而成的多股銅導(dǎo)線，外部采用聚四氟乙烯薄膜繞包保護(hù)。該型號(hào)導(dǎo)線的最高耐壓值為1500 V，額定工作電流為3.3 A，最高工作溫度為250 ℃。其中單芯鍍銀銅絲的直為0.12 mm，導(dǎo)線的標(biāo)稱截面積為0.2 mm2，外層絕緣保護(hù)皮的厚度約0.1 mm。

試驗(yàn)環(huán)境

在大氣環(huán)境下，銅導(dǎo)線可以通過(guò)空氣向周圍傳導(dǎo)熱量。在真空環(huán)境下，銅導(dǎo)線向真空熱傳導(dǎo)效率下降，經(jīng)過(guò)電流過(guò)載后熱積累嚴(yán)重，與大氣環(huán)境條件下相比，熔斷閾值降低。本試驗(yàn)結(jié)合導(dǎo)線在航天型號(hào)中的實(shí)際使用環(huán)境，分別選取：大氣環(huán)境（25±5 ℃、1 個(gè)大氣壓）；真空環(huán)境（25±5 ℃、5×10-3 Pa）這2 種環(huán)境條件進(jìn)行導(dǎo)線熔斷試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法

截取50 cm 長(zhǎng)的導(dǎo)線，連接大功率供電電源，采用恒流模式在大氣環(huán)境和真空環(huán)境下對(duì)導(dǎo)線分別施加額定工作電流I₀的整數(shù)倍電流。由于導(dǎo)線在施加5 倍額定工作電流時(shí)很難熔斷，但其絕緣層已失效[6]，所以設(shè)定的試驗(yàn)電流分別為額定工作電流的5 倍、6 倍、7 倍、8 倍、9 倍。試驗(yàn)中，對(duì)導(dǎo)線的熔斷時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄。

熔斷特性相關(guān)對(duì)比

根據(jù)擬合計(jì)算獲得的 kq 值，對(duì)比大氣環(huán)境和真空環(huán)境下AF-250 型導(dǎo)線的熔斷特性曲線，當(dāng)導(dǎo)線在較短時(shí)間（t<20 s）內(nèi)發(fā)生熔斷時(shí)，兩種環(huán)境條件下所需的熔斷電流密度相差較小，表明無(wú)論何種環(huán)境條件下導(dǎo)線都還來(lái)不及向外界散熱，熔斷導(dǎo)線的熱量主要來(lái)自于導(dǎo)線自身通電產(chǎn)生的電阻熱，因此kq 對(duì)熔斷特性的影響相對(duì)較小。但隨著熔斷時(shí)間的增加，由于kq 的影響，在2 種環(huán)境條件下所需的熔斷電流密度差距增大。

無(wú)論是在大氣還是真空環(huán)境下，隨著熔斷時(shí)間的增加，所需的熔斷電流密度值均趨于一個(gè)定值，大氣環(huán)境下約為1.07 A/mm2，真空環(huán)境下約為0.647 A/mm2。該穩(wěn)定電流密度值即為導(dǎo)線在長(zhǎng)期通電條件下不發(fā)生熔斷的最低電流密度值。在實(shí)際使用過(guò)程中，每種導(dǎo)線都存在一個(gè)最高安全工作電流值，在任何條件下都必須保證導(dǎo)線中的電流不能超過(guò)該電流值。

熔斷特性結(jié)論

單芯銅導(dǎo)線在理想環(huán)境下的熔斷具有成熟的理論模型。分析傳熱學(xué)和實(shí)驗(yàn)傳熱學(xué)相結(jié)合，在銅絲熔斷理論模型基礎(chǔ)之上，引入多股銅絲等效直徑的概念對(duì)理論模型進(jìn)行修正，獲得了實(shí)際應(yīng)用中的多股絞合銅線的熔斷特性；并采用試驗(yàn)獲得的等效熱傳導(dǎo)系數(shù)對(duì)物理模型進(jìn)行修正，獲得了有絕緣保護(hù)層的多股銅線的熔斷特性。研究結(jié)果可為安全使用安裝銅導(dǎo)線提供參考。

電氣強(qiáng)度機(jī)組運(yùn)行中除受到正常工作電壓長(zhǎng)期作用外，有時(shí)還受到大氣過(guò)電壓和內(nèi)部過(guò)電壓的瞬時(shí)作用，因此線圈絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)絕緣的擊穿電壓應(yīng)比額定電壓高5~8倍以上。為了檢查絕緣結(jié)構(gòu)的缺陷，在制造過(guò)程中要進(jìn)行多次工頻耐壓試驗(yàn)。每進(jìn)行一次就會(huì)在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生一定的細(xì)微劣化痕跡，使其電氣強(qiáng)度有所下降，下降強(qiáng)度與外施電場(chǎng)強(qiáng)弱及其作用時(shí)間有關(guān)，此即所謂積爪效應(yīng)。由于絕緣內(nèi)部電離放電量是與頗率成正比的，因此采用超低頻或直流耐壓試驗(yàn)，對(duì)絕緣電氣性能的影響要小得多。

機(jī)械性能發(fā)電機(jī)在自同步合閘或突然短路時(shí)，都會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊短路電流，使定子繞組槽部和端部受到強(qiáng)大電動(dòng)力作用，因此要求繞組具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受一定的機(jī)械應(yīng)力。熱老化發(fā)電機(jī)運(yùn)行要求線圈的絕緣在工作沮度的長(zhǎng)期作用下不易老化，不降低絕緣性能。介質(zhì)損失在工作溫度和電壓的作用下線圈絕緣的介質(zhì)損失要小，以防止由介質(zhì)損失產(chǎn)生的附加熱t(yī)，加速絕緣的老化，以致?lián)p壞絕緣。耐電暈在高電場(chǎng)作用下，在絕緣表面電場(chǎng)分布不均勻的部位(如端部出槽口及通風(fēng)槽口)，氣體易發(fā)生局部電離而產(chǎn)生臭氧，在奧氧、水氣及氮的氧化物的聯(lián)合作用下使絕緣受到腐蝕，從而降低絕緣的介電及機(jī)械性能。

因此，高電壓電機(jī)的絕緣應(yīng)該有較高的耐電暈?zāi)芰Αhullunfodlonl一Jueyuon水輪發(fā)電機(jī)絕緣(insulationofhydrogen-erator)電機(jī)絕緣包括股間、層間、排間、匝間和對(duì)地絕緣與防暈層。端部的各種支撐或固定用的絕緣構(gòu)件以及連接線和引出絕緣.在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，由于受到電、熱、機(jī)械力的作用和不同環(huán)境條件的影響，使繞組絕緣逐漸老化，因此繞組絕緣應(yīng)具有產(chǎn)品所要求的耐熱等級(jí)、足夠的電氣強(qiáng)度、優(yōu)良的機(jī)械性能和良好的工藝。 2100433B