
答案是:熔断器作为过载保护是有条件的,不可能满足题主所谓的所有电路。实际上,熔断器用作短路保护是最佳选择。
以下我们概要性地探讨一番。
我们知道,熔断器的保护特性之一被称为熔化特性,它是用熔断器的安秒特性来表征的,且具有反时限特性,见下图:
注意看图1横坐标的电流值,是预期短路电流,而不是过载电流。为何?
我们看下图的详解:
图2中,横坐标Ip是熔断器的预期电流,t为熔断时间,Imin是最小熔化电流。
注意1:熔断器的保护是利用热效应原理实现的,而在电流引起的发热过程中,电流流过熔体所产生的热量与电流的平方成正比,电流越大,熔体熔断时间越短,也即反时限关系。
注意2:I²t特性是预期电流的函数。一般地,熔断器的保护性能在100毫秒处是个坎:熔断器熔断时间小于100毫秒时,其控制特性以I²t为主;大于100毫秒时,则以弧前电流-时间特性为主。
我们来看看最小熔化电流Imin是怎么回事:
最小熔化电流Imin与过载保护有关。在熔断器保护特性中,熔断电流与不熔断电流的分界线就是最小熔化电流。当电路正常工作时,通过熔断器熔芯的电流小于最小熔化电流,熔芯的熔体不会熔断。也就是说,熔断器的额定电流In必须小于最小 熔化电流,即 ;当流过熔芯的运行电流 时,熔芯能够达到其稳定熔断温度并执行线路开断操作。
我们把熔断器最小熔化电流与熔芯额定电流之比称为最小熔化系数β,其值在1.6倍左右。
注意3:从过载保护来看 ,如果β值取低值,对小倍数的过载保护是有利的,但β值只能在1.2到1.4倍之间选取。如果低于1.2,甚至接近于1,则熔芯哪怕在额定电流下运行也会出现温度过高的现象,还可能因为熔断器的电流-时间特性的取值误差而出现误动,甚至在额定电流In以下也会发生熔断器熔断,显然,这是不可取的。
通过以上讨论,我们可以看出在线路中用熔断器来实施过载保护并不合适。如本文论述中所说,熔断器适合于执行短路保护。
为何熔断器不适合于过载保护?如果期望熔断器能实现过载保护,那么熔断器应当采取何种措施?
在我的授课教材《电器基础理论》(郭凤仪等编著)中有一道例题,我把它摘录如下:
这道例题的仔细剖析我们就免了。我们看到,计算结果告诉我们,用直径2毫米的铅丝做熔断器的熔芯(保险丝),它的额定电流为13.56A,在额定电流下熔丝的表面温度为100+40=140℃,而熔丝的时间常数T是 48.21s。
注意到例题中的温升τ是熔丝表面温度与环境温度之差。
当过载电流略微超过13.56A时(例如15A),熔丝要多长时间才能执行熔断保护?此时的初始温升τ0=100K,稳定温升就是熔点温度327℃加上273等于600K。发生过载时熔丝表面温升的变化方程依然与例题最后的方程类似,而不象短路是瞬态的,其方程为:
我们看下图:
图4中的曲线2就是上述方程对应的变化曲线。我们把 代入到上式中,计算出经过 后的温升是 多少:
几乎就等于熔丝熔断的温升值了。
由此可见,如果用熔丝来执行过载保护是多么不靠谱。我们从图1和图2就能看出,熔断器在额定电流附近,其熔断时间是非常长的。如果负载真需要例题中的熔丝来执行过载保护,等到192.4秒(3分钟加12.4秒)后,负载估计也差不多烧毁了,黄花菜都凉了!
由此可见,问题就出在热时间常数T上。如果我们设法把熔断器熔芯的热时间常数减小下来,就可以达到目的。
在熔断器的实用技术中采用冶金效应来达到此目的。我们看下图:
在熔芯的设计中我们把铜排冲上燕尾槽,最窄处滴上锡珠。由于此处的热时间常数T很小,当此处温度超过锡的熔点后,锡会与铜形成合金,其熔点大幅下降,并迅速熔断。
注意4:由此可见,如果真要用熔断器来执行过载保护,则其结构必须如同图5所示才行。
熔断器的型号是根据其保护功能来划分的。型号中第一个字母表示功能等级,第二个字母表示被保护对象。第一个字母中的a表示局部范围保护(后备保护),g表示全范围保护;第二个字母G表示用于配电系统,M表示电动机保护,L表示电缆保护,R表示半导体整流类的保护。
题主所指的熔断器显然属于g类全范围保护类。它从最小熔化电流开始,至额定分断电流为止,范围较宽,且都能执行分断。
注意5:这里的g类保护范围是从最小熔化电流开始,往上至额定分断电流为止,而不是从额定电流至最小熔化电流。
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