2.2.1 低压熔断器的结构及工作原理

2.2.1.1 低压熔断器的结构

低压熔断器由熔断器底座、载熔件和熔断体等三部分组成。熔断器底座（熔断器支架）是熔断器的固定部件，带有触头、接线端子；载熔件是熔断器可运动部件，用作载运熔断体；熔断体是带有熔体的部件，在熔断器熔断后可以更换。熔断体可包含几个并联的熔体。熔断器底座及载熔件的组合称为熔断器支持件。图2-3是典型的熔断体结构原理图。

以图2-3b为例，说明低压熔断器的结构原理，这是一种有填料式熔断器，熔断体由瓷质管体、熔体、熔断指示器、石英砂和刀型触头等部分组成，熔体采用紫铜箔冲制的网状多根并联形式的狭颈（缺口）熔片，中间部位有冶金效应点（球状），装配时将熔片围成笼状，再与两端的刀型触头连接，以充分发挥填料与熔体接触的作用，这样既可均匀分布电弧能量而提高分断能力，又可使熔断管体受热比较均匀而不易使其断裂。有的产品的熔体为银质狭颈（缺口）或网状形式。熔断指示器是机械信号装置，指示器上焊有一根很细的康铜丝，它与熔体并联，在正常情况下，由于康铜丝电阻很大，电流基本上从熔体流过，只有在熔体熔断之后，电流才转移到康铜丝上，使它立即熔断，指示器便在弹簧作用下向外弹出，显出醒目的红色标志信号。有的产品有3极并列的整体结构，并备有触头罩、极间隔板、绝缘手柄（载熔件）等附件，以便于在三相中使用。绝缘手柄（载熔件）是用来装卸熔断体的可动部件。

另外，图2-3a是有填料密封管式熔断器，也是高分断能力型。熔断器为瓷质圆管状，两端有帽盖，它分为带撞击器和不带撞击器两种类型，带撞击器的熔断器熔体熔断时，撞击器弹出，既可作熔断信号指示，也可触动微动开关以控制接触器线圈，作为三相电动机断相保护。也有熔断器在其瓷质管体两端的铜帽上焊有偏置式联结板，可用螺栓安装在母线排上，管内装有变截面熔体（冶金效应材料），在管体上有一指示用的红色小珠，熔体熔断时红色小珠就弹出。这种熔断器常用于开关熔断器组中。

熔断体材料分为低熔点材料和高熔点材料两大类。常用的低熔点材料有铅、锑铅合金、锡铅合金、锌等，其熔点低，易熔断，电阻率较大，制成的熔体截面尺寸较大，熔断时产生的金属蒸气较多，只适用于低分断能力的熔断器。高熔点材料有铜、银和铝等，其熔点高，不易熔断，但其电阻率较低，制成的熔体截面尺寸较小，熔断时产生的金属蒸气少。高熔点材料适用于高分断能力的熔断器，通常用铜作主体材料，而用锡及其合金作辅助材料，以提高熔断器的分断能力。

有填料封闭管式熔断器外形结构如图2-4所示。

有填料高分断能力熔断器广泛应用于各种低压电气线路和设备中作为短路和过电流保护。典型产品有NT（RT16、RT17）系列和RT20系列高分断能力熔断器。

常用的熔断体有RO、RS系列圆筒帽形熔断体；NH、RS、RO、RT、NTA、RTO系列方管刀型触头熔断体；RW、RF系列无填料圆筒帽形/圆管刀型触头熔断体；RG、RGS系列螺栓连接式熔断体等。图2-5是部分熔断体产品的外形图。

2.2.1.2 熔断器的工作原理

熔断器是在短路和过载两个条件下动作。典型的短路电流耐受值是熔断器额定电流的10倍或以上，过载电流耐受值为低于熔断器额定电流的10倍。

熔断体串接于被保护电路，当电路发生短路或过载时，通过熔断体的电流使其发热，当达到熔体熔化温度时就会自行熔断，期间伴随着燃弧和熄弧过程，随之切断故障电路，起到保护作用。

过电流保护动作的物理过程主要是热熔化过程，而短路保护动作的物理过程主要是电弧的熄灭过程，大致可看成在未产生电弧之前的弧前过程和已产生电弧之后的弧后过程的两个连续过程。弧前过程的主要特征是熔断体的发热与熔化，在此过程中的功能在于对故障做出反应，过电流相对额定电流的倍数越大，产生的热量就越多，温度上升也越迅速，弧前过程时间就越短暂。反之，过电流倍数越小，弧前过程时间就越长。弧后过程的主要特征是含有大量金属蒸气的电弧在间隙内蔓延、燃烧，并在电动力的作用下在介质中运动并冷却，最后因弧隙增大，以及电弧能量被吸收而无法持续，从而熄灭。这个过程的持续时间决定于熔断器的有效熄弧能力。因此，通常熔断器的保护性能在熔断时间小于0.1s时是以I2t特性表征，在熔断时间大于0.1s时则用弧前电流-时间特性表征。电流-时间特性曲线也称为安-秒特性曲线，如图2-6所示。

熔断器的熔断时间与通过熔体的电流大小有关，同时存在熔断电流与不熔断电流的分界线，此分界电流称为最小熔断电流I_min。熔断器的额定电流必须小于最小熔断电流。熔断器的最小熔断电流与额定电流之比称为熔断器的熔化系数，熔化系数主要取决于熔体的材料、工作温度和结构。

熔断器的时间-电流特性曲线表征流过熔断体的电流与熔断体的熔断时间（熔断时间等于弧前时间或熔化时间与燃弧时间之和）的关系，这一关系与熔断体的材料和结构有关。在图2-6中，I_p称为熔断器的预期电流，t为熔断时间，通常产品样本中均给出多条I_p-t曲线，以适用于不同类型保护对象的需要。电流-时间特性曲线的形状与热继电器的反时限保护特性曲线相似，这是因为熔断器和热继电器一样，都是以热效应原理工作的，而在电流引起的发热过程中，总是存在I2t特性关系，即电流通过熔断体时产生的热量与电流的二次方和电流持续的时间成正比，电流越大，则熔断体熔断时间越短。另外，熔断器也具有反时限特性，即过电流小时，熔断时间长；过电流大时，熔断时间短。所以，在一定过电流范围内，当电流恢复正常时，熔断器不会熔断，可继续使用。一般地，熔断体的熔断电流与熔断时间的关系见表2-2。

从参数方面来看，过电流保护要求熔化系数小，发热时间常数大；短路保护则要求较大的限流系数、较小的发热时间常数、较高的分断能力和较低的过电压。另外，在供配电系统中通常是由若干个不同额定电流的熔断器构成分级保护。上下级保护动作需要有选择性，即在系统回路中出现故障时，只断开发生故障的回路，以缩小事故影响范围，不影响其他回路的运行。高分断熔断器选择性比例一般为1:1.25，即下一级额定电流与上一级额定电流之比。以下从短路和过载两个方面进行分析。

1.短路情况下熔断器的动作

在电路发生短路故障期间，熔体狭颈（缺口）全部同时熔化，形成了与熔体狭颈数量相同的系列电弧。由于电弧电压的作用，电流快速减小，并强制电流降至为零，此现象称作限流。图2-7描述了在短路条件下熔断体的限流能力。

1）弧前（熔化）时间（t_m）：狭颈（缺口）发热至熔点，且伴随材料气化。

2）燃弧时间（t_a）：每个缺口开始起弧，然后电弧被填料熄灭。

熔断时间为弧前时间t_m和燃弧时间t_a之和。弧前I2t和熔断I2t值分别表示在弧前时间和熔断时间内被保护电路中电流释放的能量。由图2-7可见，熔断体的截断电流i_c大大低于预期电流峰值I_p。

2.过载情况下熔断器的动作

在电路发生过载期间，冶金效应的材料熔化，在熔体的缺口处形成电弧。围绕熔体的填料（石英砂）快速熄灭电弧，并强制电流降至为零。冷却时，熔化的填料转变成如玻璃状的材料，将熔体的各断开部分进行互相隔离，防止电弧重燃和电流再流通。熔断器动作分为两个阶段，如图2-8a、b所示。

第一阶段是弧前（熔化）时间（t_m），熔体发热至含有冶金效应材料截面的熔点。典型的弧前时间大于数毫秒，并且与过载电流的大小成反比。低水平的过载形成长的弧前时间，从数秒至数小时。

第二阶段是燃弧时间（t_a），在冶金效应截面处的电弧随后被填料熄灭。燃弧时间取决于外施电压。

两个阶段形成了熔断器熔断时间（t_m+t_a）。弧前I2t和熔断I2t值分别在弧前（熔化）时间和熔断时间内释放能量，在过载条件下，弧前I2t值很高，在时间大于数个周期或数个时间常数的弧前时间内是熔断器动作阶段。在这种情况下，与弧前时间相比，燃弧时间可忽略。