3.2 高压熔断器

3.2.1 熔断器的用途和原理

高压熔断器是人为地在电网中设置的一个最薄弱的发热元件，当过负荷或短路电流流过该元件时，利用元件（即熔体）本身产生的热量将自己熔断，从而使电路断开，达到保护电网和电气设备的目的。

熔断器的结构简单，价格低廉，维护使用方便，不需要任何附属设备，这些特点均为断路器所不及，所以在电压较低的小容量电网中普遍采用它来代替结构复杂的断路器。对于熔断器的动作，要求既能像断路器那样可靠地切断过负荷和短路电流，又要具有继电保护动作的选择性。

熔断器主要由熔体和熔管等组成，为了提高灭弧能力有的熔管内还填有石英砂等灭弧介质。根据使用电压等级不同，熔体材料不同。铅、锌材料熔点低、电阻率大，所制成的熔体截面面积也较大，熔体熔化时会产生大量的金属蒸气，电弧不易熄灭，所以这类熔体只能应用在500V及以下的低压熔断器中；高压熔断器的熔体材料选用铜、银等，这些材料熔点高、电阻率小，所制成的熔体截面面积也较小，有利于电弧的熄灭，但这类材料的缺点是在通过小而持续时间长的过负荷电流时，熔体不易熔断，所以通常在铜丝或银丝的表面焊上小锡球或小铅球，锡、铅是低熔点金属，过负荷时小锡球或小铅球受热首先熔化，包围铜或银熔丝，铜、银和锡、铅分子互相渗透而形成熔点较低的合金，使铜、银熔丝能在较低的温度下熔断，这就是所谓的“冶金效应”。

熔断器的动作大致分为以下几个过程：①熔断器熔体因过载或短路而加热到熔化温度。②熔体的熔化和气化。③间隙击穿和产生电弧。④电弧熄灭，电路被断开。熔断器的动作时间为上述4个过程所经过的时间总和。显然，熔断器的断流能力决定熄灭电弧能力的大小。

3.2.2 熔断器的主要类型和结构

按限流作用，熔断器可分为限流式熔断器和非限流式熔断器。限流式熔断器是指在短路电流未达到短路电流的冲击值之前就完全熄灭电弧的熔断器；非限流式熔断器是指在熔体熔化后，电弧电流继续存在，直到第一次过零或经过几个周期后电弧才完全熄灭的熔断器。

按安装地点，熔断器可以分为户内式和户外式。在6～35kV高压电路中，广泛采用RN1、RN2、RW4、RW10（F）等型式的熔断器。

熔断器的主要技术参数如下所述。

1）熔断器的额定电流：熔断器壳体的载流部分和接触部分所允许的长期通过的工作电流。

2）熔体的额定电流：长期通过熔体而熔体不会熔断的最大电流。熔体的额定电流通常小于或等于熔断器的额定电流。

3）熔断器的极限断路电流：是指熔断器所能分断的最大电流。

4）熔断器的保护特性：也称为熔断器的安秒特性，它表示切断电流的时间t与通过熔断器电流I之间的关系特性曲线。熔断器的保护特性曲线必须位于被保护设备的热特性之下，才能起到保护作用。特性曲线如图3-15所示。

1. RN1和RN2型内高压熔断器

RN1型主要用做高压线路和设备的短路保护，也能起过负荷保护的作用，其熔体在正常情况下要通过主电路的负荷电流，因此其结构尺寸较大。RN2型只用做电压互感器一次侧的短路保护，其熔体额定电流一般为0.5A，因此其结构尺寸较小。RN1和RN2型的结构都是瓷质熔管内填石英砂填料的密闭管式熔断器。图3-16是RN1、RN2型高压熔断器的外形结构，图3-17是其熔管剖面示意图。

由图3-17可知，熔断器的工作熔体铜熔丝上焊有小锡球。它使得熔断器能在出现过负荷电流或较小的短路电流时也能动作，提高了保护的灵敏度。这种熔断器采用几根熔丝并联，以便它们熔断时产生几根并行的电弧，利用“粗弧分细灭弧法”来加速电弧的熄灭。而且这种熔断器的密封熔管内充填有石英砂，其灭弧能力很强，灭弧速度很快。通常这种熔断器在短路后不到半个周期（0.01s）就能熄灭电弧，而短路过程中最大的瞬时电流即短路冲击电流出现在短路后半个周期（0.01s）。因此这种熔断器能在短路电流达到冲击值之前熔断，切除短路，属于“限流熔断器”。装有这种熔断器的电路和设备可不考虑短路冲击电流的影响。当短路电流或过负荷电流通过熔体使熔断器的工作熔体熔断后，其指示熔体相继熔断，其红色的熔断指示器弹出，如图3-17中的虚线所示，给出熔断的指示信号。

2. RW4（G）、RW10（F）和RW9-35型户外高压跌落式熔断器

跌落式熔断器广泛用于环境正常的室外，既可做6～10kV线路和设备的短路保护，又可在一定条件下，直接用高压绝缘钩棒（俗称为“令克棒”）来操作熔管的分合。一般的跌落式熔断器如RW4-10（G）等，只能在无负荷下操作或通断小容量的空载变压器和空载线路等。而负荷型跌落式熔断器如RW10-10（F）型，是在一般跌落式熔断器的基础上加装了简单的灭弧装置和弧触头，能带负荷操作。RW9-35型熔断器广泛用于发电厂、变电站35kV电压互感器作为短路保护用。

图3-18是RW4-10（G）型跌落式熔断器的基本结构。这种跌落式熔断器串接在线路上。正常运行时，其熔管上端的动触头借熔丝张力拉紧后，利用钩棒将熔管连同动触头推入上静触头内缩紧，同时下动触头与下静触头也相互压紧，从而使电路接通。当线路上发生短路时，短路电流使熔丝熔断，形成电弧。纤维质消弧管由于电弧烧灼而分解出大量气体，使管内压力剧增，并沿着管道形成强烈的气流纵向吹弧，使电弧迅速熄灭。熔丝熔断以后，熔管的上动触头因失去熔丝的张力而下翻，使锁紧机构释放熔管。在触头弹力及熔管自重的作用下，熔管跌落，造成“断口”。

这种跌落式熔断器“采用逐级排气”的结构。其熔管上端在正常运行时是封闭的，可以防止雨水浸入。在分断小的短路电流时，由于上端封闭而形成单端排气，使管内保持足够大的气压，有利于熄灭较小短路电流产生的电弧。而在分断大的短路电流时，由于管内产生的气体多，气压大，使上端薄膜冲开而形成两端排气。这样有助于防止分断大的短路电流时可能造成熔管爆裂，从而有效地解决了自产气熔断器分断大小故障电流的矛盾。

跌落式熔断器不能在短路电流达到冲击值即短路的半个周期（0.01s）内熄灭电弧，因此跌落式熔断器属于“非限流”型熔断器。

图3-19是RW9-35型户外高压熔断器的结构图，熔管1装于瓷套2中，熔体放在充满石英砂填料的熔管内，具有限流作用。其特点是体积小、灭弧性能好，断流容量大、限流能力强，熔体熔断后便于连同熔管一起更换。