低压熔断器的直流保护应用

 熔断器内部熔断体均设计成在短路和过载两个条件下不同的熔断方式，通常典型的短路电流水平为10倍或以上的熔断器额定电流, 而过载电流水平为低于10倍的熔断器额定电流。

短路时,熔体的狭颈全部同时熔化,形成了若干系列电弧。在电弧电阻的作用下电流快速减小,并强制电流降至为零，这就是我们常说的限流。熔断器动作分为两个阶段：

——弧前阶段(t_m):狭颈发热至熔点,且伴随材料汽化;

——燃弧阶段(t_a):每个缺口开始起弧,然后电弧被填料熄灭。

熔断器的熔断时间为弧前时间和燃弧时间之和，弧前I²t_m和熔断I²t_a值则是弧前时间和熔断时间内被保护电路中电流释放的能量。图1显示了熔断器短路条件下熔断体的限流能力。

t_m 弧前时间;  t_a 燃弧时间; I_p 预期电流; i_c截断电流。

 图1 熔断器的短路电流分断特性

从中可以看到熔断体的截断电流i_c 大大低于预期电流峰值I_p，同时由于限流作用，低压熔断器的直流短路电流分断特性与交流短路电流分段特性基本相同。

过载期间,熔体在金属效应(M 效应)的特定区域熔化并形成电弧。围绕熔体的填料快速熄灭电弧,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。此时熔断器动作仍分为两个阶段

——弧前阶段(t_m):熔体发热至含有 M 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;

——燃弧阶段(t_a):在 M 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)。在过载条件下,由于弧前时间相对较长，弧前能量I²t_m值很高, 对于时间大于数个周波或数个时间常数的过载电流,弧前时间是优先测量值。在这情况下,燃弧时间和燃弧能量可以忽略。图2所示了低压熔断器在交直流不同状态下的允通电流，可见在过载保护状态下，低压熔断器的保护作用是一样的。 

图2 低压熔断器过载时的保护动作

低压熔断器制造商提供的时间-电流特性通常是交流条件下的熔化电流的有效值, 在稳态条件下它等同于的直流值。但在瞬态条件下,直流和交流之间可能相差很大。这主要取决于故障电路的时间常数，在相同的试验电流下，时间常数越小，熔断器的熔体融化时间也就越快，下图3示意了直流状态下的时间-电流特性的变化。

图3. 熔断时间-电流特性曲线在直流状态下变化

熔断器的直流分断电压

由于直流电无周期性过零点,低压熔断器的直流额定电压通常低于交流额定电压，两个电压值必须分别表示。如果没有注明直流电压额定值，可按制造商提供的一些技术文件确定。对于没有明确注明直流电压额定值的熔断器，熔断器的直流分断电压(U_perm)取决于:

——熔断器交流额定电压U_n;

——直流系统的时间常数t =L/R  L;电感值，R：电阻值

——预期分断电流I_p

由于系统中被保护对象不同，直流系统中的时间常数也不尽相同，下表所示了常用直流系统中的时间常数：

表1 不同负载直流电路的时间常数

由于直流特性，过流保护电器在直流分断范围内，大的预期电流通常比小的预期电流更加容易分断。如果以熔断器的交流额定电压为基准值，通常在时间常数一样的条件下，分断大的预期电流的直流允许电压值与交流额定电压比较值更高，即直流允许电压越大。同样在预期电流一定情况下，时间常数值越大，直流允许电压值与交流额定电压比较值更低，即直流允许电压越小。图4所示了西门子提供的半导体快速熔断器，针对不同倍数额定电流的预期电流条件下，直流允许开断电压与时间常数的函数关系。

图4 .3NE10系列半导体熔断器直流允许开断电压

鉴于直流负载系统的大多数时间常数均不会大于40毫秒，作为一个经验法则，低压熔断器的直流工作电压值建议不大于交流额定电压值的一半较为安全。熔断器座由于不承担分断直流电流的作用，其标定的交流额定值的也可等值用于直流电压，但如果将安装有熔断器的熔断器式隔离开关或熔断器隔离开关组用于直流系统，承载熔断器的开关电器还需依据IEC60947-3(GB/T14048.3)《低压开关设备和控制设备 第3部分:开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》的相关要求，进行相关的直流试验。

由于低压熔断器的限流性能，熔断器在分断直流电流时会产生较高的分断过电压（如图5所示），对于直流系统中电子设备而言，较高的直流分断过电压冲击有可能造成其半导体PN结的击穿引起更大的故障危害，因此直流配电系统设计和熔断器选用时应对操作过电压予以高度重视，通过滤波和浪涌防护等措施消除分断过电压对设备的影响。

图5. 直流短路电流分断

上述关于熔断器直流应用的讨论仅是针对交直流通用熔断器的直流分断电流和直流工作电压的讨论， 除此之外对于一些仅用于直流系统的专用熔断器而言， 如光伏熔断器、直流电池保护熔断器等， 其直流电气参数则需要根据相关产品标准通过试验验证，我们将在后续的熔断器应用讨论中进行有针对性的分析。