隨著人們對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)性與安全性的要求越來(lái)越高，針對(duì)變壓器等配電設(shè)備的保護(hù)變得更加必不可少了。目前使用最廣泛的是傳統(tǒng)跌落式熔斷器。這種熔斷器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，但是由于采用的是全裸露式結(jié)構(gòu)，因此受外界環(huán)境因素的影響較大。比如，消弧管易老化，外露觸頭容易被銹蝕，防風(fēng)、防污及耐鹽性能較差等。

一些供電單位嘗試給傳統(tǒng)跌落式熔斷器加裝保護(hù)套，以期避免熔斷器的主要部件直接暴露于空氣中，但是這種方法無(wú)法從根本上解決問(wèn)題，反而是保護(hù)套安裝起來(lái)麻煩，容易脫落，甚至?xí)绊懭蹟嗥髡?dòng)作。在這種情況下，對(duì)全封閉式熔斷器展開研究具有重大的意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)針對(duì)全封閉式熔斷器做了大量的研究。例如，鐵路信號(hào)系統(tǒng)研制了一種封閉式熔斷器，但其容量小，開斷短路電流能力無(wú)法滿足電力系統(tǒng)的要求。后來(lái)從國(guó)外引進(jìn)了一種真正意義上的全封閉式熔斷器，至今還沒(méi)有通過(guò)規(guī)定的開斷短路電流試驗(yàn)，因此無(wú)法投入使用。

有學(xué)者設(shè)計(jì)了一種10kV戶外封閉型噴射式熔斷器，其原理是，當(dāng)熔絲熔斷時(shí)所產(chǎn)生的高溫使產(chǎn)氣材料產(chǎn)生大量氣體造成空氣流動(dòng)，從而在電流過(guò)零時(shí)（電弧熄滅）吹滅電弧。這種方法可以有效提高熔斷器對(duì)大電流的開斷能力，但是在小電流故障時(shí)，熔絲熔斷溫升小，導(dǎo)致產(chǎn)氣材料的產(chǎn)氣速率低，從而無(wú)法迅速吹滅電弧。

鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種全絕緣噴射式熔斷器。該熔斷器采用全封閉式結(jié)構(gòu)，有效避免了外界環(huán)境因素對(duì)其動(dòng)作可靠性的影響，并采用狹縫滅弧方式，結(jié)合力學(xué)彈射原理，提高熔斷器的關(guān)合穩(wěn)定性、滅弧性以及安全性。

此外，本文還建立了全絕緣噴射式熔斷器開斷機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，分析了熔絲熔化過(guò)程中電阻率的變化情況，為其開斷過(guò)電壓的計(jì)算提供了理論依據(jù)，有助于被保護(hù)設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)以及避雷器的選取。

1 全絕緣噴射式熔斷器的設(shè)計(jì)

1.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的全絕緣噴射式熔斷器主要由全絕緣腔體、消弧裝置以及脫口裝置三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 全絕緣噴射式熔斷器結(jié)構(gòu)示意圖

全絕緣熔斷器本體采用一體化構(gòu)造，由瓷套管、上/下部緊固件以及底部的密封蓋構(gòu)成一個(gè)全封閉、全絕緣化腔體，從而大大改善絕緣性能，也相對(duì)縮小了安裝絕緣距離，有利于在空間有限的位置安裝使用。

上/下部電極、熔絲管、熔絲等完全內(nèi)置，從而保證在淋雨、受潮、鹽污、強(qiáng)日照等惡劣環(huán)境因素下，不會(huì)發(fā)生絕緣電阻下降、因電極銹蝕而導(dǎo)致不能正常開斷、因膨脹而造成的熔絲拉斷等不必要的停電事故。

此外，瓷套管上、下兩端緊固件采用橡膠一體成形構(gòu)造，可有效防止粉塵和鹽污染等，增強(qiáng)絕緣安全性，確保其長(zhǎng)期的穩(wěn)定性能。

消弧裝置由上/下部電極、熔絲、熔絲管、消弧棒以及消弧管組成。其中，上部電極與瓷套管固定，下部電極為活動(dòng)電極。

熔絲完全被封閉于熔絲管內(nèi)，這樣做一方面保護(hù)熔絲在安裝及拆卸過(guò)程中不被外力拉斷；另一方面，熔絲管填充材料成分中含有的電弧猝熄化合物可以有效熄滅熔絲熔斷所產(chǎn)生的電弧。

消弧棒和消弧管是用于使電弧產(chǎn)生氣體并熄弧的管形零件，消弧棒與上部電極電氣連接，內(nèi)置于熔絲管凹槽內(nèi)，而消弧管與下部電極電氣連接，套于熔絲管外側(cè)，并與消弧棒電氣隔離。

脫口裝置中的彈簧處于壓縮狀態(tài)，上端與下部電極固定，下端與絕緣墊固定。熔絲下端通過(guò)下部電極和絕緣墊內(nèi)部，從絕緣墊外側(cè)引出，向上彎曲并固定于消弧管緊固件上。

1.2 技術(shù)參數(shù)

全絕緣噴射式熔斷器技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 全絕緣噴射式熔斷器技術(shù)參數(shù)

2 工作原理及機(jī)理分析

2.1 全絕緣噴射式熔斷器工作原理

全絕緣噴射式熔斷器負(fù)荷電流的滅弧方式采用狹縫滅弧方式。圖2所示為狹縫滅弧方式的滅弧過(guò)程示意圖。

圖2 狹縫滅弧方式的滅弧過(guò)程示意圖

在熔絲氣化熔斷后，在消弧棒和消弧管之間會(huì)產(chǎn)生電弧，如圖2（b）所示。

• 一方面，在電弧高溫的作用下，消弧管內(nèi)的產(chǎn)氣材料會(huì)產(chǎn)生一定量的惰性氣體，由于消弧棒和消弧管之間的間隙較小，滅弧通道容積也非常小，電弧在這個(gè)近似封閉的空間內(nèi)燃燒一段時(shí)間，導(dǎo)致電弧釋放的熱量在此處積累，因而使消弧棒和消弧管之間封閉空間的內(nèi)部壓力大幅度升高，強(qiáng)烈的惰性氣體流在電流零點(diǎn)熄滅電?。?/li>
• 另一方面，熔絲熔斷后，在脫口裝置中處于壓縮狀態(tài)的彈簧彈力作用下，絕緣墊和密封蓋會(huì)被迅速?gòu)楅_，使消弧管和熔絲管快速跌落，從而使電弧拉斷。技術(shù)人員可以根據(jù)密封蓋被彈開與否來(lái)判斷熔斷器是否熔斷，簡(jiǎn)單直觀。

2.2 熔斷器開斷短路電流暫態(tài)過(guò)程分析（略）

熔斷器的主要作用是限制短路電流，而限制短路電流必然會(huì)導(dǎo)致當(dāng)開斷感性負(fù)載設(shè)備時(shí)產(chǎn)生過(guò)電壓，因此，分析熔斷器開斷短路電流暫態(tài)過(guò)程的過(guò)電壓變化情況是熔斷器設(shè)計(jì)的必要前提。圖3所示為熔斷器開斷短路電流的等值電路圖。分析熔絲熔斷過(guò)程中電阻或電阻率的變化情況是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

圖3 熔斷器開斷短路電流的等值電路圖

2.3 熔絲熔斷機(jī)理分析（略）

當(dāng)流過(guò)熔絲的電流達(dá)到一定值時(shí)，熔絲便會(huì)發(fā)熱熔斷，其物理過(guò)程如圖4所示。在計(jì)算熔絲開斷短路電流時(shí)的過(guò)電壓過(guò)程中，對(duì)于熔絲內(nèi)阻變化僅考慮膨脹前的狀態(tài)，可以定量計(jì)算熔斷器熔斷過(guò)程中的過(guò)電壓值。

圖4 熔絲發(fā)熱熔化的物理過(guò)程

3 實(shí)驗(yàn)研究（略）

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的全絕緣噴射式熔斷器的動(dòng)作可靠性，對(duì)其進(jìn)行開合負(fù)荷電流試驗(yàn)，試驗(yàn)原理圖如圖5所示。

圖5 開合負(fù)荷電流試驗(yàn)原理圖

試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 測(cè)量全絕緣噴射式熔斷器的燃弧時(shí)間及其開斷過(guò)電壓

從圖6中可以看出，全絕緣噴射式熔斷器全都正常開斷，在5%額定電流2.5A、額定電流50A以及1.3倍額定電流65A下的燃弧時(shí)間均值分別為10.8ms、66.3ms、101.3ms，均小于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200ms。此外試驗(yàn)所得的全絕緣噴射式熔斷器開斷過(guò)電壓均值為19.3kV，與理論計(jì)算值19.7kV相符，為全絕緣噴射式熔斷器所保護(hù)的配電設(shè)備的絕緣保護(hù)以及避雷器的設(shè)計(jì)及選取提供了依據(jù)。

另外，按照國(guó)內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合實(shí)際要求對(duì)所設(shè)計(jì)的全絕緣噴射式熔斷器在中國(guó)電科院電力工業(yè)電力設(shè)備及儀表質(zhì)量檢驗(yàn)測(cè)試中心高壓開關(guān)試驗(yàn)站進(jìn)行了全面的性能測(cè)試，如溫升試驗(yàn)、機(jī)械穩(wěn)定性試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果均合格，并且成功地通過(guò)了試驗(yàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。

總結(jié)

• 1）本文設(shè)計(jì)的新型全絕緣噴射式熔斷器采用全絕緣、全封閉結(jié)構(gòu)，可以有效避免外界環(huán)境因素對(duì)其性能的影響；采用狹縫滅弧方式并結(jié)合力學(xué)彈射原理，提高了熔斷器的關(guān)合穩(wěn)定性、滅弧性以及安全性。
• 2）本文建立了全絕緣噴射式熔斷器開斷機(jī)理的數(shù)學(xué)模型，分析了熔絲熔化過(guò)程中電阻率的變化情況，為其開斷過(guò)電壓的計(jì)算提供了理論依據(jù)，有助于被保護(hù)設(shè)備的絕緣設(shè)計(jì)以及避雷器的選取。
• 3）試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了全絕緣噴射式熔斷器的動(dòng)作可靠性。除此之外，還對(duì)其進(jìn)行了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的性能測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果均合格，并成功通過(guò)了試驗(yàn)掛網(wǎng)運(yùn)行。