内熔丝熔断机理试验研究.doc

内熔丝熔断机理试验研究西安电力电容器研究所（西安710082）赵醒社内熔丝是电力电容器的重要安全器件。对内熔丝的试验研究以前进行过许多工作，主要进行的是内熔丝性能的研究，对内熔丝的熔断机理试验研究不多。本文在对不同结构的内熔丝的性能试验研究的基础上，通过对内熔丝熔断过程中试验现象的分析，结合“电器电弧理论”，得出内熔丝的熔断机理，供大家参考、指正。内熔丝在电力电容器中的作用是：（1）快速熄灭元件击穿产生的（高压直流）电弧，（2）切断元件击穿短路（工频）电流。熄灭元件击穿产生的电弧是其主要作用，也是本文讨论的重点。内熔丝在电力电容器不同工作条件下，其物理模型有所不同。在交流电压下元件击穿时，由于绝缘介质的击穿一般在电压波形的45以上，串联段上瞬间电压不能跃变，所以，可以等效于电容器直流充放电电路，由于元件击穿后的短路电阻（电弧电阻）小，而且还是一个非线性电阻，为了简化研究模型，将其忽略，用真空断路器替代。综上所述，我们采用的内熔丝直流试验研究电路如图1所示。通过改变放电电容和放电电压来模拟内熔丝的不同工作状况。内熔丝试品放在油中。B试验变压器D硅堆R0充电电阻Cs充放电电容Us试验电压L回路固有电感R回路固有电容F内容丝K真空断路器1内熔丝的熔断机理试验分析传统的内熔丝熔断机理是认为内熔丝的熔断过程是一个绝热过程，当内熔丝上通过一个强大的（脉冲）电流时，内熔丝急剧发热，熔体的部分或全部迅速完成从固态到液态、气态的两个相转变，或直接完成从固态升华到气态的相转变，熔体成为高温，高压的热金属气体，金属气体以爆炸的形式迅速扩散，熄灭在其间形成的电弧。传统的内熔丝是沿袭前苏联的习惯，将金属丝缠绕在花纸板上，内熔丝是螺旋结构（以后简称纸板内熔丝），而内熔丝的熔断过程在几个到几十个微秒之间完成，试验中很难检测到纸板熔丝的熔断过程和电弧的轨迹，即使有金属气体也不可能检测到，而只能得到熔体的残段。用传统的内熔丝熔断机理解释纸板内熔丝的熔断过程相当满意。基于这一理论基础，我们在制定内熔丝研究方案时，将研究的重点放在内熔丝的性能和结构对比试验研究上。在对纸板内熔丝和线形内熔丝对比试验中，进行内熔丝的最大通过能量、最小熔断能量、下限熔断能力检验试验、上限熔断能力检验试验时，出现了一些用传统的内熔丝熔断机理难以充分解释的结果和现象：在进行最大通过能量试验后，线形内熔丝的电缆纸包封有明显的熔体通体连续的，清晰的灼痕。线形内熔丝熔体从单断口回弹后的灼痕，断口清晰可辩见。“水锤效应”水泵在起动和停车时，水流冲击管道，产生严重的“水锤效应”。水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，但没有前者大。另一种关于水锤效应的表述:异步电动机在全压启动时,从静止状态加速到额定转速,水的流量从零猛增到额定流量.由于流体具有动量和一定程度的可压缩性,因此,在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击,并产生空化现象.压力冲击将使管壁受力而产生噪音,就像锤子敲击管子一样,称为水锤效应.采用恒压供水,可以通过对时间的预置来延长启动和停车过程,使动态转矩大为减小,从而根本上消除了水锤效应使盛绝缘油的真空玻璃干燥器、瓷套筒被炸碎。 线形内熔丝熔断后，熔体形成金属珠。对于这四个现象按传统的内熔丝熔断机理解释，可以理解为内熔丝熔断过程是绝热过程。、很难解释清楚。我们曾怀疑我们选定的研究模型和试验回路的正确性。对研究模型和试验回路进行更改，但变化不大。于是，我们开始怀疑传统的内熔丝熔断机理的正确性，查阅了近年有关电弧、熔断器的资料。得出了新的内熔丝机理：内熔丝在电力电容器中的熔断过程是一个绝热的、低压直流电弧熄灭过程。当在内熔丝上通过一个强大的（脉冲）电流时，内熔丝的熔体急剧发热，熔体的部分或全部迅速完成从固态到液态的相转变，在电磁和表面张力的作用下，金属液体形成金属“液珠”，同时在“液珠”与“液珠”之间的绝缘介质被击穿，产生高压直流电弧。“液珠”的数量的增加与绝缘介质的击穿，就形成一个由“液珠”连接的“电弧桥”。当“电弧桥延伸到一定长度时，高压直流电弧变成低压直流电弧，整个“电弧桥”迅速崩溃，电弧熄灭。伴随产生一个孤立声波向外传播。“液珠”的数量、大小与形状决定于电流的大小和梯度、电磁力和表面张力的大小。电流大、梯度大，电磁力就大，熔体的熔点升高多，形成的“液珠”数量多、体积小，由于熔点升高多，而凝固点不变，冷凝时间长，表面张力作用时间长，形状呈规则球形。反之，“液珠”数量少、体积大，形状呈不规则球形。“电弧桥”的延伸，一方面靠“液珠”的数量的增加，另一方面靠电弧产生的声压和电磁力推动“液珠”移动，拉长电弧。“电弧桥”的不断延伸，电弧的电压不断降低，当“电弧桥”延伸到一定长度，电弧电压低于绝缘介质的自恢复电压，电弧的性质从高压直流电弧转变为低压直流电弧，电弧开始熄灭，“电弧桥”崩溃。整个电弧熄灭后，每个小电弧都以自己为中心产生一个微小的陡波前孤立声波向外传播，由于小电弧不可能同时产生，故所有的小孤立声波叠加后，形成一个波前有所减缓的大的合成孤立声波向外传播。在一定范围内，当在内熔丝上通过的（脉冲）电流密度增大，或陡度增大时，也就是能量梯度增大时，熔体的熔点升高多；形成的“液珠”小而多，并且移动速度快；“电弧桥”延伸快，“电弧桥”长，并且熄灭得快；合成孤立声波的波前陡度增大。用这一机理解释前面的四个现象，可以理解为内熔丝熔断过程是绝热过程。电磁力使熔化的熔体回弹移动。“水锤效应”说明内熔丝熔断过程伴随有波动过程。说明“液珠”和“电弧桥”的存在。我们此后进行的大量试验不仅重复了以上试验现象，而且进一步证明了这一机理的合理性。我们将内熔丝试品夹在模型电容器中间，进行同样的内熔丝熔断研究试验时，听到的内熔丝熔断的声音明显地变低变沉。这进一步表明内熔丝熔断过程中伴随存在一个波动过程。声波在均一介质中传播衰减要比在分层介质中传播衰减小，失真小；因为声波在分层介质中传播时，在不同介质中速度不同，在介质的分界面发生折射和反射，所以，衰减大，失真大。听到的两种声音差别明显。内熔丝熔断过程时间很短，在几个到几十个微秒之间，电弧的各种参数变化很难记录下来，我们用721示波器记录了内熔丝熔断时回路电流波形，进行对比分析（由于测量点地电位和仪器接地点电位不同，电流波形从负值起）。图2、3、4分别是输入的能量小、中、大内熔丝熔断时回路电流波形，比较这三个图形，发现随着输入的能量增大内熔丝熔断时间变短，电流波形上升、下降变陡。从图3看，电流波形可以分为三个阶段，第一阶段是RLC过渡电流，熔体发热熔化但没有断裂，电流的增长服从RLC放电过渡过程方程。第二阶段是高压直流电弧电流，在这一阶段，熔体开始断裂，在裂缝处形成高压直流电弧（桥），电弧电阻变小，电流激增。第三阶段是低压直流电弧电流，在这一阶段，电弧桥已经足够长，电弧转变为低压直流电弧，或者外界输入的能量减小使电弧转变为低压直流电弧，电弧电阻增大，绝缘介质的强度恢复，电流由增大转为下降，电弧熄灭。 不论输入能量的大小，RLC过渡电流阶段都很明显，基本一致，图2、3、4是15s之间的电流波形。在高压、低压直流电弧电流阶段“电弧桥”已经贯通引线间，与输入的能量大小及梯度的关系密切，当能量大小及梯度增加时，电弧电流幅值和上升速度增加，电弧受的磁吹力也增大，熄灭速度快。电流波形变窄变高。但是，输入的能量不能无限制的增大，因为“电弧桥”长度的增长范围是有限的，当输入的能量增大一定值后，“电弧桥”长度不能够遏止电弧电流增加，这将十分危险，内熔丝失去灭弧能力。2产品上的验证试验21内熔丝在工频下熔断能力试验 211试验电路先将C1和C2并联，C4和C5并联，再将两组串联接于交流电源。212试验方法将试验电压从0升到08Un保持30min；升到09Un保持30min；升到11Un保持30min；升到13Un保持30min；升到15Un保持30min；升到18Un保持30min；升到22Un保持30min；在升压或保持时，如果有内熔丝熔断，应迅速降压，测量电容量变化，再恢复电压累积计时。213试验结果与分析合闸后C2有放电的“劈啪”声，当电压升到05Un时，C2有内熔丝熔断声，测量电容量发现一根内熔丝熔断。在08Un、09Un、11Un、13Un、15Un各保持30min；C1、C2、C4、C5都没有内熔丝熔断。当升到18Un保持9min后，C1有一根内熔丝熔断；累计保持27min后，C2有一根内熔丝熔断；其余经历30min；升到22Un保持1min后，C2有一根内熔丝熔断；累计5min后，C2有两根内熔丝几乎同时熔断（听到相连的熔断声）；累计15min后，内熔丝发生群爆，导致变压器跳闸，测量电容量发现四根内熔丝熔断，结束试验。解剖C2发现下心子包封件被炸破，打开包封件，发现在05Un元件重击穿内熔丝熔断正常。以下心子第9个元件靠近内熔丝连接片处为中心爆炸痕迹，第7、8、9、10元件的内熔丝引线断开，7、8、10元件的电容量正常。群爆的原因是第9个元件的击穿点刚好在引线底下，虽然熔体正常熔断，但是“电弧桥”移动到引线与击穿点之间。“电弧桥”长度有限，高压直流电弧不能转化为低压