中低压熔断器常见故障及选型原则简析

林博勇，焦夏男，臧春艳，刘 春，贺舒媛，王国庆

（1.中国南方电网有限公司广州荔湾供电局，广东 广州 510000；2.华中科技大学电气与电子工程学院，湖北 武汉 430074）

0 引言

熔断器已经生产了一百多年，现在世界各国和我国都在大量生产和使用熔断器，它们承担着保护电气设备和电网的重要任务，并且限制了不可避免的事故发生和确保用户供电［1-3］。我国自上世纪五十年代开始进行熔断器生产，主要是对典型的熔断器进行研究、试制，而后形成几个系列的产品。上世纪八十年代，我国熔断器产业从仿制到形成系列化产品阵容。进入本世纪后，国产熔断器产品的发展日新月异，其类型和功能逐渐多样化［4-5］。然而，熔断器行业面临的新问题是技术标准滞后、生产水平一般、产业基础薄弱。国内熔断器在材质、工艺、质量方面良莠不齐、鱼龙混杂的现象比较严重，由此可能导致熔断器接触不良、温升过高、该断不断、以致内部持续燃弧喷出，造成开关起火、设备烧毁［6-8］。

总的来说，国产熔断器的不足主要体现以下几个方面：

1）国内熔断器分断能力不够，不能满足设备性能发展的需求；

2）国内熔断器正常运行的稳定性不够，可能导致熔断器误动或故障；

3）国内熔断器外形尺寸不统一，给安装使用带来极大的不便。

国内产品和国际的差距主要来自产品经验和实验论证方面的不足，积累经验需要长期的过程和足够的产品应用案例。为此，本文统计了近年来多起中低压熔断器运行事故，对事故原因进行了归类与分析，并基于工程应用的现场需求，对中低压熔断器选型的基本原则进行了梳理。

1 熔断器典型结构

熔断器主要由熔体（有的熔体装在具有灭弧作用的绝缘管中）、金属触头、触头座和支持绝缘子组成。而熔体是熔断器的核心部位，其材料、尺寸和形状都会影响熔断特性。熔体常做成丝状或片状，熔体的材料必须具有熔点低、导电性能好、易熔断、不易氧化等特性［9］。在小电流情况下，熔体一般选用铅锡合金、锌等低熔点材料；在大电流情况下，则用银、铜、铝等高熔点材料［10］。熔体串联在电路中，短路时电流增大，由于焦耳热效应，熔断器会随着温度的升高而熔化，引发电弧并限制故障电流［11］。

图1是熔断器比较常见的一种结构形式。

图1 熔断器典型结构示意图Fig.1 Scheme of fuse’s typical structure

低压熔断器有时采用熔片结构，即用某种金属或合金按特定形状剪切压制而成。这种异常简单的结构一般多用于配网的户外台架上，在线路过流时起熔断保护作用（如图2所示）。

图2 户外低压熔断器（熔片）Fig.2 Outside low voltage fuse(fusion bead)

2 中低压熔断器常见故障

2.1 过热类故障

这类故障主要包括外界环境或人为操作不当导致的温升过高。

2.1.1 接触不良

1）熔断器两端存在接触不良现象。包括熔体与触刀接触不良、触刀与刀座接触不紧密或锈蚀等情况。接触不良会给熔断器带来额外的温升。因此需要对触刀进行调整或者去除氧化层，使其接触良好。

2）熔断器安装时端部接触压力不够，导致熔断器两端接触电阻过大。在安装时应拧紧螺丝钉使导线压接牢靠。图3即为某配网台架用红外成像检测时，发现低压熔断器（熔片）存在发热异常。经检查熔片本体电阻正常，故异常温升可能因端部安装时接触电阻过大所致。

图3 熔断器过热故障示例Fig.3 Example of fuse overheating failure

2.1.2 安装运行环境不合适

1）环境导致的熔断器内部受潮，发热异常。潮湿可能造成熔断器连接处接触表面腐蚀，造成高阻现象，导致温升过高。

2）熔断器外部不明原因导致的熔断器外壳温度过高。应改善运行环境温度，或将熔断器安装在温度合适的位置。

2.1.3 散热不够

1）熔断器外壳散热设计缺陷。散热型封闭式熔断器会因为使用时间过久，熔体因运行温度升高，使熔体特性变化而误断，对用电造成一定的困扰，而且熔断后的熔丝更换不便利，更加提高了维修的工作难度。文献［12］提出了一种能够高效散热的熔断器设计，散热装置包括金属框体、散热风扇、防尘网、金属网，熔丝设置于树脂管内，有机玻璃外管内填装石英砂。盖合后整体封闭性好，能够防尘防水，还能及时将熔丝上的热量散去，保证了熔丝的良好特性，延长了熔断器的使用寿命。

2）熔断器外部散热条件恶化。现有的熔断器常设有通气孔以散热，然而散热的同时，熔断器外的固体颗粒极易进入熔断器内部造成熔断器损坏。文献［13］提出在散热装置内安装过滤片，过滤片的存在可在通气孔散热的同时有效防止杂质颗粒进入熔断器内部。

2.2 熔体异常熔断故障

这类故障主要包括熔断器自身结构和尺寸存在问题，或者熔断器所在电路异常导致的熔断。

2.2.1 熔丝选择不当

1）熔断器采用劣质熔丝，材质纯度不够，含杂质较多，熔丝质量不过关。杂质的存在会影响熔丝的熔点和机械性能，导致熔丝使用寿命或无法正常工作，在生产制造时应严格按照标准执行，避免杂质产生。

2）熔断器材质达标，但熔丝通流能力设计缺陷，熔丝电阻过大。熔断器的熔丝应根据负载大小和负载的性质选择，熔丝电阻值与它的额定电流值成反比。一般情况下，在保护电路中要求熔断器的阻值较小，它的损耗功率也更小。例如目前部分厂家考虑到原材料成本，在部分熔断器产品中使用铜替代贵金属银。一般来说如果设计合理，熔断器也可达到正常熔断和保护的功能；但如果设计不合理，就会发生未在设定条件下熔断的事故，如图4所示。

图4 发生异常熔断的熔体Fig.4 Abnormal blown fuse element

3）熔丝材质、电阻大小合格，但熔丝存在局部制造缺陷。熔丝熔断后，应选择与原尺寸相同的熔丝进行更换，不能任意选择尺寸更大或更小的熔丝。更不能用熔点和导电性能不同的其他金属丝替代，以免造成事故。

4）熔丝存在一根异常断裂情况。一根熔丝不够需用多根熔丝时，一般不能将其绞扭成一股使用，因为这样会降低熔丝的总容量，造成非正常熔断［14］。

2.2.2 填料选择不当

1）熔断器内部填充物石英砂颗粒过大或过小。石英砂填料固化后，即通过胶合作用使石英砂填料的颗粒合成为一个牢固的整体，能提高熔断器的极限开断能力，因为石英砂固化后，可以有效地抑制燃弧过程中电弧直径的扩展。

2）熔断器内部填充物石英砂致密度不达标。熔断器中石英砂的装填密度对分断短路电流的能力有很大影响。装填密度高有利于电弧电压的建立，提高分断能力［15］。有填料熔断器在更换熔丝时，同时需要更换石英砂填料。更换后的石英砂必须干燥且与原石英砂纯度保持一致，否则，会导致熔断器灭弧能力降低，而使熔丝非正常熔断。

2.2.3 熔丝老化

1）长期使用过程中熔丝发生老化、劣化。熔丝老化的成因主要有熔丝金属电迁移、银离子迁移，熔断器内部的焊剂冶金效应、助焊剂腐蚀、金属蒸发等。熔丝的老化会改变熔断器的动作特性，导致之后的运行中极易发生熔断器误动作。全新的熔断器提供的保护在使用后可能无法继续有效，因此，建议熔断器制造商提供时间-电流特性变化的相关信息，以避免由于老化而导致的意外中断［16-18］。

2）长期使用过程中熔丝腐蚀。熔断器内部受潮的主要成因是安装环境导致的潮湿，而熔丝腐蚀是长期运行难以避免的，空气中的潮气进入熔断器内部，加速熔丝金属的氧化。

2.2.4 过电压或过电流

1）熔断器所在电路发生不明原因的过电压过程。过电压不仅会影响电力系统的稳定和可靠运行，甚至会引起设备损坏或烧毁。除此之外，电路出现短路电流使熔体熔化时，由于石英砂的灭弧性能和冷却作用，在熄弧过程中也会引起非常高的过电压，导致熔断器两端电压远远高于电源电压。这种熔丝动作引起的过电压十分危险，有可能引起电路故障或导致继电保护装置误动作［19］。

2）熔断器所在电路发生铁磁谐振过程。由于电压不平衡、电网扰动、空载母线合闸等原因造成电压互感器铁芯饱和，从而产生较高幅值的铁磁谐振过电压。可能导致熔断器烧毁，并引起电压互感器爆炸和停电事故。

3）熔断器电路启动时的冲击电流过大。系统发生单相接地时，另外两相电压上升至线电压，大地和导线之间会有电荷移动，导致电容放电而形成过电流。接地故障被排除后电压恢复正常值，此时自由电荷将通过TV一次绕组通向大地。但当自由电荷较多时，会引发较大的冲击电流。如果实际工作中频繁出现单相瞬时接地，会导致冲击电流不断累加，从而更易引发熔断。另一方面，雷击引起的电流浪涌也会影响配电网熔断器的工作，甚至引发误动作［20-21］。

2.3 结构缺陷类故障

这类故障主要包括熔断器部件存在重大缺陷导致其无法正常工作。

1）熔断器撞针系统设计或安装存在缺陷。熔断器的撞击器设计包含撞针和弹簧，正常状态时撞针被熔丝拉紧压缩弹簧。当熔断器的熔丝熔断后，撞针失去拉力被弹出熔断器后盖外，触动装在熔断器后的一个接点，从而发出熔断器动作的电信号，联动系统中其他设备。熔断器撞针触动开关存在缺陷会导致信号无法联动其他回路，跳闸回路不能合闸闭锁。撞击器的结构如图5所示，动作过程如图6所示。

图5 弹簧式撞击器的结构Fig.5 Structure of spring striker

图6 撞击器行程的不同阶段Fig.6 Different stages of striker travel

2）外管或瓷器件等破损。应注意安装的高度，避免机械损坏。操作时用力要适当，避免用力过猛导致的损坏。出现轻微裂损时要及时更换，平时应加强巡视，防止有意外损坏。

2.4 参数不匹配类故障

这类故障主要是熔断器自身不存在问题，但是与其他开关器件配合时参数不匹配，导致组合电器无法正常工作。

1）熔断器规格与负荷开关参数不匹配。负荷开关-熔断器组合电器的配合方式如下：过载时负荷开关由分闸，短路时则由熔断器进行保护。负荷开关继电保护的动作特性与熔断器的时间-电流曲线不相同，其交点称为“转移电流”。如果转移电流选用不当，负荷开关的分断能力小于转移电流，将因为负荷开关的灭弧能力不够而引发严重电路故障，甚至引起开关爆炸。

2）熔断器短时间内发生多次由负荷开关引起的大电流开断过程。负荷开关与熔断器的工作特点有很大差别，熔断器能够开断短路大电流，而负荷开关灭弧能力有限，只能开断额定电流和一定的过载电流，不能开断短路电流。

3 中低压熔断器性能影响因素

熔断器正常工作需要的基础性能有：没有故障的情况下，通流、电气和机械连接可靠；寿命满足要求。采用优质材料和防腐处理，结构稳定可靠，工况损耗小或无明显损耗；在故障电流时，可靠有效分断。其中，“可靠分断”指熔断器在所有的约定故障范围内分断电流，且自身完好。“有效分断”是指分断的时间、截断电流和I2t值等符合预定的要求，有效保护系统或器件。

需要注意的一点是，与低压熔断器不同，中压熔断器具有最大和最小的开断电流额定值，这意味着对于连续电流额定值和最小开断电流额定值之间的电流，熔断器会熔化，但不会开断电流，这种情况可能导致熔断器故障，因此中压熔断器需要根据负载仔细调整尺寸［22］。熔断器工作性能的影响因素总结如图7所示。

图7 熔断器性能影响因素Fig.7 Affecting factors for fuse performance

4 中低压熔断器选型原则

不同的使用场所和使用条件决定着熔断器的类型，选择合适的类型及规格的熔断器可以保证熔断器的安全可靠工作。熔断器的环境温度、安装尺寸限制、被保护对象的过载特性、预期的短路电流以及在配电系统中的级间配合都是需要考虑的因素。

1）种类

在选择熔断器时，首先要做的是根据使用电压、保护对象和保护范围确定熔断器的种类。前文已经简要介绍了熔断器的分类，可供选择时参考。

2）额定电压

熔断器的额定电压应该大于系统或设备的最高电压。但是对于限流熔断器，则不宜使用在低于熔断器额定电压的电网中，因为限流熔断器的灭弧能力很强，开断时产生的过电压可达相电压的3.5～4倍，可能损害电网中的电气设备。一般的额定电压确定方法如表1所示。

表1 熔断器额定电压的确定方法Table 1 Determination of rated voltage of fuse

3）额定电流

一般来说先确定电压等级，再根据设备情况确定电流大小。低压熔断器结构比较简单，其熔体额定电流按照经验公式确定。

①保护平稳负载或家用电器，熔体额定电流应按照电路总电流的1.05～1.15倍来选择。

②保护单台直接起动的电机，熔体额定电流按下式选取：

式（1）中，IRN为熔体额定电流，IN为电动机额定电流。不频繁起动的电动机取较小的系数，频繁起动的电动机系数增加至3～3.5。

③保护多台小容量电动机共用线路，熔体额定电流按式（2）选取：

式（2）中，INmax为最大容量的电动机额定电流，ΣIN为其余所有电动机额定电流之和。

对于高压熔断器，给定使用情况选用的熔断件额定电流，往往由使用中连续电流不同的其他因素确定。可能的影响因素有：熔断件周围介质的温度、连接线的类型和尺寸、熔断件放置方向、熔断件的外壳、太阳辐射的影响、强迫冷却的影响。考虑修正系数的计算公式为：

式（3）中，In为熔断器额定电流；IRMS为最大持续负载电流；Kt为温度修正系数；Ke为连接导体修正系数；Kv为冷却风修正系数；Kf为频率修正系数；Ka为海拔高度修正系数；Kb为安装空间修正系数，敝开安装为1.0，密封空间安装为0.8。

4）分断能力

①用于负荷开关-熔断器组合电器，最小开断电流仅需低到足以保证与组合电器的负荷开关正确配合；

②用于单独保护变压器或配电线路，额定最小开断电流是小于低压保护装置上游可能出现的最小短路电流，这时熔断器额定最小开断电流的典型值是变压器额定电流的4～8倍；

③与喷射式熔断器组合用以提供短路保护时，最小开断电流仅需低于串联组合的交接电流；

④用作电动机回路保护，通常最小开断电流只需要保证与开关装置的过电流继电器正确配合，当要求更大的安全性时，熔断件的最小开断电流至少到被保护电动机的转子堵转电流；

⑤用作电容器保护；因为电路中一个或多个电容器元件击穿时电流增加不大，所以只需选取很低的最小开断电流值；

⑥在仅用作线路保护的情况下，则可使用具有较高的最小开断电流值的熔断器。

5）结构和尺寸

为推动熔断件尺寸标准化，《GB/T 15166.2—2019高压交流熔断器第2部分：限流熔断器》在附录中列出了高压熔断器在各个国家的现行标准中规定的型号和尺寸及其分类方式，应根据安装位置选择合适的尺寸。由于低压熔断器结构简单且体积较小，国家标准中尚未对其尺寸做出相关要求。

6）选择性

选择性是指上下级支路之间，下级某一支路出现故障时不会影响到上级及其他支路的正常工作。如果下级熔断器的总分断曲线和上级熔断器的最小熔化曲线之间保持分离，则认为熔断器是有选择性的。熔断器过电流选择性的要求与熔断器系统、额定电压和熔断器的使用有关。传统的选择性分析方法基于时间-电流特性，然而这可能会得到关于选择性的错误结论：选型恰当时的选择性可能高于分析所显示的选择性，而分析计算不够精确时，分析结果也可能错误地显示出更大的选择性［23］。现行国家标准中采用时间-电流特性和弧前及开断I2t值验证熔断器的选择性，可以得到关于选择性更可靠的结论。大多数情况下，可以认为当弧前时间大于0.01 s时，上下级熔断器额定电流之比为1.6∶1时选择性可以得到保证。

4 结语

中低压熔断器在电气设备中属于量大面广的应用产品，也是电力系统的基本组成单元，一旦失效将造成不容忽视的经济损失和社会影响。但长期以来，运维人员的通用做法是对故障熔断器进行直接更换，对中低压熔断器故障缺乏较全面的分析。本文针对这一现状，在介绍了熔断器典型结构的基础上，将中低压熔断器的常见故障归纳为过热类、熔体异常熔断类、结构缺陷类和参数不匹配类，并对四大类故障的具体原因进行了逐一分析，还梳理了基本的熔断器选型原则，从而给设备运维人员提供了切实可行的理论指导。