微型管狀熔斷器高電壓低氣壓下熔斷特性研究

馬季軍，屈誠志，陳明勤，張 玉，季 飚

(1.上海空間電源研究所，上海201100;2.上海松山電子有限公司，上海201100)

1 引言

空間飛行器，特別是載人航天器的安全性設計要求很高。一般的，作為一個重要的安全性措施，空間飛行器電路設計會在關鍵的環節使用熔斷器［1-2］，當出現電路短路等異常情況時，靠熔斷器斷開故障回路，以保證飛行器的安全。目前國內外一般使用三種類型的熔斷器［2-3］，一種是符合MIL-PRF-23419/8的管狀FM08系列熔斷器，一種是符合MIL-PRF-23419/12的固態FM12系列熔斷器，還有一種是參照MIL-PRF-23419/8的上海松山電子有限公司的RSG-I-FFA系列管狀熔斷器。由于眾所周知的原因，在我國自主研發的空間飛行器中幾乎沒有使用FM12系列熔斷器，均使用FM08系列熔斷器或RSG-I-FFA系列熔斷器［2］，我國自主研發的載人航天器電源系統就使用了RSG-I-FFA系列熔斷器作為安全性設計措施。根據文獻［4］報道，FM08系列管狀熔斷器在低氣壓高電壓75 VDC以上

環境中分斷時，部分存在持續放電拉弧的現象。由此，與FM08結構熔斷機理類似的RSG-IFFA系列熔斷器［4］是否存在類似的問題，是否能在高電壓低氣壓條件下可靠熔斷是事關電源系統安全性的重大問題。針對這一問題開展了研究工作，從兩種熔斷器的密封方式、熔絲類型等方面做了分析，并進行了與FM08系列管狀熔斷器熔斷試驗相同環境下的熔斷特性試驗，試驗結果達到了預期的目的，驗證了RSG-I-FFA系列熔斷器在高電壓低氣壓環境條件下熔斷的可靠性。

2 熔斷器保護電路的原理

RSG-I-FFA系列熔斷器與FM08系列熔斷器成品結構如圖1所示，熔斷器由外引線、密封、管體、管帽、熔絲及焊錫等組成，熔絲為純銀［2］。

圖1 管狀熔斷器結構圖Fig.1 Structure of the tubular fuse

熔斷器用于空間飛行器上電源或其他重要部位的電流保護，當熔絲通電時，電流轉換的熱量會使熔絲的溫度升高。正常工作電流下，電流在熔絲上產生的熱量與熔絲以傳導、輻射、對流等方法散發的熱量達到平衡時，熔絲能保持在安全的溫度范圍內長期工作;若熔斷器所在電路出現故障，熔絲流過了超出額定值幾倍的大電流，熔絲的發熱迅速增加，其散熱速度小于發熱速度，熱量將會累積在熔絲上，使得熔絲的溫度迅速上升，一旦溫度達到或超過了熔絲的熔點，就會使熔絲熔化，電流回路斷開，從而切斷故障電路的供電回路，起到安全保護的作用。一個合格的熔斷器在使用的工況下發生熔斷時，熔斷器A、B兩端不能出現持續的拉弧放電現象，A、B兩端應保證電流可靠斷開，熔斷器的管體結構保持良好。

3 高電壓低氣壓環境條件下的熔斷特性測試試驗方案

3.1 試驗項目

根據國外文獻介紹［4］的情況，FM08系列熔斷器熔斷時持續拉弧的低氣壓范圍在133 Pa到200 Pa之間［3］，為此，對 RSG-I-FFA 系列熔斷器進行如下的試驗:

1)電壓125 V，電流 2 In、4 In、100 A，氣壓753 Pa(602～903.6 Pa);

2)電壓 125 V，電流 2 In、4 In、100 A，氣壓150 Pa(120～180 Pa);

3)電壓125 V，電流 2 In、4 In、100 A，氣壓20 Pa(16 ～24 Pa)。

In為熔斷器額定熔斷電流，試驗中氣壓參數偏差最大±20%，其他各參數最大誤差±10%。

3.2 試驗方案

低氣壓情況下熔斷器性能測試試驗原理如圖2所示。

按圖2所示框圖進行試驗，圖2中低氣壓容器保證熔斷器所處的低氣壓環境，V1電源提供熔斷器熔斷的電流和電壓，FP為外置慢熔保護熔斷器，在被測熔斷器FX發生低氣壓持續拉弧時保證線路的安全，RX調流電阻用于線路中熔斷電流的調整，霍爾電流探頭、電壓探頭及示波器用于捕捉熔斷絲熔斷時線路中的電壓電流變化情況，K1為加電開關。

圖2 試驗原理圖Fig.2 Test schematic diagram

按圖2所示原理，構建了圖3所示的低氣壓熔斷試驗裝置，進行相關熔斷器在不同低氣壓條件下的熔斷試驗。具體方法是在試驗電路板上固定好試驗用熔斷器，調節調流電阻，調節熔斷器試驗用開路電壓及熔斷電流至試驗值。將固定有熔斷器的電路板置入低氣壓箱內，封蓋并抽氣。到指定氣壓點，保壓20 min，待氣壓穩定。開啟熔斷試驗測控臺(圖1中K1開關閉合)，在指定氣壓點開始熔斷試驗。記錄熔斷時間及熔斷電流波形。熔斷后保持試驗熔斷器兩端所加電壓不變，保持30 s后，低氣壓箱放氣，取出試驗電路板，觀察試驗用熔斷器的外觀狀態。

圖3 低氣壓熔斷試驗裝置Fig.3 Equipment for fusing test in vacuum

3.3 試驗判據［5-7］

1)熔斷時無持續拉弧現象和二次拉弧現象;

2)熔斷后外觀無破損，無裂紋;

3)斷態阻抗應大于10 kΩ。

3.4 試驗件

3.4.1 試驗件狀態

為確保在低氣壓環境中RSG-I-FFA系列熔斷器內部氣壓與試驗環境完全一致，特地制作了兩種狀態的熔斷器，具體如下:

1)狀態1，不做外部環氧密封的熔斷器，如圖4所示;

圖4 不做外部環氧密封的RSG-I-FFA熔斷器半成品Fig.4 Semi-manufactured goods of RSG-I-FFA without epoxy sealing

2)狀態2，半成品熔斷器，一端環氧密封，一端半密封，如圖5所示。

以上兩種狀態的參試熔斷器除與同規格RSG-I-FFA成品熔斷器密封程度不同外，其余狀態與同規格成品熔斷器采用相同的外引線、熔絲、管體、焊錫、焊帽、密封材料及相同的制作工藝。

圖5 一端密封，一端半密封的RSG-I-FFA半成品Fig.5 Semi-manufactured goods of RSG-I-FFA with epoxy sealing on one side

3.4.2 試驗件漏率測試

試驗前對被測熔斷器做氦檢漏率測試，實測狀態1的兩種規格(3 A，10 A)熔斷器共230只，氦檢漏率測試結果為大漏，試驗后隨機抽取了10只做粗檢，粗檢結果顯示，漏率均大于10-4Pa·m3/s，符合10 min熔斷器內氣壓可靠降低到與低氣壓容器相同氣壓的要求［8］。

狀態2的熔斷器RSG-I-FFA 15A進行完低氣壓熔斷試驗后，隨機抽取了10只做粗檢，結果顯示，漏率均大于10-4Pa·m3/s，符合10 min熔斷器內氣壓可靠降低到與低氣壓容器相同氣壓的要求［8］。

3.5 試驗情況

3.5.1 RSG-I-FFA 3A、10A 熔斷器

按照試驗方案的內容，分別對兩種狀態下RSG-I-FFA 3 A、10 A系列熔斷器進行了2 In、4 In、100 A 電流及氣壓 1000 Pa，750 Pa，150 Pa，13 Pa情況下的熔斷試驗，試驗電壓為125 V。

已進行的各熔斷器的試驗情況如下:

1)RSG-I-FFA 3A熔斷器

共進行了60只，12組試驗，在氣壓為1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四種工況下進行了 2 In、4 In、100 A的熔斷試驗。詳細數據見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗工況氣壓條件下，未見放電拉弧現象，熔斷器熔斷時間符合手冊推薦值［3］。

(1)熔斷時間

具體見表1。

表1 RSG-I-FFA 3A熔斷器低氣壓熔斷時間Table 1 Fusing time of RSG-I-FFA 3A in vacuum

(2)熔斷電流波形

電流波形如圖6所示。

圖6 RSG-I-FFA 3A電流100 A氣壓150 Pa下熔斷電流波形(456 μs)Fig.6 Fusing current waveform of RSG-I-FFA 3A under the condition of 100 A current，150 Pa pressure

從圖6波形上可以看出，在低氣壓環境下，RSG-I-FFA 3A熔斷器熔斷時，電流波形的下降沿未出現拖尾現象，也未出現二次拉弧的電流波形，熔斷時間在手冊推薦的額定值范圍之內。

(3)熔斷后X光拍照情況

熔斷后的X光圖形如圖7所示。

圖7 RSG-I-FFA 3A熔斷器熔斷后X光照片Fig.7 X-ray photo of RSG-I-FFA 3A after fusing

圖7 中熔斷后的波形顯示，熔斷時熔斷器內的熔絲被燒蝕，管體內已無熔絲，熔絲斷點在管帽內。

(4)結論

RSG-I-FFA 3A熔斷器在2 In/4 In/100 A電流 125 V 電壓及低氣壓 1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa四種工況下的試驗數據及電流波形表明，該型號熔斷器熔斷后斷點干凈、熔斷時無持續拉弧現象、無二次放電拉弧現象、外觀無損傷。

2)RSG-I-FFA 10A熔斷器

共進行了60只，12組試驗，在氣壓為1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四種工況下進行了2 In、4 In、100 A的熔斷試驗。詳細數據見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗工況氣壓條件下，未見放電拉弧現象，熔斷器熔斷時間符合手冊推薦值。

(1)熔斷時間

具體見表2:

(2)熔斷電流波形

熔斷電流波形如圖8所示。

從圖8的波形上可以看出，在低氣壓環境下，RSG-I-FFA 10A熔斷器熔斷時，電流波形的下降沿未出現拖尾現象，也未出現二次拉弧的電流波形，熔斷時間在手冊推薦的額定值范圍［3］之內。

(3)熔斷后X光拍照情況

隨機抽取一組熔斷后的X光圖片如圖9所示，圖片顯示，斷點干凈無尖銳突起。

圖9中熔斷后的波形顯示，熔斷時熔斷器內的熔絲被燒蝕，管體內已無熔絲，熔絲斷點在管帽內，圖中一個熔斷器的管體內有黑點，應該為熔斷絲燒蝕的殘留物。

(4)結論

RSG-I-FFA 10A熔斷器在2 In/4 In/100 A電流 125 V 電壓及低氣壓 1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa四種工況下的試驗數據及電流波形表明，該型號熔斷器熔斷后斷點干凈、熔斷時無持續拉弧現象、無二次放電拉弧現象、外觀無損傷。

3.5.2 RSG-I-FFA 15A熔斷器

共進行了43只，3組試驗，即在電流2 In，4 In，100 A氣壓為130 Pa的工況下進行了熔斷試驗。詳細數據見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗工況氣壓條件下，未見放電拉弧現象，熔斷器的熔斷時間符合手冊推薦值［3］。

1)熔斷時間

具體見表3。

2)熔斷波形

熔斷電流波形如圖10所示。

3)X光拍照

熔斷后的X光圖形如圖11所示。

圖11中熔斷后的波形顯示，RSG-I-FFA15A熔斷時熔斷器內的熔絲被燒蝕，管體內已無熔絲，熔絲斷點在管帽內，圖中一個管熔絲端部呈球狀，為熔絲熔斷時所形成。

4)結論

狀態2的RSG-I-FFA 15A熔斷器在低氣壓130 Pa條件下的試驗數據表明，熔斷器熔斷電流無持續拉弧現象，斷點熔斷干凈，無尖銳突起，熔斷后無二次放電拉弧現象，外觀完好。

表2 RSG-I-FFA 10A熔斷器低氣壓熔斷時間Table 2 Fusing time of RSG-I-FFA 10A in vacuum

圖8 RSG-I-FFA 10A電流100 A氣壓150 Pa熔斷電流波形(4.4 ms)Fig.8 Fusing current waveform of RSG-I-FFA 10A under the condition of 100 A current，150 Pa pressure

圖9 RSG-I-FFA 10A熔斷器熔斷后X光照片Fig.9 X-ray photo of RSG-I-FFA 10A after fusing

圖10 RSG-I-FFA15A電流30 A氣壓130 Pa熔斷電流波形(28.42 s)Fig.10 Fusing current waveform of RSG-IFFA 15A under the condition of 30 A current，130 Pa pressure

圖11 熔斷后X光照片Fig.11 X-ray photo after fusing

3.6 試驗件解剖圖

以15 A熔斷器為例，給出試驗后的解剖圖片如圖11所示。

通過對圖12的解剖圖片可以看出，RSG-IFFA系列熔斷器在低氣壓條件下熔斷后，有以下幾個特點:

1)熔絲燒蝕后斷點部位形成球狀金屬物;

表3 RSG-I-FFA 15A熔斷器低氣壓熔斷時間Table 3 Fusing time of RSG-I-FFA 15A in vacuum

圖12 RSG-I-FFA 15A熔斷器管帽解剖后內部顯微鏡下圖片Fig.12 Microscope photo of RSG-I-FFA 15A with the cap removed

2)熔絲燒蝕的長度較長，管體內的熔絲幾乎全部燒蝕，熔斷后，熔絲斷點間距比較大，相當于熔斷器的長度;

3)熔斷器熔斷后，熔絲燒蝕時的金屬飛濺物成點狀隨機分布在管體內壁，未形成連續的金屬帶。推測熔斷器熔斷時其內部溫度相對較低，未形成金屬蒸汽，以致熔絲揮發物連續分布在罐體內壁形成導電體。

3.7 斷點間阻抗測試

熔斷試驗結束，隨機抽取完成試驗的3 A、10 A、15 A熔斷絲各10只，用500 V搖表測量兩端絕緣阻抗，測試結果見表4。

表4 熔斷絲熔斷試驗后絕緣阻抗測試記錄表Table 4 Record table of impedance after fusing

3.8 試驗現象總結及數據分析

在對試驗現象及數據總結分析后發現，RSGI-FFA系列熔斷器在低氣壓條件下的熔斷情況與本身的構造、密封情況及熔斷電壓有關系，具體的有以下幾點:

1)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗條件下熔斷時，未發生電流持續拉弧的現象;

2)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗條件下熔斷后未出現二次放電拉弧現象;

3)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗條件下，所有參加試驗的熔斷器熔斷后，外觀保持完好，未出現結構破壞的現象;

4)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器熔斷后X光拍照顯示，斷點干凈未出現粘聯或觸點似斷非斷等異常現象;

5)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗條件下熔斷后X光照片及解剖圖片顯示，斷點干凈未出現粘聯或觸點似斷非斷等異常現象，斷點間長度較大，斷點形成球狀金屬物，管壁內側金屬飛濺物隨機分布，未形成連續金屬導電體;

6)狀態1和狀態2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗條件下熔斷后斷點間絕緣阻抗測試500 V條件下，阻抗均大于100 kΩ，達到了試驗方案中斷態阻抗大于10 kΩ的試驗判據要求。

3.9 RSG-I-FFA系列熔斷器與FM08系列熔斷器的差異性分析

3.9.1 熔絲不同

1)FM08系列熔斷器小電流規格熔絲材質為鎳絲，大電流熔絲材質為銅銀合金，低氣壓熔斷時熔絲斷點不太平滑，易產生放電現象;

2)RSG-I-FFA全系列熔斷器使用的熔絲均為銀絲，低氣壓熔斷時熔絲斷點相對平滑，不易產生放電現象。

3.9.2 內腔體積不同

1)FM08系列熔斷器從1/8 A到15 A內腔體積均為0.0015 mL，內腔體積小，低氣壓熔斷時內部溫度及氣壓升高，易出現持續拉弧現象;

2)RSG-I-FFA系列熔斷器3 A和10 A熔斷器，內腔體積為0.033 mL，是 FM08系列的2.2倍，15 A熔斷器內腔體積為0.0478 mL，是FM08系列的32倍，低氣壓熔斷時，內部溫度升高及氣壓相對較低，不易產生放電現象。

3.9.3 結構密封不同

1)FM08系列熔斷器為熱縮套管密封，漏率不低于 10-6Pa·m3·s-1;

2)RSG-I-FFA系列熔斷器為環氧樹脂密封，結構強度大于同規格的FM08系列熔斷器，密封性也更好，經八院分中心檢測，成品漏率不低于10-8Pa·m3·s-1，在大電流熔斷時，結構相對不宜破壞。

4 結論

根據本次共計164只樣品在不同低氣壓高電壓大電流試驗條件下的試驗現象、數據分析結果及對RSG-I-FFA系列熔斷器與FM08系列熔斷器的差異性分析比對，可以初步得出這樣的結論:RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓下高電壓條件下能可靠熔斷，低氣壓大電流熔斷后RSG-I-FFA系列熔斷器外觀保持完整，熔斷后斷點間阻抗大于100 kΩ，可以在空間飛行器上安全使用。

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［3］上海松山電子有限公司.Q/YXRT30-2009 RSG-I-FFA空間飛行器用微型管狀熔斷體［S］.上海:上海松山電子有限公司，2009.

［4］Leidecker H.，Slonaker J.Evacuated FM08 fuses carry a sustained arc in a bus over 75 VDC［J］.1999.

［5］中國人民解放軍總裝備部.GJB5850-2006小型熔斷器通用規范［S］.北京:中國標準出版社，2006.

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［7］屈誠志.天宮一號電源分系統用RSG-I-FFA型管狀熔斷器高壓低氣壓熔斷特性摸底試驗方案報告［R］.RuTGN05.SB073.