關于熔斷器抗浪涌選型的研究

張希濤 劉理想 周瑞山 陳德舜 龔國剛

摘 要：針對在無浪涌電流函數的情況下無法計算浪涌電流I2T的現狀，提出了一種用典型波形分段近似后再求和的計算方法，該方法可實現浪涌電流I2T的近似計算，并結合熔斷器的熔化熱能特性，給出了抗浪涌選型的方案，從而為熔斷器抗浪涌選型提供了依據。

關鍵詞：熔斷器；浪涌電流；I2T；熔化熱能

中圖分類號：TM563 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）07-00-03

0 引 言

熔斷器是一種保護電子設備安全運行的保護器件。其工作原理是當被保護電路的電流超過規定值并維持一定時間后，熔斷器熔斷切斷電流，從而起到保護作用[1，2]。

熔斷器對被保護電路起著關鍵作用，當熔斷器應該熔斷而沒有熔斷時，電流沒有被切斷，被保護電路可能因為電流過大而被損壞；當熔斷器不應該熔斷而熔斷時，被保護電路的電流被切斷，使電路不能發揮正常功能。因此，無論熔斷器出現哪種問題都會帶來嚴重的損失[3]。

熔斷器作為一種保護性元件，廣泛應用于各種電子設備中，這些設備不可避免的存在著浪涌電流。浪涌電流具有電流大、持續時間短和反復出現的特點，但浪涌電流不是故障電流，設計人員并不希望浪涌電流造成熔斷器熔斷。但抗浪涌選型是熔斷器選型的難點，經常出現因選型不當而造成浪涌電流沖斷熔斷器的情況，基于這種背景，筆者對熔斷器抗浪涌電流的選型進行了研究。

1 熔斷器的熔化熱能

熔斷器的熔化熱能是指熔斷器熔斷所需要的能量。通常熔斷器的熔化熱能通過以下步驟得到：

（1）測量熔斷器阻值R；

（2）加載過載恒定電流I，測算熔斷時間t；

（3）通過公式I2tR計算熔化熱能。

由于一種熔斷器的阻值是一個恒定值（或者在很小的范圍內波動），且使用者更關心電流大小和持續時間，因此我們通常用公式I2t來衡量熔斷器的熔化熱能。

熔斷器加電后，熔斷器的能量平衡關系簡化公式見公式 （1）[4]所示：

中，m為熔斷器的質量，Cp為熱容系數，T為溫度，t為時間，為升溫速率，I2R為產熱速率，為散熱速率。由公式（1）可知，當產熱速率大于散熱速率時，>0，溫度隨時間上升，當溫度上升到熔斷體的熔點后，熔斷器熔斷。當熔斷器的產熱速率慢時，熔斷體的溫升就慢，熔斷時間就越長，散出去的熱量就越多，熔斷器熔斷所需要的能量也就越多，因此熔斷器的熔化熱能并不是一個恒定值。但是當電流非常大，產熱速率非常快，熔斷時間非常短時，熔斷過程就相當于絕熱過程，熔斷器的熔化熱能就是一個恒定值。圖1所示為某熔斷器熔化熱能與熔斷時間的關系曲線。由圖1可以看出，熔斷時間非常短時，熔斷器的熔化熱能是一個恒定值，且隨著熔斷時間的增加，熔斷器的熔化熱能迅速升高。

2 浪涌電流的I2T

2.1 理論計算

浪涌電流I2T的物理意義是電流在單位導體中產生的熱量，數學意義是電流的平方在一段時間內的積分，若浪涌電流I= f（t） （t0

理論上浪涌電流的I2T可以由公式（2）精確計算得出，但在實際應用中人們很難獲知f（t）函數（浪涌電流往往通過示波器抓取），因此很難通過公式（2）計算浪涌電流。

2.2 典型波形

2.2.1 典型波形示意圖

2.2.1.1 方波

方波示意圖如圖2所示。

2.2.1.2 線性波

線性波示意圖如圖3所示。

2.2.1.3 正弦波

正弦波示意圖如圖4所示。

2.2.1.4 指數波

指數波示意圖如圖5所示。

2.2.2 典型波形的I2T

典型波形的I2T見表1所列。

2.3 浪涌電流I2T計算方法

浪涌電流的計算如公式（3）所示：

由該式可知，整段浪涌電流的I2T等于分段浪涌電流的I2T之和。而2.2章節所描述的典型波形可以由波形中的典型值計算得出I2T，因此可以用如下步驟計算浪涌電流的I2T：

（1）將整段浪涌電流合理劃分成幾個分段，每個分段都與2.2章節中的一個典型波形相似。

（2）按2.2章節所述的計算方法計算分段的I2T。

（3）最后求和計算出整個浪涌電流的I2T。

需要特別指出的是，經過恰當的分段后，每一個分段都可以通過2.2章節所描述的典型波形合理近似，并且通過上述方法能夠較好地近似出整段浪涌電流的I2T。

2.4 浪涌電流計算示例

浪涌電流示意圖如圖6所示，其中，I2 =0.368I3，按照2.3章節所述的計算方法來計算浪涌電流的I2T。

（1）浪涌電流分段

我們將圖6所示的浪涌電流劃分為4段， t0-t2指數波段，t2-t3正弦波段，t3-t5指數波段，t5-t6線性波段。

（2）分段計算I2T

第一段指數波：

第二段正弦波：

第三段指數波：

第四段線性波：

（3）分段I2T求和

整段浪涌電流的I2T為：

3 抗浪涌選型方案

熔斷器的熔化熱能（I2T）不是一個恒定值，其會隨著熔斷時間增加而不斷增加，因此只有將一段時間電流的I2T與相同時間下熔斷器的I2T相比較才有意義。圖7所示為浪涌電流示意圖，從圖中可以看出單位時間得到的I2T并不一樣，圖中陰影部分所產生的I2T明顯高于兩邊。因此，給出如下幾點選型原則：

（1）將一段時間下浪涌電流產生的最大I2T，即maxI2T與相同時間下熔斷器的I2T比較；

（2）只有整個maxI2T都小于熔斷器的I2T，熔斷器才不會被熔斷。

如圖7所示，將一條直線自上而下移動，并與浪涌曲線交叉，交叉范圍內所計算得到的I2T就是maxI2T。

浪涌電流的maxI2T與熔斷器的I2T比較示意圖如圖8所示，其中A曲線是A熔斷器的I2T，B曲線是B熔斷器的I2T。從圖8中可以看出，雖然整段浪涌電流的maxI2T比B熔斷器的I2T低，但是中間的一段卻比B熔斷器的I2T高，因此這段浪涌電流肯定能造成B熔斷器熔斷；而整條浪涌電流的maxI2T都在A熔斷器的I2T曲線之下，因此這段浪涌電流肯定不能造成A熔斷器熔斷。

4 結 語

在電子電路中，浪涌電流經常出現，這些浪涌電流往往是穩態電流的數倍，因此經常出現因選型失誤而造成浪涌電流沖斷熔斷器的現象。針對這一問題，筆者從浪涌電流I2T計算入手，給出了浪涌電流I2T的簡便計算方法，并結合熔斷器熔化熱能并不恒定的特性，提出了抗浪涌選型的原則，為熔斷器抗浪涌選型提供了依據。

參考文獻

[1]石頡， 李燁剛， 施海寧，等.玻璃管熔斷器熔斷體老化失效的物理分析[J].低壓電器 ，2010（13）：1-3.

[2]劉文澤， 蔡澤祥， 馮順萍，等.電容器組中熔斷器非短路開斷的電氣特性[J].華南理工大學學報（自然科學版），2009，37（11）：95-99.

[3]鄭索平.選擇保險絲的十個要素節選[Z].

[4]張洪偉，趙婧，曹珊珊，等.高可靠熔斷器步進電應力極限評估試驗[J].電子元件與材料， 2013，32（5）：56-59.