熔斷器在建筑低壓配電設計中的應用探討

何進進

摘 要：本文闡述了熔斷器的特性及其主要優缺點，分析并歸納了熔斷器在建筑低壓配電線路中不同條件下的選型應用。

關鍵詞：低壓配電線路；熔斷器；選型

1 前言

根據德國金米勒公司提供的資料，目前歐洲90%以上的電網依然由熔斷器保護，而且對于熔斷器的發展也一直很重視[1]。但在國內的建筑低壓配電系統設計中，低壓熔斷器的使用卻較少。為此，本文對低壓熔斷器的特性和選型等方面進行了分析和歸納。

2 熔斷器的主要類型

按使用電壓分為高壓熔斷器和低壓熔斷器，本文主要介紹低壓熔斷器。

按分斷范圍和使用類別分為“gG”、“gM”、“gTr”、“aM”等，其中“gG”為一般用途全范圍分斷能力熔斷器（主要用于電纜和導線保護），“aM”為保護電動機電路的部分范圍分斷能力的熔斷器，此兩種低壓熔斷器在建筑低壓配電系統設計中最常應用[2]（目前“gG”型熔斷器也經常會用來保護電動機，前提是其能承受電動機的起動電流）。

按結構可分為專職人員使用的熔斷器（主要有刀型觸頭熔斷器、圓筒形帽熔斷器、螺栓連接熔斷器和偏置觸刀熔斷器）和非熟練人員使用的熔斷器。隨著工業發展的需要，還制造出適于各種不同要求的特殊熔斷器，如電子熔斷器、熱熔斷器和自復熔斷器等。

3 熔斷器的特性

3.1 時間-電流特性

過電流開始至熔體熔化之間的時間間隔（弧前時間）取決于過電流的大小。這樣，對個別的熔斷器而言，對于每個過電流，弧前時間具有個別化的特征。弧前時間和開斷電流之間的關系被稱為特性并繪制為時間-電流曲線（以符合國家標準的NH型熔斷器OFA為例，見圖1）。時間-電流特性是用來確定保護效果和協調熔斷器與其他保護器件的重要數據。

上圖中，橫坐標 ： 預期短路電流 Ip（有效值），縱坐標 ： 弧前時間 s。

3.2 限流特性曲線

熔斷器在分斷短路電流時具有限流特性，即在短路電流峰值出現之前已經熔斷，切斷短路電流，從而保護了配電線路及負載，避免因巨大的熱沖擊和電動沖擊所造成的損失。熔斷器限流特性曲線由制造商提供，見下圖2為例。

3.3 約定時間和約定電流

約定電流分為約定不熔斷電流和約定熔斷電流。約定不熔斷電流為熔斷體在約定時間內不熔斷的最大允許電流，約定熔斷電流為熔斷體在約定時間內可以熔斷的最小電流。額定電流16A及以上的g類熔斷體約定時間和約定電流見表1，額定電流16A以下的gG類熔斷體的約定時間和約定電流見表2。

3.4 過電流選擇比

上、下級熔斷體的額定電流比為1.6：1時，具有選擇性熔斷，該比值即為過電流選擇比。

3.5 I2t特性

熔斷體允許通過的I2t（即焦耳積分）值，是用來衡量在故障時間內產生的熱能。因此，熔斷器的I2t值應小于被保護電器設備的I2t值。弧前I2t是熔斷器弧前時間內的焦耳積分；熔斷I2t是全熔斷時間內的焦耳積分，是用來考核其過電流選擇性、熔斷器與斷路器之間選擇性配合的參數。

3.6 分斷能力

熔斷器由于具備限流能力能在很短的時間內分段相當大的短路電流。通常情況下，預期短路電流越大，熔斷器的額定電流越低，則其限流作用就越明顯。有效的限流作用和相應的高分段能力是熔斷器的基本特性。

4 熔斷器的主要優缺點簡述

4.1 熔斷器的主要優點[3]

（1）選擇性好。因為熔斷器弧前時間—電流曲線實際上在全電流范圍是平行且互不相交，故熔斷器之間能較容易實現全選擇性保護，提高了供電系統的可靠性。這對于其他保護元件來說很難做到，是熔斷器非常重要的優勢。上下級熔斷器的熔斷體額定電流只要符合國標和IEC標準規定的過電流選擇比為1.6：1的要求，即上級熔斷體額定電流不小于下級的該值的1.6倍，就視為上下級能有選擇性切斷故障電流。

（2）限流特性好，分斷能力高。熔斷器能容易實現較高的分斷能力。如對于非熟練人員使用的熔斷器，其交流最低分斷能力為50kA；對于專職人員使用的熔斷器，其分斷能力可容易達到100kA，特殊制作的更可達到300kA。而對于斷路器而言，這樣的分斷能力就意味著較高的成本。

（3）不需要復雜的短路計算。熔斷器的最低分斷能力較高，通常情況下交流最低分斷能力大于其所使用場所的短路電流，故可不進行短路計算。而對斷路器而言，分斷能力級數有很多， 如4.5kA、6kA、10kA、25kA、35kA和50kA等，并且分斷能力越高的斷路器價格越貴。為節約投資，通常是需要進行短路計算，以選擇適合安裝場所分斷能力的斷路器。

（4）可靠性高。熔斷器在熔斷后必須進行更換，新換上的熔斷器能保持原有性能，保護系統依然100%的安全有效。受保護的電器壽命受到其保護電器熔斷器和斷路器的老化問題影響。熔斷器的熔體雖然會熱老化，可能會對過載區的熔斷產生影響，但是這樣的老化并不會降低其安全性和可靠性。而斷路器這樣的機械性設備，出現故障的風險會隨著老化程度增加而增大，因此需對其進行評估并制定維護措施。

（5）經濟有效的保護。與斷路器相比，熔斷器具有較小的外形尺寸、緊湊的結構、高分斷能力和低廉的價格。配電柜內的保護電器會在故障 （如電纜損壞、短路） 或系統缺乏選擇性時動作之后被檢修。這時短路電流很大，若未排除故障就再合閘會對系統造成嚴重損害。相比斷路器，熔斷器具有很強的分斷能力和無比的可靠性。

（6）不損害起動器和接觸器。在故障后，熔斷器可保證系統安全、快速和有效地重新起動。熔斷器的限流作用很強，能使系統達到配合類型2的要求（根據IEC 60947—4—1，2 型保護要求接觸器或起動器在短路條件下不應對人及設備形成危害，且應能夠繼續使用）。因此，用熔斷器保護不損害起動器和接觸器。

（7）不需維護。熔斷器是靜態保護裝置并且是密閉的，這使其能在最繁雜的環境、沒有維修和保養的條件下也可對配電系統進行長效和可靠的保護。熔體的反應是按照物理規律和能量學原理進行，因而結構合適的熔斷器不需要維護、調整或重新校核，在使用過程中能幾十年的維持最初設計的過電流保護水平。

4.2 熔斷器的主要缺點

（1）在故障熔斷后必須更換熔斷體。（2） 保護功能單一，只有一段過電流反時限特性，過載、短路和接地故障都用此防護。（3）不能實現遙控，需要與電動刀開關、開關組合才有可能。（4）用于三相電動機保護時，若發生一相熔斷，會對三相電動機將導致兩相運轉的不良后果。也可用帶發報警信號的熔斷器予以彌補，一相熔斷可斷開三相。

5 建筑低壓配電線路中的常見故障

短路和接地故障，多發生在末端回路，約占到90%以上，特別是插座回路更是如此，原因是插頭、插座和移動電器及其導線和接頭等較容易出故障。就故障類型而言，接地故障多，相間短路少，前者約占80%～90%。電動機等設備的末端回路，通常是過載多，而短路故障較少。電動機的過載約占80%以上，而過載是用熱繼電器保護的，不會使熔斷器、斷路器動作。

6 熔斷器的選型及合理應用

選擇熔斷器，首先根據在低壓配電系統的實際使用條件確定熔斷器類型，包括選定合適使用類別和分斷范圍。一般“gG”全范圍熔斷器兼有過載保護功能；而“aM”部分范圍熔斷器的作用主要是短路保護功能。

6.1 熔斷器額定電壓和額定電流的選定

熔斷器的額定電壓Un不應低于線路的額定電壓Ue。

在配電系統正常運行時，熔斷體額定電流In不應小于線路計算電流，且應盡量的接近線路計算電流。照明線路一般采用“gG”熔斷器，其熔斷體選擇可按式（5.1）選用。

In≥KIC （5.1）

上式中，IC為照明線路的計算電流，K為照明線路熔斷體的選擇計算系數（其值見下表3[4]）。

當用于電動機電路時一般采用“aM”熔斷器，，在不經常起動或起動時間不長（如一般機床電動機）時，可按式（5.2）選用。在經常起動或者起動時間較長（如起重機電動機）時，可按式（5.3）選用。

In=IA/（2.5～3） （5.2）

In=IA/（1.6～2） （5.3）

上兩式中，IA是為電動機的起動電流。

如按起動情況求得的熔斷體電流低于線路的計算電流，則仍應按正常運行情況選用。

6.2 熔斷器的選擇性配合

（1）熔斷器與熔斷器之間的配合。可見本文第4.1.（1）中所述，此處不在復述。但是當短路電流很大，熔斷器弧前時間小于0.1s時，這樣選擇后還須用I2t值進行驗證，保證上級熔斷器的I2t值大于下級熔斷器的I2t值。

（2）熔斷器與斷路器的配合。若配電線路中某處短路電流超過該處斷路器的額定分斷能力，則可在斷路器的電源側設置1只后備保護熔斷器。 后備保護熔斷器必須在短路電流達到斷路器的額定分斷能力之前分斷，見下圖3所示。

上圖中，a為熱脫扣器，n為瞬動脫扣器，r為額定分斷能力，ID為安裝位置最大預期短路電流。

（3）熔斷器與接觸器和熱繼電器的配合。熔斷器在與接觸器和熱繼電器的配合中起到短路保護作用。在選擇熔斷器時，需要對各電器元件的有效范圍和工作特性進行科學合理選配，須滿足下列各項條件。

①熔斷器和熱繼電器的時間—電流特性須保證電動機從零速到全速的延時范圍。②熔斷器須能保護熱繼電器不受超過其額定電流10倍的大電流破壞。③ 熔斷器須能分斷接觸器不能分斷的大電流（接觸器額定工作電流的8倍或10倍以上），并能在短路時保護接觸器，免其觸點不會發生熔焊。

7 結束語

綜上所述，雖然熔斷器有保護功能單一及不能實現遙控等缺點，但其與斷路器相比有著反時限性優越、更經濟、易規模化生產、結構簡單更為可靠等優勢在建筑低壓配電設計中也應充分被利用。在建筑低壓配電設計中各種保護電器綜合選擇，一般的方案可取下表4所示。

參考文獻：

[1] 孫文華.低壓熔斷器組合電器在寶馬萊比錫工廠中的應用[J].電世界，2014（5）：225：230.

[2] Dr.-lng.Herbert Bessei.熔斷器手冊.NH-HH回收應用協會，2008（10）：29.

[3] GB/T 13539.5.低壓熔斷器，第5部分：低壓熔斷器應用指南，2013：9.

[4] 陳澤毅，任元會，等.工業與民用配電設計手冊（第三版）[M].北京：中國電力出版社，2005：623.