中低壓熔斷器常見故障及選型原則簡析

林博勇，焦夏男，臧春艷，劉 春，賀舒媛，王國慶

（1.中國南方電網有限公司廣州荔灣供電局，廣東 廣州 510000；2.華中科技大學電氣與電子工程學院，湖北 武漢 430074）

0 引言

熔斷器已經生產了一百多年，現在世界各國和我國都在大量生產和使用熔斷器，它們承擔著保護電氣設備和電網的重要任務，并且限制了不可避免的事故發生和確保用戶供電［1-3］。我國自上世紀五十年代開始進行熔斷器生產，主要是對典型的熔斷器進行研究、試制，而后形成幾個系列的產品。上世紀八十年代，我國熔斷器產業從仿制到形成系列化產品陣容。進入本世紀后，國產熔斷器產品的發展日新月異，其類型和功能逐漸多樣化［4-5］。然而，熔斷器行業面臨的新問題是技術標準滯后、生產水平一般、產業基礎薄弱。國內熔斷器在材質、工藝、質量方面良莠不齊、魚龍混雜的現象比較嚴重，由此可能導致熔斷器接觸不良、溫升過高、該斷不斷、以致內部持續燃弧噴出，造成開關起火、設備燒毀［6-8］。

總的來說，國產熔斷器的不足主要體現以下幾個方面：

1）國內熔斷器分斷能力不夠，不能滿足設備性能發展的需求；

2）國內熔斷器正常運行的穩定性不夠，可能導致熔斷器誤動或故障；

3）國內熔斷器外形尺寸不統一，給安裝使用帶來極大的不便。

國內產品和國際的差距主要來自產品經驗和實驗論證方面的不足，積累經驗需要長期的過程和足夠的產品應用案例。為此，本文統計了近年來多起中低壓熔斷器運行事故，對事故原因進行了歸類與分析，并基于工程應用的現場需求，對中低壓熔斷器選型的基本原則進行了梳理。

1 熔斷器典型結構

熔斷器主要由熔體（有的熔體裝在具有滅弧作用的絕緣管中）、金屬觸頭、觸頭座和支持絕緣子組成。而熔體是熔斷器的核心部位，其材料、尺寸和形狀都會影響熔斷特性。熔體常做成絲狀或片狀，熔體的材料必須具有熔點低、導電性能好、易熔斷、不易氧化等特性［9］。在小電流情況下，熔體一般選用鉛錫合金、鋅等低熔點材料；在大電流情況下，則用銀、銅、鋁等高熔點材料［10］。熔體串聯在電路中，短路時電流增大，由于焦耳熱效應，熔斷器會隨著溫度的升高而熔化，引發電弧并限制故障電流［11］。

圖1是熔斷器比較常見的一種結構形式。

圖1 熔斷器典型結構示意圖Fig.1 Scheme of fuse’s typical structure

低壓熔斷器有時采用熔片結構，即用某種金屬或合金按特定形狀剪切壓制而成。這種異常簡單的結構一般多用于配網的戶外臺架上，在線路過流時起熔斷保護作用（如圖2所示）。

圖2 戶外低壓熔斷器（熔片）Fig.2 Outside low voltage fuse(fusion bead)

2 中低壓熔斷器常見故障

2.1 過熱類故障

這類故障主要包括外界環境或人為操作不當導致的溫升過高。

2.1.1 接觸不良

1）熔斷器兩端存在接觸不良現象。包括熔體與觸刀接觸不良、觸刀與刀座接觸不緊密或銹蝕等情況。接觸不良會給熔斷器帶來額外的溫升。因此需要對觸刀進行調整或者去除氧化層，使其接觸良好。

2）熔斷器安裝時端部接觸壓力不夠，導致熔斷器兩端接觸電阻過大。在安裝時應擰緊螺絲釘使導線壓接牢靠。圖3即為某配網臺架用紅外成像檢測時，發現低壓熔斷器（熔片）存在發熱異常。經檢查熔片本體電阻正常，故異常溫升可能因端部安裝時接觸電阻過大所致。

圖3 熔斷器過熱故障示例Fig.3 Example of fuse overheating failure

2.1.2 安裝運行環境不合適

1）環境導致的熔斷器內部受潮，發熱異常。潮濕可能造成熔斷器連接處接觸表面腐蝕，造成高阻現象，導致溫升過高。

2）熔斷器外部不明原因導致的熔斷器外殼溫度過高。應改善運行環境溫度，或將熔斷器安裝在溫度合適的位置。

2.1.3 散熱不夠

1）熔斷器外殼散熱設計缺陷。散熱型封閉式熔斷器會因為使用時間過久，熔體因運行溫度升高，使熔體特性變化而誤斷，對用電造成一定的困擾，而且熔斷后的熔絲更換不便利，更加提高了維修的工作難度。文獻［12］提出了一種能夠高效散熱的熔斷器設計，散熱裝置包括金屬框體、散熱風扇、防塵網、金屬網，熔絲設置于樹脂管內，有機玻璃外管內填裝石英砂。蓋合后整體封閉性好，能夠防塵防水，還能及時將熔絲上的熱量散去，保證了熔絲的良好特性，延長了熔斷器的使用壽命。

2）熔斷器外部散熱條件惡化。現有的熔斷器常設有通氣孔以散熱，然而散熱的同時，熔斷器外的固體顆粒極易進入熔斷器內部造成熔斷器損壞。文獻［13］提出在散熱裝置內安裝過濾片，過濾片的存在可在通氣孔散熱的同時有效防止雜質顆粒進入熔斷器內部。

2.2 熔體異常熔斷故障

這類故障主要包括熔斷器自身結構和尺寸存在問題，或者熔斷器所在電路異常導致的熔斷。

2.2.1 熔絲選擇不當

1）熔斷器采用劣質熔絲，材質純度不夠，含雜質較多，熔絲質量不過關。雜質的存在會影響熔絲的熔點和機械性能，導致熔絲使用壽命或無法正常工作，在生產制造時應嚴格按照標準執行，避免雜質產生。

2）熔斷器材質達標，但熔絲通流能力設計缺陷，熔絲電阻過大。熔斷器的熔絲應根據負載大小和負載的性質選擇，熔絲電阻值與它的額定電流值成反比。一般情況下，在保護電路中要求熔斷器的阻值較小，它的損耗功率也更小。例如目前部分廠家考慮到原材料成本，在部分熔斷器產品中使用銅替代貴金屬銀。一般來說如果設計合理，熔斷器也可達到正常熔斷和保護的功能；但如果設計不合理，就會發生未在設定條件下熔斷的事故，如圖4所示。

圖4 發生異常熔斷的熔體Fig.4 Abnormal blown fuse element

3）熔絲材質、電阻大小合格，但熔絲存在局部制造缺陷。熔絲熔斷后，應選擇與原尺寸相同的熔絲進行更換，不能任意選擇尺寸更大或更小的熔絲。更不能用熔點和導電性能不同的其他金屬絲替代，以免造成事故。

4）熔絲存在一根異常斷裂情況。一根熔絲不夠需用多根熔絲時，一般不能將其絞扭成一股使用，因為這樣會降低熔絲的總容量，造成非正常熔斷［14］。

2.2.2 填料選擇不當

1）熔斷器內部填充物石英砂顆粒過大或過小。石英砂填料固化后，即通過膠合作用使石英砂填料的顆粒合成為一個牢固的整體，能提高熔斷器的極限開斷能力，因為石英砂固化后，可以有效地抑制燃弧過程中電弧直徑的擴展。

2）熔斷器內部填充物石英砂致密度不達標。熔斷器中石英砂的裝填密度對分斷短路電流的能力有很大影響。裝填密度高有利于電弧電壓的建立，提高分斷能力［15］。有填料熔斷器在更換熔絲時，同時需要更換石英砂填料。更換后的石英砂必須干燥且與原石英砂純度保持一致，否則，會導致熔斷器滅弧能力降低，而使熔絲非正常熔斷。

2.2.3 熔絲老化

1）長期使用過程中熔絲發生老化、劣化。熔絲老化的成因主要有熔絲金屬電遷移、銀離子遷移，熔斷器內部的焊劑冶金效應、助焊劑腐蝕、金屬蒸發等。熔絲的老化會改變熔斷器的動作特性，導致之后的運行中極易發生熔斷器誤動作。全新的熔斷器提供的保護在使用后可能無法繼續有效，因此，建議熔斷器制造商提供時間-電流特性變化的相關信息，以避免由于老化而導致的意外中斷［16-18］。

2）長期使用過程中熔絲腐蝕。熔斷器內部受潮的主要成因是安裝環境導致的潮濕，而熔絲腐蝕是長期運行難以避免的，空氣中的潮氣進入熔斷器內部，加速熔絲金屬的氧化。

2.2.4 過電壓或過電流

1）熔斷器所在電路發生不明原因的過電壓過程。過電壓不僅會影響電力系統的穩定和可靠運行，甚至會引起設備損壞或燒毀。除此之外，電路出現短路電流使熔體熔化時，由于石英砂的滅弧性能和冷卻作用，在熄弧過程中也會引起非常高的過電壓，導致熔斷器兩端電壓遠遠高于電源電壓。這種熔絲動作引起的過電壓十分危險，有可能引起電路故障或導致繼電保護裝置誤動作［19］。

2）熔斷器所在電路發生鐵磁諧振過程。由于電壓不平衡、電網擾動、空載母線合閘等原因造成電壓互感器鐵芯飽和，從而產生較高幅值的鐵磁諧振過電壓。可能導致熔斷器燒毀，并引起電壓互感器爆炸和停電事故。

3）熔斷器電路啟動時的沖擊電流過大。系統發生單相接地時，另外兩相電壓上升至線電壓，大地和導線之間會有電荷移動，導致電容放電而形成過電流。接地故障被排除后電壓恢復正常值，此時自由電荷將通過TV一次繞組通向大地。但當自由電荷較多時，會引發較大的沖擊電流。如果實際工作中頻繁出現單相瞬時接地，會導致沖擊電流不斷累加，從而更易引發熔斷。另一方面，雷擊引起的電流浪涌也會影響配電網熔斷器的工作，甚至引發誤動作［20-21］。

2.3 結構缺陷類故障

這類故障主要包括熔斷器部件存在重大缺陷導致其無法正常工作。

1）熔斷器撞針系統設計或安裝存在缺陷。熔斷器的撞擊器設計包含撞針和彈簧，正常狀態時撞針被熔絲拉緊壓縮彈簧。當熔斷器的熔絲熔斷后，撞針失去拉力被彈出熔斷器后蓋外，觸動裝在熔斷器后的一個接點，從而發出熔斷器動作的電信號，聯動系統中其他設備。熔斷器撞針觸動開關存在缺陷會導致信號無法聯動其他回路，跳閘回路不能合閘閉鎖。撞擊器的結構如圖5所示，動作過程如圖6所示。

圖5 彈簧式撞擊器的結構Fig.5 Structure of spring striker

圖6 撞擊器行程的不同階段Fig.6 Different stages of striker travel

2）外管或瓷器件等破損。應注意安裝的高度，避免機械損壞。操作時用力要適當，避免用力過猛導致的損壞。出現輕微裂損時要及時更換，平時應加強巡視，防止有意外損壞。

2.4 參數不匹配類故障

這類故障主要是熔斷器自身不存在問題，但是與其他開關器件配合時參數不匹配，導致組合電器無法正常工作。

1）熔斷器規格與負荷開關參數不匹配。負荷開關-熔斷器組合電器的配合方式如下：過載時負荷開關由分閘，短路時則由熔斷器進行保護。負荷開關繼電保護的動作特性與熔斷器的時間-電流曲線不相同，其交點稱為“轉移電流”。如果轉移電流選用不當，負荷開關的分斷能力小于轉移電流，將因為負荷開關的滅弧能力不夠而引發嚴重電路故障，甚至引起開關爆炸。

2）熔斷器短時間內發生多次由負荷開關引起的大電流開斷過程。負荷開關與熔斷器的工作特點有很大差別，熔斷器能夠開斷短路大電流，而負荷開關滅弧能力有限，只能開斷額定電流和一定的過載電流，不能開斷短路電流。

3 中低壓熔斷器性能影響因素

熔斷器正常工作需要的基礎性能有：沒有故障的情況下，通流、電氣和機械連接可靠；壽命滿足要求。采用優質材料和防腐處理，結構穩定可靠，工況損耗小或無明顯損耗；在故障電流時，可靠有效分斷。其中，“可靠分斷”指熔斷器在所有的約定故障范圍內分斷電流，且自身完好。“有效分斷”是指分斷的時間、截斷電流和I2t值等符合預定的要求，有效保護系統或器件。

需要注意的一點是，與低壓熔斷器不同，中壓熔斷器具有最大和最小的開斷電流額定值，這意味著對于連續電流額定值和最小開斷電流額定值之間的電流，熔斷器會熔化，但不會開斷電流，這種情況可能導致熔斷器故障，因此中壓熔斷器需要根據負載仔細調整尺寸［22］。熔斷器工作性能的影響因素總結如圖7所示。

圖7 熔斷器性能影響因素Fig.7 Affecting factors for fuse performance

4 中低壓熔斷器選型原則

不同的使用場所和使用條件決定著熔斷器的類型，選擇合適的類型及規格的熔斷器可以保證熔斷器的安全可靠工作。熔斷器的環境溫度、安裝尺寸限制、被保護對象的過載特性、預期的短路電流以及在配電系統中的級間配合都是需要考慮的因素。

1）種類

在選擇熔斷器時，首先要做的是根據使用電壓、保護對象和保護范圍確定熔斷器的種類。前文已經簡要介紹了熔斷器的分類，可供選擇時參考。

2）額定電壓

熔斷器的額定電壓應該大于系統或設備的最高電壓。但是對于限流熔斷器，則不宜使用在低于熔斷器額定電壓的電網中，因為限流熔斷器的滅弧能力很強，開斷時產生的過電壓可達相電壓的3.5～4倍，可能損害電網中的電氣設備。一般的額定電壓確定方法如表1所示。

表1 熔斷器額定電壓的確定方法Table 1 Determination of rated voltage of fuse

3）額定電流

一般來說先確定電壓等級，再根據設備情況確定電流大小。低壓熔斷器結構比較簡單，其熔體額定電流按照經驗公式確定。

①保護平穩負載或家用電器，熔體額定電流應按照電路總電流的1.05～1.15倍來選擇。

②保護單臺直接起動的電機，熔體額定電流按下式選取：

式（1）中，IRN為熔體額定電流，IN為電動機額定電流。不頻繁起動的電動機取較小的系數，頻繁起動的電動機系數增加至3～3.5。

③保護多臺小容量電動機共用線路，熔體額定電流按式（2）選取：

式（2）中，INmax為最大容量的電動機額定電流，ΣIN為其余所有電動機額定電流之和。

對于高壓熔斷器，給定使用情況選用的熔斷件額定電流，往往由使用中連續電流不同的其他因素確定。可能的影響因素有：熔斷件周圍介質的溫度、連接線的類型和尺寸、熔斷件放置方向、熔斷件的外殼、太陽輻射的影響、強迫冷卻的影響。考慮修正系數的計算公式為：

式（3）中，In為熔斷器額定電流；IRMS為最大持續負載電流；Kt為溫度修正系數；Ke為連接導體修正系數；Kv為冷卻風修正系數；Kf為頻率修正系數；Ka為海拔高度修正系數；Kb為安裝空間修正系數，敝開安裝為1.0，密封空間安裝為0.8。

4）分斷能力

①用于負荷開關-熔斷器組合電器，最小開斷電流僅需低到足以保證與組合電器的負荷開關正確配合；

②用于單獨保護變壓器或配電線路，額定最小開斷電流是小于低壓保護裝置上游可能出現的最小短路電流，這時熔斷器額定最小開斷電流的典型值是變壓器額定電流的4～8倍；

③與噴射式熔斷器組合用以提供短路保護時，最小開斷電流僅需低于串聯組合的交接電流；

④用作電動機回路保護，通常最小開斷電流只需要保證與開關裝置的過電流繼電器正確配合，當要求更大的安全性時，熔斷件的最小開斷電流至少到被保護電動機的轉子堵轉電流；

⑤用作電容器保護；因為電路中一個或多個電容器元件擊穿時電流增加不大，所以只需選取很低的最小開斷電流值；

⑥在僅用作線路保護的情況下，則可使用具有較高的最小開斷電流值的熔斷器。

5）結構和尺寸

為推動熔斷件尺寸標準化，《GB/T 15166.2—2019高壓交流熔斷器第2部分：限流熔斷器》在附錄中列出了高壓熔斷器在各個國家的現行標準中規定的型號和尺寸及其分類方式，應根據安裝位置選擇合適的尺寸。由于低壓熔斷器結構簡單且體積較小，國家標準中尚未對其尺寸做出相關要求。

6）選擇性

選擇性是指上下級支路之間，下級某一支路出現故障時不會影響到上級及其他支路的正常工作。如果下級熔斷器的總分斷曲線和上級熔斷器的最小熔化曲線之間保持分離，則認為熔斷器是有選擇性的。熔斷器過電流選擇性的要求與熔斷器系統、額定電壓和熔斷器的使用有關。傳統的選擇性分析方法基于時間-電流特性，然而這可能會得到關于選擇性的錯誤結論：選型恰當時的選擇性可能高于分析所顯示的選擇性，而分析計算不夠精確時，分析結果也可能錯誤地顯示出更大的選擇性［23］。現行國家標準中采用時間-電流特性和弧前及開斷I2t值驗證熔斷器的選擇性，可以得到關于選擇性更可靠的結論。大多數情況下，可以認為當弧前時間大于0.01 s時，上下級熔斷器額定電流之比為1.6∶1時選擇性可以得到保證。

4 結語

中低壓熔斷器在電氣設備中屬于量大面廣的應用產品，也是電力系統的基本組成單元，一旦失效將造成不容忽視的經濟損失和社會影響。但長期以來，運維人員的通用做法是對故障熔斷器進行直接更換，對中低壓熔斷器故障缺乏較全面的分析。本文針對這一現狀，在介紹了熔斷器典型結構的基礎上，將中低壓熔斷器的常見故障歸納為過熱類、熔體異常熔斷類、結構缺陷類和參數不匹配類，并對四大類故障的具體原因進行了逐一分析，還梳理了基本的熔斷器選型原則，從而給設備運維人員提供了切實可行的理論指導。