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内熔丝熔断机理试验研究
西安电力电容器研究所（西安710082）赵醒社
内熔丝是电力电容器的重要安全器件。对内熔丝的试验研究以前进行过许多工作，主要进行的是内熔丝性能的研究，对内熔丝的熔断机理试验研究不多。本文在对不同结构的内熔丝的性能试验研究的基础上，通过对内熔丝熔断过程中试验现象的分析，结合“电器电弧理论”，得出内熔丝的熔断机理，供大家参考、指正。内熔丝在电力电容器中的作用是：（1）快速熄灭元件击穿产生的（高压直流）电弧，（2）切断元件击穿短路（工频）电流。熄灭元件击穿产生的电弧是其主要作用，也是本文讨论的重点。内熔丝在电力电容器不同工作条件下，其物理模型有所不同。在交流电压下元件击穿时，由于绝缘介质的击穿一般在电压波形的45°以上，串联段上瞬间电压不能跃变，所以，可以等效于电容器直流充放电电路，由于元件击穿后的短路电阻（电弧电阻）小，而且还是一个非线性电阻，为了简化研究模型，将其忽略，用真空断路器替代。综上所述，我们采用的内熔丝直流试验研究电路如图1所示。通过改变放电电容和放电电压来模拟内熔丝的不同工作状况。内熔丝试品放在油中。

B—试验变压器D—硅堆R0—充电电阻Cs—充放电电容Us—试验电压L—回路固有电感R—回路固有电容F—内容丝K—真空断路器1内熔丝的熔断机理试验分析传统的内熔丝熔断机理是认为内熔丝的熔断过程是一个绝热过程，当内熔丝上通过一个强大的（脉冲）电流时，内熔丝急剧发热，熔体的部分或全部迅速完成从固态到液态、气态的两个相转变，或直接完成从固态升华到气态的相转变，熔体成为高温，高压的热金属气体，金属气体以爆炸的形式迅速扩散，熄灭在其间形成的电弧。传统的内熔丝是沿袭前苏联的习惯，将金属丝缠绕在花纸板上，内熔丝是螺旋结构（以后简称纸板内熔丝），而内熔丝的熔断过程在几个到几十个微秒之间完成，试验中很难检测到纸板熔丝的熔断过程和电弧的轨迹，即使有金属气体也不可能检测到，而只能得到熔体的残段。用传统的内熔丝熔断机理解释纸板内熔丝的熔断过程相当满意。基于这一理论基础，我们在制定内熔丝研究方案时，将研究的重点放在内熔丝的性能和结构对比试验研究上。在对纸板内熔丝和线形内熔丝对比试验中，进行内熔丝的最大通过能量、最小熔断能量、下限熔断能力检验试验、上限熔断能力检验试验时，出现了一些用传统的内熔丝熔断机理难以充分解释的结果和现象：①在进行最大通过能量试验后，线形内熔丝的电缆纸包封有明显的熔体通体连续的，清晰的灼痕。②线形内熔丝熔体从单断口回弹后的灼痕，断口清晰可辩见。③“水锤效应”{水泵在起动和停车时，水流冲击管道，产生严重的“水锤效应”。"水锤效应”是指在水管内部，管内壁光滑，水流动自如。当打开的阀门突然关闭，水流对阀门及管壁，主要是阀门会产生一个压力。由于管壁光滑，后续水流在惯性的作用下，迅速达到最大，并产生破坏作用，这就是水利学当中的“水锤效应”，也就是正水锤。相反，关闭的阀门在突然打开后，也会产生水锤，叫负水锤，但没有前者大。另一种关于水锤效应的表述:异步电动机在全压启动时,从静止状态加速到额定转速,水的流量从零猛增到额定流量.由于流体具有动量和一定程度的可压缩性,因此,在极短时间内流量的巨大变化将引起对管道的压强过高或过低的冲击,并产生空化现象.压力冲击将使管壁受力而产生噪音,就像锤子敲击管子一样,称为水锤效应.采用恒压供水,可以通过对时间的预置来延长启动和停车过程,使动态转矩大为减小,从而根本上消除了水锤效应}使盛绝缘油的真空玻璃干燥器、瓷套筒被炸碎。④线形内熔丝熔断后，熔体形成金属珠。对于这四个现象按传统的内熔丝熔断机理解释，①可以理解为内熔丝熔断过程是绝热过程。②、③、④很难解释清楚。我们曾怀疑我们选定的研究模型和试验回路的正确性。对研究模型和试验回路进行更改，但变化不大。于是，我们开始怀疑传统的内熔丝熔断机理的正确性，查阅了近年有关电弧、熔断器的资料。得出了新的内熔丝机理：内熔丝在电力电容器中的熔断过程是一个绝热的、低压直流电弧熄灭过程。当在内熔丝上通过一个强大的（脉冲）电流时，内熔丝的熔体急剧发热，熔体的部分或全部迅速完成从固态到液态的相转变，在电磁和表面张力的作用下，金属液体形成金属“液珠”，同时在“液珠”与“液珠”之间的绝缘介质被击穿，产生高压直流电弧。“液珠”的数量的增加与绝缘介质的击穿，就形成一个由“液珠”连接的“电弧桥”。当“电弧桥延伸到一定长度时，高压直流电弧变成低压直流电弧，整个“电弧桥”迅速崩溃，电弧熄灭。伴随产生一个孤立声波向外传播。“液珠”的数量、大小与形状决定于电流的大小和梯度、电磁力和表面张力的大小。电流大、梯度大，电磁力就大，熔体的熔点升高多，形成的“液珠”数量多、体积小，由于熔点升高多，而凝固点不变，冷凝时间长，表面张力作用时间长，形状呈规则球形。反之，“液珠”数量少、体积大，