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?？臻g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(shè)計(jì)要求很高。一般的，作為一個(gè)重要的安全性措施，空間飛行器電路設(shè)計(jì)會在關(guān)鍵的環(huán)節(jié)使用熔斷器［1-2］，當(dāng)出現(xiàn)電路短路等異常情況時(shí)，靠熔斷器斷開故障回路，以保證飛行器的安全。目前國內(nèi)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(tài)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(fā)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(fā)的載人航天器電源系統(tǒng)就使用了RSG-I-FFA系列熔斷器作為安全性設(shè)計(jì)措施。根據(jù)文獻(xiàn)［4］報(bào)道，F(xiàn)M08系列管狀熔斷器在低氣壓高電壓75 VDC以上

環(huán)境中分?jǐn)鄷r(shí)，部分存在持續(xù)放電拉弧的現(xiàn)象。由此，與FM08結(jié)構(gòu)熔斷機(jī)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(guān)電源系統(tǒng)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(jìn)行了與FM08系列管狀熔斷器熔斷試驗(yàn)相同環(huán)境下的熔斷特性試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期的目的，驗(yàn)證了RSG-I-FFA系列熔斷器在高電壓低氣壓環(huán)境條件下熔斷的可靠性。

2 熔斷器保護(hù)電路的原理

RSG-I-FFA系列熔斷器與FM08系列熔斷器成品結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(hù)，當(dāng)熔絲通電時(shí)，電流轉(zhuǎn)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(chǎn)生的熱量與熔絲以傳導(dǎo)、輻射、對流等方法散發(fā)的熱量達(dá)到平衡時(shí)，熔絲能保持在安全的溫度范圍內(nèi)長期工作;若熔斷器所在電路出現(xiàn)故障，熔絲流過了超出額定值幾倍的大電流，熔絲的發(fā)熱迅速增加，其散熱速度小于發(fā)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(dá)到或超過了熔絲的熔點(diǎn)，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(hù)的作用。一個(gè)合格的熔斷器在使用的工況下發(fā)生熔斷時(shí)，熔斷器A、B兩端不能出現(xiàn)持續(xù)的拉弧放電現(xiàn)象，A、B兩端應(yīng)保證電流可靠斷開，熔斷器的管體結(jié)構(gòu)保持良好。

3 高電壓低氣壓環(huán)境條件下的熔斷特性測試試驗(yàn)方案

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目

根據(jù)國外文獻(xiàn)介紹［4］的情況，F(xiàn)M08系列熔斷器熔斷時(shí)持續(xù)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(jìn)行如下的試驗(yàn):

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(yàn)中氣壓參數(shù)偏差最大±20%，其他各參數(shù)最大誤差±10%。

3.2 試驗(yàn)方案

低氣壓情況下熔斷器性能測試試驗(yàn)原理如圖2所示。

按圖2所示框圖進(jìn)行試驗(yàn)，圖2中低氣壓容器保證熔斷器所處的低氣壓環(huán)境，V1電源提供熔斷器熔斷的電流和電壓，F(xiàn)P為外置慢熔保護(hù)熔斷器，在被測熔斷器FX發(fā)生低氣壓持續(xù)拉弧時(shí)保證線路的安全，RX調(diào)流電阻用于線路中熔斷電流的調(diào)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(shí)線路中的電壓電流變化情況，K1為加電開關(guān)。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Test schematic diagram

按圖2所示原理，構(gòu)建了圖3所示的低氣壓熔斷試驗(yàn)裝置，進(jìn)行相關(guān)熔斷器在不同低氣壓條件下的熔斷試驗(yàn)。具體方法是在試驗(yàn)電路板上固定好試驗(yàn)用熔斷器，調(diào)節(jié)調(diào)流電阻，調(diào)節(jié)熔斷器試驗(yàn)用開路電壓及熔斷電流至試驗(yàn)值。將固定有熔斷器的電路板置入低氣壓箱內(nèi)，封蓋并抽氣。到指定氣壓點(diǎn)，保壓20 min，待氣壓穩(wěn)定。開啟熔斷試驗(yàn)測控臺(圖1中K1開關(guān)閉合)，在指定氣壓點(diǎn)開始熔斷試驗(yàn)。記錄熔斷時(shí)間及熔斷電流波形。熔斷后保持試驗(yàn)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(yàn)電路板，觀察試驗(yàn)用熔斷器的外觀狀態(tài)。

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

3.3 試驗(yàn)判據(jù)［5-7］

1)熔斷時(shí)無持續(xù)拉弧現(xiàn)象和二次拉弧現(xiàn)象;

2)熔斷后外觀無破損，無裂紋;

3)斷態(tài)阻抗應(yīng)大于10 kΩ。

3.4 試驗(yàn)件

3.4.1 試驗(yàn)件狀態(tài)

為確保在低氣壓環(huán)境中RSG-I-FFA系列熔斷器內(nèi)部氣壓與試驗(yàn)環(huán)境完全一致，特地制作了兩種狀態(tài)的熔斷器，具體如下:

1)狀態(tài)1，不做外部環(huán)氧密封的熔斷器，如圖4所示;

圖4 不做外部環(huán)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(tài)2，半成品熔斷器，一端環(huán)氧密封，一端半密封，如圖5所示。

以上兩種狀態(tài)的參試熔斷器除與同規(guī)格RSG-I-FFA成品熔斷器密封程度不同外，其余狀態(tài)與同規(guī)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(yàn)件漏率測試

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

狀態(tài)2的熔斷器RSG-I-FFA 15A進(jìn)行完低氣壓熔斷試驗(yàn)后，隨機(jī)抽取了10只做粗檢，結(jié)果顯示，漏率均大于10-4Pa·m3/s，符合10 min熔斷器內(nèi)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(yàn)情況

3.5.1 RSG-I-FFA 3A、10A 熔斷器

按照試驗(yàn)方案的內(nèi)容，分別對兩種狀態(tài)下RSG-I-FFA 3 A、10 A系列熔斷器進(jìn)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(yàn)，試驗(yàn)電壓為125 V。

已進(jìn)行的各熔斷器的試驗(yàn)情況如下:

1)RSG-I-FFA 3A熔斷器

共進(jìn)行了60只，12組試驗(yàn)，在氣壓為1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四種工況下進(jìn)行了 2 In、4 In、100 A的熔斷試驗(yàn)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗(yàn)工況氣壓條件下，未見放電拉弧現(xiàn)象，熔斷器熔斷時(shí)間符合手冊推薦值［3］。

(1)熔斷時(shí)間

具體見表1。

表1 RSG-I-FFA 3A熔斷器低氣壓熔斷時(shí)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(huán)境下，RSG-I-FFA 3A熔斷器熔斷時(shí)，電流波形的下降沿未出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，也未出現(xiàn)二次拉弧的電流波形，熔斷時(shí)間在手冊推薦的額定值范圍之內(nèi)。

(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F(xiàn)ig.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(shí)熔斷器內(nèi)的熔絲被燒蝕，管體內(nèi)已無熔絲，熔絲斷點(diǎn)在管帽內(nèi)。

(4)結(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)及電流波形表明，該型號熔斷器熔斷后斷點(diǎn)干凈、熔斷時(shí)無持續(xù)拉弧現(xiàn)象、無二次放電拉弧現(xiàn)象、外觀無損傷。

2)RSG-I-FFA 10A熔斷器

共進(jìn)行了60只，12組試驗(yàn)，在氣壓為1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四種工況下進(jìn)行了2 In、4 In、100 A的熔斷試驗(yàn)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗(yàn)工況氣壓條件下，未見放電拉弧現(xiàn)象，熔斷器熔斷時(shí)間符合手冊推薦值。

(1)熔斷時(shí)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(huán)境下，RSG-I-FFA 10A熔斷器熔斷時(shí)，電流波形的下降沿未出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，也未出現(xiàn)二次拉弧的電流波形，熔斷時(shí)間在手冊推薦的額定值范圍［3］之內(nèi)。

(3)熔斷后X光拍照情況

隨機(jī)抽取一組熔斷后的X光圖片如圖9所示，圖片顯示，斷點(diǎn)干凈無尖銳突起。

圖9中熔斷后的波形顯示，熔斷時(shí)熔斷器內(nèi)的熔絲被燒蝕，管體內(nèi)已無熔絲，熔絲斷點(diǎn)在管帽內(nèi)，圖中一個(gè)熔斷器的管體內(nèi)有黑點(diǎn)，應(yīng)該為熔斷絲燒蝕的殘留物。

(4)結(jié)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(yàn)數(shù)據(jù)及電流波形表明，該型號熔斷器熔斷后斷點(diǎn)干凈、熔斷時(shí)無持續(xù)拉弧現(xiàn)象、無二次放電拉弧現(xiàn)象、外觀無損傷。

3.5.2 RSG-I-FFA 15A熔斷器

共進(jìn)行了43只，3組試驗(yàn)，即在電流2 In，4 In，100 A氣壓為130 Pa的工況下進(jìn)行了熔斷試驗(yàn)。詳細(xì)數(shù)據(jù)見附錄A。通過對熔斷電流檢測表明，在試驗(yàn)工況氣壓條件下，未見放電拉弧現(xiàn)象，熔斷器的熔斷時(shí)間符合手冊推薦值［3］。

1)熔斷時(shí)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(shí)熔斷器內(nèi)的熔絲被燒蝕，管體內(nèi)已無熔絲，熔絲斷點(diǎn)在管帽內(nèi)，圖中一個(gè)管熔絲端部呈球狀，為熔絲熔斷時(shí)所形成。

4)結(jié)論

狀態(tài)2的RSG-I-FFA 15A熔斷器在低氣壓130 Pa條件下的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，熔斷器熔斷電流無持續(xù)拉弧現(xiàn)象，斷點(diǎn)熔斷干凈，無尖銳突起，熔斷后無二次放電拉弧現(xiàn)象，外觀完好。

表2 RSG-I-FFA 10A熔斷器低氣壓熔斷時(shí)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F(xiàn)ig.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F(xiàn)ig.11 X-ray photo after fusing

3.6 試驗(yàn)件解剖圖

以15 A熔斷器為例，給出試驗(yàn)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(gè)特點(diǎn):

1)熔絲燒蝕后斷點(diǎn)部位形成球狀金屬物;

表3 RSG-I-FFA 15A熔斷器低氣壓熔斷時(shí)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(nèi)部顯微鏡下圖片F(xiàn)ig.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(nèi)的熔絲幾乎全部燒蝕，熔斷后，熔絲斷點(diǎn)間距比較大，相當(dāng)于熔斷器的長度;

3)熔斷器熔斷后，熔絲燒蝕時(shí)的金屬飛濺物成點(diǎn)狀隨機(jī)分布在管體內(nèi)壁，未形成連續(xù)的金屬帶。推測熔斷器熔斷時(shí)其內(nèi)部溫度相對較低，未形成金屬蒸汽，以致熔絲揮發(fā)物連續(xù)分布在罐體內(nèi)壁形成導(dǎo)電體。

3.7 斷點(diǎn)間阻抗測試

熔斷試驗(yàn)結(jié)束，隨機(jī)抽取完成試驗(yàn)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(jié)果見表4。

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

3.8 試驗(yàn)現(xiàn)象總結(jié)及數(shù)據(jù)分析

在對試驗(yàn)現(xiàn)象及數(shù)據(jù)總結(jié)分析后發(fā)現(xiàn)，RSGI-FFA系列熔斷器在低氣壓條件下的熔斷情況與本身的構(gòu)造、密封情況及熔斷電壓有關(guān)系，具體的有以下幾點(diǎn):

1)狀態(tài)1和狀態(tài)2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗(yàn)條件下熔斷時(shí)，未發(fā)生電流持續(xù)拉弧的現(xiàn)象;

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

3)狀態(tài)1和狀態(tài)2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗(yàn)條件下，所有參加試驗(yàn)的熔斷器熔斷后，外觀保持完好，未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞的現(xiàn)象;

4)狀態(tài)1和狀態(tài)2的RSG-I-FFA系列熔斷器熔斷后X光拍照顯示，斷點(diǎn)干凈未出現(xiàn)粘聯(lián)或觸點(diǎn)似斷非斷等異?，F(xiàn)象;

5)狀態(tài)1和狀態(tài)2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗(yàn)條件下熔斷后X光照片及解剖圖片顯示，斷點(diǎn)干凈未出現(xiàn)粘聯(lián)或觸點(diǎn)似斷非斷等異常現(xiàn)象，斷點(diǎn)間長度較大，斷點(diǎn)形成球狀金屬物，管壁內(nèi)側(cè)金屬飛濺物隨機(jī)分布，未形成連續(xù)金屬導(dǎo)電體;

6)狀態(tài)1和狀態(tài)2的RSG-I-FFA系列熔斷器在低氣壓高電壓大電流試驗(yàn)條件下熔斷后斷點(diǎn)間絕緣阻抗測試500 V條件下，阻抗均大于100 kΩ，達(dá)到了試驗(yàn)方案中斷態(tài)阻抗大于10 kΩ的試驗(yàn)判據(jù)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(guī)格熔絲材質(zhì)為鎳絲，大電流熔絲材質(zhì)為銅銀合金，低氣壓熔斷時(shí)熔絲斷點(diǎn)不太平滑，易產(chǎn)生放電現(xiàn)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(shí)熔絲斷點(diǎn)相對平滑，不易產(chǎn)生放電現(xiàn)象。

3.9.2 內(nèi)腔體積不同

1)FM08系列熔斷器從1/8 A到15 A內(nèi)腔體積均為0.0015 mL，內(nèi)腔體積小，低氣壓熔斷時(shí)內(nèi)部溫度及氣壓升高，易出現(xiàn)持續(xù)拉弧現(xiàn)象;

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

3.9.3 結(jié)構(gòu)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(huán)氧樹脂密封，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大于同規(guī)格的FM08系列熔斷器，密封性也更好，經(jīng)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(shí)，結(jié)構(gòu)相對不宜破壞。

4 結(jié)論

根據(jù)本次共計(jì)164只樣品在不同低氣壓高電壓大電流試驗(yàn)條件下的試驗(yàn)現(xiàn)象、數(shù)據(jù)分析結(jié)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(jié)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(diǎn)間阻抗大于100 kΩ，可以在空間飛行器上安全使用。

［1］曹廣平.航天電子設(shè)備二次電源輸入保護(hù)電路設(shè)計(jì)［J］.電訊技術(shù)，2011，51(5):114-118.

［2］徐曉宇，呂從民，黨煒，等.空間用FM08系列熔斷器漏率研究與仿真分析［J］.真空技術(shù)網(wǎng)，2010，47(1):63-67.

［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(guī)范［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［6］Montgomery J.High voltage solid-body fuses for use in vacuum，zero g，and shock environment［J］.Society of Automotive Engineer，2000，1:3600.

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