關(guān)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(duì)在無浪涌電流函數(shù)的情況下無法計(jì)算浪涌電流I2T的現(xiàn)狀，提出了一種用典型波形分段近似后再求和的計(jì)算方法，該方法可實(shí)現(xiàn)浪涌電流I2T的近似計(jì)算，并結(jié)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(jù)。

關(guān)鍵詞：熔斷器；浪涌電流；I2T；熔化熱能

中圖分類號(hào)：TM563 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）07-00-03

0 引 言

熔斷器是一種保護(hù)電子設(shè)備安全運(yùn)行的保護(hù)器件。其工作原理是當(dāng)被保護(hù)電路的電流超過規(guī)定值并維持一定時(shí)間后，熔斷器熔斷切斷電流，從而起到保護(hù)作用[1，2]。

熔斷器對(duì)被保護(hù)電路起著關(guān)鍵作用，當(dāng)熔斷器應(yīng)該熔斷而沒有熔斷時(shí)，電流沒有被切斷，被保護(hù)電路可能因?yàn)殡娏鬟^大而被損壞；當(dāng)熔斷器不應(yīng)該熔斷而熔斷時(shí)，被保護(hù)電路的電流被切斷，使電路不能發(fā)揮正常功能。因此，無論熔斷器出現(xiàn)哪種問題都會(huì)帶來嚴(yán)重的損失[3]。

熔斷器作為一種保護(hù)性元件，廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，這些設(shè)備不可避免的存在著浪涌電流。浪涌電流具有電流大、持續(xù)時(shí)間短和反復(fù)出現(xiàn)的特點(diǎn)，但浪涌電流不是故障電流，設(shè)計(jì)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(diǎn)，經(jīng)常出現(xiàn)因選型不當(dāng)而造成浪涌電流沖斷熔斷器的情況，基于這種背景，筆者對(duì)熔斷器抗浪涌電流的選型進(jìn)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(shí)間t；

（3）通過公式I2tR計(jì)算熔化熱能。

由于一種熔斷器的阻值是一個(gè)恒定值（或者在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)），且使用者更關(guān)心電流大小和持續(xù)時(shí)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(guān)系簡化公式見公式 （1）[4]所示：

中，m為熔斷器的質(zhì)量，Cp為熱容系數(shù)，T為溫度，t為時(shí)間，為升溫速率，I2R為產(chǎn)熱速率，為散熱速率。由公式（1）可知，當(dāng)產(chǎn)熱速率大于散熱速率時(shí)，>0，溫度隨時(shí)間上升，當(dāng)溫度上升到熔斷體的熔點(diǎn)后，熔斷器熔斷。當(dāng)熔斷器的產(chǎn)熱速率慢時(shí)，熔斷體的溫升就慢，熔斷時(shí)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(gè)恒定值。但是當(dāng)電流非常大，產(chǎn)熱速率非?？?，熔斷時(shí)間非常短時(shí)，熔斷過程就相當(dāng)于絕熱過程，熔斷器的熔化熱能就是一個(gè)恒定值。圖1所示為某熔斷器熔化熱能與熔斷時(shí)間的關(guān)系曲線。由圖1可以看出，熔斷時(shí)間非常短時(shí)，熔斷器的熔化熱能是一個(gè)恒定值，且隨著熔斷時(shí)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(jì)算

浪涌電流I2T的物理意義是電流在單位導(dǎo)體中產(chǎn)生的熱量，數(shù)學(xué)意義是電流的平方在一段時(shí)間內(nèi)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(jì)算得出，但在實(shí)際應(yīng)用中人們很難獲知f（t）函數(shù)（浪涌電流往往通過示波器抓取），因此很難通過公式（2）計(jì)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(shù)波

指數(shù)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(jì)算方法

浪涌電流的計(jì)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(jié)所描述的典型波形可以由波形中的典型值計(jì)算得出I2T，因此可以用如下步驟計(jì)算浪涌電流的I2T：

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

（2）按2.2章節(jié)所述的計(jì)算方法計(jì)算分段的I2T。

（3）最后求和計(jì)算出整個(gè)浪涌電流的I2T。

需要特別指出的是，經(jīng)過恰當(dāng)?shù)姆侄魏?，每一個(gè)分段都可以通過2.2章節(jié)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(jì)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(jié)所述的計(jì)算方法來計(jì)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(shù)波段，t2-t3正弦波段，t3-t5指數(shù)波段，t5-t6線性波段。

（2）分段計(jì)算I2T

第一段指數(shù)波：

第二段正弦波：

第三段指數(shù)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(gè)恒定值，其會(huì)隨著熔斷時(shí)間增加而不斷增加，因此只有將一段時(shí)間電流的I2T與相同時(shí)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(shí)間得到的I2T并不一樣，圖中陰影部分所產(chǎn)生的I2T明顯高于兩邊。因此，給出如下幾點(diǎn)選型原則：

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

（2）只有整個(gè)maxI2T都小于熔斷器的I2T，熔斷器才不會(huì)被熔斷。

如圖7所示，將一條直線自上而下移動(dòng)，并與浪涌曲線交叉，交叉范圍內(nèi)所計(jì)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(jié) 語

在電子電路中，浪涌電流經(jīng)常出現(xiàn)，這些浪涌電流往往是穩(wěn)態(tài)電流的數(shù)倍，因此經(jīng)常出現(xiàn)因選型失誤而造成浪涌電流沖斷熔斷器的現(xiàn)象。針對(duì)這一問題，筆者從浪涌電流I2T計(jì)算入手，給出了浪涌電流I2T的簡便計(jì)算方法，并結(jié)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(jù)。

參考文獻(xiàn)

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