熔斷特性

機組起停頗策和負荷劇烈變化，使導體和絕緣產生熱應力，也會使絕緣變形及損傷，因此還要求絕緣具有一定的彈性和強度。

基本介紹

• 中文名：熔斷特性
• 外文名：Fusing features
• 特點：電氣強度機組運行
• 實質：正常工作電壓長期

背景介紹

廣泛採用防止短路的裝置———保險絲、保險管，這些保險裝置都是用金屬絲金屬片製成。保險的基本原理是電流增大到某一值時，金屬絲金屬片溫度升高到其熔斷溫度而熔斷，從而切斷電流，達到短路保護的目的。這一過程顯然是一個熱學過程，熔斷時間的滯後是其特點。在一些電氣輸電工程中，由於設計不當或者出現意外情況也會出現金屬的熔斷。隨著社會的進步，對電氣工程施工和電氣設備使用的要求也越來越高。因而也對短路保險的時間提出了較高要求。如彩電需要延時保險，另一些則需要快速熔斷保險等等。顯然對金屬絲熔斷特性的研究具有特別重要的意義。

金屬絲研究

由於以前的儀器設備的限制，對通電熔斷的時間的精密測量帶來很大的困難。這方面的研究很少，我們利用已經普遍使用的數字存貯示波器，（頻率為60MHz，理論上說，時間測量可達1/60×10-6s，即幾十納秒）自行設計出一個實驗，對金屬絲的熔斷特性進行了研究，由於保證了時間的測量精度，取得了較好的結果。

理論研究

在理論上，無限大的空間，金屬絲熔斷可分為兩種熔斷，當提供給金屬絲熔斷的能量不是太大時，金屬絲熔為液態而斷開，稱為熔化熔斷；當提供給金屬絲熔斷的能量很大，金屬絲直接氣化成氣體而斷開，稱為氣化熔斷。我們只對前者進行研究。熔斷時間較長時，通電熔斷的計算非常複雜，在通電期間，既要考慮金屬絲獲得的電能所提供的能量使其溫度升高，又要考慮熱輻射，熱傳導，對流對能量的損失。而這些損失都是溫度和波長的涵數，還得考慮金屬絲的電阻隨溫度的升高而電流減小的影響等等。但當金屬絲熔斷時間較短時，可忽略金屬絲輻射熱量散失的影響，設經過金屬絲熱傳導損失的熱量為Q1；金屬絲達到熔斷時的熱容熱量為Q2；電能提供金屬絲溫升的熱量為Q。

實驗儀器

數字存貯示波器(DS3062M)，多擋位大電流電源(DV-201)，數字萬用表(TD890)，自製的電子濾波大電流恆流源，自製的可調距離的接線柱，銅絲(d=0.075mm)，千分尺(0~25mm/0.01mm )，遊標卡尺(0.02mm )等。

研究結論

金屬絲熔斷特性的實驗研究表明：熔斷電流的平方與熔斷時間成線性函式關係。實驗結果與理論計算符合得很好，因而理論計算中完全可以忽略掉金屬絲通電發熱的熱輻射的複雜影響。

航天用料

在太空飛行器研製過程中，多次發生因為電連線器插接錯誤或導線絕緣皮損傷導致導線承受過電應力而燒毀的故障。導線燒毀問題在世界航空航天領域是共性問題，如NASA 就發表過關於導線燒毀的研究報告，資助了研究導線絕緣層燒毀特性的飛行實驗項目。

在理想條件下金屬導線熔斷的物理模型。該模型可以較好地表征在大氣環境或真空環境下單根、均勻直徑的銅絲的熔斷特性。然而實際套用中的導線往往是多股銅絲絞合使用，且外層套有聚四氟乙烯保護層。在銅絲熔斷理想模型基礎之上，引入銅絲對周圍媒介的熱傳導係數，對銅導線的實際熔斷特性開展研究。

理論研究

在理想的銅絲熔斷模型中，主要考慮銅絲在通電過程中積累熱量，當局部熱量積累達到一定程度發生熔融，熔融局部銅絲由於重力脫離周圍銅絲即發生熔斷。其中，銅絲獲得的電能所提供的能量使其溫度升高，同時要考慮熱輻射和熱傳導、對流造成的能量損失，此外，還要考慮金屬絲的電阻隨溫度升高而增大等相關影響因素。但是當金屬絲熔斷時間較短時，可以忽略金屬絲熱輻射所散失的熱量，假設經過金屬絲熱傳導損失的熱量為Q1；金屬絲達到熔斷時的熱容熱量為Q2；金屬絲熔斷熱量為Q3；電能提供金屬絲溫升的熱量為Q。

試驗

樣品選擇

航天型號及某些地面設備中大量採用AF-250AH 導線，本試驗採用AF-250AH 型19 芯鍍銀銅線絞合纏繞而成的多股銅導線，外部採用聚四氟乙烯薄膜繞包保護。該型號導線的最高耐壓值為1500 V，額定工作電流為3.3 A，最高工作溫度為250 ℃。其中單芯鍍銀銅絲的直為0.12 mm，導線的標稱截面積為0.2 mm2，外層絕緣保護皮的厚度約0.1 mm。

試驗環境

在大氣環境下，銅導線可以通過空氣向周圍傳導熱量。在真空環境下，銅導線向真空熱傳導效率下降，經過電流過載後熱積累嚴重，與大氣環境條件下相比，熔斷閾值降低。本試驗結合導線在航天型號中的實際使用環境，分別選取：大氣環境（25±5 ℃、1 個大氣壓）；真空環境（25±5 ℃、5×10-3 Pa）這2 種環境條件進行導線熔斷試驗。

試驗方法

截取50 cm 長的導線，連線大功率供電電源，採用恆流模式在大氣環境和真空環境下對導線分別施加額定工作電流I₀的整數倍電流。由於導線在施加5 倍額定工作電流時很難熔斷，但其絕緣層已失效[6]，所以設定的試驗電流分別為額定工作電流的5 倍、6 倍、7 倍、8 倍、9 倍。試驗中，對導線的熔斷時間進行監測並記錄。

相關對比

根據擬合計算獲得的 kq 值，對比大氣環境和真空環境下AF-250 型導線的熔斷特性曲線，當導線在較短時間（t<20 s）內發生熔斷時，兩種環境條件下所需的熔斷電流密度相差較小，表明無論何種環境條件下導線都還來不及向外界散熱，熔斷導線的熱量主要來自於導線自身通電產生的電阻熱，因此kq 對熔斷特性的影響相對較小。但隨著熔斷時間的增加，由於kq 的影響，在2 種環境條件下所需的熔斷電流密度差距增大。

無論是在大氣還是真空環境下，隨著熔斷時間的增加，所需的熔斷電流密度值均趨於一個定值，大氣環境下約為1.07 A/mm2，真空環境下約為0.647 A/mm2。該穩定電流密度值即為導線在長期通電條件下不發生熔斷的最低電流密度值。在實際使用過程中，每種導線都存在一個最高安全工作電流值，在任何條件下都必須保證導線中的電流不能超過該電流值。

結論

單芯銅導線在理想環境下的熔斷具有成熟的理論模型。分析傳熱學和實驗傳熱學相結合，在銅絲熔斷理論模型基礎之上，引入多股銅絲等效直徑的概念對理論模型進行修正，獲得了實際套用中的多股絞合銅線的熔斷特性；並採用試驗獲得的等效熱傳導係數對物理模型進行修正，獲得了有絕緣保護層的多股銅線的熔斷特性。研究結果可為安全使用安裝銅導線提供參考。

套用要求

電氣強度機組運行中除受到正常工作電壓長期作用外，有時還受到大氣過電壓和內部過電壓的瞬時作用，因此線圈絕緣結構設計時絕緣的擊穿電壓應比額定電壓高5~8倍以上。為了檢查絕緣結構的缺陷，在製造過程中要進行多次工頻耐壓試驗。每進行一次就會在結構中產生一定的細微劣化痕跡，使其電氣強度有所下降，下降強度與外施電場強弱及其作用時間有關，此即所謂積爪效應。由於絕緣內部電離放電量是與頗率成正比的，因此採用超低頻或直流耐壓試驗，對絕緣電氣性能的影響要小得多。

機械性能發電機在自同步合閘或突然短路時，都會產生強大的衝擊短路電流，使定子繞組槽部和端部受到強大電動力作用，因此要求繞組具有一定的機械強度，能夠承受一定的機械應力。熱老化發電機運行要求線圈的絕緣在工作沮度的長期作用下不易老化，不降低絕緣性能。介質損失在工作溫度和電壓的作用下線圈絕緣的介質損失要小，以防止由介質損失產生的附加熱t，加速絕緣的老化，以致損壞絕緣。耐電暈在高電場作用下，在絕緣表面電場分布不均勻的部位(如端部出槽口及通風槽口)，氣體易發生局部電離而產生臭氧，在奧氧、水氣及氮的氧化物的聯合作用下使絕緣受到腐蝕，從而降低絕緣的介電及機械性能。

因此，高電壓電機的絕緣應該有較高的耐電暈能力。shullunfodlonl一Jueyuon水輪發電機絕緣(insulationofhydrogen-erator)電機絕緣包括股間、層間、排間、匝間和對地絕緣與防暈層。端部的各種支撐或固定用的絕緣構件以及連線線和引出絕緣.在長期運行過程中，由於受到電、熱、機械力的作用和不同環境條件的影響，使繞組絕緣逐漸老化，因此繞組絕緣應具有產品所要求的耐熱等級、足夠的電氣強度、優良的機械性能和良好的工藝。