8/20μs雷电流冲击下熔断器开断性能

李祥超　周中山　王成芳　陈戎健　陈璞阳

（南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室　南京　210044）

8/20μs雷电流冲击下熔断器开断性能

李祥超周中山王成芳陈戎健陈璞阳

（南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室南京210044）

针对熔断器在8/20μs波形雷电流冲击下开断性能的问题，通过对熔断器中流过雷电流瞬间熔体的温度上升和熔断器的开断动作时间的理论分析，以及对雷电流通过导体时，载流导体所受有质动力作用机理的理论分析。选用一种铅铝合金材质熔断器，利用8/20μs波形雷电流进行冲击实验，得出当熔断器的工频熔化电流小于5A时，符合熔断器的允通能量I2t的理论；当熔断器的工频熔化电流大于5A时，符合横向电场力以及全部定向漂移电子对其所施的反作用力矢量和质动力的理论。提出了熔断器与电涌保护器配合使用的方法，具有一定的参考价值。

雷电流熔断器允通能量质动力

0　引言

《建筑物防雷装置检测技术规范》第5.8.1.3.5条中的规定“安装在电路上的电涌保护器，其前端应有后备保护装置过电流保护器。如使用熔断器，其值应与主电路上的熔断器电流值相配合。”但是，对于安装断路保护器的熔断电流值，并没有设置具体的参数标准，现行方法大多采用经验选取，或根据电涌保护器生产厂家提供的指导参数选取，结果导致在实际工程应用中出现不良后果，断路保护装置的熔断电流值偏大或偏小［1-4］。当熔断电流值取太大，电涌保护器已经损坏而断路保护装置没有熔断，即起不到保护电涌保护器的作用；当熔断电流值取太小，后续雷击发生时，由于断路保护装置已经断开，电涌保护器与被保护装置脱离，即电涌保护器不起作用［5，6］。

目前，国内主要使用断路器与电涌保护器相配合及电涌保护器内置脱离器的方法，用于保护电涌保护器。一般选取线路中的过电流保护器与电涌保护器前端串联的过电流保护器的电流之比不低于1.6∶1的标准配比［1］。通过电流能量公式W=I2Rt，计算得到在8/20μs雷电流冲击下熔断器熔断电流值与相应雷电流的数值，但在实际应用中，存在熔断器的熔断时间、电阻值随温度变化等不定因素。IEC 61643—12中给出在8/20μs雷电流冲击下，不同工频熔化电流值的熔断丝的熔断电流值，例如［7-9］，工频熔化电流为25A的熔断器，IEC 61643—12给出的测试后熔断电流为5kA，理论计算的熔断电流为7.6kA；工频熔化电流为63A的熔断器，测试所得的熔断电流为17kA，理论计算的熔断电流为23.1kA。而笔者通过雷电冲击平台（Impulse Current Generated System，ICGS）实验发现，在8/20μs雷电流冲击下，工频熔化电流为25A的熔断器，取其长度为3cm时，直至雷电流为46.84kA才崩断，在小于46.84kA的雷电流下，熔断器并没有熔化的迹象，且对于不同长度的熔断器实验现象一致。故本文对8/20μs雷电流冲击下熔断器开断性能的分析，具有重要的意义。

针对以上情况，本文首先对熔断器的开断动作时间和载流导体所受有质动力机理作用做理论分析；并选用一种铅铝合金材质熔断器，对不同工频熔化电流的熔断器，分别取其长度为3cm和5cm，利用8/20μs波形雷电流进行冲击实验，得出不同工频熔化电流的熔断器的熔化（崩断）的电流临界值，并通过数据拟合得出两种长度的熔断器的工频熔化电流与熔化（崩断）电流临界值的关系式。对8/20μs雷电流冲击下熔断器开断性能的分析，为解决熔断器参数与电涌保护器参数不匹配问题提供实用的参考价值。

1　熔断器通过雷电流时的理论分析

熔断器在雷电流冲击下，将会产生熔断与崩断两种现象。为了分析此现象，下文分别对熔断器的开断动作时间和雷电流通过导体所受质动力（机械力）的机理进行分析。

1.1熔断器开断动作时间的理论分析

当熔断器通过一个比最小熔化电流大得多的雷电流时，熔体的局部或全部达到熔化温度，接着在非常短的时间内蒸发。熔断器在开始燃弧前，其热传递可假设忽略不计。满足这一条件的弧前时间与熔断器额定值有关，但这个条件只有几十到几百微秒，并且相应的雷电流是最小熔化电流的几百倍甚至更大。在这些没有热传递的条件下，熔断器通过雷电流的任意一小部分，在任何瞬间的温度上升率为［10，11］

实际上，上式所示的能量只供给熔体材料使熔体材料的温度上升，其他部分保持在其最初的温度。供给熔体材料每单位体积的能量等于通过单位体积的瞬时电流的二次方乘以电阻。电阻取决于单位体积的温度，可近似表示为

式中，R0为室温时的电阻；α为室温下的电阻温度系数；θ为室温下，某单位体积的温升。根据式（1）和式（2），在室温下的任何瞬时可推导出

每单位体积通过的雷电流随时间变化的变量为已知，那么，等式可用解析法或逐步数字法求解。对于通过雷电流的线熔体，它所有部分的情况是相同的，因此，确定线熔体达到其熔点温度所需的时间，都可通过式（3）求解。

I2t的量是熔断器的电流瞬间值的二次方对时间的积分，这个时间是从雷电流开始直至电弧熄灭为止的整个时段，即

如果在上述的整个时段内，熔断器的电阻维持不变，那么，I2t的值就正比于所消耗的能量。事实上，由于过电流产生的热量，常使熔断器电阻明显增加。I2t的值称为允通能量。

1.2雷电流通过导体所受质动力的机理

一段长l、载电流I的导线，在均匀磁场B0中所受的有质动力F，可通过安培力公式确定［12-15］，即

式中，F为安培力，普遍认为安培力是由于导体载流子定向漂移时受到洛仑兹力作用，与导体晶格上的正离子碰撞而形成的，即安培力是导体中载流子所受洛仑兹力的宏观表现。但近十余年，对上述观点提出了异议，其论点简述如图1所示，载流导线中定向漂移的电子因受洛仑兹力作用发生侧向偏转，从而侧壁上出现异种电荷，形成Hall电场EH，即

式中，R为Hall系数，R=1/nq；n为自由电子数密度；q为电子（或其他载流子）所带的电量；j为电流密度。对于电子导体，R＜0，由图1可知，Hall电场施力于导体中晶体点阵上，这就是安培力。上述两种观点都是不全面的，没有考虑导电材料本身的性质，无法得到安培力机理的正确结论［9，10］。

图1　Hall电场示意图Fig.1　Schematic diagram of the Hall electric field

当电子（-e）运动速度v远小于真空中的光速c时，在晶体点阵的周期势中的运动方程为

一般地

式中，h为普朗克常数；k为一个特定波矢。电子受到正离子点阵一个作用力为′f，所以

这意味着导体中的传导电子一般不是完全“自由”的。本文仅限于指出确有一个′f存在，至于如何确定′f，是固体物理研究的对象。这样，作用于一个传导电子上的合力为

E可分解为沿导线方向的分量E纵与垂直导线方向的分量E横，即E=E纵+E横。前者为推动点阵作定向漂移之电场，后者即为Hall电场EH。对于稳态，传导电子所受横向力合力为零，即

式中，vd为点阵定向漂移速度。

2　熔断器开断性能的实验分析

2.1实验方法及测试数据

首先，选取一种铅铝合金材质熔断器，对不同工频熔化电流的熔断器，分别取3cm和5cm两种长度，通过ICGS做8/20μs雷电流冲击实验。对每根熔断器进行实验过程，逐渐增加冲击电流的数值直至熔断器熔化（或崩断）。每次冲击后更换一根熔断器以确保实验的准确性，找到熔断器不熔（不断）与熔化（崩断）的临界点，再用临界点的电流值，对五个同类熔断器分别做冲击，验证每个临界点的电流值的有效性。然后，根据不同工频熔化电流的熔断器在8/20μs雷电流冲击下的现象，选取其中直接崩断的熔断器，用万能拉伸机对其进行拉伸实验，得出每根熔断器的最大崩断力。最后，得出不同工频熔化电流熔断器的实验数据见下表。

表　不同工频熔化电流熔断器实验数据Tab.　The test data of different frequency melting current fuse

2.2 实验分析

2.2.1熔断器熔断现象分析

图2a为两台ICGS，其中小平台可产生4～40kA的8/20μs雷电冲击电流，大平台可产生20～160kA的8/20μs雷电冲击电流。首先，用小平台对工频熔化电流为3A、长度为5cm的熔断器做冲击实验，当冲击电流为4kA时，熔断器没有熔（断裂）的迹象，其雷电冲击电流如图3a所示；直至冲击电流加到4.26kA时，熔断器熔化，如图2b所示，通过熔断器的雷电流波形如图3b所示。长度为3cm，工频熔化电流为3A的熔断器的熔化电流是4.20kA。从理论上分析［14-16］，熔断器的熔断电流值与其电阻值呈正相关，而不同长度、同一工频熔化电流的熔断器，长度越长电阻值越大，即不同长度熔断器的熔化电流符合此定律。在很大的雷电流作用下，熔断器的动作时间是极短的，通常只有几个毫秒甚至更短。熔断器的动作与雷电流的波形以及短路瞬间的电压相位等因素有关。已知预期雷电流的数值，还须确定其波形才能估计其动作时间，再利用I2t值正比于消耗的能量进行计算。

图2　熔断器的8/20μs雷电流冲击实验Fig.2　The typical figures of 8/20μs lightning current impulse fuse tests

图3　熔断器雷电流冲击实验图Fig.3　The test chart of lightning current impulse fuse

2.2.2 熔断器崩断现象分析

当使用工频熔化电流为5A的熔断器进行冲击实验时，无论长度3cm还是5cm的熔断器，冲击电流从小到大变化时，熔断器不会产生熔断现象，3cm的熔断器，通过的雷电流达到电流崩断临界值时的冲击电流如图3c所示，此时熔断器受到质动力F而直接崩断。当在3cm熔断器所加的电流超过其电流崩断临界值时，即图3d所示的雷电流，熔断器断成如图2c所示情形。同样，随着对工频熔化电流更大的熔断器进行实验时，熔断器都是直接崩断，并没有明显熔化的迹象。图2d为实验中熔断器两端所加冲击电流值达电流崩断临界值时的实验图，是在大平台做的冲击实验，图中熔断器的工频熔化电流为25A，长度为5cm，在冲击电流45.93kA、46.72kA时，熔断器完好无损，当冲击电流增至46.84kA时，熔断器从中间崩断成图2d所示。这种现象符合质动力的理论。

将不同工频熔化电流的熔断器的崩断电流临界值绘制曲线，如图4所示，图4a的拟合曲线为

图4b的拟合曲线为

式中，x为安全电流，A；y为冲击电流，kA。

图4　不同工频熔化电流熔断器的熔化（崩断）电流临界值Fig.4　The fuse （broken） current critical value of different frequency melting current fuse

图4a和图4b中拟合曲线的相关指数R2分别为0.988 9和0.986 9，两条拟合曲线的相关指数都非常接近1，故都是合理的。从曲线的走势及各散点值可得，对于不同工频熔化电流的熔断器，熔断器的长度对崩断电流临界值的大小影响不大；熔断器的工频熔化电流与其崩断电流临界值呈正相关。

根据熔断器在通过雷电流后崩断的现象符合横向电场力以及全部定向漂移电子对其所施的反作用力矢量和为质动力的理论，由万能拉伸机所测得的熔断器最大崩断力所得数据曲线如图5所示，拟合曲线为

其相关指数R2为0.990 5。式中，a为安全电流，A；b为最小崩断力，N。故所得公式为合理的。由曲线可得，熔断器的工频熔化电流与其所受的质动力呈正相关。这解释了随加在熔断器两端的雷电冲击电流越大，熔断器崩断越严重的现象。

图5　熔断器最大崩断力曲线Fig.5　The maximum broken force curve of fuse

综上所述，可根据电涌保护器的最大冲击电流值Imax，选取熔断器的崩断电流临界值与之配合，即依据式（13）和式（14）选取熔断器，保证熔断器的崩断电流临界值略小于电涌保护器的Imax。

3　结论

针对实际中电涌保护器与断路保护装置配合使用的诸多弊端，本文通过对铅铝合金材质熔断器进行8/20μs雷电流冲击实验，找出不同工频熔化电流熔断器的熔化（崩断）电流临界值，得出以下结论：

（1）雷电流通过熔断器时，对于不同工频熔化电流的熔断器，熔断器并非都会直接熔化，当工频熔化电流大时，熔断器将会发生崩断。

（2）熔断器在8/20μs波形雷电流冲击下，当熔断器的工频熔化电流在3A以下时，符合熔断器的允通能量I2t理论。

（3）熔断器在8/20μs波形雷电流冲击下，当熔断器的工频熔化电流在5A以上时，符合横向电场力以及全部定向漂移电子对其所施的反作用力矢量和为质动力的理论。

（4）对于不同长度的熔断器，其熔化（崩断）电流临界值变化不大，且熔断器的工频熔化电流与其熔化（崩断）电流临界值、质动力呈正相关。

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8/20µs Lightning Current Impulse Fuse Breaking Performance

Li XiangchaoZhou ZhongshanWang ChengfangChen RongjianChen Puyang
（Key Laboratory for Aerosol-Cloud-Precipitation of China Meteorological Administration Nanjing University of Information Science and TechnologyNanjing210044China）

In terms of the fuse breaking performance in 8/20μs waveform of lightning current，the method that the fuse and surge protective device can work together is proposed. When the lighting current flows through the fuse，the instant temperature of its melt stream rises，and the fuse breaking action time is first analyzed. Meanwhile，when lighting current flows through a conductor，the influence of ponderomotive force on current-carrying conductor is then analyzed. Finally，a lead aluminum alloy fuse is selected，and the impulse test is carried out using 8/20μs waveform of lightning current. The test conforms to let-through energy I2t theory when the fuse melting current under power frequency is below 5A； while it conforms to the theory that the applied force vector sum of the transverse electric field and all directional drift electrons are ponderomotive force，when the fuse melting current under power frequency is above 5A.

Lighting current，fuse，let-through energy，ponderomotive force

TM862

李祥超男，1969年生，高级实验师，研究方向为雷电过电压保护器。

周中山男，1990年生，硕士研究生，研究方向为雷电过电压保护器。

国家自然科学基金资助项目（41075025）。

2014-08-25改稿日期 2015-04-08