熔断器在建筑低压配电设计中的应用探讨

何进进

摘 要：本文阐述了熔断器的特性及其主要优缺点，分析并归纳了熔断器在建筑低压配电线路中不同条件下的选型应用。

关键词：低压配电线路；熔断器；选型

1 前言

根据德国金米勒公司提供的资料，目前欧洲90%以上的电网依然由熔断器保护，而且对于熔断器的发展也一直很重视[1]。但在国内的建筑低压配电系统设计中，低压熔断器的使用却较少。为此，本文对低压熔断器的特性和选型等方面进行了分析和归纳。

2 熔断器的主要类型

按使用电压分为高压熔断器和低压熔断器，本文主要介绍低压熔断器。

按分断范围和使用类别分为“gG”、“gM”、“gTr”、“aM”等，其中“gG”为一般用途全范围分断能力熔断器（主要用于电缆和导线保护），“aM”为保护电动机电路的部分范围分断能力的熔断器，此两种低压熔断器在建筑低压配电系统设计中最常应用[2]（目前“gG”型熔断器也经常会用来保护电动机，前提是其能承受电动机的起动电流）。

按结构可分为专职人员使用的熔断器（主要有刀型触头熔断器、圆筒形帽熔断器、螺栓连接熔断器和偏置触刀熔断器）和非熟练人员使用的熔断器。随着工业发展的需要，还制造出适于各种不同要求的特殊熔断器，如电子熔断器、热熔断器和自复熔断器等。

3 熔断器的特性

3.1 时间-电流特性

过电流开始至熔体熔化之间的时间间隔（弧前时间）取决于过电流的大小。这样，对个别的熔断器而言，对于每个过电流，弧前时间具有个别化的特征。弧前时间和开断电流之间的关系被称为特性并绘制为时间-电流曲线（以符合国家标准的NH型熔断器OFA为例，见图1）。时间-电流特性是用来确定保护效果和协调熔断器与其他保护器件的重要数据。

上图中，横坐标 ： 预期短路电流 Ip（有效值），纵坐标 ： 弧前时间 s。

3.2 限流特性曲线

熔断器在分断短路电流时具有限流特性，即在短路电流峰值出现之前已经熔断，切断短路电流，从而保护了配电线路及负载，避免因巨大的热冲击和电动冲击所造成的损失。熔断器限流特性曲线由制造商提供，见下图2为例。

3.3 约定时间和约定电流

约定电流分为约定不熔断电流和约定熔断电流。约定不熔断电流为熔断体在约定时间内不熔断的最大允许电流，约定熔断电流为熔断体在约定时间内可以熔断的最小电流。额定电流16A及以上的g类熔断体约定时间和约定电流见表1，额定电流16A以下的gG类熔断体的约定时间和约定电流见表2。

3.4 过电流选择比

上、下级熔断体的额定电流比为1.6：1时，具有选择性熔断，该比值即为过电流选择比。

3.5 I2t特性

熔断体允许通过的I2t（即焦耳积分）值，是用来衡量在故障时间内产生的热能。因此，熔断器的I2t值应小于被保护电器设备的I2t值。弧前I2t是熔断器弧前时间内的焦耳积分；熔断I2t是全熔断时间内的焦耳积分，是用来考核其过电流选择性、熔断器与断路器之间选择性配合的参数。

3.6 分断能力

熔断器由于具备限流能力能在很短的时间内分段相当大的短路电流。通常情况下，预期短路电流越大，熔断器的额定电流越低，则其限流作用就越明显。有效的限流作用和相应的高分段能力是熔断器的基本特性。

4 熔断器的主要优缺点简述

4.1 熔断器的主要优点[3]

（1）选择性好。因为熔断器弧前时间—电流曲线实际上在全电流范围是平行且互不相交，故熔断器之间能较容易实现全选择性保护，提高了供电系统的可靠性。这对于其他保护元件来说很难做到，是熔断器非常重要的优势。上下级熔断器的熔断体额定电流只要符合国标和IEC标准规定的过电流选择比为1.6：1的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流。

（2）限流特性好，分断能力高。熔断器能容易实现较高的分断能力。如对于非熟练人员使用的熔断器，其交流最低分断能力为50kA；对于专职人员使用的熔断器，其分断能力可容易达到100kA，特殊制作的更可达到300kA。而对于断路器而言，这样的分断能力就意味着较高的成本。

（3）不需要复杂的短路计算。熔断器的最低分断能力较高，通常情况下交流最低分断能力大于其所使用場所的短路电流，故可不进行短路计算。而对断路器而言，分断能力级数有很多， 如4.5kA、6kA、10kA、25kA、35kA和50kA等，并且分断能力越高的断路器价格越贵。为节约投资，通常是需要进行短路计算，以选择适合安装场所分断能力的断路器。

（4）可靠性高。熔断器在熔断后必须进行更换，新换上的熔断器能保持原有性能，保护系统依然100%的安全有效。受保护的电器寿命受到其保护电器熔断器和断路器的老化问题影响。熔断器的熔体虽然会热老化，可能会对过载区的熔断产生影响，但是这样的老化并不会降低其安全性和可靠性。而断路器这样的机械性设备，出现故障的风险会随着老化程度增加而增大，因此需对其进行评估并制定维护措施。

（5）经济有效的保护。与断路器相比，熔断器具有较小的外形尺寸、紧凑的结构、高分断能力和低廉的价格。配电柜内的保护电器会在故障 （如电缆损坏、短路） 或系统缺乏选择性时动作之后被检修。这时短路电流很大，若未排除故障就再合闸会对系统造成严重损害。相比断路器，熔断器具有很强的分断能力和无比的可靠性。

（6）不损害起动器和接触器。在故障后，熔断器可保证系统安全、快速和有效地重新起动。熔断器的限流作用很强，能使系统达到配合类型2的要求（根据IEC 60947—4—1，2 型保护要求接触器或起动器在短路条件下不应对人及设备形成危害，且应能够继续使用）。因此，用熔断器保护不损害起动器和接触器。

（7）不需维护。熔断器是静态保护装置并且是密闭的，这使其能在最繁杂的环境、没有维修和保养的条件下也可对配电系统进行长效和可靠的保护。熔体的反应是按照物理规律和能量学原理进行，因而结构合适的熔断器不需要维护、调整或重新校核，在使用过程中能几十年的维持最初设计的过电流保护水平。

4.2 熔断器的主要缺点

（1）在故障熔断后必须更换熔断体。（2） 保护功能单一，只有一段过电流反时限特性，过载、短路和接地故障都用此防护。（3）不能实现遥控，需要与电动刀开关、开关组合才有可能。（4）用于三相电动机保护时，若发生一相熔断，会对三相电动机将导致两相运转的不良后果。也可用带发报警信号的熔断器予以弥补，一相熔断可断开三相。

5 建筑低压配电线路中的常见故障

短路和接地故障，多发生在末端回路，约占到90%以上，特别是插座回路更是如此，原因是插头、插座和移动电器及其导线和接头等较容易出故障。就故障类型而言，接地故障多，相间短路少，前者约占80%～90%。电动机等设备的末端回路，通常是过载多，而短路故障较少。电动机的过载约占80%以上，而过载是用热继电器保护的，不会使熔断器、断路器动作。

6 熔断器的选型及合理应用

选择熔断器，首先根据在低压配电系统的实际使用条件确定熔断器类型，包括选定合适使用类别和分断范围。一般“gG”全范围熔断器兼有过载保护功能；而“aM”部分范围熔断器的作用主要是短路保护功能。

6.1 熔断器额定电压和额定电流的选定

熔断器的额定电压Un不应低于线路的额定电压Ue。

在配电系统正常运行时，熔断体额定电流In不应小于线路计算电流，且应尽量的接近线路计算电流。照明线路一般采用“gG”熔断器，其熔断体选择可按式（5.1）选用。

In≥KIC （5.1）

上式中，IC为照明线路的计算电流，K为照明线路熔断体的选择计算系数（其值见下表3[4]）。

当用于电动机电路时一般采用“aM”熔断器，，在不经常起动或起动时间不长（如一般机床电动机）时，可按式（5.2）选用。在经常起动或者起动时间较长（如起重机电动机）时，可按式（5.3）选用。

In=IA/（2.5～3） （5.2）

In=IA/（1.6～2） （5.3）

上两式中，IA是为电动机的起动电流。

如按起动情况求得的熔断体电流低于线路的计算电流，则仍应按正常运行情况选用。

6.2 熔断器的选择性配合

（1）熔断器与熔断器之间的配合。可见本文第4.1.（1）中所述，此处不在复述。但是当短路电流很大，熔断器弧前时间小于0.1s时，这样选择后还须用I2t值进行验证，保证上级熔断器的I2t值大于下级熔断器的I2t值。

（2）熔断器与断路器的配合。若配电线路中某处短路电流超过该处断路器的额定分断能力，则可在断路器的电源侧设置1只后备保护熔断器。 后备保护熔断器必须在短路电流达到断路器的额定分断能力之前分断，见下图3所示。

上图中，a为热脱扣器，n为瞬动脱扣器，r为额定分断能力，ID为安装位置最大预期短路电流。

（3）熔断器与接触器和热继电器的配合。熔断器在与接触器和热继电器的配合中起到短路保护作用。在选择熔断器时，需要对各电器元件的有效范围和工作特性进行科学合理选配，须满足下列各项条件。

①熔断器和热继电器的时间—电流特性须保证电动機从零速到全速的延时范围。②熔断器须能保护热继电器不受超过其额定电流10倍的大电流破坏。③ 熔断器须能分断接触器不能分断的大电流（接触器额定工作电流的8倍或10倍以上），并能在短路时保护接触器，免其触点不会发生熔焊。

7 结束语

综上所述，虽然熔断器有保护功能单一及不能实现遥控等缺点，但其与断路器相比有着反时限性优越、更经济、易规模化生产、结构简单更为可靠等优势在建筑低压配电设计中也应充分被利用。在建筑低压配电设计中各种保护电器综合选择，一般的方案可取下表4所示。

参考文献：

[1] 孙文华.低压熔断器组合电器在宝马莱比锡工厂中的应用[J].电世界，2014（5）：225：230.

[2] Dr.-lng.Herbert Bessei.熔断器手册.NH-HH回收应用协会，2008（10）：29.

[3] GB/T 13539.5.低压熔断器，第5部分：低压熔断器应用指南，2013：9.

[4] 陈泽毅，任元会，等.工业与民用配电设计手册（第三版）[M].北京：中国电力出版社，2005：623.