关于熔断器抗浪涌选型的研究

工作原理是当被保护电路的电流超过规定值并维持一定时间后，熔断器熔断切断电流，从而起到保护作用[1，2]。

熔断器对被保护电路起着关键作用，当熔断器应该熔断而没有熔断时，电流没有被切断，被保护电路可能因为电流过大而被损坏；当熔断器不应该熔断而熔断时，被保护电路的电流被切断，使电路不能发挥正常功能。因此，无论熔断器出现哪种问题都会带来严重的损失[3]。

熔断器作为一种保护性元件，广泛应用于各种电子设备中，这些设备不可避免的存在着浪涌电流。浪涌电流具有电流大、持续时间短和反复出现的特点，但浪涌电流不是故障电流，设计人员并不希望浪涌电流造成熔断器熔断。但抗浪涌选型是熔断器选型的难点，经常出现因选型不当而造成浪涌电流冲断熔断器的情况，基于这种背景，笔者对熔断器抗浪涌电流的选型进行了研究。

1 熔断器的熔化热能

熔断器的熔化热能是指熔断器熔断所需要的能量。通常熔断器的熔化热能通过以下步骤得到：

（1）测量熔断器阻值R；

（2）加载过载恒定电流I，测算熔断时间t；

（3）通过公式I2tR计算熔化热能。

由于一种熔断器的阻值是一个恒定值（或者在很小的范围内波动），且使用者更关心电流大小和持续时间，因此我们通常用公式I2t来衡量熔断器的熔化热能。

熔断器加电后，熔断器的能量平衡关系简化公式见公式 （1）[4]所示：

中，m为熔断器的质量，Cp为热容系数，T为温度，t为时间，为升温速率，I2R为产热速率，为散热速率。由公式（1）可知，当产热速率大于散热速率时，>0，温度随时间上升，当温度上升到熔断体的熔点后，熔断器熔断。当熔断器的产热速率慢时，熔断体的温升就慢，熔断时间就越长，散出去的热量就越多，熔断器熔断所需要的能量也就越多，因此熔断器的熔化热能并不是一个恒定值。但是当电流非常大，产热速率非常快，熔断时间非常短时，熔断过程就相当于绝热过程，熔断器的熔化热能就是一个恒定值。图1所示为某熔断器熔化热能与熔断时间的关系曲线。由图1可以看出，熔断时间非常短时，熔断器的熔化热能是一个恒定值，且随着熔断时间的增加，熔断器的熔化热能迅速升高。

2 浪涌电流的I2T

2.1 理论计算

浪涌电流I2T的物理意义是电流在单位导体中产生的热量，数学意义是电流的平方在一段时间内的积分，若浪涌电流I= f（t） （t0

理论上浪涌电流的I2T可以由公式（2）精确计算得出，但在实际应用中人们很难获知f（t）函数（浪涌电流往往通过示波器抓取），因此很难通过公式（2）计算浪涌电流。

2.2 典型波形

2.2.1 典型波形示意图

2.2.1.1 方波

方波示意图如图2所示。

2.2.1.2 线性波

线性波示意图如图3所示。

2.2.1.3 正弦波

正弦波示意图如图4所示。

2.2.1.4 指数波

指数波示意图如图5所示。

2.2.2 典型波形的I2T

典型波形的I2T见表1所列。

2.3 浪涌电流I2T计算方法

浪涌电流的计算如公式（3）所示：

由该式可知，整段浪涌电流的I2T等于分段浪涌电流的I2T之和。而2.2章节所描述的典型波形可以由波形中的典型值计算得出I2T，因此可以用如下步骤计算浪涌电流的I2T：

（1）将整段浪涌电流合理划分成几个分段，每个分段都与2.2章节中的一个典型波形相似。

（2）按2.2章节所述的计算方法计算分段的I2T。

（3）最后求和计算出整个浪涌电流的I2T。

需要特别指出的是，经过恰当的分段后，每一个分段都可以通过2.2章节所描述的典型波形合理近似，并且通过上述方法能够较好地近似出整段浪涌电流的I2T。

2.4 浪涌电流计算示例

浪涌电流示意图如图6所示，其中，I2 =0.368I3，按照2.3章节所述的计算方法来计算浪涌电流的I2T。

（1）浪涌电流分段

我们将图6所示的浪涌电流划分为4段， t0-t2指数波段，t2-t3正弦波段，t3-t5指数波段，t5-t6线性波段。

（2）分段计算I2T

第一段指数波：

第二段正弦波：

第三段指数波：

第四段线性波：

（3）分段I2T求和

整段浪涌电流的I2T为：

3 抗浪涌选型方案

熔断器的熔化热能（I2T）不是一个恒定值，其会随着熔断时间增加而不断增加，因此只有将一段时间电流的I2T与相同时间下熔断器的I2T相比较才有意义。图7所示为浪涌电流示意图，从图中可以看出单位时间得到的I2T并不一样，图中阴影部分所产生的I2T明显高于两边。因此，给出如下几点选型原则：

（1）将一段时间下浪涌电流产生的最大I2T，即maxI2T与相同时间下熔断器的I2T比较；

（2）只有整个maxI2T都小于熔断器的I2T，熔断器才不会被熔断。

如图7所示，将一条直线自上而下移动，并与浪涌曲线交叉，交叉范围内所计算得到的I2T就是maxI2T。

浪涌电流的maxI2T与熔断器的I2T比较示意图如图8所示，其中A曲线是A熔断器的I2T，B曲线是B熔断器的I2T。从图8中可以看出，虽然整段浪涌电流的maxI2T比B熔断器的I2T低，但是中间的一段却比B熔断器的I2T高，因此这段浪涌电流肯定能造成B熔断器熔断；而整条浪涌电流的maxI2T都在A熔断器的I2T曲线之下，因此这段浪涌电流肯定不能造成A熔断器熔断。

4 结 语

在电子电路中，浪涌电流经常出现，这些浪涌电流往往是稳态电流的数倍，因此经常出现因选型失误而造成浪涌电流冲断熔断器的现象。针对这一问题，笔者从浪涌电流I2T计算入手，给出了浪涌电流I2T的简便计算方法，并结合熔断器熔化热能并不恒定的特性，提出了抗浪涌选型的原则，为熔断器抗浪涌选型提供了依据。

参考文献

[1]石颉， 李烨刚， 施海宁，等.玻璃管熔断器熔断体老化失效的物理分析[J].低压电器 ，2010（13）：1-3.

[2]刘文泽， 蔡泽祥， 冯顺萍，等.电容器组中熔断器非短路开断的电气特性[J].华南理工大学学报（自然科学版），2009，37（11）：95-99.

[3]郑索平.选择保险丝的十个要素节选[Z].

[4]张洪伟，赵婧，曹珊珊，等.高可靠熔断器步进电应力极限评估试验[J].电子元件与材料， 2013，32（5）：56-59.

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