熔断器分断故障电流的物理过程详解

熔断器的基本原理，是依靠电流的热效应，在过载和短路电流通过时将熔体熔断，实现切断电路、保护其他元器件的目的。

熔断器分断故障电流的物理过程是这样的：当故障电流通过熔断器的熔体时，由于电阻发热的功率与电流的二次方成正比，熔断器的熔体发热量将急剧增加，原本处于固态的金属熔体的温度迅速升高，从固态熔化为液态。由于液态的金属依然具有导电能力，因此它的温度将在故障电流作用下继续升高，直到温度达到沸点开始沸腾和汽化。熔体汽化后的金属蒸气不能导电，因此出现在液态熔体中的金属蒸气相当于在液态的导体中产生了一个细小的间隙，由于间隙两端的距离极短，在间隙内部就相应具有了很高的电位梯度，金属蒸气因此被击穿并产生电弧。电弧产生后，重新连接起间隙两端的液态金属，并作为电流的通道维持着电路中的电流，因此只有在电弧被熄灭后，电路中的电流才能被完全切断。

通常将熔断器分断电流的过程分为弧前和燃弧两个阶段。

熔断器的熔体从固态转化到液态直至汽化的过程即是所谓熔断过程，这一过程所需的时间取决于通过熔体的电流的大小，一般来说，通过的电流越大，熔化过程的时间越短。由于熔化过程处于电弧发生之前，熔化过程也称为弧前阶段，这一过程的时间也称为弧前时间。

燃弧阶段是指熔断器中的电弧出现到完全熄灭的过程，这一过程的时间长短取决于诸多因素，例如故障电流的大小、熔断器有无填料、填料的成分和密度等，但是总的来说，在一次成功的分断中，燃弧阶段的时间总是远少于弧前阶段的时间。因此，通常只用弧前时间作为实际考量熔断器对故障电流的反应速度的标准。

熔断器的弧前时间-电流关系曲线是熔断器保护特性最直观的表示，也是选用熔断器的重要依据，它通常也被称为熔断器的保护特性曲线，或简称为熔断器的特性曲线。由于熔断器的保护特性不仅取决于熔体的材料、形状、尺寸，也受到制造工艺、环境温度、冷却条件、接线方式等外界因素的影响，保护特性曲线是难以通过推算直接得出的，通常的方法是在不同的预期电流下进行多次试验，然后总结试验数据而绘制得出。

图11-3是一条典型的熔断器保护特性曲线。从图中可以看出，当电流减小到一定程度以后，熔断器的弧前时间就趋于无穷大。令弧前时间趋于无穷大的电流称为熔体的最小熔化电流，最小熔化电流是决定熔体是否熔化的临界电流。从发热量而言，最小熔化电流是熔体正常工作时发热最严重的状态。若熔断器长期工作在这个状态下，不仅会因发热损耗大量功率，还可能因电路中出现幅度较大但仍属正常的波动而产生误动作，将电路意外切断。考虑到熔断器是一次性元件这一特性，熔断器误动作造成的损失比其他保护电器误动作要严重得多。(www.xing528.com)

为了避免误动作，保证熔断器的可靠工作，在设计熔断器时通常只将熔断器的额定电流，即熔断器长期负载的工作电流，设定为最小熔化电流的80%～85%，根据长期经验，额定电流设置在这个范围内可以比较好地兼顾对故障电流的响应和正常电流下的损耗。

除了限制额定电流的范围之外，为了降低熔断器正常工作时的发热损耗，熔断器在设计上还采用许多其他措施。

为了降低熔断器在正常工作时的发热，有时会采用低熔点材料作为熔体，例如铅锡合金和铅锌合金。但这些材料的电阻率较大，为了避免过高的功耗，需要熔体有较大的截面积，而熔体截面积太大不利于熄灭电弧，因此采用这些材料制造的熔体只能用于故障电流很小（一般不超过1000A）的场合。在设备容量日益增加的今天，这种方法已经不再适用。

图11-3 典型的熔断器保护特性曲线

在熔断体结构上增加风冷或水冷设计是另一种常见的手段。水冷是效果良好的冷却手段，但采用水冷方式降低熔断体工作时的发热对结构设计的可靠性有很高的要求，冷却水断流或泄漏都会造成意外事故的发生。为此，水冷式熔断体需要额外的保护装置，以便在冷却水断流和泄漏时及时切断主电路，避免意外的发生。