电学过程中的交流分断

图2-20是熔断器保护电路图，（F-2.40）（F-2.41）分别是电路的电压和电流。

图2-20　熔断器电路图

图2-21是对称故障电流和非对称故障电流的示意图。

图2-21　对称故障电流和非对称故障电流

过电流有两种形式，即短路电流和过载载电流，如图2-22所示。

图2-22　短路电流与过载电流

（1）短路电流分断

短路电流分断示意见图2-23，电流-时间特性见图2-24。

图2-23　短路电流分断示意图

图2-24　短路电流的电流-时间特性

弧前过程

图2-25　弧前熔体熔化的电－热转换

假定短路弧前过程熔体与周围介质无热量交换，则可以得到下面的公式。

弧前过程

假定：绝热过程＝无热量交换

由图2-26得到：

由（F-2.45）和（F-2.46）得到：

其中：

Ic为最大允通电流；

B是常数；

IA为对称电流的均方根值IP（预期电流）；

f为电流的频率（通常情况下是50或60 Hz）；

S为熔体狭窄颈项的截面积。

图2-27是弧前I2t与预期电流的关系。从图中可以看出当短路时预期电流很大，弧前I2t达到恒定值。

图2-26　I2tP电流-时间关系

图2-27　弧前I2t与预期电流的关系

（2）过载电流分断

电载电流分断示意见图2-28，电流-时间特性见图2-29。

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图2-28　过载电流分断示意图

图2-29　过载电流的时间-电流特性

（3）电弧电压

图2-30　熔断器电路图

图2-30的电路方程式是：

图2-31是熔体一排狭颈的电弧电压。

图2-31　熔体一排狭颈的电弧电压

当熔体有几排狭颈时，相应地就有几个电弧相串联，总的电弧电压为：

当电源电压接近零时，总的电弧电压变为：

请注意，电弧电压不可能变为零。图2-32是电弧电压与工作电压的关系，Um是电弧电压。

图2-32　电弧电压与工作电压的关系

（4）电弧能量

电弧能量的关系式如（F-2.51）所示。

Wa=电弧能量

WL=电感储能

WS=电源提供的能量

WR=电阻耗能

（5）最大电弧能量与预期电流的关系

最大电弧能量所对应的电流叫作“临界电流”，在IEC标准中，临界电流被称为“I2”。在熔断器分断故障电流过程中，当熔断器开始燃弧时，所在电路的电感元件存储能量，称为“电感储能”，其大小是：

其中，i0是熔断器开始燃弧时的电流值。电感储能很小一部分由电路电阻消耗，但是绝大部分电感储能需要熔断器通过燃弧过程吸收掉。

小功率因数的电路出现故障时，预期电流与电路电感成反比关系，因此在无限流的条件下，储能与预期电流成正比；在出现限流的条件下，截断电流大致上与预期电流的立方根成正比关系，因此燃弧开始时电感储能由下面的公式给出：

这个公式表明，在限流作用开始时，预期电流越大，储能越少；但是电流较小时，预期电流越大，储能越多。这种变化关系如图2-33所示。

图2-33　储能与预期电流的变化关系

由图2-33可以看出，在电流达到某一个值时，储能达到最大值。由此可以得出一个结论：最大电弧能量对应的电流比最大分断电流小，换言之，最大电弧能量出现在最大分断电流之前。试验表明，对某些熔断器最大电弧能量对应的电流大约是弧前时间为半周时对应的弧前电流的3倍。

（6）最大电弧能量试验

合闸角=0，第一个波形是非对称的。调节电流大小在弧前阶段结束时峰值电流满足下面的条件：

①按照IEC269要求测试，峰值电流是电流对称分量的0.85～1.06倍；

②按照UL248要求测试，峰值电流是电流对称分量的0.70～1.00倍。

电源电压要在燃弧开始后迅速达到最大值（图2-34）。

图2-34　最大电弧能量试验波形图