熔断器和半导体器件的应用探讨

在本质安全型电气设备中，常使用不同型号的熔断器进行电路的过载保护和短路保护，以及各种半导体器件组成电路的不同功能环节。不管什么情况，这些元器件都应该符合下面的相应要求。

1.熔断器

通常情况下，熔断器是由熔断体和它的支持件组成的。

在定义熔断器的额定电流时，一般有两种电流：支持件的额定电流和熔断体的额定电流。

熔断器的额定电流就是指支持件的额定电流。

熔断体的额定电流就是指熔断器内装熔断体（熔丝）的额定电流，可以有几个，但是都不允许大于支持件的额定电流。例如，对于一个额定电流为10A的熔断器来说，它允许的熔断体的额定电流有10A、6A和4A三个档次。通常情况下，对于这种熔断器，在选择熔断体的额定电流时，人们应该根据被保护电路的性质来选择4A或6A，最多也不能超过10A。

熔断器的额定电压则只有一个，对于熔断体和支持件，是一致的。

在本质安全型电气设备中，当熔断器用来保护相应电路时，则熔断器应该能够连续地通过1.7I_n的电流（其中，I_n是指熔断体的额定电流，在稳定的负载情况下，可以是电路的额定电流）；熔断器的时间-电流特性（图6.11）应该保证在被保护电路出现瞬态值之前将熔断体熔断；而且，熔断器（熔断体）的极限分断能力应该能够快速地分断电路中可能出现的最大预期短路电流（在电压为250V的电路中，这个电流采用1500A）。

通常认为，熔断器的时间-电流特性主要用于被保护电路的过载保护；熔断器的极限分断能力主要用于被保护电路的短路保护。

在本质安全型电气设备和电路中，熔断器的额定电压，不应该小于可能施加在关联设备的非本质安全接线端子上的最高电压（U_m）或施加在本质安全电路接线端子上的最大输入电压（U_i）。

图6.11 熔断器的时间-电流特性曲线示意图

1—时间-电流特性 2—被保护元件的瞬态值

熔断器的极限分断能力不应该小于所安装电路的最大预期短路电流。不同的熔断体具有不一样的极限分断能力。假若极限分断能力小于最大预期短路电流，当电路出现短路故障时，熔断体就会瞬间熔融汽化，发生爆炸，造成十分严重的后果。所以，有时候，人们为了保证熔断器的极限分断能力大于电路的最大预期短路电流，常常在电路中使用限流元件来限定最大预期短路电流。例如，人们可以使用可靠限流电阻器作为这种限流元件。此时，它的额定值不得小于：

●电流：1.5×1.7I_n。

●电压：U_m或U_i。

●功率：1.5×（1.7I_n）²R。

式中 R——可靠限流电阻器的电阻值（Ω）。

下面举例说明使用可靠限流电阻器作为限流元件时电阻值的计算。

【例6.4】 假设使用熔断器来保护某一电路，熔断器熔断体的额定电流为0.1A，极限分断能力为750A，最高电压为250V。

根据欧姆定律计算可知，可靠限流电阻器的电阻值为

R≥250V/750A≈0.33Ω

于是，可靠限流电阻器的耗散功率值为

P≥1.5×（1.7×0.1）2×0.33W≈0.02W

这样，人们就可以根据电阻器的产品样本选用符合这一要求的合适的电阻器。

事实上，在熔断器保护的电路中接入可靠限流电阻器并不会对电路的正常运行产生不利的影响。

这里应该指出的是，当熔断器用于“ia”级、“ib”级设备和电路中作为保护器件，且在爆炸性气体环境中使用时，它应该被浇封起来。

2.半导体器件

（1）半导体器件

这里所说的半导体器件，主要是指半导体二极管（包括齐纳二极管）、连接成二极管使用的半导体晶体管、晶闸管以及其他等效的半导体器件。

这些半导体器件，在本质安全型电气设备及其关联设备中，可以被连接成并联限压器和（或）串联限流器。在关联设备中使用时，这些器件还应该能够承受电路中交流峰值电压或最大直流电压除以串联的可靠限流电阻器的电阻值所得的电流。

当半导体器件用作并联限压器时，它们应该能够承受故障状态下在其安装处可能出现的最大故障电流乘以相应安全系数的电流值。

①二极管、晶体管、晶闸管等器件的正向额定电流，对于“ia”级和“ib”级设备，不得小于可能的最大故障电流的1.5倍值；对于“ic”级设备，不得小于可能的最大故障电流值。

②齐纳二极管的结额定耗散功率不得小于齐纳耗散功率的1.5倍值。它的正向额定电流，对于“ia”级和“ib”级设备，不得小于可能的最大故障电流的1.5倍值；对于“ic”级设备，不得小于可能的最大故障电流值。

当设备的输入电路和输出电路都是本质安全型电路时，对于“ia”级设备，使用两只这样的半导体器件作为并联限压器被认为是可靠组件。

对于“ia”级关联设备，使用三只晶闸管作为并联限压器被认为是可靠组件。

不管是什么情况，作为并联限压器使用时，这样的半导体器件都应该承受电路中可能出现的瞬态效应。

当半导体器件用作串联限流器时，在“ia”级设备中人们应该采用三只半导体二极管组成阻塞保护环节，不应该使用其他的半导体器件，因为“ia”级设备是允许使用在0区的，而且电路又可能随时出现瞬态效应，哪怕是暂时的。

然而，在“ib”级和“ic”级设备中，人们可以使用所有的半导体器件组成串联限流器。

（2）瞬态效应

在本质安全型电气设备和电路的关联设备中，半导体器件应该能够承受电路中可能出现的瞬态效应。这种瞬态效应常常是由于电源电压（交流的或直流的）的突然变化和开关器件（例如，晶闸管半导体器件）的“开”与“关”引起的。

在电路中的这种瞬态效应有可能威胁着电路的本质安全性能。

例如，用一只晶闸管半导体器件与负载并联来保护这个负载。当电源有一个瞬态电压即将施加在负载上时，晶闸管应该拦截这个电压。但是，由于晶闸管和相关检测电路的响应时间相对较大，于是，在检测到触发信号并使晶闸管导通之前，瞬态电压就已经施加在这个负载上了。当然，还有一些其他的例子，例如，在限流开关动作之前就可能有一个大的电流窜入负载，等等。

因而，国家标准GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》规定，这种瞬态效应所携带的能量不应该超过：(www.xing528.com)

对于Ⅰ类设备，260μJ；

对于ⅡA级设备，160μJ；

对于ⅡB级设备，80μJ；

对于ⅡC级设备，20μJ。

当瞬态效应所携带的能量不超过上述值时，瞬态电压和（或）瞬态电流可以超过相应的安全数值（参见国家标准GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的数据表）。

这种瞬态能量可以通过试验用高速存储示波器来求得，而不适宜用火花点燃试验进行试验验证，因为这个瞬态能量出现的时间太短，且数值很小。

这里以ⅡB级的设备为例来说明这种瞬态能量的测量方法。

【例6.5】 试验用一个数值为18V的供电电压通过一个限流开关向一个齐纳负载（齐纳电压为14.5V）供电。试验电路如图6.12所示。测量并计算此时电路可能出现的瞬态能量。

从国家标准GB 3836.4《爆炸性环境 第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》的数据表中得知，对于ⅡB级设备，当电压为18V时，允许的最大电流是1.66A。试验时，试验人员调整电路的电流等于1.66A。此时，电路处于正常的运行状态。

当电路发生故障时，例如，由于某种原因使通过电路的电流突然地增加，在限流开关断开之前就会有一个较大的电流叠加在1.66A上。试验用高速存储示波器记录这个电流的变化（幅值和时间）情况，如图6.13所示。

图6.12 瞬态能量测试电路示意图

1—被试电路 2—限流开关 3—稳压二极管 4—高速存储示波器

图6.13 瞬态电流的波形

I₀—电流的安全限值 t₁～t₂—瞬态电流作用的时间段

从图6.13中可以看出，图中阴影部分就是瞬态电流幅值随时间变化的波形，它叠加在1.66A之上。在计算出这个面积之后，将它与供电电压相乘即可得到瞬态效应所携带的瞬态能量。

在试验时，高速存储示波器记录的相应数据如下：

高速存储示波器的时间分辨率为1E-06s。示波器采集的电流大于1.66E+00A的时间数据（时间段）为4.4E-06～7.0E-06s（积分区间）；电流数据为：1.66E+00A，1.70E+00A，1.74E+00A，1.78E+00A，1.80E+00A，1.82E+00A，1.84E+00A，1.86E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.88E+00A，1.84E+00A，1.84E+00A，1.82E+00A，1.82E+00A，1.80E+00A，1.78E+00A，1.76E+00A，1.72E+00A，1.70E+00A，1.68E+00A，1.66E+00A；电压数据为18V。

人们可以使用辛普森（Simpson）积分公式来计算这个瞬态能量，即

式中 U——供电电压（V）；

n——试验采集的数据个数；

y₀～y_n——试验采集的数据数值（A）；

a～b——试验采集数据的时间区间（s）。

将上述的这些数据代入式（6.4）中计算即可得到

q=81E-06J

即81μJ。

试验结果告诉我们，被试电路的瞬态能量q=81μJ，大于标准要求的最大值（80μJ），因此，被试电路不合格。

这里需要特殊注意的是，在这种试验电路中，要最大限度地减小试验设备对测试结果造成的影响（示波器是这个试验的关键设备，分辨率要高），因为所测试的能量太小。

在本质安全型电气设备内部，这种瞬态效应的影响比较小，因而，可以忽略。

3.压电器件

在本质安全型电气设备及其关联设备中，有时候，人们根据需要往往使用一种被称作压电器件的元件。

所谓压电器件，是一种用压电材料制成的器件。压电材料，例如，压电陶瓷、压电晶体材料、高分子压电材料等，可以在外力作用下由机械变形产生电场，也可以在电场作用下由电场力产生机械变形。这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中获得广泛的应用。

例如，使用压电材料制成的压电滤波器、压电晶体振荡器、压电换能器、压力（加速度）传感器等，就是这里所说的压电器件。

在本质安全电路中，压电器件的安全性能主要是用冲击试验的方法（参见第2章）来测定。在这种试验中，试验人员应该测量压电器件的电容量（C）和端电压（U）。

在分别进行的两次冲击试验中测得的电容量和端电压值中较大者，作为它的电容量和端电压。

在实际测得的端电压条件下，压电器件中晶体电容器存储的最大能量（1/2CU²）不应该大于下列值：

●对于Ⅰ类设备，1500μJ；

●对于ⅡA级设备，950μJ；

●对于ⅡB级设备，250μJ；

●对于ⅡC级设备，50μJ。

在压电器件实际应用时，人们可以使用限能保护元件来限制它的输出能量。例如，在压电器件两端串联可靠限流电阻器或（和）并联限压元件就可以限制它的能量。