電弧通道對小型熔斷器直流分?jǐn)嘈阅艿挠绊懛治?/h1>
2019-04-16 11:16:40胡志明
日用電器 2019年2期
胡志明
（南京薩特科技發(fā)展有限公司 南京 210049）
引言
隨著小型熔斷器的應(yīng)用市場消費(fèi)類電子領(lǐng)域、電源等領(lǐng)域的高電壓、高電流的使用場景越來越多，小型熔斷器在其尺寸優(yōu)勢的基礎(chǔ)上必須具有更高的額定電壓和更高的分?jǐn)嚯娏鞑拍軡M足市場要求。
目前市面上常見的小型熔斷器按其連接PCB板上的使用方式可以分為兩大類，貼片小型熔斷器和插件小型熔斷器。其中貼片小型熔斷器更加符合電子電器主板上元器件的快速回流焊貼裝而成為小型熔斷器市場主流。
貼片小型熔斷器按其結(jié)構(gòu)又可以分為四大類：
第一類，采用玻璃纖維樹脂材料為熔斷器的基體，然后在基體上貼附銅箔后對銅箔進(jìn)行蝕刻成需要的熔絲圖形，最后進(jìn)行表面樹脂包封保護(hù)；
第二類，采用氧化鋁陶瓷板為熔斷器的基體，然后在基體表面進(jìn)行濺射金屬靶材或者印刷導(dǎo)體漿料形成熔絲，最后在熔絲表面印刷樹脂進(jìn)行包封保護(hù)；
第三類，采用印刷電子漿料于陶瓷膜上形成熔絲，然后在印有熔絲的陶瓷膜上下對位疊層多張空白陶瓷膜后，整體進(jìn)行干壓疊層燒結(jié)成型為獨(dú)石基體，此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熔絲埋置于獨(dú)石基體內(nèi)部；
第四類，采用氧化鋁材質(zhì)制成管狀結(jié)構(gòu)，金屬熔絲穿過外管焊接在外管兩端的外帽上從而懸浮于管內(nèi)；
不管以上哪種結(jié)構(gòu)的小型熔斷器，其額定電壓少有達(dá)到500 V DC，直流分?jǐn)嗄芰茈y實現(xiàn)DC500 V/100 A。究其原因是因為在分?jǐn)噙^程中沒有有效手段降低電弧能量，導(dǎo)致熔絲持續(xù)燃弧，長時間的燃弧能量會導(dǎo)致熔斷器內(nèi)部壓力超出熔斷器的外殼承受能力而使熔斷器爆炸。
而熔斷器產(chǎn)品家族里小型熔斷器的近鄰低壓熔斷器確可以輕松實現(xiàn)高額定電壓和分?jǐn)嗄芰?。低壓熔斷器通常采用管?nèi)填充石英砂并且添加水玻璃固化劑等填料等手段。分析其機(jī)理，石英砂一方面可以在熔絲分?jǐn)噙^程中吸收巨大的能量，另一方面可以限制電弧通道的擴(kuò)展，提高了電弧電壓。石英砂中添加水玻璃固化劑，水玻璃在熔絲分?jǐn)噙^程中也可以吸收大量的熱量，同時固化后的水玻璃將填充石英砂之間的縫隙進(jìn)一步的限制電弧通道從而提升更高電弧電壓。電弧電壓的提升，可以縮短燃弧時間和燃弧能量，提升了分?jǐn)嗄芰Α?/p>
1 石英砂熔斷器直流分?jǐn)噙^程
熔斷器的直流分?jǐn)噙^程大體可以分為三個階段：弧前階段、燃弧階段、弧后階段。
在弧前階段，短路電流在熔絲處進(jìn)行熱累計，當(dāng)累計溫度達(dá)到熔絲的熔點時，熔絲外表面首先熔化成液體，然后在表面張力和電磁收縮電動力作用下逐漸向熔絲兩端擴(kuò)張產(chǎn)生高溫電弧，進(jìn)入燃弧階段。
在這過程中高溫將液態(tài)金屬及其附近的滅弧砂迅速汽化成混合有滅弧砂和金屬蒸汽的等離子體，于是原來熔絲所占據(jù)的空間變成一個等離子柱的電弧通道。另外，由于熔絲材料從固態(tài)變成金屬蒸汽，體積要大大膨脹，而實際上在石英砂中僅有熔絲中間及其附近石英砂汽化部分讓出空間，因此弧道中壓力很高。此壓力一方面將石英砂往外擠壓，使弧道稍稍擴(kuò)張，同時也將弧道中等離子體推入外部石英砂縫隙中間，使之在此處冷卻凝結(jié)成金屬，直至電弧熄滅進(jìn)入弧后階段。
電弧熄滅以后由于殘余的電弧通道表面附著著大量冷凝的金屬顆粒，使殘余電弧通道仍具有一點的電導(dǎo)，將繼續(xù)有小電流持續(xù)流過，直到石英砂冷卻到足夠大的絕緣電阻，熔斷器才徹底安全分?jǐn)唷?/p>
假設(shè)燃弧過程中電弧電壓保持恒定，則燃弧能量為：
式中：
U—電源電壓，等于熔斷器分?jǐn)嗪蟮幕謴?fù)電壓；
U電弧—電弧電壓；
L、R—電路中的電感值、電阻值；
Ic—截斷電流；
tc—弧前時間；
τ—電路的時間常數(shù)，τ=L/R；
從上式中，電弧電壓U電弧越高，燃弧能量E越小。而限制電弧通道可以提升弧道中壓力，即提升電弧電壓。因此熔斷器可以通過限制電弧通道實現(xiàn)提升電弧電壓，提升電弧電壓又可以降低電弧能量，從而實現(xiàn)提升熔斷器的直流分?jǐn)嗄芰Α?/p>
2 填砂樣品的直流分?jǐn)鄿y試及其分析
根據(jù)上述描述的石英砂熔斷器的直流分?jǐn)噙^程原理，選擇外尺寸為10.0 mm×3.2 mm×3.2 mm的管狀結(jié)構(gòu)的小型熔斷器作為改善樣品。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部填充有滅弧砂。為了增加對比，同時選用除沒有填充滅弧砂外其它條件一樣的樣品進(jìn)行分?jǐn)鄿y試。
分?jǐn)鄿y試條件為預(yù)期直流電壓514 V，預(yù)期電流為103 A，線路時間常數(shù)為0.35 ms。
兩種樣品經(jīng)對照測試直流分?jǐn)?，結(jié)果顯示都分?jǐn)嗍?。分?jǐn)嗪笸庥^展示，沒有填充滅弧砂的對照樣品呈現(xiàn)外管炸裂，同時與PCB板分離。有填充滅弧砂的樣品外管沒有破裂，樣品也沒有與PCB板分離。
沒有填砂的對照樣品的分?jǐn)鄿y試過程中的電壓與時間、電流與時間波形圖如圖2所示。填砂的改善樣品分?jǐn)鄿y試過程中的電壓與時間、電流與時間波形圖如圖3所示。
圖1 填砂樣品結(jié)構(gòu)示意圖
從圖2的沒有填砂的對照樣品的電流與時間波形可以看出，該樣品在分?jǐn)噙^程中燃弧時間較長，電流持續(xù)在預(yù)期電流100 A上下，由于該樣品管內(nèi)是空氣，沒有滅弧手段，導(dǎo)致樣品在燃弧階段出現(xiàn)持續(xù)拉弧，無法進(jìn)入弧后階段。在燃弧階段不能快速散熱，熄滅電弧，長時間的持續(xù)燃弧，導(dǎo)致持續(xù)累積的燃弧能量過高，過高的燃弧能量超過了外瓷管的承受能力，從而使該樣品外管炸裂，并與PCB板分離。
從圖3的填砂樣品的電流與時間波形圖可以看出，填砂樣品在燃弧階段中滅弧砂吸收能量快速冷卻，電弧電流迅速降至接近零點附近，電弧熄滅，進(jìn)入弧后階段。但是，在進(jìn)入弧后階段不久電流又逐漸從零點開始增大，出現(xiàn)二次燃弧。盡管燃弧階段過高的燃弧能量沒有超出該樣品的外瓷管承受能力，但過高的燃弧能量使內(nèi)部滅弧砂溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致弧后階段殘余的電弧通道的電導(dǎo)率相對較大，小電流持續(xù)流過而不能安全分?jǐn)?，由于小電流在弧后階段仍然繼續(xù)產(chǎn)生熱量，熱量的累積導(dǎo)致滅弧材料的相對電導(dǎo)率進(jìn)一步提升，最后在弧后階段電弧重燃，分?jǐn)嗍 ?/p>
3 進(jìn)一步改善樣品直流分?jǐn)鄿y試及其分析
依據(jù)限制電弧通道，可以提升電弧電壓，從而降低電弧能量，提升分?jǐn)嗄芰Φ乃悸?。同時填砂樣品分?jǐn)嗍〉脑蚍治觯髡卟扇∑渌胧┻M(jìn)一步限制電弧通道，設(shè)計了以下三個實驗樣品。
為了排除其它因素干擾，改善樣品仍然采用與填砂樣品一致外尺寸的管狀小型熔斷器。具體改善樣品的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示，分別為在外管內(nèi)套一個小瓷管、內(nèi)套兩個小瓷管、外管內(nèi)壁涂布耐高溫樹脂，其它條件如填充的滅弧砂種類、填充密度、熔絲成分尺寸、外瓷管和端帽等和填砂樣品一致。
分?jǐn)鄿y試條件仍然為預(yù)期直流電壓514 V，預(yù)期電流為103 A，線路時間常數(shù)為0.35 ms。
圖2 對照樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
圖3 填砂改善樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
圖4 內(nèi)套一個小瓷管樣品結(jié)構(gòu)圖
圖5 內(nèi)套兩個小瓷管樣品結(jié)構(gòu)圖
三個進(jìn)一步改善樣品直流分?jǐn)鄿y試都合格，其分?jǐn)噙^程中的電流與時間、電壓與時間波形圖基本一致，如圖7所示。其分?jǐn)鄿y試數(shù)據(jù)與填砂樣品測試數(shù)據(jù)匯總一起見表1。
通過表1里峰值電弧電壓數(shù)值發(fā)現(xiàn)，填充滅弧砂、內(nèi)套小瓷管和外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂等方案都可以通過限制電弧通道，實現(xiàn)提升電弧電壓，降低燃弧能量，減小燃弧時間。對比圖2、圖3、圖7，進(jìn)一步表明在填砂限制電弧通道的基礎(chǔ)上，再采用內(nèi)套小瓷管或者外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂可以更加限制電弧通道，實現(xiàn)了熔斷器在直流分?jǐn)噙^程中燃弧階段的快速滅弧，弧后階段沒有出現(xiàn)二次燃弧。
圖6 外瓷管內(nèi)壁涂布樹脂樣品結(jié)構(gòu)圖
圖7 樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
表1 不同樣品直流分?jǐn)鄿y試數(shù)據(jù)對比
對比表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)，內(nèi)套兩個小瓷管比內(nèi)套一個小瓷管、外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂在直流分?jǐn)噙^程中限制電弧通道更厲害，其峰值電弧電壓最高，燃弧能量最小，燃弧時間最短。因此內(nèi)套兩個小瓷管的樣品直流分?jǐn)嘈阅茏罴选?/p>
4 結(jié)語
限制電弧通道可以提升電弧電壓，電弧電壓的提升，可以縮短燃弧時間和燃弧能量，從而提升直流分?jǐn)嗄芰Ατ谛⌒腿蹟嗥鞫?，由于產(chǎn)品尺寸的限制導(dǎo)致滅弧砂灌裝量有限，可以通過采用內(nèi)套小瓷管或者外瓷管內(nèi)部涂布樹脂等其它等效方案來實現(xiàn)進(jìn)一步地限制電弧通道的效果，從而提高分?jǐn)嗄芰Α?/p>
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目前市面上常見的小型熔斷器按其連接PCB板上的使用方式可以分為兩大類，貼片小型熔斷器和插件小型熔斷器。其中貼片小型熔斷器更加符合電子電器主板上元器件的快速回流焊貼裝而成為小型熔斷器市場主流。
貼片小型熔斷器按其結(jié)構(gòu)又可以分為四大類：
第一類，采用玻璃纖維樹脂材料為熔斷器的基體，然后在基體上貼附銅箔后對銅箔進(jìn)行蝕刻成需要的熔絲圖形，最后進(jìn)行表面樹脂包封保護(hù)；
第二類，采用氧化鋁陶瓷板為熔斷器的基體，然后在基體表面進(jìn)行濺射金屬靶材或者印刷導(dǎo)體漿料形成熔絲，最后在熔絲表面印刷樹脂進(jìn)行包封保護(hù)；
第三類，采用印刷電子漿料于陶瓷膜上形成熔絲，然后在印有熔絲的陶瓷膜上下對位疊層多張空白陶瓷膜后，整體進(jìn)行干壓疊層燒結(jié)成型為獨(dú)石基體，此結(jié)構(gòu)實現(xiàn)熔絲埋置于獨(dú)石基體內(nèi)部；
第四類，采用氧化鋁材質(zhì)制成管狀結(jié)構(gòu)，金屬熔絲穿過外管焊接在外管兩端的外帽上從而懸浮于管內(nèi)；
不管以上哪種結(jié)構(gòu)的小型熔斷器，其額定電壓少有達(dá)到500 V DC，直流分?jǐn)嗄芰茈y實現(xiàn)DC500 V/100 A。究其原因是因為在分?jǐn)噙^程中沒有有效手段降低電弧能量，導(dǎo)致熔絲持續(xù)燃弧，長時間的燃弧能量會導(dǎo)致熔斷器內(nèi)部壓力超出熔斷器的外殼承受能力而使熔斷器爆炸。
而熔斷器產(chǎn)品家族里小型熔斷器的近鄰低壓熔斷器確可以輕松實現(xiàn)高額定電壓和分?jǐn)嗄芰?。低壓熔斷器通常采用管?nèi)填充石英砂并且添加水玻璃固化劑等填料等手段。分析其機(jī)理，石英砂一方面可以在熔絲分?jǐn)噙^程中吸收巨大的能量，另一方面可以限制電弧通道的擴(kuò)展，提高了電弧電壓。石英砂中添加水玻璃固化劑，水玻璃在熔絲分?jǐn)噙^程中也可以吸收大量的熱量，同時固化后的水玻璃將填充石英砂之間的縫隙進(jìn)一步的限制電弧通道從而提升更高電弧電壓。電弧電壓的提升，可以縮短燃弧時間和燃弧能量，提升了分?jǐn)嗄芰Α?/p>
1 石英砂熔斷器直流分?jǐn)噙^程
熔斷器的直流分?jǐn)噙^程大體可以分為三個階段：弧前階段、燃弧階段、弧后階段。
在弧前階段，短路電流在熔絲處進(jìn)行熱累計，當(dāng)累計溫度達(dá)到熔絲的熔點時，熔絲外表面首先熔化成液體，然后在表面張力和電磁收縮電動力作用下逐漸向熔絲兩端擴(kuò)張產(chǎn)生高溫電弧，進(jìn)入燃弧階段。
在這過程中高溫將液態(tài)金屬及其附近的滅弧砂迅速汽化成混合有滅弧砂和金屬蒸汽的等離子體，于是原來熔絲所占據(jù)的空間變成一個等離子柱的電弧通道。另外，由于熔絲材料從固態(tài)變成金屬蒸汽，體積要大大膨脹，而實際上在石英砂中僅有熔絲中間及其附近石英砂汽化部分讓出空間，因此弧道中壓力很高。此壓力一方面將石英砂往外擠壓，使弧道稍稍擴(kuò)張，同時也將弧道中等離子體推入外部石英砂縫隙中間，使之在此處冷卻凝結(jié)成金屬，直至電弧熄滅進(jìn)入弧后階段。
電弧熄滅以后由于殘余的電弧通道表面附著著大量冷凝的金屬顆粒，使殘余電弧通道仍具有一點的電導(dǎo)，將繼續(xù)有小電流持續(xù)流過，直到石英砂冷卻到足夠大的絕緣電阻，熔斷器才徹底安全分?jǐn)唷?/p>
假設(shè)燃弧過程中電弧電壓保持恒定，則燃弧能量為：
式中：
U—電源電壓，等于熔斷器分?jǐn)嗪蟮幕謴?fù)電壓；
U電弧—電弧電壓；
L、R—電路中的電感值、電阻值；
Ic—截斷電流；
tc—弧前時間；
τ—電路的時間常數(shù)，τ=L/R；
從上式中，電弧電壓U電弧越高，燃弧能量E越小。而限制電弧通道可以提升弧道中壓力，即提升電弧電壓。因此熔斷器可以通過限制電弧通道實現(xiàn)提升電弧電壓，提升電弧電壓又可以降低電弧能量，從而實現(xiàn)提升熔斷器的直流分?jǐn)嗄芰Α?/p>
2 填砂樣品的直流分?jǐn)鄿y試及其分析
根據(jù)上述描述的石英砂熔斷器的直流分?jǐn)噙^程原理，選擇外尺寸為10.0 mm×3.2 mm×3.2 mm的管狀結(jié)構(gòu)的小型熔斷器作為改善樣品。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)部填充有滅弧砂。為了增加對比，同時選用除沒有填充滅弧砂外其它條件一樣的樣品進(jìn)行分?jǐn)鄿y試。
分?jǐn)鄿y試條件為預(yù)期直流電壓514 V，預(yù)期電流為103 A，線路時間常數(shù)為0.35 ms。
兩種樣品經(jīng)對照測試直流分?jǐn)?，結(jié)果顯示都分?jǐn)嗍?。分?jǐn)嗪笸庥^展示，沒有填充滅弧砂的對照樣品呈現(xiàn)外管炸裂，同時與PCB板分離。有填充滅弧砂的樣品外管沒有破裂，樣品也沒有與PCB板分離。
沒有填砂的對照樣品的分?jǐn)鄿y試過程中的電壓與時間、電流與時間波形圖如圖2所示。填砂的改善樣品分?jǐn)鄿y試過程中的電壓與時間、電流與時間波形圖如圖3所示。
圖1 填砂樣品結(jié)構(gòu)示意圖
從圖2的沒有填砂的對照樣品的電流與時間波形可以看出，該樣品在分?jǐn)噙^程中燃弧時間較長，電流持續(xù)在預(yù)期電流100 A上下，由于該樣品管內(nèi)是空氣，沒有滅弧手段，導(dǎo)致樣品在燃弧階段出現(xiàn)持續(xù)拉弧，無法進(jìn)入弧后階段。在燃弧階段不能快速散熱，熄滅電弧，長時間的持續(xù)燃弧，導(dǎo)致持續(xù)累積的燃弧能量過高，過高的燃弧能量超過了外瓷管的承受能力，從而使該樣品外管炸裂，并與PCB板分離。
從圖3的填砂樣品的電流與時間波形圖可以看出，填砂樣品在燃弧階段中滅弧砂吸收能量快速冷卻，電弧電流迅速降至接近零點附近，電弧熄滅，進(jìn)入弧后階段。但是，在進(jìn)入弧后階段不久電流又逐漸從零點開始增大，出現(xiàn)二次燃弧。盡管燃弧階段過高的燃弧能量沒有超出該樣品的外瓷管承受能力，但過高的燃弧能量使內(nèi)部滅弧砂溫度過高，進(jìn)而導(dǎo)致弧后階段殘余的電弧通道的電導(dǎo)率相對較大，小電流持續(xù)流過而不能安全分?jǐn)?，由于小電流在弧后階段仍然繼續(xù)產(chǎn)生熱量，熱量的累積導(dǎo)致滅弧材料的相對電導(dǎo)率進(jìn)一步提升，最后在弧后階段電弧重燃，分?jǐn)嗍 ?/p>
3 進(jìn)一步改善樣品直流分?jǐn)鄿y試及其分析
依據(jù)限制電弧通道，可以提升電弧電壓，從而降低電弧能量，提升分?jǐn)嗄芰Φ乃悸?。同時填砂樣品分?jǐn)嗍〉脑蚍治觯髡卟扇∑渌胧┻M(jìn)一步限制電弧通道，設(shè)計了以下三個實驗樣品。
為了排除其它因素干擾，改善樣品仍然采用與填砂樣品一致外尺寸的管狀小型熔斷器。具體改善樣品的結(jié)構(gòu)如圖4、圖5、圖6所示，分別為在外管內(nèi)套一個小瓷管、內(nèi)套兩個小瓷管、外管內(nèi)壁涂布耐高溫樹脂，其它條件如填充的滅弧砂種類、填充密度、熔絲成分尺寸、外瓷管和端帽等和填砂樣品一致。
分?jǐn)鄿y試條件仍然為預(yù)期直流電壓514 V，預(yù)期電流為103 A，線路時間常數(shù)為0.35 ms。
圖2 對照樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
圖3 填砂改善樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
圖4 內(nèi)套一個小瓷管樣品結(jié)構(gòu)圖
圖5 內(nèi)套兩個小瓷管樣品結(jié)構(gòu)圖
三個進(jìn)一步改善樣品直流分?jǐn)鄿y試都合格，其分?jǐn)噙^程中的電流與時間、電壓與時間波形圖基本一致，如圖7所示。其分?jǐn)鄿y試數(shù)據(jù)與填砂樣品測試數(shù)據(jù)匯總一起見表1。
通過表1里峰值電弧電壓數(shù)值發(fā)現(xiàn)，填充滅弧砂、內(nèi)套小瓷管和外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂等方案都可以通過限制電弧通道，實現(xiàn)提升電弧電壓，降低燃弧能量，減小燃弧時間。對比圖2、圖3、圖7，進(jìn)一步表明在填砂限制電弧通道的基礎(chǔ)上，再采用內(nèi)套小瓷管或者外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂可以更加限制電弧通道，實現(xiàn)了熔斷器在直流分?jǐn)噙^程中燃弧階段的快速滅弧，弧后階段沒有出現(xiàn)二次燃弧。
圖6 外瓷管內(nèi)壁涂布樹脂樣品結(jié)構(gòu)圖
圖7 樣品直流分?jǐn)嚯妷?電流波形圖
表1 不同樣品直流分?jǐn)鄿y試數(shù)據(jù)對比
對比表1數(shù)據(jù)進(jìn)一步的發(fā)現(xiàn)，內(nèi)套兩個小瓷管比內(nèi)套一個小瓷管、外瓷管內(nèi)壁涂布高溫樹脂在直流分?jǐn)噙^程中限制電弧通道更厲害，其峰值電弧電壓最高，燃弧能量最小，燃弧時間最短。因此內(nèi)套兩個小瓷管的樣品直流分?jǐn)嘈阅茏罴选?/p>
4 結(jié)語
限制電弧通道可以提升電弧電壓，電弧電壓的提升，可以縮短燃弧時間和燃弧能量，從而提升直流分?jǐn)嗄芰Ατ谛⌒腿蹟嗥鞫?，由于產(chǎn)品尺寸的限制導(dǎo)致滅弧砂灌裝量有限，可以通過采用內(nèi)套小瓷管或者外瓷管內(nèi)部涂布樹脂等其它等效方案來實現(xiàn)進(jìn)一步地限制電弧通道的效果，從而提高分?jǐn)嗄芰Α?/p>
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