熔斷器商品化關(guān)鍵特性識(shí)別與驗(yàn)證

趙 軍 韓雪華 陳 晨

（中廣核核電運(yùn)營(yíng)有限公司）

0 引言

隨著核電行業(yè)的不斷發(fā)展，核安全相關(guān)設(shè)備的需求與日俱增。然而，低壓盤柜內(nèi)設(shè)備，例如熔斷器廠家對(duì)核安全鑒定的意識(shí)沒(méi)有伴隨核安全相關(guān)設(shè)備的需求同步增加，無(wú)法提供經(jīng)過(guò)驗(yàn)證滿足核安全要求的備件，給核電廠的備件保障工作帶來(lái)了巨大難度，甚至威脅核電廠安全穩(wěn)定運(yùn)行。目前國(guó)家對(duì)核電行業(yè)提出了更嚴(yán)格的要求，必須采取有效措施來(lái)保障核安全低壓熔斷器的供應(yīng)。

1 熔斷器功能分析

熔斷器的設(shè)計(jì)目的是為電氣系統(tǒng)和設(shè)備提供過(guò)流保護(hù)，并不間斷地承載正常的負(fù)載電流。當(dāng)電流超過(guò)規(guī)定值的一定時(shí)間，它自身利用電流熱效應(yīng)，溶化自身熔體而分?jǐn)嚯娐贰Ｔ诤税踩芈分?，熔斷器?zhí)行的核安全功能可理解為，正常工況下需要保證工作電流可較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定通過(guò)，而出現(xiàn)過(guò)電流時(shí)又需要自身產(chǎn)生足夠熱量在規(guī)定時(shí)間內(nèi)可靠分?jǐn)唷?/p>

從熔斷器組成結(jié)構(gòu)（見(jiàn)下圖）來(lái)切入，各組成部分功能如下：

圖 熔斷器組成結(jié)構(gòu)

1）熔管（陶瓷）：起到絕緣、隔熱、支撐／保護(hù)熔體等作用；

2）襯墊：連接陶瓷與蓋板，起到緩沖、密封作用；

3）蓋板：連接陶瓷體，使觸刀、熔體可靠固定在熔管內(nèi)；

4）指示器：彈出時(shí)表示熔體已經(jīng)熔斷（動(dòng)作），需要更換熔芯；

5）石英砂：作為熔斷器熔體的滅弧介質(zhì)，同時(shí)具有熱傳導(dǎo)功能；

6）熔體：正常工況下，作為導(dǎo)體，過(guò)電流故障時(shí)熔斷，熔斷器核心部件；小電流規(guī)格時(shí)為絲狀，大電流規(guī)格時(shí)為變截面片狀；

7）螺釘：固定熔斷器各部件，以保證性能；

8）康銅絲：連接指示器，與主熔體為并聯(lián)設(shè)計(jì)；非熔斷情況下限制指示器彈出（用于連接熔片與指示器，當(dāng)熔片熔斷后，連接失效彈簧會(huì)使指示器彈出）；

9）金屬觸刀／觸頭（外蓋）：用于接通電路，傳導(dǎo)電能；

10）內(nèi)蓋：保證熔體與導(dǎo)電部件的可靠電連接，作為熔體焊接之用。

2 熔斷器常見(jiàn)故障原因分析

熔斷器功能是長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定承載回路工作電流和可靠分?jǐn)嗷芈愤^(guò)電流。根據(jù)核電廠經(jīng)驗(yàn)反饋，常見(jiàn)故障類型為誤熔斷和無(wú)法熔斷兩類故障。這類故障普遍發(fā)生，主要原因由設(shè)計(jì)選型錯(cuò)誤導(dǎo)致，但也有由熔斷器質(zhì)量問(wèn)題導(dǎo)致的情況。本次僅針對(duì)自身質(zhì)量導(dǎo)致的這兩類故障情況進(jìn)行分析。

（1）電路正常工作狀態(tài)－熔斷器誤熔斷

當(dāng)電路系統(tǒng)正常工作時(shí)，熔斷器發(fā)生誤熔斷，導(dǎo)致電路系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行。

熔斷器執(zhí)行導(dǎo)電功能的部件主要是熔體及金屬觸頭，以及熔體與金屬觸頭的焊接部分。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)反饋，當(dāng)設(shè)計(jì)選型無(wú)誤時(shí)，自身質(zhì)量問(wèn)題是造成熔斷器誤動(dòng)作的最大原因，主要涉及熔體尺寸設(shè)計(jì)，熔體材料，生產(chǎn)工藝等原因。

故障原因：

熔體與內(nèi)蓋焊接不牢固或熔體與觸刀焊接不牢固，有虛焊現(xiàn)象，連接處電阻過(guò)大發(fā)熱，導(dǎo)致熔斷器內(nèi)部溫度過(guò)高，使熔體電阻變大，提前熔斷。

整體尺寸設(shè)計(jì)原因，熔體過(guò)窄，導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱大，散熱能力降低，使時(shí)間電流特性曲線偏移。

熔斷整體填充物以及安裝工藝，導(dǎo)致散熱能力降低，耗散功率逐漸降低，導(dǎo)致正常工作電流不能穩(wěn)定工作，溫度持續(xù)升高，熔片內(nèi)阻持續(xù)升高，導(dǎo)致熔斷；石英砂填充不足使散熱能力降低，耗散功率降低，內(nèi)部持續(xù)升溫，導(dǎo)致熔斷。

（2）電路過(guò)電流狀態(tài)－熔斷器拒動(dòng)熔斷

當(dāng)電路出現(xiàn)過(guò)電流情況時(shí)，熔斷器不熔斷，無(wú)法對(duì)電路提供保護(hù)，對(duì)下游電氣設(shè)備不能提供過(guò)流或短路故障保護(hù)，導(dǎo)致設(shè)備損壞，或越級(jí)動(dòng)作擴(kuò)大事故范圍。

熔斷器執(zhí)行分?jǐn)喙δ艿牟考饕侨垠w及石英砂。此當(dāng)設(shè)計(jì)選型無(wú)誤時(shí)，自身質(zhì)量問(wèn)題是造成熔斷器誤動(dòng)作的最大原因，主要涉及熔管材料，石英砂純度，制造工藝等原因。

故障原因：

熔斷器密封不足，石英砂運(yùn)行中產(chǎn)生雜質(zhì)或石英砂受潮，導(dǎo)致滅弧能力降低。

熔管強(qiáng)度不夠有裂紋，漏砂，或填充不足導(dǎo)致滅弧能力降低。

熔斷體制造工藝不到位，熔體窄徑處尺寸大，造成內(nèi)阻變小，在約定熔斷條件下，無(wú)法保證熔斷器正常熔斷。

3 熔斷器關(guān)鍵特性識(shí)別

根據(jù)上文對(duì)熔斷器故障分析，熔斷器誤動(dòng)或拒動(dòng)均與熔斷器中熔體尺寸和散熱有關(guān)，其具備非常明顯的特性為時(shí)間電流特性。對(duì)熔體而言，其動(dòng)作電流和動(dòng)作時(shí)間特性叫做時(shí)間電流特性，即：過(guò)載電流小時(shí)，熔斷時(shí)間長(zhǎng)；過(guò)載電流大時(shí)，熔斷時(shí)間短。

對(duì)時(shí)間電流特性的理解，可以從焦耳定律中得到Q＝I2RT，熔斷器串聯(lián)在電路中，R值為恒定不變，發(fā)熱量與電流平方成正比，與發(fā)熱時(shí)間T成正比，當(dāng)電流較大時(shí)，熔體熔斷所需的時(shí)間就較短。而電流較小時(shí)，熔體熔斷所需用的時(shí)間就較長(zhǎng)，甚至如果熱量積累的速度小于擴(kuò)散的速度，熔斷器溫度就不會(huì)上升到熔點(diǎn)，熔斷器甚至不會(huì)熔斷。

核電廠使用的核安全級(jí)熔斷器，對(duì)于抗震方面要求，由于熔斷器均與底座配套安裝，然后通過(guò)底座固定在導(dǎo)軌或支架面板上，而熔斷器屬于安裝在電氣外殼上或金屬板上的小型設(shè)備，熔斷器底座將熔斷器限制在標(biāo)準(zhǔn)的空間內(nèi)，此外熔體尺寸與材料在嚴(yán)格控制情況下。熔斷器本身無(wú)能動(dòng)部件，其自身重力造成動(dòng)態(tài)影響極低。此外熔斷器換型涉及到重量的變化相對(duì)于整柜等重量變化小于1%。綜上可判斷熔斷器對(duì)地震不敏感，也不影響整柜的抗震性能。

所以判斷熔斷器主要影響核安全功能的關(guān)鍵特性，就是其執(zhí)行的功能，不影響其他核安全設(shè)備運(yùn)行，就是作為導(dǎo)體穩(wěn)定通過(guò)正常電流保證下游安全級(jí)設(shè)備工作，作為保護(hù)設(shè)備，當(dāng)下游設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，及時(shí)分?jǐn)啾Ｗo(hù)下游設(shè)備，避免事故范圍擴(kuò)大，所以其關(guān)鍵特性如下：

1）時(shí)間電流特性：保證熔斷器熔斷時(shí)間和對(duì)應(yīng)電流能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)要求。

2）額定電流：保證熔斷器正常工況下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作，不影響其他設(shè)備正常運(yùn)行。

3）分?jǐn)嗄芰Γ罕ＷC能夠分?jǐn)噙^(guò)電流，快速滅弧，保護(hù)電路和設(shè)備。

4）耗散功率：確定熔斷器散熱能力，根據(jù)標(biāo)注規(guī)定，能夠快速消散正常電流熱效應(yīng)，無(wú)法快速消散故障電流熱效應(yīng)，避免定值漂移。

4 商品化熔斷器關(guān)鍵特性驗(yàn)證

為保證商品級(jí)熔斷器關(guān)鍵特性能夠滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和現(xiàn)場(chǎng)使用要求，使用在核安全相關(guān)功能位置的熔斷器，對(duì)其關(guān)鍵特性驗(yàn)證是不可或缺的，這就需要識(shí)別影響關(guān)鍵特性的因素，再進(jìn)行有效驗(yàn)證。

影響關(guān)鍵特性的因素：

1）時(shí)間電流特性：影響因素是熔斷體內(nèi)阻、熔體尺寸及材料。

2）額定電流：影響因素有熔斷體內(nèi)阻、熔體尺寸及材料。

3）分?jǐn)嗄芰Γ河绊懸蛩赜腥垠w材料和尺寸、填充材料種類和純度，填充密度，密封性，熔管材料，焊接工藝。

4）耗散功率：熔管材料、填充材料、填充量、熔斷體內(nèi)阻。

根據(jù)識(shí)別因素，核電廠采購(gòu)核安全級(jí)別熔斷器時(shí)，需規(guī)定出廠后的補(bǔ)充試驗(yàn)項(xiàng)目和檢查方法。

1）對(duì)于常規(guī)檢查試驗(yàn)項(xiàng)目，例如外觀、標(biāo)識(shí)、尺寸等項(xiàng)目，可使用下表要求對(duì)每一只產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)，不合格產(chǎn)品應(yīng)予以報(bào)廢；

2）對(duì)于非破壞性試驗(yàn)項(xiàng)目可按下表序號(hào)1、2的要求執(zhí)行，抽樣方法按GB／T 2828.1—2012《計(jì)數(shù)抽樣檢驗(yàn)程序第一部分》中規(guī)定；

3）破壞性試驗(yàn)項(xiàng)目可按下表序號(hào)3、4的要求執(zhí)行，任抽取5只。若出現(xiàn)不合格的情況，應(yīng)再次加倍抽取進(jìn)行試驗(yàn)，且必須合格，否則判定批次不合格，不能滿足核安全要求。

表 核級(jí)熔斷器補(bǔ)充試驗(yàn)表

（續(xù)）

實(shí)際工作中，上述驗(yàn)證方法可在出廠前進(jìn)行驗(yàn)證，或到貨后進(jìn)行單獨(dú)驗(yàn)證，需綜合比較成本等因素后，制定合理的執(zhí)行方式對(duì)商品級(jí)熔斷器進(jìn)行驗(yàn)證，待驗(yàn)證工作完成后，即可認(rèn)定該批次熔斷器滿足核安全要求，能夠安全可靠使用在核安全功能位置。