1　概　述
　　负荷开关-熔断器组合电器中，熔断器用于过载电流和短路电流的开断；负荷开关用于正常负荷电流或转移电流的开断，并具有关合短路电流的能力。两种各具特色的电器结合，使组合电器具有许多优点。
　　首先，对于一个开关来说，切负荷是经常发生的，短路保护则很少出现。组合电器可将控制和保护的功能分开，大量的经常发生的切负荷工作由负荷开关来完成，而极少发生的短路开断则由熔断器来完成。其次，组合电器中的限流熔断器具有限流特性和分断短路电流速度快的优点，在较大短路电流出现时，熔断器在电流达预期值之前迅速开断电路，使被保护的电器设备免受巨大短路电流的危害，对用电设备的保护更加可靠。在许多使用场合，组合电器与断路器相比，结构简单、造价低、可靠性高，因而近年来组合电器在城市电网中得到广泛的应用。但目前许多组合电器产品因负荷开关与熔断器配合不当，开断转移电流能力较差，其使用范围受到很大限制，为此目前有关转移电流的求取以及负荷开关与熔断器的配合关系，许多学者进行了探讨^［1，2］，但在组合电器中使用的熔断器和负荷开关应当有何特点，才能实现两种电器的优化配合，目前尚无具体研究报道。
　　本文通过对组合电器中负荷开关、熔断器、熔断器撞击器等电器元件，在配合特性中各自功能要求的分析，提出了满足组合电器配合特性要求的优化设计方案，以求低成本，高效率地降低组合电器因配合特性所需开断的转移电流，实现组合电器中负荷开关与熔断器的优化配合。

2　组合电器配合特性的影响因素
2.1　负荷开关与熔断器之间的配合
　　负荷开关-熔断器组合电器的任务很明确，负荷开关开断工作电流，熔断器承担短路保护。在此之间，存在一个过电流区域，有可能负荷开关和熔断器同时动作，因此只有两种电器的开断能力相互配合，才能顺利完成此开断任务。
　　组合电器中负荷开关与熔断器配合操作的过程较为复杂，它与电路中电流大小密切相关。当开断较小的电流(如小于3倍的熔断器的额定电流)时，组合电器的开断由负荷开关单独完成，负荷开关三相开断，三相熄弧；当电路出现故障，电流(约20倍熔断器额定电流以上)较大时，熔断器在故障电流的第一个半波动作，过半波(10ms)后已开断三相电路，负荷开关随后的操作属于无负荷动作；当电流在转移电流范围(3～20倍熔断器的额定电流)内，三相熔断器之一首先动作，同时其撞击器触发负荷开关分闸。另外两相电路可能是由负荷开关开断，也可能由熔断器开断，此时熔断器与负荷开关配合共同完成开断任务^［3］。
　　由此可见，转移电流是指熔断器与负荷开关转换开断职能时的三相对称电流。低于该值时，首开相电流由熔断器开断，其它两相电流由负荷开关开断。大于该值时，三相电流仅能由熔断器开断。
2.2　转移电流的影响因素
　　由于制造上所必然存在的偏差，熔断器的时间-电流特性曲线也存在着误差，当三相故障电流通过熔断器时，三相熔断器不可能同时分断电路，如果首开相与剩余两相弧前时间差大于由熔断器触发的负荷开关分闸时间，就会出现负荷开关开断转移电流的情况。
　　图(1)表示在转移电流范围内可能出现的最大和最小熔断器时间-电流特性曲线，为了便于分析，近似认为在转移电流的小区域内的特性曲线为直线。最小时间-电流曲线上的T_m1，是在三相故障电流I₁下首先动作的熔断器熔化时间；T_m2是第二相熔断器动作时的熔化时间，由于第二相熔断器已经承受了三相故障电流I₁的时间T_m1，所以T_m2小于最大时间-电流曲线上的两相电流(0.87I₁)所对应的时间。参见IEC420标准可知，三相熔断器的首开相和第二相弧前时间差ΔT与T_m1的关系为：

ΔT=1.1T_m1　　　(1)

1—最大时间-电流特性；2—最小时间-电流特性
图1　熔断器可能的最大和最小时间-电流特性

　　在转移点处，ΔT应与熔断器触发的负荷开关分闸时间T₀相等，即：

T₀=ΔT=1.1T_m1

　　或：

T_m1=0.9T₀(2)

　　由此可知，在熔断器的最小时间-电流特性曲线上，取弧前时间等于0.9T₀所对应的电流，即为所求的转移电流值^［4］。所以熔断器的弧前时间-电流特性及熔断器触发的负荷开关分闸时间T₀是决定转移电流大小的重要因素。

3　组合电器中的熔断器
3.1　熔断器弧前特性对转移电流的影响
　　用于组合电器中使用的熔断器应当另具特点，才能实现负荷开关与熔断器的优化配合。如图(2)所示，假设曲线1、2分别为两种不同的熔断器时间-电流特性曲线的下限。比较曲线1，2可发现，在相同电流条件下，曲线1的弧前时间长于曲线2，曲线2在转移电流区域内的时间-电流特性曲线位于曲线1的左下方，如取0.9T₀时间，通过两曲线可读出相应的转移电流值：I_tc2<I_tc1。组合电器选用熔断器的时间-电流特性如果是曲线2，则其所需开断的转移电流值（I_tc2)相对较小，反之，选用熔断器的时间-电流特性如果是曲线1，则其所需开断的转移电流值(I_tc1)相对较大，所以在相同额定电流等级的条件下，减小熔断器在转移电流区域内的弧前时间，可以降低负荷开关与熔断器配合开断电路时所需开断的转移电流值。

1—弧前时间较长；2—弧前时间较短
图2　不同熔断器时间-电流特性

3.2　熔断器的优化设计
　　要加快熔体在转移电流区域内的熔化速度，就必须对现有熔断件的熔体尺寸进行修正，而且应当尽可能少地影响熔断件其它特性。在高压限流熔断件结构简化的基础上建立熔体二维温度场和电流场的联合数学模型，并采用有限元法进行求解，可算出熔断件弧前时间-电流特性曲线。利用文献［5］提供的熔断件参数，计算在50ms～300ms区域内的时间-电流特性，结果如图(3)所示，其中曲线1为常用熔断件时间-电流特性，熔体厚度为0.142mm，曲线2为试品熔断件时间-电流特性，熔体厚度为0.114mm，两熔断件其它尺寸完全相同，比较曲线1、2可看到，曲线2在曲线1的左下方，即在通过相同电流的条件下，减小熔体厚度，使熔断件弧前时间明显减小。虽然熔断件的温升有些提高，但仍能满足标准要求。

1—常用熔断件时间-电流特性曲线
2—试品熔断件时间-电流特性曲线
图3　熔断器时间-电流特性曲线

　　假设有0.9T₀=90ms，由曲线1可读出组合电器的转移电流约为1300A，由曲线2可读出组合电器的转移电流约为1000A，熔体减薄20%，转移电流减小了23%。这些计算及实验的研究结果已成功地应用于高压限流熔断件的新产品设计中。
4　组合电器中熔断器的撞击器
　　在组合电器中使用的熔断器的撞击器，其主要作用是在熔断器起弧后触动负荷开关脱扣分闸，由2.2节的分析可知，T₀是决定转移电流大小的重要因素之一，IEC420标准对熔断器触发的分闸时间(负荷开关的)明确定义为：从熔断器起弧时刻到所有相弧触头都分开时刻的时间间隔。因而T₀由负荷开关固有分闸时间t_g和熔断器撞击器的动作时间t_c构成。
　　以弹簧型撞击器为例，用目前高压限流熔断器中常用的中型撞击器为试品，选定电流(有效值)在5A～25A之间，测量在不同电流情况下撞击器动作的特性，根据测量结果绘制撞击器动作特性I-T曲线，见图(4)。熔断器撞击器行程持续时间t_c与通过撞击器的电流有关，电流愈大，撞击器动作时间愈短，其动作特性是一条反时延特性。根据多种熔断器撞击器试验测量，其行程持续时间均为20ms左右^［6］。　　

图4　撞击器动作特性曲线

　　按IEC282-1标准^［7］规定，熔断器撞击器行程持续时间t_c不得超过100ms，若将目前的撞击器动作时间延长至100ms，即取0.9T₀=160ms，由图3中曲线2可得转移电流约为800A。所以在产品设计时可适当地增大t_c，也可达到减小转移电流的目的，但要满足IEC420标准8.2.3条规定，即熔断器无损伤耐受时间至少比T₀长50%。

5　组合电器中的负荷开关
　　在组合电器的配合特性中，负荷开关的设计及选用特别重要。负荷开关的固有分闸时间以及负荷开关开断过载电流的能力是配合特性中的关键参数。
　　负荷开关通常有一般型和频繁两种，一般型通常为油、产气和压气式负荷开关，其优势在于造价低，结构简单；频繁型常为真空和SF₆负荷开关，其优势在于结构紧凑，基本无需维修，寿命长。由于空气介质绝缘耐压强度及去游离能力均低于真空或SF₆，因此一般型负荷开关开距及超行程较大，负荷开关固分时间t_g较长，通常为65～80ms，而真空或SF₆负荷开关的开距及超行程较小，负荷开关固分时间t_g通常仅为10～20ms，目前常用的撞击器的动作时间约为20ms左右，所以熔断器触发的负荷开关分闸时间T₀，一般型约为100ms，频繁型约为40ms。根据转移电流的求取方法，从SLF100型熔断器时间-电流曲线上可求出，一般型约为1200A，频繁型约为2000A，显然频繁型负荷开关所需开断的转移电流值大。
　　由于负荷开关的额定电流主要取决于导体截面，接触状况，散热条件等，而开断电流能力则主要取决于分闸速度，灭弧条件等，同一额定电流、电压等级下的一般型负荷开关与频繁型负荷开关，由于两者动作原理、灭弧条件等因素不同，虽然其额定电流相同，但开断能力却有很大差别，以目前性能较好的12kV、630A的负荷开关为例，一般型负荷开关开断能力通常为1200A左右，频繁型负荷开关可达2000A以上，虽能满足配合特性的要求，但已没有裕度，影响组合电器的可靠性。
　　通过以上分析可见，组合电器中的负荷开关应从其固有分闸时间及开断过载电流的能力两方面考虑，对于一般型负荷开关，由于其固有分闸时间已经较长，所需开断的转移电流值相对较低，设计时应着重考虑改进灭弧室结构，优化操动机构，增强灭弧能力；对于频繁型负荷开关，由于其开断过载电流的能力较高，而固有分闸时间较短，设计时可考虑适当增加脱扣延时，或选配行程持续时间t_c相对较长的熔断器撞击器，使T₀增大，降低转移电流值。

6　结　论
　　(1)综合考虑组合电器中负荷开关、熔断器、熔断器撞击器等电器元件在配合特性中的功能，可优化组合电器的配合特性。
　　(2)在保证熔断器其它性能基本不变前提下，减小熔断器在转移电流区域内的弧前时间，可降低组合电器因配合特性所需开断的转移电流。
　　(3)适当地增加熔断器撞击器行程持续时间t_c或负荷开关固有分闸时间t_g可降低组合电器所需开断的转移电流值。
　　(4)本文所述设计方案及理论分析均通过了实际验证，并在产品中得以应用。

参考文献

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　[2]　马志瀛.对IEC420确定转移电流方法的一些认识.高压电器，1997，(4)：26～28
　[3]　Ansgar Muller.负荷开关与熔断器的配合-对IEC420的解说.高压电器国际标准信息与动态，1993，(2)：34～43
　[4]　International Standard.High-Voltage Alternating Current Switch-fuse combinations.IEC420,1990
　[5]　张娟，马志瀛.高压限流熔断件的二维温度场数学模型及其应用.电网技术，1995，19(12)：24～26
　[6]　金立军，马志瀛等.组合电器中熔断器撞击器动作特性的研究.高压电器，1997，(5)：11～15
　[7]　International Standard.High-Voltage Fuses,Part1:Current-Limiting Fuses.IEC282-1,1985