隨著人們對電網經濟性與安全性的要求越來越高，針對變壓器等配電設備的保護變得更加必不可少了。目前使用最廣泛的是傳統跌落式熔斷器。這種熔斷器的結構簡單，價格便宜，但是由于采用的是全裸露式結構，因此受外界環境因素的影響較大。比如，消弧管易老化，外露觸頭容易被銹蝕，防風、防污及耐鹽性能較差等。

一些供電單位嘗試給傳統跌落式熔斷器加裝保護套，以期避免熔斷器的主要部件直接暴露于空氣中，但是這種方法無法從根本上解決問題，反而是保護套安裝起來麻煩，容易脫落，甚至會影響熔斷器正常動作。在這種情況下，對全封閉式熔斷器展開研究具有重大的意義。

近年來，國內針對全封閉式熔斷器做了大量的研究。例如，鐵路信號系統研制了一種封閉式熔斷器，但其容量小，開斷短路電流能力無法滿足電力系統的要求。后來從國外引進了一種真正意義上的全封閉式熔斷器，至今還沒有通過規定的開斷短路電流試驗，因此無法投入使用。

有學者設計了一種10kV戶外封閉型噴射式熔斷器，其原理是，當熔絲熔斷時所產生的高溫使產氣材料產生大量氣體造成空氣流動，從而在電流過零時（電弧熄滅）吹滅電弧。這種方法可以有效提高熔斷器對大電流的開斷能力，但是在小電流故障時，熔絲熔斷溫升小，導致產氣材料的產氣速率低，從而無法迅速吹滅電弧。

鑒于此，本文設計了一種全絕緣噴射式熔斷器。該熔斷器采用全封閉式結構，有效避免了外界環境因素對其動作可靠性的影響，并采用狹縫滅弧方式，結合力學彈射原理，提高熔斷器的關合穩定性、滅弧性以及安全性。

此外，本文還建立了全絕緣噴射式熔斷器開斷機理的數學模型，分析了熔絲熔化過程中電阻率的變化情況，為其開斷過電壓的計算提供了理論依據，有助于被保護設備的絕緣設計以及避雷器的選取。

1 全絕緣噴射式熔斷器的設計

1.1 內部結構

本文所設計的全絕緣噴射式熔斷器主要由全絕緣腔體、消弧裝置以及脫口裝置三部分組成，其結構示意圖如圖1所示。

圖1 全絕緣噴射式熔斷器結構示意圖

全絕緣熔斷器本體采用一體化構造，由瓷套管、上/下部緊固件以及底部的密封蓋構成一個全封閉、全絕緣化腔體，從而大大改善絕緣性能，也相對縮小了安裝絕緣距離，有利于在空間有限的位置安裝使用。

上/下部電極、熔絲管、熔絲等完全內置，從而保證在淋雨、受潮、鹽污、強日照等惡劣環境因素下，不會發生絕緣電阻下降、因電極銹蝕而導致不能正常開斷、因膨脹而造成的熔絲拉斷等不必要的停電事故。

此外，瓷套管上、下兩端緊固件采用橡膠一體成形構造，可有效防止粉塵和鹽污染等，增強絕緣安全性，確保其長期的穩定性能。

消弧裝置由上/下部電極、熔絲、熔絲管、消弧棒以及消弧管組成。其中，上部電極與瓷套管固定，下部電極為活動電極。

熔絲完全被封閉于熔絲管內，這樣做一方面保護熔絲在安裝及拆卸過程中不被外力拉斷；另一方面，熔絲管填充材料成分中含有的電弧猝熄化合物可以有效熄滅熔絲熔斷所產生的電弧。

消弧棒和消弧管是用于使電弧產生氣體并熄弧的管形零件，消弧棒與上部電極電氣連接，內置于熔絲管凹槽內，而消弧管與下部電極電氣連接，套于熔絲管外側，并與消弧棒電氣隔離。

脫口裝置中的彈簧處于壓縮狀態，上端與下部電極固定，下端與絕緣墊固定。熔絲下端通過下部電極和絕緣墊內部，從絕緣墊外側引出，向上彎曲并固定于消弧管緊固件上。

1.2 技術參數

全絕緣噴射式熔斷器技術參數見表1。

表1 全絕緣噴射式熔斷器技術參數

2 工作原理及機理分析

2.1 全絕緣噴射式熔斷器工作原理

全絕緣噴射式熔斷器負荷電流的滅弧方式采用狹縫滅弧方式。圖2所示為狹縫滅弧方式的滅弧過程示意圖。

圖2 狹縫滅弧方式的滅弧過程示意圖

在熔絲氣化熔斷后，在消弧棒和消弧管之間會產生電弧，如圖2（b）所示。

• 一方面，在電弧高溫的作用下，消弧管內的產氣材料會產生一定量的惰性氣體，由于消弧棒和消弧管之間的間隙較小，滅弧通道容積也非常小，電弧在這個近似封閉的空間內燃燒一段時間，導致電弧釋放的熱量在此處積累，因而使消弧棒和消弧管之間封閉空間的內部壓力大幅度升高，強烈的惰性氣體流在電流零點熄滅電弧；
• 另一方面，熔絲熔斷后，在脫口裝置中處于壓縮狀態的彈簧彈力作用下，絕緣墊和密封蓋會被迅速彈開，使消弧管和熔絲管快速跌落，從而使電弧拉斷。技術人員可以根據密封蓋被彈開與否來判斷熔斷器是否熔斷，簡單直觀。

2.2 熔斷器開斷短路電流暫態過程分析（略）

熔斷器的主要作用是限制短路電流，而限制短路電流必然會導致當開斷感性負載設備時產生過電壓，因此，分析熔斷器開斷短路電流暫態過程的過電壓變化情況是熔斷器設計的必要前提。圖3所示為熔斷器開斷短路電流的等值電路圖。分析熔絲熔斷過程中電阻或電阻率的變化情況是解決問題的關鍵。

圖3 熔斷器開斷短路電流的等值電路圖

2.3 熔絲熔斷機理分析（略）

當流過熔絲的電流達到一定值時，熔絲便會發熱熔斷，其物理過程如圖4所示。在計算熔絲開斷短路電流時的過電壓過程中，對于熔絲內阻變化僅考慮膨脹前的狀態，可以定量計算熔斷器熔斷過程中的過電壓值。

圖4 熔絲發熱熔化的物理過程

3 實驗研究（略）

為了驗證本文所設計的全絕緣噴射式熔斷器的動作可靠性，對其進行開合負荷電流試驗，試驗原理圖如圖5所示。

圖5 開合負荷電流試驗原理圖

試驗結果如圖6所示。

圖6 測量全絕緣噴射式熔斷器的燃弧時間及其開斷過電壓

從圖6中可以看出，全絕緣噴射式熔斷器全都正常開斷，在5%額定電流2.5A、額定電流50A以及1.3倍額定電流65A下的燃弧時間均值分別為10.8ms、66.3ms、101.3ms，均小于行業標準規定的200ms。此外試驗所得的全絕緣噴射式熔斷器開斷過電壓均值為19.3kV，與理論計算值19.7kV相符，為全絕緣噴射式熔斷器所保護的配電設備的絕緣保護以及避雷器的設計及選取提供了依據。

另外，按照國內行業標準，并結合實際要求對所設計的全絕緣噴射式熔斷器在中國電科院電力工業電力設備及儀表質量檢驗測試中心高壓開關試驗站進行了全面的性能測試，如溫升試驗、機械穩定性試驗、耐壓試驗等，試驗結果均合格，并且成功地通過了試驗掛網運行。

總結

• 1）本文設計的新型全絕緣噴射式熔斷器采用全絕緣、全封閉結構，可以有效避免外界環境因素對其性能的影響；采用狹縫滅弧方式并結合力學彈射原理，提高了熔斷器的關合穩定性、滅弧性以及安全性。
• 2）本文建立了全絕緣噴射式熔斷器開斷機理的數學模型，分析了熔絲熔化過程中電阻率的變化情況，為其開斷過電壓的計算提供了理論依據，有助于被保護設備的絕緣設計以及避雷器的選取。
• 3）試驗結果驗證了全絕緣噴射式熔斷器的動作可靠性。除此之外，還對其進行了行業標準所規定的性能測試，試驗結果均合格，并成功通過了試驗掛網運行。