熔斷器屬於一次還是二次設備？

12-29

說白了，熔斷器屬於限流保護，不管在一次電路保護，還是二次電路的保護，那到底屬於哪一個呢？

這個問題有意思！

題主問：熔斷器到底是一次迴路元器件還是二次迴路元器件？答案是：熔斷器既可以用在一次迴路，也可以用在二次迴路。具體要看線路要求，以及按熔斷器的型號參數而定。

首先，我們來弄清楚什麼叫做一次迴路？什麼叫做二次迴路？

所謂一次迴路，指的就是在電路中用於傳遞電能的迴路。一次迴路的特點是電流大，溫升高，短路強度也大；二次迴路在電路中用於控制、信號放大、參量採集和保護參數設定的迴路。二次迴路的特點是電流小，溫升低，一般不會過載等特點。

在國家標準中，把一次迴路定義為主電路，而把二次迴路定義為輔助電路。我們來看看國家標準GB14048.1《低壓開關設備和控制設備第1部分：總則》中，對主電路元件和輔助電路元件有何種說法：

我們發現，不管是主電路（一次迴路）還是輔助電路（二次迴路），開關電器都存在發熱溫升問題。

熔斷器，從原理上來看，它利用電流流過導電體熔絲後的發熱，使得熔絲熔斷，繼而切斷電路中電流流經的通道。因此，熔斷器與斷路器一樣，都具有切斷過電流保護線路的功能。

由此可見，無論一次迴路還是二次迴路，它們都需要線路保護，於是熔斷器既可用於一次迴路也可用於二次迴路。

不過，用於一次迴路的熔斷器與用於二次迴路的熔斷器，它們的結構有點不一樣。見題主的題圖。

由於二次迴路的電流一般不超過5A，因此二次迴路熔斷器內部只是簡單的一根熔絲而已。熔絲熔斷時不會產生嚴重的電弧。

我們來看一個例子：設熔斷器的熔體由直徑D=2毫米的鉛絲構成，長L=50毫米。已知此鉛絲的熔點為327度，零度時的電阻溫度係數 $alpha =0.00336/^{circ } C$ ，電阻率為 $ho _{20} =0.2 imes 10^{-6} Omega .m$ ，此鉛絲的綜合散熱係數 $K_{T} =15W/(m^{2} ullet K)$ 。我們來求一求：此鉛絲在室溫為20度時，允許長期通過的最大電流是多少？

我們知道，導體的散熱熱量計算式是：

$P_{1} =I^{2} R=I^{2} ho _{0} (1+alpha heta )frac{L}{S} =4I^{2} ho _{0} (1+alpha heta )frac{L}{pi D^{2} }$ ，

並且有： $ho _{0} =frac{ ho _{20} }{(1+0.00336 imes 20)} =frac{0.2 imes imes 10^{-6} }{(1+0.00336 imes 20)} approx 1.8741 imes 10^{-7} Omega.m$

鉛絲通過電流後，它的表面會散熱。忽略掉鉛絲的兩個端點面積，它的散熱熱量計算式為：

$P_{2} =K_{T} A au =K_{T} pi DL au$ 。

注意這裡的A是導體表面積，τ是溫升，且有：τ=20-0=20K。K是開爾文溫標（絕對溫標）。

由於發熱等於散熱，也即： $P_1=P_2$ ，因而有：

$4I^{2} ho _{0} (1+alpha heta )frac{L}{pi D^{2} } =K_{T} pi DL au$ 。

經過移項化簡，我們得到20度時的最大電流I表達式，如下：

$I=frac{pi D}{2} sqrt{frac{K_{T} D au }{ ho _{0} (1+alpha heta ) } }$ 。

我們看到，長度L是可以略去的。由此我們得到一個重要結論：導線的載流量與導線截面參數相關，與導線長度無關！

代入數據後，得到：

$I=frac{3.1416 imes 2 imes 10^{-3} }{2} imes sqrt{frac{15 imes 2 imes 10^{-3} imes 20 }{1.8741 imes 10^{-7} imes (1+0.00336 imes 20)} } approx 5.4413A$

原來，這根鉛絲就是二次迴路的保險絲，它在溫度達到20度且電流達到5.4413A時，經過一段時間會熔斷。

我們來看下圖，此圖是ABB的gG使用類別的熔斷器時間-電流特性曲線：

我們來看其中6A的規格。我們發現，它的熔斷時間視電流變化從5000秒到1毫秒之間取值。

由於時間-電流特性曲線隨著電流增加而單調減少，我們把這種特性叫做反時限特性曲線。

既然熔斷器熔絲的熔斷時間變化這麼大，那麼用於一次迴路的熔斷器，它內部的熔絲或者熔片該如何控制熔斷時間呢？

這裡會出現一個有趣的現象，叫做冶金效應。

我們知道，與純銅相比，銅錫合金也即青銅的熔點比較低，約為800℃。其中錫的含量大約為25％。要知道，純銅的熔點為1083℃，相比之下相差很大。

這告訴我們一個道理：原來合金比純凈金屬的熔點要低，這就是冶金效應。

我們看下圖：

注意看圖中的錫珠。當銅片因為電流流過而發熱時，錫珠首先熔化，然後它與銅形成合金共熔體，熔點大大降低，大約在400度左右。這樣，通過控制錫珠的體積大小，就能實現銅片熔斷的溫度點控制，從而實現熔斷器熔斷電流的控制。

當熔體熔斷後，細沙能阻止電弧的燃燒。

這就是一次迴路熔斷器熔體的工作原理。

我們來看一個應用問題：

圖中左側是一次迴路，右側是二次迴路，並且一次迴路和二次迴路中都有熔斷器。我的問題是：一次迴路和二次迴路的兩組熔斷器它們的短路分斷能力都是一致的嗎？

我們看下圖：

圖中的橫坐標是短路衝擊電流，縱坐標是熔斷器的截斷電流，也即熔斷器切斷短路電流的瞬時電流值。

假定一次迴路的短路電流是50kA，一次迴路熔斷器額定電流是400A。我們從橫坐標的50kA處向上與400A曲線（從上往下第7條）相交處，它的橫坐標顯示此熔斷器的截斷電流大約為35kA 。

由此可知，一次迴路熔斷器的限流比是K=35/50=70%。

那麼二次迴路的熔斷器如何？它的運行電流頂多不超過2A，我們就選用2A的熔斷器吧。我們從50kA線往上找到2A曲線的交點，再看橫坐標，大概是1.2kA，限流比為60%。

問題來了：我們這種計算方法對嗎？難道二次迴路熔斷器承受的短路電流與同一條線路上的一次迴路熔斷器一樣大？

另外，我前面計算的鉛絲，當室溫為40度時，它的最大電流為多少？當溫度為327度時，該熔絲能切斷的短路電流是多少？

且看知友們如何回答。

用在一次迴路，就是一次迴路元件。用在二次迴路，就是二次元件。

在一個完整的電路中，一次迴路和二次迴路中都有熔斷器。一次迴路中熔斷器主要是保護負載的，防止大電流或者短路電流衝擊燒壞電機等負載。二次迴路中沒有大電流，用的是小容量的熔斷器，防止一次迴路的電流流到二次迴路，因為二次迴路一般都是人員操作接觸的，

熔斷器 屬於一次還是二次設備？

熔斷器屬於一次還是二次設備？