熔断特性

机组起停颇策和负荷剧烈变化，使导体和绝缘产生热应力，也会使绝缘变形及损伤，因此还要求绝缘具有一定的弹性和强度。

背景介绍

广泛采用防止短路的装置———保险丝、保险管，这些保险装置都是用金属丝金属片制成。保险的基本原理是电流增大到某一值时，金属丝金属片温度升高到其熔断温度而熔断，从而切断电流，达到短路保护的目的。这一过程显然是一个热学过程，熔断时间的滞后是其特点。在一些电气输电工程中，由于设计不当或者出现意外情况也会出现金属的熔断。随着社会的进步，对电气工程施工和电气设备使用的要求也越来越高。因而也对短路保险的时间提出了较高要求。如彩电需要延时保险，另一些则需要快速熔断保险等等。显然对金属丝熔断特性的研究具有特别重要的意义。

金属丝研究

由于以前的仪器设备的限制，对通电熔断的时间的精密测量带来很大的困难。这方面的研究很少，我们利用已经普遍使用的数字存贮示波器，（频率为60MHz，理论上说，时间测量可达1/60×10-6s，即几十纳秒）自行设计出一个实验，对金属丝的熔断特性进行了研究，由于保证了时间的测量精度，取得了较好的结果。

理论研究

在理论上，无限大的空间，金属丝熔断可分为两种熔断，当提供给金属丝熔断的能量不是太大时，金属丝熔为液态而断开，称为熔化熔断；当提供给金属丝熔断的能量很大，金属丝直接气化成气体而断开，称为气化熔断。我们只对前者进行研究。熔断时间较长时，通电熔断的计算非常复杂，在通电期间，既要考虑金属丝获得的电能所提供的能量使其温度升高，又要考虑热辐射，热传导，对流对能量的损失。而这些损失都是温度和波长的涵数，还得考虑金属丝的电阻随温度的升高而电流减小的影响等等。但当金属丝熔断时间较短时，可忽略金属丝辐射热量散失的影响，设经过金属丝热传导损失的热量为Q1；金属丝达到熔断时的热容热量为Q2；电能提供金属丝温升的热量为Q。

实验仪器

数字存贮示波器(DS3062M)，多挡位大电流电源(DV-201)，数字万用表(TD890)，自制的电子滤波大电流恒流源，自制的可调距离的接线柱，铜丝(d=0.075mm)，千分尺(0~25mm/0.01mm )，游标卡尺(0.02mm )等。

研究结论

金属丝熔断特性的实验研究表明：熔断电流的平方与熔断时间成线性函数关系。实验结果与理论计算符合得很好，因而理论计算中完全可以忽略掉金属丝通电发热的热辐射的复杂影响。

航天用料

在航天器研制过程中，多次发生因为电连接器插接错误或导线绝缘皮损伤导致导线承受过电应力而烧毁的故障。导线烧毁问题在世界航空航天领域是共性问题，如NASA 就发表过关于导线烧毁的研究报告，资助了研究导线绝缘层烧毁特性的飞行实验项目。

在理想条件下金属导线熔断的物理模型。该模型可以较好地表征在大气环境或真空环境下单根、均匀直径的铜丝的熔断特性。然而实际应用中的导线往往是多股铜丝绞合使用，且外层套有聚四氟乙烯保护层。在铜丝熔断理想模型基础之上，引入铜丝对周围媒介的热传导系数，对铜导线的实际熔断特性开展研究。

理论研究

在理想的铜丝熔断模型中，主要考虑铜丝在通电过程中积累热量，当局部热量积累达到一定程度发生熔融，熔融局部铜丝由于重力脱离周围铜丝即发生熔断。其中，铜丝获得的电能所提供的能量使其温度升高，同时要考虑热辐射和热传导、对流造成的能量损失，此外，还要考虑金属丝的电阻随温度升高而增大等相关影响因素。但是当金属丝熔断时间较短时，可以忽略金属丝热辐射所散失的热量，假设经过金属丝热传导损失的热量为Q1；金属丝达到熔断时的热容热量为Q2；金属丝熔断热量为Q3；电能提供金属丝温升的热量为Q。

试验

样品选择

航天型号及某些地面设备中大量采用AF-250AH 导线，本试验采用AF-250AH 型19 芯镀银铜线绞合缠绕而成的多股铜导线，外部采用聚四氟乙烯薄膜绕包保护。该型号导线的最高耐压值为1500 V，额定工作电流为3.3 A，最高工作温度为250 ℃。其中单芯镀银铜丝的直为0.12 mm，导线的标称截面积为0.2 mm2，外层绝缘保护皮的厚度约0.1 mm。

试验环境

在大气环境下，铜导线可以通过空气向周围传导热量。在真空环境下，铜导线向真空热传导效率下降，经过电流过载后热积累严重，与大气环境条件下相比，熔断阈值降低。本试验结合导线在航天型号中的实际使用环境，分别选取：大气环境（25±5 ℃、1 个大气压）；真空环境（25±5 ℃、5×10-3 Pa）这2 种环境条件进行导线熔断试验。

试验方法

截取50 cm 长的导线，连接大功率供电电源，采用恒流模式在大气环境和真空环境下对导线分别施加额定工作电流I0的整数倍电流。由于导线在施加5 倍额定工作电流时很难熔断，但其绝缘层已失效[6]，所以设定的试验电流分别为额定工作电流的5 倍、6 倍、7 倍、8 倍、9 倍。试验中，对导线的熔断时间进行监测并记录。

相关对比

根据拟合计算获得的 kq 值，对比大气环境和真空环境下AF-250 型导线的熔断特性曲线，当导线在较短时间（t<20 s）内发生熔断时，两种环境条件下所需的熔断电流密度相差较小，表明无论何种环境条件下导线都还来不及向外界散热，熔断导线的热量主要来自于导线自身通电产生的电阻热，因此kq 对熔断特性的影响相对较小。但随着熔断时间的增加，由于kq 的影响，在2 种环境条件下所需的熔断电流密度差距增大。

无论是在大气还是真空环境下，随着熔断时间的增加，所需的熔断电流密度值均趋于一个定值，大气环境下约为1.07 A/mm2，真空环境下约为0.647 A/mm2。该稳定电流密度值即为导线在长期通电条件下不发生熔断的最低电流密度值。在实际使用过程中，每种导线都存在一个最高安全工作电流值，在任何条件下都必须保证导线中的电流不能超过该电流值。

结论

单芯铜导线在理想环境下的熔断具有成熟的理论模型。分析传热学和实验传热学相结合，在铜丝熔断理论模型基础之上，引入多股铜丝等效直径的概念对理论模型进行修正，获得了实际应用中的多股绞合铜线的熔断特性；并采用试验获得的等效热传导系数对物理模型进行修正，获得了有绝缘保护层的多股铜线的熔断特性。研究结果可为安全使用安装铜导线提供参考。

应用要求

电气强度机组运行中除受到正常工作电压长期作用外，有时还受到大气过电压和内部过电压的瞬时作用，因此线圈绝缘结构设计时绝缘的击穿电压应比额定电压高5~8倍以上。为了检查绝缘结构的缺陷，在制造过程中要进行多次工频耐压试验。每进行一次就会在结构中产生一定的细微劣化痕迹，使其电气强度有所下降，下降强度与外施电场强弱及其作用时间有关，此即所谓积爪效应。由于绝缘内部电离放电量是与颇率成正比的，因此采用超低频或直流耐压试验，对绝缘电气性能的影响要小得多。

机械性能发电机在自同步合闸或突然短路时，都会产生强大的冲击短路电流，使定子绕组槽部和端部受到强大电动力作用，因此要求绕组具有一定的机械强度，能够承受一定的机械应力。热老化发电机运行要求线圈的绝缘在工作沮度的长期作用下不易老化，不降低绝缘性能。介质损失在工作温度和电压的作用下线圈绝缘的介质损失要小，以防止由介质损失产生的附加热t，加速绝缘的老化，以致损坏绝缘。耐电晕在高电场作用下，在绝缘表面电场分布不均匀的部位(如端部出槽口及通风槽口)，气体易发生局部电离而产生臭氧，在奥氧、水气及氮的氧化物的联合作用下使绝缘受到腐蚀，从而降低绝缘的介电及机械性能。

因此，高电压电机的绝缘应该有较高的耐电晕能力。shullunfodlonl一Jueyuon水轮发电机绝缘(insulationofhydrogen-erator)电机绝缘包括股间、层间、排间、匝间和对地绝缘与防晕层。端部的各种支撑或固定用的绝缘构件以及连接线和引出绝缘.在长期运行过程中，由于受到电、热、机械力的作用和不同环境条件的影响，使绕组绝缘逐渐老化，因此绕组绝缘应具有产品所要求的耐热等级、足够的电气强度、优良的机械性能和良好的工艺。

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