微型管状熔断器高电压低气压下熔断特性研究

马季军，屈诚志，陈明勤，张 玉，季 飚

(1.上海空间电源研究所，上海201100;2.上海松山电子有限公司，上海201100)

1 引言

空间飞行器，特别是载人航天器的安全性设计要求很高。一般的，作为一个重要的安全性措施，空间飞行器电路设计会在关键的环节使用熔断器［1-2］，当出现电路短路等异常情况时，靠熔断器断开故障回路，以保证飞行器的安全。目前国内外一般使用三种类型的熔断器［2-3］，一种是符合MIL-PRF-23419/8的管状FM08系列熔断器，一种是符合MIL-PRF-23419/12的固态FM12系列熔断器，还有一种是参照MIL-PRF-23419/8的上海松山电子有限公司的RSG-I-FFA系列管状熔断器。由于众所周知的原因，在我国自主研发的空间飞行器中几乎没有使用FM12系列熔断器，均使用FM08系列熔断器或RSG-I-FFA系列熔断器［2］，我国自主研发的载人航天器电源系统就使用了RSG-I-FFA系列熔断器作为安全性设计措施。根据文献［4］报道，FM08系列管状熔断器在低气压高电压75 VDC以上

环境中分断时，部分存在持续放电拉弧的现象。由此，与FM08结构熔断机理类似的RSG-IFFA系列熔断器［4］是否存在类似的问题，是否能在高电压低气压条件下可靠熔断是事关电源系统安全性的重大问题。针对这一问题开展了研究工作，从两种熔断器的密封方式、熔丝类型等方面做了分析，并进行了与FM08系列管状熔断器熔断试验相同环境下的熔断特性试验，试验结果达到了预期的目的，验证了RSG-I-FFA系列熔断器在高电压低气压环境条件下熔断的可靠性。

2 熔断器保护电路的原理

RSG-I-FFA系列熔断器与FM08系列熔断器成品结构如图1所示，熔断器由外引线、密封、管体、管帽、熔丝及焊锡等组成，熔丝为纯银［2］。

图1 管状熔断器结构图Fig.1 Structure of the tubular fuse

熔断器用于空间飞行器上电源或其他重要部位的电流保护，当熔丝通电时，电流转换的热量会使熔丝的温度升高。正常工作电流下，电流在熔丝上产生的热量与熔丝以传导、辐射、对流等方法散发的热量达到平衡时，熔丝能保持在安全的温度范围内长期工作;若熔断器所在电路出现故障，熔丝流过了超出额定值几倍的大电流，熔丝的发热迅速增加，其散热速度小于发热速度，热量将会累积在熔丝上，使得熔丝的温度迅速上升，一旦温度达到或超过了熔丝的熔点，就会使熔丝熔化，电流回路断开，从而切断故障电路的供电回路，起到安全保护的作用。一个合格的熔断器在使用的工况下发生熔断时，熔断器A、B两端不能出现持续的拉弧放电现象，A、B两端应保证电流可靠断开，熔断器的管体结构保持良好。

3 高电压低气压环境条件下的熔断特性测试试验方案

3.1 试验项目

根据国外文献介绍［4］的情况，FM08系列熔断器熔断时持续拉弧的低气压范围在133 Pa到200 Pa之间［3］，为此，对 RSG-I-FFA 系列熔断器进行如下的试验:

1)电压125 V，电流 2 In、4 In、100 A，气压753 Pa(602～903.6 Pa);

2)电压 125 V，电流 2 In、4 In、100 A，气压150 Pa(120～180 Pa);

3)电压125 V，电流 2 In、4 In、100 A，气压20 Pa(16 ～24 Pa)。

In为熔断器额定熔断电流，试验中气压参数偏差最大±20%，其他各参数最大误差±10%。

3.2 试验方案

低气压情况下熔断器性能测试试验原理如图2所示。

按图2所示框图进行试验，图2中低气压容器保证熔断器所处的低气压环境，V1电源提供熔断器熔断的电流和电压，FP为外置慢熔保护熔断器，在被测熔断器FX发生低气压持续拉弧时保证线路的安全，RX调流电阻用于线路中熔断电流的调整，霍尔电流探头、电压探头及示波器用于捕捉熔断丝熔断时线路中的电压电流变化情况，K1为加电开关。

图2 试验原理图Fig.2 Test schematic diagram

按图2所示原理，构建了图3所示的低气压熔断试验装置，进行相关熔断器在不同低气压条件下的熔断试验。具体方法是在试验电路板上固定好试验用熔断器，调节调流电阻，调节熔断器试验用开路电压及熔断电流至试验值。将固定有熔断器的电路板置入低气压箱内，封盖并抽气。到指定气压点，保压20 min，待气压稳定。开启熔断试验测控台(图1中K1开关闭合)，在指定气压点开始熔断试验。记录熔断时间及熔断电流波形。熔断后保持试验熔断器两端所加电压不变，保持30 s后，低气压箱放气，取出试验电路板，观察试验用熔断器的外观状态。

图3 低气压熔断试验装置Fig.3 Equipment for fusing test in vacuum

3.3 试验判据［5-7］

1)熔断时无持续拉弧现象和二次拉弧现象;

2)熔断后外观无破损，无裂纹;

3)断态阻抗应大于10 kΩ。

3.4 试验件

3.4.1 试验件状态

为确保在低气压环境中RSG-I-FFA系列熔断器内部气压与试验环境完全一致，特地制作了两种状态的熔断器，具体如下:

1)状态1，不做外部环氧密封的熔断器，如图4所示;

图4 不做外部环氧密封的RSG-I-FFA熔断器半成品Fig.4 Semi-manufactured goods of RSG-I-FFA without epoxy sealing

2)状态2，半成品熔断器，一端环氧密封，一端半密封，如图5所示。

以上两种状态的参试熔断器除与同规格RSG-I-FFA成品熔断器密封程度不同外，其余状态与同规格成品熔断器采用相同的外引线、熔丝、管体、焊锡、焊帽、密封材料及相同的制作工艺。

图5 一端密封，一端半密封的RSG-I-FFA半成品Fig.5 Semi-manufactured goods of RSG-I-FFA with epoxy sealing on one side

3.4.2 试验件漏率测试

试验前对被测熔断器做氦检漏率测试，实测状态1的两种规格(3 A，10 A)熔断器共230只，氦检漏率测试结果为大漏，试验后随机抽取了10只做粗检，粗检结果显示，漏率均大于10-4Pa·m3/s，符合10 min熔断器内气压可靠降低到与低气压容器相同气压的要求［8］。

状态2的熔断器RSG-I-FFA 15A进行完低气压熔断试验后，随机抽取了10只做粗检，结果显示，漏率均大于10-4Pa·m3/s，符合10 min熔断器内气压可靠降低到与低气压容器相同气压的要求［8］。

3.5 试验情况

3.5.1 RSG-I-FFA 3A、10A 熔断器

按照试验方案的内容，分别对两种状态下RSG-I-FFA 3 A、10 A系列熔断器进行了2 In、4 In、100 A 电流及气压 1000 Pa，750 Pa，150 Pa，13 Pa情况下的熔断试验，试验电压为125 V。

已进行的各熔断器的试验情况如下:

1)RSG-I-FFA 3A熔断器

共进行了60只，12组试验，在气压为1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四种工况下进行了 2 In、4 In、100 A的熔断试验。详细数据见附录A。通过对熔断电流检测表明，在试验工况气压条件下，未见放电拉弧现象，熔断器熔断时间符合手册推荐值［3］。

(1)熔断时间

具体见表1。

表1 RSG-I-FFA 3A熔断器低气压熔断时间Table 1 Fusing time of RSG-I-FFA 3A in vacuum

(2)熔断电流波形

电流波形如图6所示。

图6 RSG-I-FFA 3A电流100 A气压150 Pa下熔断电流波形(456 μs)Fig.6 Fusing current waveform of RSG-I-FFA 3A under the condition of 100 A current，150 Pa pressure

从图6波形上可以看出，在低气压环境下，RSG-I-FFA 3A熔断器熔断时，电流波形的下降沿未出现拖尾现象，也未出现二次拉弧的电流波形，熔断时间在手册推荐的额定值范围之内。

(3)熔断后X光拍照情况

熔断后的X光图形如图7所示。

图7 RSG-I-FFA 3A熔断器熔断后X光照片Fig.7 X-ray photo of RSG-I-FFA 3A after fusing

图7 中熔断后的波形显示，熔断时熔断器内的熔丝被烧蚀，管体内已无熔丝，熔丝断点在管帽内。

(4)结论

RSG-I-FFA 3A熔断器在2 In/4 In/100 A电流 125 V 电压及低气压 1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa四种工况下的试验数据及电流波形表明，该型号熔断器熔断后断点干净、熔断时无持续拉弧现象、无二次放电拉弧现象、外观无损伤。

2)RSG-I-FFA 10A熔断器

共进行了60只，12组试验，在气压为1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa 四种工况下进行了2 In、4 In、100 A的熔断试验。详细数据见附录A。通过对熔断电流检测表明，在试验工况气压条件下，未见放电拉弧现象，熔断器熔断时间符合手册推荐值。

(1)熔断时间

具体见表2:

(2)熔断电流波形

熔断电流波形如图8所示。

从图8的波形上可以看出，在低气压环境下，RSG-I-FFA 10A熔断器熔断时，电流波形的下降沿未出现拖尾现象，也未出现二次拉弧的电流波形，熔断时间在手册推荐的额定值范围［3］之内。

(3)熔断后X光拍照情况

随机抽取一组熔断后的X光图片如图9所示，图片显示，断点干净无尖锐突起。

图9中熔断后的波形显示，熔断时熔断器内的熔丝被烧蚀，管体内已无熔丝，熔丝断点在管帽内，图中一个熔断器的管体内有黑点，应该为熔断丝烧蚀的残留物。

(4)结论

RSG-I-FFA 10A熔断器在2 In/4 In/100 A电流 125 V 电压及低气压 1000 Pa、750 Pa、150 Pa、10 Pa四种工况下的试验数据及电流波形表明，该型号熔断器熔断后断点干净、熔断时无持续拉弧现象、无二次放电拉弧现象、外观无损伤。

3.5.2 RSG-I-FFA 15A熔断器

共进行了43只，3组试验，即在电流2 In，4 In，100 A气压为130 Pa的工况下进行了熔断试验。详细数据见附录A。通过对熔断电流检测表明，在试验工况气压条件下，未见放电拉弧现象，熔断器的熔断时间符合手册推荐值［3］。

1)熔断时间

具体见表3。

2)熔断波形

熔断电流波形如图10所示。

3)X光拍照

熔断后的X光图形如图11所示。

图11中熔断后的波形显示，RSG-I-FFA15A熔断时熔断器内的熔丝被烧蚀，管体内已无熔丝，熔丝断点在管帽内，图中一个管熔丝端部呈球状，为熔丝熔断时所形成。

4)结论

状态2的RSG-I-FFA 15A熔断器在低气压130 Pa条件下的试验数据表明，熔断器熔断电流无持续拉弧现象，断点熔断干净，无尖锐突起，熔断后无二次放电拉弧现象，外观完好。

表2 RSG-I-FFA 10A熔断器低气压熔断时间Table 2 Fusing time of RSG-I-FFA 10A in vacuum

图8 RSG-I-FFA 10A电流100 A气压150 Pa熔断电流波形(4.4 ms)Fig.8 Fusing current waveform of RSG-I-FFA 10A under the condition of 100 A current，150 Pa pressure

图9 RSG-I-FFA 10A熔断器熔断后X光照片Fig.9 X-ray photo of RSG-I-FFA 10A after fusing

图10 RSG-I-FFA15A电流30 A气压130 Pa熔断电流波形(28.42 s)Fig.10 Fusing current waveform of RSG-IFFA 15A under the condition of 30 A current，130 Pa pressure

图11 熔断后X光照片Fig.11 X-ray photo after fusing

3.6 试验件解剖图

以15 A熔断器为例，给出试验后的解剖图片如图11所示。

通过对图12的解剖图片可以看出，RSG-IFFA系列熔断器在低气压条件下熔断后，有以下几个特点:

1)熔丝烧蚀后断点部位形成球状金属物;

表3 RSG-I-FFA 15A熔断器低气压熔断时间Table 3 Fusing time of RSG-I-FFA 15A in vacuum

图12 RSG-I-FFA 15A熔断器管帽解剖后内部显微镜下图片Fig.12 Microscope photo of RSG-I-FFA 15A with the cap removed

2)熔丝烧蚀的长度较长，管体内的熔丝几乎全部烧蚀，熔断后，熔丝断点间距比较大，相当于熔断器的长度;

3)熔断器熔断后，熔丝烧蚀时的金属飞溅物成点状随机分布在管体内壁，未形成连续的金属带。推测熔断器熔断时其内部温度相对较低，未形成金属蒸汽，以致熔丝挥发物连续分布在罐体内壁形成导电体。

3.7 断点间阻抗测试

熔断试验结束，随机抽取完成试验的3 A、10 A、15 A熔断丝各10只，用500 V摇表测量两端绝缘阻抗，测试结果见表4。

表4 熔断丝熔断试验后绝缘阻抗测试记录表Table 4 Record table of impedance after fusing

3.8 试验现象总结及数据分析

在对试验现象及数据总结分析后发现，RSGI-FFA系列熔断器在低气压条件下的熔断情况与本身的构造、密封情况及熔断电压有关系，具体的有以下几点:

1)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器在低气压高电压大电流试验条件下熔断时，未发生电流持续拉弧的现象;

2)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器在低气压高电压大电流试验条件下熔断后未出现二次放电拉弧现象;

3)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器在低气压高电压大电流试验条件下，所有参加试验的熔断器熔断后，外观保持完好，未出现结构破坏的现象;

4)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器熔断后X光拍照显示，断点干净未出现粘联或触点似断非断等异常现象;

5)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器在低气压高电压大电流试验条件下熔断后X光照片及解剖图片显示，断点干净未出现粘联或触点似断非断等异常现象，断点间长度较大，断点形成球状金属物，管壁内侧金属飞溅物随机分布，未形成连续金属导电体;

6)状态1和状态2的RSG-I-FFA系列熔断器在低气压高电压大电流试验条件下熔断后断点间绝缘阻抗测试500 V条件下，阻抗均大于100 kΩ，达到了试验方案中断态阻抗大于10 kΩ的试验判据要求。

3.9 RSG-I-FFA系列熔断器与FM08系列熔断器的差异性分析

3.9.1 熔丝不同

1)FM08系列熔断器小电流规格熔丝材质为镍丝，大电流熔丝材质为铜银合金，低气压熔断时熔丝断点不太平滑，易产生放电现象;

2)RSG-I-FFA全系列熔断器使用的熔丝均为银丝，低气压熔断时熔丝断点相对平滑，不易产生放电现象。

3.9.2 内腔体积不同

1)FM08系列熔断器从1/8 A到15 A内腔体积均为0.0015 mL，内腔体积小，低气压熔断时内部温度及气压升高，易出现持续拉弧现象;

2)RSG-I-FFA系列熔断器3 A和10 A熔断器，内腔体积为0.033 mL，是 FM08系列的2.2倍，15 A熔断器内腔体积为0.0478 mL，是FM08系列的32倍，低气压熔断时，内部温度升高及气压相对较低，不易产生放电现象。

3.9.3 结构密封不同

1)FM08系列熔断器为热缩套管密封，漏率不低于 10-6Pa·m3·s-1;

2)RSG-I-FFA系列熔断器为环氧树脂密封，结构强度大于同规格的FM08系列熔断器，密封性也更好，经八院分中心检测，成品漏率不低于10-8Pa·m3·s-1，在大电流熔断时，结构相对不宜破坏。

4 结论

根据本次共计164只样品在不同低气压高电压大电流试验条件下的试验现象、数据分析结果及对RSG-I-FFA系列熔断器与FM08系列熔断器的差异性分析比对，可以初步得出这样的结论:RSG-I-FFA系列熔断器在低气压下高电压条件下能可靠熔断，低气压大电流熔断后RSG-I-FFA系列熔断器外观保持完整，熔断后断点间阻抗大于100 kΩ，可以在空间飞行器上安全使用。

［1］曹广平.航天电子设备二次电源输入保护电路设计［J］.电讯技术，2011，51(5):114-118.

［2］徐晓宇，吕从民，党炜，等.空间用FM08系列熔断器漏率研究与仿真分析［J］.真空技术网，2010，47(1):63-67.

［3］上海松山电子有限公司.Q/YXRT30-2009 RSG-I-FFA空间飞行器用微型管状熔断体［S］.上海:上海松山电子有限公司，2009.

［4］Leidecker H.，Slonaker J.Evacuated FM08 fuses carry a sustained arc in a bus over 75 VDC［J］.1999.

［5］中国人民解放军总装备部.GJB5850-2006小型熔断器通用规范［S］.北京:中国标准出版社，2006.

［6］Montgomery J.High voltage solid-body fuses for use in vacuum，zero g，and shock environment［J］.Society of Automotive Engineer，2000，1:3600.

［7］屈诚志.天宫一号电源分系统用RSG-I-FFA型管状熔断器高压低气压熔断特性摸底试验方案报告［R］.RuTGN05.SB073.