熔断器老化状态多因子检测系统

摘  要： 提出了一种熔断器老化状态多因子检测系统，可以通过多种检测手段对熔断器当前的状态进行全方位的测试。通过分析所得到的“电流-温度”曲线、“电流－温升速度”曲线、熔断电流特性曲线以及电阻变化量等检测结果，结合X－RAY检测、解体SEM检测的结果，能够综合地判定熔断器的老化状态。
关键词: 熔断器； 老化状态；多因子检测； 温度测量； X－RAY检查； SEM检查

   熔断器在使用过程中,由于电流及外界环境的影响，不可避免地会发生老化[1]。熔断器主要由陶瓷或玻璃、石英砂及熔丝材料组成。陶瓷与玻璃均需经高温烧结，强度高、耐高温、具有良好的化学稳定性与机械强度，不易老化，使用寿命在30年左右。石英砂是一种坚硬、耐磨、耐高温、热膨胀系数小、绝缘度高、化学性能稳定的硅酸盐矿物，其主要矿物成分是SiO2，使用寿命在30年左右。所以，熔断器的老化主要包括熔丝的老化以及电极的老化。
　由于熔断器使用数量巨大，不易通过全部检测来判断是否老化；而且，一旦发生熔断，很难鉴定是由于电路异常引发的正常熔断还是熔断器老化引起的误动作。这种现象对于某些重要电路或负载，存在重大安全隐患。
　现有对熔断器进行测试的手段主要有熔断器电阻测量、熔断器温度测量、熔断性能测试以及X-RAY检测技术，这些检测的主要目的是生产厂家对新熔断器产品进行性能测试与筛选。在熔断器老化状态检测技术方面的研究相对落后，无法及时察觉熔断器的老化状态，导致大量老化的熔断器继续使用的情况。因此，如何及时地检测出熔断器的老化状态是亟待解决的问题。
　鉴于此，本文提出了一种熔断器老化状态多因子检测系统，该系统包括红外测温系统[2]、接触式测温系统、高精度电阻测量系统、X－RAY检查系统以及SEM检查系统[3,4]。通过红外测温以及接触式测温，可得到熔断器的“电流-温度”曲线、“电流－温升速度”曲线以及熔断电流特性曲线；通过高精度电阻测量系统，可得到熔断器阻值变化量；结合X－RAY检查、解体SEM检查的结果，能够综合地判定熔断器的老化状态。
1 检测系统
1.1 硬件构成
   图1为本文提出的熔断器多因子状态检测系统原理框图，主要包括如下几部分。

   (1)可调恒流源
　可调恒流源与待测熔断器相串联，其量程与精度能够调整，用于为不同容量等级的待测熔断器提供需要的模拟电流。根据不同试验要求，电流输出信号可调波形有：阶跃、正弦（工频）、脉冲及其他特定波形；调控方式为微机控制。
   (2)可调恒温箱
　可调恒温箱用于模拟待测熔断器现场运行工况，其内部设有用于将待测熔断器安装在其中的测试板。
    (3)温度采集装置
　温度采集装置包括与待测熔断器相接触用于测量熔断器上多点温度的小型、高精度热电偶以及与热电偶输出端相连接的多通道采集卡。
   (4)红外检测装置[2]
　红外测温装置通过红外热成像技术直观地检测熔断器上的温度分布，精确定位热点，并将测量数据实时传递给微机处理。
   (5)外观检测
　外观检测装置通过判断熔断器的形状与尺寸是否发生变化，初步判断熔断器是否出现老化迹象。
   (6)电阻测量
　通过高精度万用表定期或实时测量待测熔断器在恒温箱内的电阻数据，并将测量数据实时传递给微机处理。
   (7)PC机
　PC机根据多通道采集卡的温度数据以及红外检测结果可得到熔断器的“电流-温度”曲线、“电流－温升速度”曲线以及熔断电流特性曲线，同时结合电阻测量仪得到的电阻数据对熔断器是否老化进行判断。
　PC机可分别与可调恒流源及可调恒温箱进行数据传递，在测量过程中，PC机对测得的数据进行处理，并以图表方式显示。
　另外，PC机设置有人机交互界面，在根据不同熔断器及不同现场工况进行相应的设定后，系统对待测熔断器状态进行自动检测。
    (8)X-RAY、SEM检测
　通过X-RAY检测系统可以对熔断器进行透视检测；通过SEM检测可以对经过开封处理的熔断器进行微观检测，这两种检测手段可用于进一步评估熔断器当前的老化状态。
1.2 软件系统
　图2为该系统的软件构成，主要包括三大部分：

   (1)输入输出界面
　人机交互的系统界面直观友好，操作简单，智能化，通过人机交互界面可对待检测的熔断器的参数特征进行设定。
   (2)自动控制
　根据系统界面接收到的控制信号，能够根据需要任意调制恒流源电流输出波形，包括阶跃、正弦、脉冲及其他特定波形等；能够控制恒温箱温度，模拟熔断器现场运行工况；能够控制多通道温度采集卡和红外检测装置实时、连续、断续或特定时刻自动采集数据；能够定期对熔断器的外观、电阻进行自动测量；所有的检测过程以及检测结果的记录都能够实现自动化控制。
   (3)数据处理
　对自动采集的检测结果进行处理，形成特性曲线、表格、图片或视频，并形成数据库，能够实现存储、查询与调用功能；综合X-RAY检测（能够对熔断器进行无损检测，检测熔断器的熔丝或焊点是否存在缺陷）以及SEM检测（对确认存在缺陷的熔丝进行开封处理以及微观检测，从微观的角度对缺陷进行观察与分析，有利于找出缺陷产生的原因）的结果对熔断器的老化状态进行综合评估。
　(4)数据库
   包括自动采集的数据以及处理后的数据，并以表格、曲线、图片或视频等方式存储。
2 检测实例
　本节将以某种型号的2 A熔断器为例进行试验，验证上述方法能否有效地检测出老化样品。取3只样品进行试验，1只新样品，2只已经使用过尚未熔断的样品，在试验环境温度为22℃的条件下进行试验。试验电流从0.2倍额定电流开始逐步递增至额定电流，间隔时间为10 min，该系统测试结果见表1(熔断器的表面温度)、表2(在线实时电阻值)；同时根据检测结果输出“电流-温度”特性曲线及“电流－电阻”特性曲线，分别见图3、图4。最后对三个试验样品作SEM微观分析验证，结果如图5所示。

　试验结果表明：(1)熔断器的表面温度和电阻值均随试验电流的增大而升高；(2)老化的样品温升以及电阻增大的趋势更为明显，且出现了未达到额定电流即熔断的现象。
　这说明温度和电阻是熔断器的老化敏感参数，通过电流—温升特性以及电流—电阻特性能够正确地检测出熔断器的老化状态。
   通过SEM检测结果可发现老化的样品已经出现了局部熔球状凸起、凹陷、以及经历高温后冷却产生的凝固态毛刺等缺陷。
　熔断器的温度（熔体温度、表面温度）和电阻是熔断器的老化敏感参数，通过电流-温升特性以及电流-电阻特性能够正确地检测出熔断器的老化状态。
　提出了一种熔断器老化状态多因子检测系统，能够通过多种测量手段实现熔断器的多因子老化状态检测；能够结合X-RAY、SEM等检测手段对熔断器的老化状态进行综合评估,能够保证检测结果的准确可靠。
　该检测系统可以对采购、库存以及在役的熔断器进行检测，有效地增强熔断器使用的安全性。
　该系统还可以与PC机结合,实现多因子状态检测过程的自动化控制，包括检测手段自动化控制与检测结果的自动化采集与自动化处理。
参考文献
[1]  NUREG-1760, Aging Assessment of Safety-Related Fuses Used in Low-and Medium-Voltage Applications in Nuclear     Power Plants[R]. 2002.
[2]  MERRYMAN S A, ROSE M F. A non-contact,real-time     monitoring and control system for electronic circuits using infrared thermal imaging[C]. In proc. 4th European Conf.  Power Electron. Applicat., EPE ’91, Florence, Italy, September, 1991,3:120-122.
[3]  SHI Jie,YAO Jian Lin,WANG Yong Nian． Analysis on  contact failure of instrument and control switch in nuclear  power Plant[C]．16th IEEE International Symposium on the  Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits, 2009:101-104．
[4]  石颉，姚建林，王永年,等.核电站仪控开关触点接触失效分析[J].低压电器，2009(9):57-60.