熔斷器生產(chǎn)中常因熔管內(nèi)石英砂的填充密度ρn不夠，使其分斷過電流時的工作特性變壞，甚至使熔管損壞。因此，研究熔斷器的石英砂的填充密度對電弧過程的影響既是一項非常迫切、又是一項有實際意義的工作。此外，研究這些過程對于制定有填料熔斷器電弧過程的數(shù)學(xué)模型是必需的。本文闡述了這些試驗研究的結(jié)果。

為了進行試驗，研制了一種特殊的、可拆開的、矩形截面的滅弧室，它是由厚8毫米膠木板，用螺釘連接而制成的。滅弧室長為100毫米，內(nèi)截面為26×28毫米²，兩個端部用蓋子蓋住。蓋子上面裝有電流至250安的IIH-2型熔斷器的觸刀。熔片焊在觸頭上。試驗使用鋁制和銅制熔片，熔片是厚為0.14毫米，寬為10毫米的薄的小條。在熔片中心有一個長1毫米矩形熔化狹頸。銅熔片的狹頸寬為1.5毫米，鋁熔片的頸寬為0.5毫米。這樣做的目的是使得在兩種情況下通過熔斷器的電流相同。

測量在電壓500伏直流回路中進行。用帶三相整流器的感應(yīng)調(diào)壓器作為電源。熔斷器接到整流器輸出端，與電感和附加電阻串聯(lián)。電感用來減小整流電流的脈動，而電阻用來調(diào)節(jié)整流電流值。

回路電流是1370安，回路時間常數(shù)是2.3毫秒。通過熔斷器的較大電流為1230安，用H115型示波器作為記錄裝置。記錄了熔斷器的電流、電壓，電弧放出的能量和作用在熔斷器外殼內(nèi)壁上的壓力。通過與熔斷器串聯(lián)的無感分流器上取出的電壓信號記錄了電流。借助霍爾傳感器拍攝了能量的示波圖。

為了用現(xiàn)有的測量小位移和小振動的儀器來測量作用在熔斷器外殼內(nèi)壁上的壓力，設(shè)計了專用裝置，其工作原理是：當(dāng)從儀表中取出的電感與導(dǎo)電材料制成的表面間距離變化時，高頻發(fā)生器振蕩回路的振蕩頻率也發(fā)生變化。這種頻率的變化在儀表中就變成輸出電壓值的變化。

傳感器是一個從儀表中取出的電感線圈，它繞在一個環(huán)形鐵心上，鐵心的徑向開了窄縫。鐵心放在圓柱形外殼中，并與其固定連接。在外殼上擰上帶薄膜的蓋。蓋子在外殼上固定，使薄膜中心對著鐵心上的縫隙，并與它相隔一定距離。當(dāng)發(fā)生器工作時，磁場在縫隙區(qū)內(nèi)擴散，并與薄膜表面相切。在薄膜中感應(yīng)出渦流，因為渦流的磁場相對線圈磁場位移半個周波，所以引起線圈磁場的改變。從鐵心上的縫隙到薄膜的距離變化，相應(yīng)地引起線圈電感和發(fā)生器振蕩頻率的變化。

傳感器和測量裝置連接。測量裝置的原理圖不同于文（2）中的線路。因為用陰極示波器進行記錄，所以僅改變輸出級。

由于傳感器有較好的靜態(tài)特性，所以它可用定壓力進行校準。改變薄膜和鐵心縫隙間的距離可改變傳感器的靈敏度，因此用同一傳感器可以測量數(shù)值范圍很寬的壓力。在熔斷器外殼上有一個孔，傳感器就裝在這個孔中，薄膜貼在滅弧室內(nèi)壁的平面上。熔片固定在滅弧室內(nèi)，應(yīng)使熔片的平面平行薄膜表面，且相距11毫米。

選用SiO²含量超過99%的純石英砂作為填料。石英砂的微粒成份為：直徑小于0.1毫米的顆粒占2%，直徑0.1到0.16毫米占8%，直徑0.16到0.2毫米占51%，直徑0.2到0.32毫米占35%和直徑大于0.32毫米占4%。顆粒的平均直徑為0.21毫米。自由裝滿的石英砂密度是1.62克/厘米³。但是，用這樣密度的石英砂進行試驗未獲成功。因在自由裝料時，滅弧室內(nèi)的空腔未被石英砂填滿，這會引起電弧停滯和滅弧室斷裂。因此，試驗中所用石英砂較小的充填密度是1.65克/厘米³。

裝料時通過滅弧室的振動和裝料用的孔中插入金屬棒，使石英砂密集。然后，取出金屬棒，填料進入自由空間，讓這個過程反復(fù)進行。這樣，石英砂較大填充密度可達1.75克/厘米³。石英砂的填充密度取決于填料在滅弧室內(nèi)占據(jù)的已知容積下，裝料前后試驗滅弧室的重量。石英砂填充密度的測量精度較大為0.01克/厘米³。

圖1~3繪出了試驗結(jié)果。圖上的每個點是5次測量的算術(shù)平均值。實線對應(yīng)于銅熔片，虛線對應(yīng)于鋁熔片。由試驗結(jié)果可以看出，增加填充密度可改善熔斷器分斷過電流時的一系列動作性能：減小燃弧時間、熔片燒壞的長度、焦耳積分和電弧放出的能量。但是，分斷電壓即熔斷器熔斷時產(chǎn)生在熔斷器兩端的電壓瞬時值，隨填充密度的增加而升高。這是因為當(dāng)熔化狹頸爆炸性地蒸發(fā)時金屬蒸汽占據(jù)一定的體積之故，該體積和熔化狹頸的體積和石英砂填料的物理狀態(tài)（密度、晶粒直徑）有關(guān)。

由于填充密度的增加，其壓縮性和晶粒間空隙尺寸減小。因此，溶化狹頸蒸發(fā)時的金屬蒸汽占據(jù)的體積減小，使蒸汽壓力增加，弧柱電阻增加，電弧電流開始急劇減小。所以石英砂的填充密度增加，使熔斷器分斷短路電流時所產(chǎn)生的過電壓也增加（應(yīng)當(dāng)指出，因為在同樣額定電流的熔斷器中這些熔片狹頸的幾何尺寸不同，所以不能比較銅熔片和鋁熔片的分斷電壓）。

有關(guān)填充密度對熔斷器外殼的壓力影響問題，已引起人們的很大興趣。由圖3看出，隨填充密度增加，外殼上壓力也隨之增加，當(dāng)ρn=1.73克/厘米³時壓力達到較大值，然后迅速減小。

填充密度的增加，使其壓力增加，這就使電弧難于分開石英砂并使它壓縮。因此，填料中電弧通道的截面，隨填充密度增加將減小，從而通道中的壓力和密度增加，但是減小電弧通道的截面會使電弧輸出能量增加和電弧溫度迅速降低。這時盡管基本粒子在電弧通道體積內(nèi)的密度可以繼續(xù)增加，但電弧通道中壓力降低了。

由此可見，在有石英砂的熔斷器的電弧通道中，隨填充密度的增加產(chǎn)生了兩個相反過程。一方面，隨填充密度增加，電弧通道的截面減小，基本粒子密度和壓力增加。另一方面，隨電弧通道截面減小，電弧輸出能量增加。這時，在保持高的基本粒子密度情況下，電弧通道中溫度減小，雖然，基本粒子密度開始時迅速增加，從而填充密度增加時通道中壓力增加，然后溫度迅速降低，這就導(dǎo)致壓力經(jīng)過較大值后減小。用類似方法，可改變?nèi)蹟嗥魍鈿け谏系膲毫�。這一點在試驗中已觀察到了。

試驗表明，增加石英砂填充密度有助于改善滅弧，減小焦耳積分，熔片燒損長度。但是，隨著填充密度增加，熔斷器分斷短路電流時在其兩端產(chǎn)生的過電壓可能會升高。

因此，用熔斷器保護過電壓值不受限制的裝置時，石英砂填充密度可以選擇大于1.74克/厘米3，此時熔斷器所有的重要特性得到明顯改善。用熔斷器保護過電壓值受限制的裝置時，例如用來保護有半導(dǎo)體設(shè)備的裝置時，需要采取特殊措施減小過電壓，或選擇既對滅弧有效，又不致產(chǎn)生太高過電壓的填充密度。