一文讀懂：熔斷器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及物理過程
18世紀70年代，以美國T.A.Edsion為代表的研究人員為保護當(dāng)時昂貴的白熾燈以及發(fā)電、供電系統(tǒng)，發(fā)明了能將出現(xiàn)過電流故障的電器可靠地從電網(wǎng)中切除的一種保護器件———熔斷器。熔斷器的結(jié)構(gòu)簡單明了、使用方便，其核心是一段熔點適當(dāng)?shù)膶?dǎo)體，當(dāng)過電流時會生成較大的熱量，使該導(dǎo)體在一定時間內(nèi)熔化，從而斷開電路，使過電流消除，從而達到保護的目的。在熔斷器誕生以來的一百多年里，人們設(shè)計出了種類繁多、材料不同、用途不同、性能各異的各種熔斷器，但其基本原理沒有很大的變化。直到今天，各式各樣的熔斷器依然在電氣、電子系統(tǒng)和設(shè)備中廣泛應(yīng)用，成為保證高、低壓各類電氣、電子設(shè)備安全、防止故障擴大的一種高可靠保護器件，因此，它也常被人們俗稱為“保險絲”。圖1所示為幾種常用形式低壓熔斷器的實物圖。圖2所示為熔斷器的電路符號。
圖1 低壓熔斷器的實物圖
圖2 熔斷器的電路符號
熔斷器多數(shù)人都使用過，常覺得其結(jié)構(gòu)很簡單，使用也容易，但要在實際應(yīng)用中針對被保護對象的具體要求，選擇和設(shè)計出性能優(yōu)良、安全可靠、成本恰當(dāng)?shù)娜蹟嗥饕彩遣蝗菀椎摹＿@需要電氣、電子設(shè)備的設(shè)計者仔細分析設(shè)備可能出現(xiàn)的各種過電流情況，根據(jù)設(shè)備保護需要的等級，并考察、分析不同熔斷器的特性及優(yōu)缺點，才能得出最合適的方案。因此，深入了解熔斷器原理和特性是必要的。本節(jié)首先以典型低壓熔斷器為例，介紹常見熔斷器的基本結(jié)構(gòu)，進而細致介紹、分析其主要工作原理和過程，為后續(xù)應(yīng)用設(shè)計打下基礎(chǔ)。
熔斷器的基本結(jié)構(gòu)
熔斷器的外觀結(jié)構(gòu)有圓柱形、長方形、扁平形、楔形等多種形式，以適用于不同設(shè)備和場合，見圖1，但其內(nèi)部結(jié)構(gòu)是基本類似的。通常，熔斷器的基本結(jié)構(gòu)可分為三個部分，以常見的管形熔斷器為例，其主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。由圖可以看出，第一部分是金屬熔體。它由一定材質(zhì)和形狀的金屬制成，是熔斷器的核心和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，既是傳感元件，又是執(zhí)行元件，在熔斷時起到切斷電流的作用，其性能好壞直接影響著熔斷器的對外性能。第二部分是接觸電極部分，通常為兩個，是熔體與應(yīng)用電路間互連的重要中間部件，一般具有良好的導(dǎo)電性，能實現(xiàn)低接觸電阻的連接。第三部分是絕緣外殼，其用來進行支撐、固定熔體和電極，以便于安裝和應(yīng)用。絕緣外殼同時還應(yīng)具有良好的絕緣性能、機械強度、耐熱性和阻燃性，在正常應(yīng)用中不會出現(xiàn)爆裂、燃燒、變形等危險現(xiàn)象。一些絕緣外殼內(nèi)還安裝有幫助熔體熄滅電弧的附件。
圖3 管形熔斷器結(jié)構(gòu)
以上是一般熔斷器的基本結(jié)構(gòu)，一些規(guī)格的熔斷器還會有其他一些結(jié)構(gòu)。例如，在電力線路、大功率設(shè)備等應(yīng)用場合，由于過電流大、切斷電壓高、被保護設(shè)備敏感等原因，對所使用的熔斷器還有強切斷能力的要求，所以除應(yīng)具有一般熔斷器的三個基本部分外，還需要有可靠的熄弧裝置。這是因為該類熔斷器所保護的設(shè)備不僅工作電流較大，而且當(dāng)熔體發(fā)生過電流熔斷時，其兩端的電壓也很高，常會出現(xiàn)熔體已熔化，甚至已汽化時，過電流依然在持續(xù)的現(xiàn)象，即未能切斷電流。原因是在熔體熔斷的瞬間，在外電壓、過電流的作用下，熔體兩電極間發(fā)生了起電弧現(xiàn)象。此時要有效熄弧，才能盡快的切斷電流。所以人們在絕緣外殼內(nèi)部或外部，常設(shè)計有石英砂、絕緣油、反白紙、絕緣氣體等材料的結(jié)構(gòu)。這些材料在電弧出現(xiàn)時，能迅速拉長、拉細或吹斷電弧，從而有利于切斷過電流。圖4所示為絕緣管內(nèi)裝有石英砂熄弧材料的熔斷器。
此外，為便于日常檢查和維護，一些熔斷器還設(shè)計有熔斷指示裝置。其作用就是當(dāng)熔體熔斷動作后，熔斷器會有一些較明顯的外觀變化，如發(fā)出閃光、改變指示顏色、彈出固體指示器等以便于維護人員觀察到，進行及時更換。圖5所示為帶有熔斷指示功能的熔斷器。當(dāng)熔體熔化時，其指示器窗口不僅改變顏色，還會輸出熔斷電信號。
圖4 絕緣管內(nèi)裝有石英砂熄弧材料的熔斷器
圖5 帶有熔斷指示功能的熔斷器
實際中，通常熔斷器的電極和外殼是較固定的，熔體則可更換，并且同一外殼與電極還可以使用外形相同但電流容量規(guī)格小一些的熔體。這樣不僅有利于熔斷器的生產(chǎn)和制造，也方便了熔斷器用戶的使用、更換和維護。
實際上，熔斷器的具體結(jié)構(gòu)不僅隨應(yīng)用場合的不同而有較大的外形差異，也會隨材料技術(shù)和工藝的進步而變化。例如，近年來，在汽車電子、消費類電子領(lǐng)域，插卡式、表面貼形式的熔斷器結(jié)構(gòu)已得到了越來越多的應(yīng)用。
熔斷器的基本工作原理和物理過程
熔斷器串聯(lián)應(yīng)用在被保護電路中時，其基本工作原理可簡述如下：當(dāng)電路工作電流小于或等于其額定正常負載電流時，熔斷器內(nèi)熔體的溫度較低，熔體保持在固體狀態(tài)；當(dāng)被保護電路發(fā)生過載或短路時，電流會超過正常值，熔體溫度會逐步提高。當(dāng)電流達到或超過某一定值時，熔體溫升會達到熔點，使熔體金屬液化，甚至汽化，繼而在重力或電磁力作用下，熔體斷裂，使電流斷路，從而起到保護作用。上述原理看似簡單，但實際過程不僅涉及金屬熱熔學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)等多個領(lǐng)域，熔斷過程也是在短暫的時間內(nèi)快速完成，物理變化過程實際上是極為復(fù)雜的。下面首先詳細介紹熔斷器核心部件———熔體的結(jié)構(gòu)和特性，進而介紹熔斷過程的物理規(guī)律。
熔體由特定材料及形狀的金屬體制成，以實現(xiàn)需要的過電流保護特性。實際上，熔體的材料組成、材料分布、機械加工精度乃至其周圍的環(huán)境都會影響到熔體的表現(xiàn)。因此，了解熔體材料和結(jié)構(gòu)對深入理解熔斷器及其特性是十分必要的。
（1）熔體材料
熔體材料可由金屬合金或純金屬構(gòu)成。根據(jù)熔點的不同，通常可將熔體材料分為低熔點材料和高熔點材料兩類。
低熔點材料包括鉛、錫、鋅、鉛-錫合金等金屬。其熔點相對較低，熔化時所需的熱量少，有利于過載電流的保護，故常應(yīng)用在開啟式負荷開關(guān)、無填料密閉熔斷器等場合。但由于鉛、錫等低熔點金屬材料的電導(dǎo)率相對低，在同樣的電阻值下，熔體的橫面積相對較大，容易在熔斷時產(chǎn)生較多的金屬汽化，易形成電弧，不利于熄弧，故而分斷電流的能力較低。
高熔點材料包括銀、銅、鋁等金屬，這些金屬熔點相對較高，熔化時需要的熱量多，因此不利于過載電流的保護，需要精心設(shè)計其形狀。但這些金屬的電導(dǎo)率高，在同樣的電阻值下，熔體的橫面積相對較小，在熔斷時產(chǎn)生的金屬汽化少，有利于熄弧，故分斷電流的能力較強。上述幾種高熔點金屬做熔體時，也有各自的優(yōu)缺點。銀的電導(dǎo)率最大，性質(zhì)穩(wěn)定、限流作用強；鋁的電導(dǎo)率也較高，熔點介于銀和銅之間，并且表面的氧化鋁膜層很致密，能起到防止內(nèi)部鋁材進一步氧化的作用，性質(zhì)也較穩(wěn)定，但其不易焊接，在實際中應(yīng)用得較少；銅材的電導(dǎo)率較高，焊接容易，在熔體中應(yīng)用較多。雖然銅材存在高溫下易氧化，使熔體橫截面積減小，從而影響熔斷特性的問題，但人們發(fā)現(xiàn)可用在其表面鍍銀的辦法來克服，因此，實際中很多熔體是由銅鍍銀制成。
（2）熔體的形狀
熔體的形狀主要有絲狀和片狀兩種，如圖6所示。絲狀熔體多用于小電流場合，如人們常用的插入式熔斷器、小刀閘開關(guān)等設(shè)備中。片狀有多種不同形式。常見片狀熔體是在扁平薄金屬片上沖出一些小孔、洞。通過控制變截面的尺寸、沖孔的形狀和大小，可以調(diào)整片狀熔體的特性。片狀熔體也可由薄金屬沖壓制成，具有厚薄不等的變截面，即如圖6（c）所示。片狀熔斷體通常有較大的電流容量。
圖6 熔體的形狀
絲狀熔體的原理比較容易理解，當(dāng)電流過大時，溫升過高導(dǎo)致金屬熔斷。片狀熔體則是利用了局部電阻集中的效應(yīng)。在片狀熔體的狹窄處，導(dǎo)電面積小，電阻較大，同時散熱性差，故當(dāng)電流大于規(guī)定值時，會先熔斷。這樣整個熔體會形成幾段熔化體而紛紛斷開，同時在狹窄熔斷處形成幾段易于熄滅的短電弧。狹窄部分的段數(shù)與熔斷器可承受的斷路電壓有關(guān)，一般每個熔斷口可承受200～250V的電壓。擴展片狀熔體的寬度和厚度，即可以增大電流容量，通過并聯(lián)片狀熔體，也可以擴大電流容量。有時為了加工方便，也可將熔體做成網(wǎng)格形狀。多段片狀熔體的結(jié)構(gòu)如圖7所示。
圖7 多段片狀熔體
（3）熔體工作的物理過程與保護特性
熔斷器處于正常工作狀態(tài)時，其電流沒有超過額定值。當(dāng)電流流過熔體時，通過歐姆電阻產(chǎn)生熱，熱量通過熔體周圍的空氣、熄弧材料，繼而通過外殼向外部散熱，使熔體溫度上升。當(dāng)電流形成的熱量和擴散的熱量達到平衡狀態(tài)時，熔體的溫度達到一種平衡。圖8中的虛線示意繪出了一個片狀熔體在正常電流下的穩(wěn)態(tài)溫度分布情況。通常在額定電流時，熔體的溫度與環(huán)境溫度不應(yīng)相差過大，IEC有關(guān)標準和我國國家標準對此均有規(guī)定，通常允許的最大溫升不超過65℃。
當(dāng)熔斷器流過的電流超過額定電流后，就發(fā)生了過載電流或短路電流。下面介紹熔斷器發(fā)生過載電流時，熔體工作的物理過程。隨著電流超過額定電流值，過載電流產(chǎn)生的歐姆熱會使熔體的溫升逐步提高。此時熔體的溫度分布如圖8所示中實線所示。此外，由于金屬的電阻值會隨溫度而增加，所以上述電流的加熱作用是加速的。當(dāng)溫度到達熔體的熔化溫度后，熔體開始從固體變化為液體，同時將電流形成的熱量轉(zhuǎn)成液化潛熱，在此階段熔體的溫度保持不變。隨著過載電流繼續(xù)作用，經(jīng)過一段時間，液化熔體的溫度也不斷的上升，最終到達汽化點，產(chǎn)生金屬蒸汽。圖9反映了上述物理過程
圖8 片狀熔體在正常電流下的穩(wěn)態(tài)溫度分布
圖9 熔體溫度上升的物理過程
熔體在液化和汽化過程中，熱量在狹頸處集中，細節(jié)的物理過程還是較復(fù)雜的。由于在金屬液體和蒸汽中還通有電流，而這個電流在熔體周圍還形成電動力，該電動力有使金屬液體或蒸汽向內(nèi)塌縮的趨勢，即匝縮效應(yīng)。圖10所示為通有電流的導(dǎo)電氣體的匝縮效應(yīng)，中間一段導(dǎo)電的液體、氣體在電動力的作用下出現(xiàn)了塌陷。當(dāng)然，具體發(fā)生部位有很大的隨機性。匝縮效應(yīng)容易使液化、汽化的熔體發(fā)生斷裂，形成小間隙，電流會突然中斷。若此時電流路徑上的電源電壓、感應(yīng)電壓即刻擊穿了此間隙，產(chǎn)生電弧，使電路通道接通。其后，上述各效應(yīng)會繼續(xù)不斷地作用，如間隙距離較大或熄弧材料使電弧迅速拉長和降溫，則可使電弧熄滅的速度大于重燃的速度，即可切斷電流通道，將電流減小到零。圖11所示為一個高壓熔斷器在過載電流下切斷電流過程中，熔體兩端電壓和電流的波形
圖10 通有電流的導(dǎo)電氣體的匝縮效應(yīng)
圖11 高壓熔斷器在過載電流下切斷過程電壓和電流的波形
從前述介紹可以看出，熔斷器的工作可以分成兩個階段，即未產(chǎn)生電弧之前的弧前過程和已經(jīng)產(chǎn)生電弧的弧后過程。弧前過程主要的特點是熔體的升溫和熔化。弧后過程的主要特點是含有大量金屬蒸汽的電弧在間隙內(nèi)蔓延、擴張以及熄滅。熔斷器的動作時間即為弧前時間與弧后時間之和。當(dāng)然弧前時間的長短與過載電流的大小有密切的關(guān)系，過載電流越大，弧前時間越短；反之，則弧前時間越長。而弧后時間的大小主要取決于熔斷器的熄弧能力，一些熔斷器可在極短的時間內(nèi)通過尺寸拉長、分散降溫、氣體/液體/磁力吹弧等辦法熄熄弧。有一些則熄弧能力弱些，需要一些時間才能熄弧。
熔斷器發(fā)生短路過電流時，其基本物理過程與上述過程相似，但也有一些不同。主要區(qū)別有兩點，一是短路電流極陡的電流上升率和極高的電流密度瞬時作用而產(chǎn)生的熱量來不及傳到周圍，使得熔體在很短的時間內(nèi)熔化和汽化，這個過程接近絕熱狀態(tài)；二是在熔化和汽化的瞬間，常使得所有的狹頸處爆炸般地產(chǎn)生電弧，要求材料的熄弧能力較強。圖12所示為一個交流熔斷器發(fā)生短路電流而斷開過程中，熔體電壓和電流的波形。圖中，實線為實際電壓、電流波形，正弦形虛線為短路電流預(yù)期值。可以看出，該熔斷器熔體對短路電流的反應(yīng)迅速，在tA時間內(nèi)，即將遠未達到短路電流預(yù)期最大值的短路電流在幅值為I0時開斷，這類熔斷器也被稱為限流熔斷器。當(dāng)然，也有一些熔斷器的設(shè)計通流能力較大，對短路電流反應(yīng)慢，需要經(jīng)過一段時間才能切斷短路電流，這類熔斷器有時也叫做非限流熔斷器。
圖12 交流熔斷器在短路電流斷開過程中熔體的電壓和電流波形
（4）熔斷器的主要保護特性
對于熔斷器來講，主要的保護特性就體現(xiàn)在熔化電流與熔斷時間的關(guān)系上。根據(jù)前述熔斷器的工作原理可知，熔化電流越小，熔斷時間就越長；熔化電流越大，熔斷時間就越短。因此，熔斷器的保護特性如果用安培-時間曲線來描述，應(yīng)近似反比關(guān)系。圖13所示為熔斷器的保護特性曲線，也叫做安秒特性曲線，通常實際測量得出。可以看出，曲線是向右下傾的，這種特性也常叫做反時限特性。此外還可看出，熔斷器的反時限安秒特性曲線與圖6-7所示的過電流過電流保護特性曲線雖在細節(jié)上有區(qū)別，但整體上是很一致的，因此可實現(xiàn)對敏感負載過電流的保護。
圖13 熔斷器的保護特性曲線
在熔斷器的保護特性曲線中，當(dāng)電流小到一定值Ir時，熔斷時間會趨近于無窮大，稱這個電流為最小熔化電流。熔斷器的熔體在該電流下時，發(fā)熱達到了一個臨界值。當(dāng)電流略有偏大的波動，就會使熔體熔斷，而當(dāng)電流小于此值時，熔體不會熔斷。為保證熔斷器正常、可靠地工作，熔斷器長期通過的電流，即額定電流IN，應(yīng)小于最小熔化電流Ir。例如，一些低壓熔斷器常將IN取為Ir的70%～85%。
實際上，熔斷器的安秒特性主要由熔體的材料、形狀、尺寸、熄弧措施等決定，不同參數(shù)的熔斷器，其安-秒特性也有所不同，因而適用于不同的負載設(shè)備保護。最小熔化電流Ir與額定電流IN之比稱為熔斷器的熔化系數(shù)Kr。它可以用來反映熔斷器保護小倍數(shù)過載的靈敏度。比如，從過載的角度講，熔化系數(shù)Kr越小對小倍數(shù)過載電流的保護就越靈敏，但Kr也不宜太小，如果Kr接近于1，不僅會使熔體在額定電流下的工作溫度過高，還有可能因為保護特性本身的誤差而發(fā)生在額定電流下的誤熔斷故障，影響熔斷器的可靠工作。熔化系數(shù)也主要由熔體的材料、結(jié)構(gòu)、工作溫度等因素決定。當(dāng)熔體采用鉛、錫、鋅等低熔點金屬材料時，熔化所需的熱量小，從而熔化系數(shù)也小，有利于過載保護，但其電阻率和熔體截面積較大，熔斷時產(chǎn)生的金屬蒸汽多，不利于熄弧和切斷過電流。當(dāng)熔體為銀、銅、鋁等高熔點材料時，熔化需要的熱量較多，故熔化系數(shù)大些，不利于過載保護，但其電阻率和熔體截面積小，有利于熄弧和切斷過電流。
