原创什么样的保险丝才是好的保险丝

 2008-2-1 13:21  2328 1 1 分类: 汽车电子

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AEM科技（苏州）有限公司 郑索平

<?xml:namespace prefix = v ns = "urn:schemas-microsoft-com:vml" /> 小型电子类熔断器是人所共知的最常用的电路保护元件，俗称保险丝，其主要功能是当电器发生过电流故障时能及时地断开电路，从而保护人身和财物的安全；然而在我们使用保险丝的同时，许多电子工程师并不一定能够完整地说清楚保险丝的全功能，什么样的保险丝才是优质的保险丝，或者说是合适的保险丝呢？

有人说好的保险丝应该反应灵敏，电路中一出现过电流就能够熔断，而且越快越好；也有人认为保险丝是安全元件，最理想的是能够同时获得世界各地区的认证，而且越多越好；还有人觉得保险丝在正常工作时就好比一根导线，一般情况下我们往往要求保险丝的内阻越小越好，所以额定电压对保险丝来说没有什么意义。。。。。。事实果真如此吗？本文就希望通过对保险丝基本工作原理，品种分类，技术和安全指标等方面的介绍，帮助回答这些基本问题，增加广大使用者对保险丝的认识。

简要地说，一个优质的或合适的保险丝至少应该符合三项要求：该断的时侯要断，不该断的时侯不能断，断的过程必须保证安全。

作为一个保护元件，保险丝当然必须能够做到：当被保护电路上出现不被允许的异常过电流时能够及时而有效地切断电流，但我们有没有考虑过，到底在什么时侯开始动作和以什么速度来切断电流才是最合适的呢？这就是我们讨论的第一个问题。

这个看似简单的问题其实并不那么容易做到，由于我们应用电器的五花八门，需要保护的电路也会呈现出千姿百态，当保险丝被应用为保护电路中的敏感或贵重器件时，那么在电路中一旦发生这些器件所不能承受的过电流，保险丝必须动作，而且必须在过电流损坏被保护对象以前就完成切断电流的过程，从而起到保护作用；当保险丝被应用为电源输入端的短路保护时，由于短路电流一般都超过工作电流许多倍，保险丝的动作时间不是问题，主要考虑的仅是它的熔断速度；与此相类似的被用作限流的保险丝的动作时间和熔断速度也是需要考虑的要素；当被保护电路中经常会出现干扰电流的波动或瞬间脉冲电流时，保险丝又必须考虑有足够的过载能力和耐浪涌能力，这时保险丝的熔断速度就不能太快。。。。。。

由于不同的电路有不同的保护要求，才陆续发展出具有许多种不同熔断特性的保险丝品种，也就是我们平常所说的快速熔断，慢速熔断，中速熔断，特快熔断和特慢熔断等特性的产品系列，而我们在实际选用保险丝时就必须针对不同的电路特征来选择最适当的熔断特性的保险丝，决不是一有过流就必须动作和熔断时间越快越好！

这里讨论的是保险丝的第一功能---保护功能，也就是在需要保护的时侯保险丝应该起到的作用，这也是我们选择保险丝时需要首先考虑的。一般情况下保险丝的额定电流一定要大于电路正常工作电流，且拥有一定的过载能力，但如果余量过大，将会降低或削弱其保护功能，保险丝应该动作的时侯不动作，造成被保护的元器件损坏甚至更严重的危险后果。设计人员选用保险丝时的主要参考工具是保险丝制造商提供的产品规格书中的“时间-电流特性曲线”（参见下面图1），每一条曲线代表一个具体规格产品的熔断特性，曲线上的任一点代表了该规格保险丝在某电流条件下的平均熔断时间，例如图中左边第一条曲线代表的是某种1安培保险丝的熔断特性，当它承载1安培电流时的熔断时间为无穷大，2安培电流时的熔断时间约50秒，5安培电流时的熔断时间约15毫秒，10安培电流时的熔断时间约0.8毫秒。。。。。。通过对保险丝熔断特性的评估来比照电路的实际保护要求，从而能够选出最适当特性的保险丝产品及规格。由于曲线上所反映的熔断时间都是在正常大气条件下的，必要是我们还需要适当考虑环境温度等的影响。

选择恰当熔断特性的保险丝品种和恰当的额定电流规格才能满足保险丝的保护功能。

保险丝的保护功能决定了保险丝在需要的时侯必须动作。

图 1

在实际使用过程中，电路发生故障或短路的机会还是比较少的，大部分时间保险丝都不会动作，但在有些电路中由于电源波动、外界干扰或开关时的充放电等原因引起的电流变化还是会经常发生的，许多电源输入电路在开关机时会出现峰值较大的瞬间脉冲电流，那么保险丝能不能承受这样的浪涌，能够承受多大的浪涌，以及能够承受多少次这样的瞬间脉冲的冲击而不致发生误动作，甚至提前切断电路呢？怎么样来保证保险丝能够在非故障性电流波动时能够正常地工作呢？

这个问题就是我们需要讨论的保险丝的第二功能---承载功能，也就是平常所说的耐脉冲能力，这是我们选择保险丝时必须同时考虑的重要课题。在保险丝使用的过程中，出现正常电流波动或瞬间脉冲的机会大大多于故障过电流，所以在某种意义上来说，这方面的考虑对保险丝的使用来说显得格外重要和更具有实际意义。

我们知道保险丝熔断基本原理是由于过电流产生的热量大于正常工作时，而电路散热条件并没有改变，此时的热平衡被打破，熔体上的温度就会上升，一旦上升到熔体材料的熔点后金属材料就会液化甚而气化，液体的表面张力和周围解质的吸附作用会导致熔体液化部分的扩散，从而断开熔体连接切断电流。这个过程的前提是使熔体升温的过电流在熔体断开连接前必须是持续的，如果在熔体温度还没有升到熔点或在熔体开始熔化但还没断开连接的时侯过电流已经消失（最常见的就是峰值很高而持续时间很短的瞬间脉冲电流），那么熔体的金属材料就会逐步恢复到原来的温度和状态，此时的保险丝虽然已经受到一些损伤但并没有切断电流，只要保险丝的内阻变化还没超出允许范围，电路就能够继续工作。

进一步从能量角度来分析，使保险丝熔断的热量其实质也是一种能量，我们可以用一个指标来描述令保险丝熔断所需要的能量，这个参数就是保险丝的熔化热能值I²t，而保险丝的I²t并不是一个常数，在不同的熔断电流或不同的熔断速度时它的数值是变化的，图2的“时间-熔化热能曲线”是提供给设计人员选用保险丝时的又一工具（同样地也可以采用电流-熔化热能曲线的形式），与时间-电流曲线类似，图上每一条曲线代表一个具体规格产品的能量特性，曲线上的任一点代表了该规格保险丝在某熔断速度条件下的熔化热能值，例如图中下边第一条曲线代表的是某种1安培保险丝的能量特性，当它以1毫秒速度熔断时的I²t约为0.09A²s, 以10毫秒速度熔断时的I²t约为0.3A²s，以100毫秒速度熔断时的I²t约为1.3A²s, 以1秒钟速度熔断时的I²t约为6.0A²s。。。。。。在选用合适的保险丝时我们就需要把保险丝的I²t跟脉冲所释放的能量作比较，为了便于表达，我们把保险丝的熔化热能值标为If²t，脉冲电流释放的能量标为Ir²t，当Ir²t>If²t 时保险丝就会熔断, Ir²t<If²t 时保险丝能够承受, 这样我们就可以利用图2的曲线来选择合适的保险丝了。然而如前所述，保险丝在经受脉冲冲击时即使不熔断也会受到一定的损伤，换句话说此时保险丝的If²t就会减小，也就是耐脉冲的能力降低了，所以在选择保险丝时还必须考虑这个衰减的因素，通常的简易计算需要放3-5倍的余量来保证保险丝有足够的耐脉冲能力（详细的计算方法和应用实例将会通过另外的文章来专门介绍）。

从实质内容来看，保险丝的耐脉冲能力和它的保护性能是有矛盾的，当我们追求保险丝的保护性能时是以牺牲它的部分耐脉冲能力为代价的，反过来说强调了保险丝的耐脉冲能力时又有可能减弱它的部分保护功能，在这两个方面我们必须求得一个合理的平衡，寻找最佳的结合点。

选择有恰当熔化热能值的保险丝品种规格和放大足够并合理的安全余量才能满足保险丝的承载功能（耐脉冲能力）。

保险丝的承载能力保证了保险丝在绝大部分时间里的正常工作。

图 2

保险丝属于一种安全元件，它除了必须满足上述两项最基本的性能要求以外，还必须满足安全方面的要求，即能保证人员和财物的安全，具体的说：必须在保险丝实现其过电流保护的动作过程中必须绝对地保证其自身及周围环境的安全性，这就是我们接下来讨论的保险丝的第三功能---安全功能。优质可靠的保险丝应该在其动作前，动作中和动作后都能保证安全性，即安全地导通和安全地熔断。能够保证保险丝这项要求的主要技术指标就是分断能力或短路分断能力。

分断能力的基本定义就是：保险丝能够安全地切断电路的最大电流，一般情况下是指短路电流。具体地说就是保险丝在遇到短路电流时必须能够绝对安全地分断电路，即在分断过程中不发生任何不安全的因素，如持续拉弧、多次导通、破碎、飞溅、燃烧、以至爆炸等。每一种保险丝都必须给出其分断能力值，使用时被保护电路的最大短路电流不能大于其分断能力。某些电器安全事故的发生往往与保险丝的分断能力不够有关。

跟保险丝的安全功能相当有关的另一个指标是额定电压，刻意强调保险丝的额定电压必须跟电路电压完全一致或忽视额定电压的作用都是不对的，我们知道，大多数场合的应用都希望保险丝的内电阻尽可能地小，那么它在电路中的功耗也小，在这种情况下保险丝工作时两端的压降是很小的，相对于其额定电压来说几乎可以忽略不计，但这并不表明任何时侯都可以忽略。在电路过流时引发保险丝动作的能量大小取决于电流和电压的乘积，保险丝烧断后的耐压能力也直接取决于保险丝的额定电压，这时如果采用额定电压小于电路电压，就容易造成保险丝的格外损坏，甚至产生不安全的现象，也就是说保险丝的额定电压对保险丝的安全功能主要体现在其熔断过程中和熔断以后。

基于人们对安全的重视，世界各国和各地区对安全元件都需要进行安全认证，保险丝的安全认证对于它的安全功能来说也是必不可少的。从生产、销售到使用的全过程都必须受到安全认证机构的监控。小型保险丝的多种规范和不同使用地区，需要对保险丝申请不同的安全认证，如美国的UL/UR，加拿大的CSA，英国的BSI，德国的VDE，瑞典的SEMKO，日本的PSE，中国的CCC。。。。。。等等，可以这样说，没有获得相应安全认证的保险丝一定不是质量好的保险丝。另外由于部分小型保险丝的电气性能有欧洲和北美两大派系之区别，某些系列产品甚至有互不相容的技术参数，这种保险丝就不可能同时获得美规认证UL/CSA和欧规认证VDE/SEMKO等。