一文讀懂：熔斷器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及物理過程

熔斷器串聯(lián)應(yīng)用在被保護(hù)電路中時(shí)，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(fù)載電流時(shí)，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(hù)電路發(fā)生過載或短路時(shí)，電流會超過正常值，熔體溫度會逐步提高。當(dāng)電流達(dá)到或超過某一定值時(shí)，熔體溫升會達(dá)到熔點(diǎn)，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(hù)作用。上述原理看似簡單，但實(shí)際過程不僅涉及金屬熱熔學(xué)、電磁學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域，熔斷過程也是在短暫的時(shí)間內(nèi)快速完成，物理變化過程實(shí)際上是極為復(fù)雜的。下面首先詳細(xì)介紹熔斷器核心部件———熔體的結(jié)構(gòu)和特性，進(jìn)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(shí)現(xiàn)需要的過電流保護(hù)特性。實(shí)際上，熔體的材料組成、材料分布、機(jī)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(diǎn)的不同，通常可將熔體材料分為低熔點(diǎn)材料和高熔點(diǎn)材料兩類。

低熔點(diǎn)材料包括鉛、錫、鋅、鉛-錫合金等金屬。其熔點(diǎn)相對較低，熔化時(shí)所需的熱量少，有利于過載電流的保護(hù)，故常應(yīng)用在開啟式負(fù)荷開關(guān)、無填料密閉熔斷器等場合。但由于鉛、錫等低熔點(diǎn)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(shí)產(chǎn)生較多的金屬汽化，易形成電弧，不利于熄弧，故而分?jǐn)嚯娏鞯哪芰^低。

高熔點(diǎn)材料包括銀、銅、鋁等金屬，這些金屬熔點(diǎn)相對較高，熔化時(shí)需要的熱量多，因此不利于過載電流的保護(hù)，需要精心設(shè)計(jì)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(shí)產(chǎn)生的金屬汽化少，有利于熄弧，故分?jǐn)嚯娏鞯哪芰^強(qiáng)。上述幾種高熔點(diǎn)金屬做熔體時(shí)，也有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。銀的電導(dǎo)率最大，性質(zhì)穩(wěn)定、限流作用強(qiáng)；鋁的電導(dǎo)率也較高，熔點(diǎn)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(jìn)一步氧化的作用，性質(zhì)也較穩(wěn)定，但其不易焊接，在實(shí)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(shí)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(shí)，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(shí)散熱性差，故當(dāng)電流大于規(guī)定值時(shí)，會先熔斷。這樣整個(gè)熔體會形成幾段熔化體而紛紛斷開，同時(shí)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(gè)熔斷口可承受200～250V的電壓。擴(kuò)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(kuò)大電流容量。有時(shí)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(hù)特性

熔斷器處于正常工作狀態(tài)時(shí)，其電流沒有超過額定值。當(dāng)電流流過熔體時(shí)，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(kuò)散的熱量達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，熔體的溫度達(dá)到一種平衡。圖8中的虛線示意繪出了一個(gè)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(shí)，熔體的溫度與環(huán)境溫度不應(yīng)相差過大，IEC有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和我國國家標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，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(shí)熔體的溫度分布如圖8所示中實(shí)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(dá)熔體的熔化溫度后，熔體開始從固體變化為液體，同時(shí)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(shí)間，液化熔體的溫度也不斷的上升，最終到達(dá)汽化點(diǎn)，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(xì)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(gè)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(jī)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(shí)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(gè)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(gè)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(diǎn)是熔體的升溫和熔化。弧后過程的主要特點(diǎn)是含有大量金屬蒸汽的電弧在間隙內(nèi)蔓延、擴(kuò)張以及熄滅。熔斷器的動作時(shí)間即為弧前時(shí)間與弧后時(shí)間之和。當(dāng)然弧前時(shí)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(shí)間越短；反之，則弧前時(shí)間越長。而弧后時(shí)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(shí)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(shí)間才能熄弧。

熔斷器發(fā)生短路過電流時(shí)，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(diǎn)，一是短路電流極陡的電流上升率和極高的電流密度瞬時(shí)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(shí)間內(nèi)熔化和汽化，這個(gè)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(qiáng)。圖12所示為一個(gè)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(shí)線為實(shí)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t_A時(shí)間內(nèi)，即將遠(yuǎn)未達(dá)到短路電流預(yù)期最大值的短路電流在幅值為I0時(shí)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(jì)通流能力較大，對短路電流反應(yīng)慢，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能切斷短路電流，這類熔斷器有時(shí)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(hù)特性

對于熔斷器來講，主要的保護(hù)特性就體現(xiàn)在熔化電流與熔斷時(shí)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(shí)間就越長；熔化電流越大，熔斷時(shí)間就越短。因此，熔斷器的保護(hù)特性如果用安培-時(shí)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(hù)特性曲線，也叫做安秒特性曲線，通常實(shí)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(shí)限特性。此外還可看出，熔斷器的反時(shí)限安秒特性曲線與圖6-7所示的過電流過電流保護(hù)特性曲線雖在細(xì)節(jié)上有區(qū)別，但整體上是很一致的，因此可實(shí)現(xiàn)對敏感負(fù)載過電流的保護(hù)。

圖13 熔斷器的保護(hù)特性曲線

在熔斷器的保護(hù)特性曲線中，當(dāng)電流小到一定值Ir時(shí)，熔斷時(shí)間會趨近于無窮大，稱這個(gè)電流為最小熔化電流。熔斷器的熔體在該電流下時(shí)，發(fā)熱達(dá)到了一個(gè)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(shí)，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I_N，應(yīng)小于最小熔化電流I_r。例如，一些低壓熔斷器常將I_N取為I_r的70%～85%。

實(shí)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(fù)載設(shè)備保護(hù)。最小熔化電流I_r與額定電流I_N之比稱為熔斷器的熔化系數(shù)K_r。它可以用來反映熔斷器保護(hù)小倍數(shù)過載的靈敏度。比如，從過載的角度講，熔化系數(shù)K_r越小對小倍數(shù)過載電流的保護(hù)就越靈敏，但K_r也不宜太小，如果K_r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?yàn)楸Ｗo(hù)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(diǎn)金屬材料時(shí)，熔化所需的熱量小，從而熔化系數(shù)也小，有利于過載保護(hù)，但其電阻率和熔體截面積較大，熔斷時(shí)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(diǎn)材料時(shí)，熔化需要的熱量較多，故熔化系數(shù)大些，不利于過載保護(hù)，但其電阻率和熔體截面積小，有利于熄弧和切斷過電流。