一文读懂：熔断器的基本结构、工作原理及物理过程
18世纪70年代，以美国T.A.Edsion为代表的研究人员为保护当时昂贵的白炽灯以及发电、供电系统，发明了能将出现过电流故障的电器可靠地从电网中切除的一种保护器件———熔断器。熔断器的结构简单明了、使用方便，其核心是一段熔点适当的导体，当过电流时会生成较大的热量，使该导体在一定时间内熔化，从而断开电路，使过电流消除，从而达到保护的目的。在熔断器诞生以来的一百多年里，人们设计出了种类繁多、材料不同、用途不同、性能各异的各种熔断器，但其基本原理没有很大的变化。直到今天，各式各样的熔断器依然在电气、电子系统和设备中广泛应用，成为保证高、低压各类电气、电子设备安全、防止故障扩大的一种高可靠保护器件，因此，它也常被人们俗称为“保险丝”。图1所示为几种常用形式低压熔断器的实物图。图2所示为熔断器的电路符号。
图1 低压熔断器的实物图
图2 熔断器的电路符号
熔断器多数人都使用过，常觉得其结构很简单，使用也容易，但要在实际应用中针对被保护对象的具体要求，选择和设计出性能优良、安全可靠、成本恰当的熔断器也是不容易的。这需要电气、电子设备的设计者仔细分析设备可能出现的各种过电流情况，根据设备保护需要的等级，并考察、分析不同熔断器的特性及优缺点，才能得出最合适的方案。因此，深入了解熔断器原理和特性是必要的。本节首先以典型低压熔断器为例，介绍常见熔断器的基本结构，进而细致介绍、分析其主要工作原理和过程，为后续应用设计打下基础。
熔断器的基本结构
熔断器的外观结构有圆柱形、长方形、扁平形、楔形等多种形式，以适用于不同设备和场合，见图1，但其内部结构是基本类似的。通常，熔断器的基本结构可分为三个部分，以常见的管形熔断器为例，其主要结构如图3所示。由图可以看出，第一部分是金属熔体。它由一定材质和形状的金属制成，是熔断器的核心和关键环节，既是传感元件，又是执行元件，在熔断时起到切断电流的作用，其性能好坏直接影响着熔断器的对外性能。第二部分是接触电极部分，通常为两个，是熔体与应用电路间互连的重要中间部件，一般具有良好的导电性，能实现低接触电阻的连接。第三部分是绝缘外壳，其用来进行支撑、固定熔体和电极，以便于安装和应用。绝缘外壳同时还应具有良好的绝缘性能、机械强度、耐热性和阻燃性，在正常应用中不会出现爆裂、燃烧、变形等危险现象。一些绝缘外壳内还安装有帮助熔体熄灭电弧的附件。
图3 管形熔断器结构
以上是一般熔断器的基本结构，一些规格的熔断器还会有其他一些结构。例如，在电力线路、大功率设备等应用场合，由于过电流大、切断电压高、被保护设备敏感等原因，对所使用的熔断器还有强切断能力的要求，所以除应具有一般熔断器的三个基本部分外，还需要有可靠的熄弧装置。这是因为该类熔断器所保护的设备不仅工作电流较大，而且当熔体发生过电流熔断时，其两端的电压也很高，常会出现熔体已熔化，甚至已汽化时，过电流依然在持续的现象，即未能切断电流。原因是在熔体熔断的瞬间，在外电压、过电流的作用下，熔体两电极间发生了起电弧现象。此时要有效熄弧，才能尽快的切断电流。所以人们在绝缘外壳内部或外部，常设计有石英砂、绝缘油、反白纸、绝缘气体等材料的结构。这些材料在电弧出现时，能迅速拉长、拉细或吹断电弧，从而有利于切断过电流。图4所示为绝缘管内装有石英砂熄弧材料的熔断器。
此外，为便于日常检查和维护，一些熔断器还设计有熔断指示装置。其作用就是当熔体熔断动作后，熔断器会有一些较明显的外观变化，如发出闪光、改变指示颜色、弹出固体指示器等以便于维护人员观察到，进行及时更换。图5所示为带有熔断指示功能的熔断器。当熔体熔化时，其指示器窗口不仅改变颜色，还会输出熔断电信号。
图4 绝缘管内装有石英砂熄弧材料的熔断器
图5 带有熔断指示功能的熔断器
实际中，通常熔断器的电极和外壳是较固定的，熔体则可更换，并且同一外壳与电极还可以使用外形相同但电流容量规格小一些的熔体。这样不仅有利于熔断器的生产和制造，也方便了熔断器用户的使用、更换和维护。
实际上，熔断器的具体结构不仅随应用场合的不同而有较大的外形差异，也会随材料技术和工艺的进步而变化。例如，近年来，在汽车电子、消费类电子领域，插卡式、表面贴形式的熔断器结构已得到了越来越多的应用。
熔断器的基本工作原理和物理过程
熔断器串联应用在被保护电路中时，其基本工作原理可简述如下：当电路工作电流小于或等于其额定正常负载电流时，熔断器内熔体的温度较低，熔体保持在固体状态；当被保护电路发生过载或短路时，电流会超过正常值，熔体温度会逐步提高。当电流达到或超过某一定值时，熔体温升会达到熔点，使熔体金属液化，甚至汽化，继而在重力或电磁力作用下，熔体断裂，使电流断路，从而起到保护作用。上述原理看似简单，但实际过程不仅涉及金属热熔学、电磁学、材料学等多个领域，熔断过程也是在短暂的时间内快速完成，物理变化过程实际上是极为复杂的。下面首先详细介绍熔断器核心部件———熔体的结构和特性，进而介绍熔断过程的物理规律。
熔体由特定材料及形状的金属体制成，以实现需要的过电流保护特性。实际上，熔体的材料组成、材料分布、机械加工精度乃至其周围的环境都会影响到熔体的表现。因此，了解熔体材料和结构对深入理解熔断器及其特性是十分必要的。
（1）熔体材料
熔体材料可由金属合金或纯金属构成。根据熔点的不同，通常可将熔体材料分为低熔点材料和高熔点材料两类。
低熔点材料包括铅、锡、锌、铅-锡合金等金属。其熔点相对较低，熔化时所需的热量少，有利于过载电流的保护，故常应用在开启式负荷开关、无填料密闭熔断器等场合。但由于铅、锡等低熔点金属材料的电导率相对低，在同样的电阻值下，熔体的横面积相对较大，容易在熔断时产生较多的金属汽化，易形成电弧，不利于熄弧，故而分断电流的能力较低。
高熔点材料包括银、铜、铝等金属，这些金属熔点相对较高，熔化时需要的热量多，因此不利于过载电流的保护，需要精心设计其形状。但这些金属的电导率高，在同样的电阻值下，熔体的横面积相对较小，在熔断时产生的金属汽化少，有利于熄弧，故分断电流的能力较强。上述几种高熔点金属做熔体时，也有各自的优缺点。银的电导率最大，性质稳定、限流作用强；铝的电导率也较高，熔点介于银和铜之间，并且表面的氧化铝膜层很致密，能起到防止内部铝材进一步氧化的作用，性质也较稳定，但其不易焊接，在实际中应用得较少；铜材的电导率较高，焊接容易，在熔体中应用较多。虽然铜材存在高温下易氧化，使熔体横截面积减小，从而影响熔断特性的问题，但人们发现可用在其表面镀银的办法来克服，因此，实际中很多熔体是由铜镀银制成。
（2）熔体的形状
熔体的形状主要有丝状和片状两种，如图6所示。丝状熔体多用于小电流场合，如人们常用的插入式熔断器、小刀闸开关等设备中。片状有多种不同形式。常见片状熔体是在扁平薄金属片上冲出一些小孔、洞。通过控制变截面的尺寸、冲孔的形状和大小，可以调整片状熔体的特性。片状熔体也可由薄金属冲压制成，具有厚薄不等的变截面，即如图6（c）所示。片状熔断体通常有较大的电流容量。
图6 熔体的形状
丝状熔体的原理比较容易理解，当电流过大时，温升过高导致金属熔断。片状熔体则是利用了局部电阻集中的效应。在片状熔体的狭窄处，导电面积小，电阻较大，同时散热性差，故当电流大于规定值时，会先熔断。这样整个熔体会形成几段熔化体而纷纷断开，同时在狭窄熔断处形成几段易于熄灭的短电弧。狭窄部分的段数与熔断器可承受的断路电压有关，一般每个熔断口可承受200～250V的电压。扩展片状熔体的宽度和厚度，即可以增大电流容量，通过并联片状熔体，也可以扩大电流容量。有时为了加工方便，也可将熔体做成网格形状。多段片状熔体的结构如图7所示。
图7 多段片状熔体
（3）熔体工作的物理过程与保护特性
熔断器处于正常工作状态时，其电流没有超过额定值。当电流流过熔体时，通过欧姆电阻产生热，热量通过熔体周围的空气、熄弧材料，继而通过外壳向外部散热，使熔体温度上升。当电流形成的热量和扩散的热量达到平衡状态时，熔体的温度达到一种平衡。图8中的虚线示意绘出了一个片状熔体在正常电流下的稳态温度分布情况。通常在额定电流时，熔体的温度与环境温度不应相差过大，IEC有关标准和我国国家标准对此均有规定，通常允许的最大温升不超过65℃。
当熔断器流过的电流超过额定电流后，就发生了过载电流或短路电流。下面介绍熔断器发生过载电流时，熔体工作的物理过程。随着电流超过额定电流值，过载电流产生的欧姆热会使熔体的温升逐步提高。此时熔体的温度分布如图8所示中实线所示。此外，由于金属的电阻值会随温度而增加，所以上述电流的加热作用是加速的。当温度到达熔体的熔化温度后，熔体开始从固体变化为液体，同时将电流形成的热量转成液化潜热，在此阶段熔体的温度保持不变。随着过载电流继续作用，经过一段时间，液化熔体的温度也不断的上升，最终到达汽化点，产生金属蒸汽。图9反映了上述物理过程
图8 片状熔体在正常电流下的稳态温度分布
图9 熔体温度上升的物理过程
熔体在液化和汽化过程中，热量在狭颈处集中，细节的物理过程还是较复杂的。由于在金属液体和蒸汽中还通有电流，而这个电流在熔体周围还形成电动力，该电动力有使金属液体或蒸汽向内塌缩的趋势，即匝缩效应。图10所示为通有电流的导电气体的匝缩效应，中间一段导电的液体、气体在电动力的作用下出现了塌陷。当然，具体发生部位有很大的随机性。匝缩效应容易使液化、汽化的熔体发生断裂，形成小间隙，电流会突然中断。若此时电流路径上的电源电压、感应电压即刻击穿了此间隙，产生电弧，使电路通道接通。其后，上述各效应会继续不断地作用，如间隙距离较大或熄弧材料使电弧迅速拉长和降温，则可使电弧熄灭的速度大于重燃的速度，即可切断电流通道，将电流减小到零。图11所示为一个高压熔断器在过载电流下切断电流过程中，熔体两端电压和电流的波形
图10 通有电流的导电气体的匝缩效应
图11 高压熔断器在过载电流下切断过程电压和电流的波形
从前述介绍可以看出，熔断器的工作可以分成两个阶段，即未产生电弧之前的弧前过程和已经产生电弧的弧后过程。弧前过程主要的特点是熔体的升温和熔化。弧后过程的主要特点是含有大量金属蒸汽的电弧在间隙内蔓延、扩张以及熄灭。熔断器的动作时间即为弧前时间与弧后时间之和。当然弧前时间的长短与过载电流的大小有密切的关系，过载电流越大，弧前时间越短；反之，则弧前时间越长。而弧后时间的大小主要取决于熔断器的熄弧能力，一些熔断器可在极短的时间内通过尺寸拉长、分散降温、气体/液体/磁力吹弧等办法熄熄弧。有一些则熄弧能力弱些，需要一些时间才能熄弧。
熔断器发生短路过电流时，其基本物理过程与上述过程相似，但也有一些不同。主要区别有两点，一是短路电流极陡的电流上升率和极高的电流密度瞬时作用而产生的热量来不及传到周围，使得熔体在很短的时间内熔化和汽化，这个过程接近绝热状态；二是在熔化和汽化的瞬间，常使得所有的狭颈处爆炸般地产生电弧，要求材料的熄弧能力较强。图12所示为一个交流熔断器发生短路电流而断开过程中，熔体电压和电流的波形。图中，实线为实际电压、电流波形，正弦形虚线为短路电流预期值。可以看出，该熔断器熔体对短路电流的反应迅速，在tA时间内，即将远未达到短路电流预期最大值的短路电流在幅值为I0时开断，这类熔断器也被称为限流熔断器。当然，也有一些熔断器的设计通流能力较大，对短路电流反应慢，需要经过一段时间才能切断短路电流，这类熔断器有时也叫做非限流熔断器。
图12 交流熔断器在短路电流断开过程中熔体的电压和电流波形
（4）熔断器的主要保护特性
对于熔断器来讲，主要的保护特性就体现在熔化电流与熔断时间的关系上。根据前述熔断器的工作原理可知，熔化电流越小，熔断时间就越长；熔化电流越大，熔断时间就越短。因此，熔断器的保护特性如果用安培-时间曲线来描述，应近似反比关系。图13所示为熔断器的保护特性曲线，也叫做安秒特性曲线，通常实际测量得出。可以看出，曲线是向右下倾的，这种特性也常叫做反时限特性。此外还可看出，熔断器的反时限安秒特性曲线与图6-7所示的过电流过电流保护特性曲线虽在细节上有区别，但整体上是很一致的，因此可实现对敏感负载过电流的保护。
图13 熔断器的保护特性曲线
在熔断器的保护特性曲线中，当电流小到一定值Ir时，熔断时间会趋近于无穷大，称这个电流为最小熔化电流。熔断器的熔体在该电流下时，发热达到了一个临界值。当电流略有偏大的波动，就会使熔体熔断，而当电流小于此值时，熔体不会熔断。为保证熔断器正常、可靠地工作，熔断器长期通过的电流，即额定电流IN，应小于最小熔化电流Ir。例如，一些低压熔断器常将IN取为Ir的70%～85%。
实际上，熔断器的安秒特性主要由熔体的材料、形状、尺寸、熄弧措施等决定，不同参数的熔断器，其安-秒特性也有所不同，因而适用于不同的负载设备保护。最小熔化电流Ir与额定电流IN之比称为熔断器的熔化系数Kr。它可以用来反映熔断器保护小倍数过载的灵敏度。比如，从过载的角度讲，熔化系数Kr越小对小倍数过载电流的保护就越灵敏，但Kr也不宜太小，如果Kr接近于1，不仅会使熔体在额定电流下的工作温度过高，还有可能因为保护特性本身的误差而发生在额定电流下的误熔断故障，影响熔断器的可靠工作。熔化系数也主要由熔体的材料、结构、工作温度等因素决定。当熔体采用铅、锡、锌等低熔点金属材料时，熔化所需的热量小，从而熔化系数也小，有利于过载保护，但其电阻率和熔体截面积较大，熔断时产生的金属蒸汽多，不利于熄弧和切断过电流。当熔体为银、铜、铝等高熔点材料时，熔化需要的热量较多，故熔化系数大些，不利于过载保护，但其电阻率和熔体截面积小，有利于熄弧和切断过电流。
