话说保险丝

1  引言

    提起保险丝，你一定不会感到陌生，家用电器不工作了，你首先会想到“是不是保险丝烧断了？”这几乎成了人们的常识。但是，打开现代生产设备的电控柜，特别是国产的设备，保险丝几乎越来越少了，取而代之的是各式各样的断路器、自动开关、电机保护开关等等。再去问问身处生产一线的年轻的电气工程师，提到“保险”二字似乎已经太落伍，那是上世纪以前的遥远事情。保险丝是否真的成了昨日的黄花？答案是否定的，其实它的用途还是很广泛的，而且对它你未必有你想象的那么很了解，甚至可以说是熟视无睹。不信，你可以拷问一下自己这样的几个问题：保险丝上的t3.15a/250v是什么含义？f5a和t5a的保险丝可以相互代换吗？你知道限流保险丝和温度保险丝的含义吗？如果你的回答是“不太确定”，那么何不让我们来认识一下保险丝呢？！

2  保险丝的特点和工作原理

    保险丝也被称为熔断器，iec标准将它定义为“熔断体（fuse-link)”。 最早的保险丝于一百多年前由爱迪生发明，由于当时的工业技术不发达白炽灯很贵重，所以，最初是将它用来保护价格昂贵的白炽灯的。正如它最初的设计，它是一种安装在电路中，当危害性大电流超过一定时间会牺牲自己，从而保证电路安全运行的电器元件。图1是一些有关它的典型照片。

图1  保险丝示例图片

    我们都知道，物理学中讲到电流具有热效应，即电流流过导体时，因导体存在一定的电阻，导体将会发热，且发热量遵循着这个公式：q=0.24i2rt；其中q是发热量， i是流过导体的电流，r是导体的电阻，t是电流流过导体的时间。当制作保险丝的材料及其形状确定了，其电阻r就相对确定了（若不考虑它的电阻温度系数）。当电流流过它时，它就会发热，随着时间的增加其发热量也在增加。电流与电阻的大小确定了产生热量的速度，保险丝的构造与其安装的状况确定了热量耗散的速度，若产生热量的速度小于热量耗散的速度时，保险丝是不会熔断的；若产生热量的速度等于热量耗散的速度时，在相当长的时间内它也不会熔断；若产生热量的速度大于热量耗散的速度时，那么产生的热量就会越来越多，又因为它有一定比热及质量，其热量的增加就表现在温度的升高上，当温度升高到保险丝的熔点以上时保险丝就发生了熔断，这就是它的工作原理。

3  保险丝的分类

    人们往往有种错误的概念，认为只要保险丝的额定电压和额定电流一致就可以相互代换使用，其实这是错误的。我们在实践中曾遇到这样的例子：有一台制冷设备的管道循环泵电机的熔断器烧毁了，一看是16a的，就找了一只同样也是16a的熔断器换上，刚开机就又烧毁了。测量发现电机绕组没有相间短路和接地现象，三相之间也是平衡的，电源电压也是平衡的，这些都已经反复检查过的，换一只20a的吧，同样也是上电就烧毁。我们怀着忐忑不安的心情又换一只32a的，认为这样应该很保险了吧！结果也是同样让我们莫名其妙地发现又烧毁了。

    其实这没有什么奥妙，尽管保险丝的额定电压和额定电流是一样的，但他们的特性并不一样，它有不同的种类。按它保护形式可分为：过电流保护与过热保护。用于过电流保护的保险丝就是平常说的保险丝（也叫限流保险丝）。用于过热保护的保险丝一般被称为“温度保险丝”。温度保险丝又分为低熔点合金形与感温触发形，还有记忆合金形等等。温度保险丝是防止发热电器或易发热电器温度过高而进行保护的，例如：电吹风、电熨斗、电饭锅、电炉、变压器、电动机等等；它响应于用电电器温升的升高，不会理会电路的工作电流大小。其工作原理不同于“限流保险丝”。我们知道，一般三相异步电动机启动时的电流会达到其额定电流的5-7倍，如此大的电流普通保险丝早就熔断了，这可能就是以上例子中频繁烧保险的原因。

    还有一种分类比较常用，就是按熔断速度分，可分为：特慢速保险丝（一般用tt表示）、慢速保险丝（一般用t表示）、中速保险丝（一般用m表示）、快速保险丝（一般用f表示）、特快速保险丝（一般用ff表示）。我们在保险丝的表面，尤其是体积比较小的玻璃管保险，上面仅仅标注 “f5a/250v”这样的字体，它的含义是额定电流为5a、额定电压为250v的快速保险丝。

图2   电容输入式滤波电路

    对电路中含有过电流特别敏感的元件时，使用快速或特快速保险丝；而一些浪涌电流比较大的电路常使用慢速保险丝。对于慢速保险丝有必要多说两句，我们一般认为保险丝是起短路保护用的，而不能作过载保护用，但慢速保险丝就可以提供过载保护。它也叫延时保险丝，其延时特性表现在电路出现非故障脉冲电流时保持完好而能对长时间的过载提供保护。有些电路在开关瞬间的电流大于几倍正常工作电流，尽管这种电流峰值很高，但是它出现的时间很短，我们称它为脉冲电流也有称它为冲击电流或浪涌电流的。普通的保险丝是承受不了这种电流的，这样的电路中若使用的是普通保险丝恐怕就无法正常开机了，若使用更大规格的保险丝，那么当电路过载时又得不到保护。延时保险丝的熔体经特殊加工而成，它具有吸收能量的作用，调整能量吸收量就能使它即可以抗住冲击电流又能对过载提供保护。还是以图2的电容输入式滤波电路作为例子吧：

    在该电路中，由于电容器两端的电压不能跃变，在整流器上电瞬间，滤波电容电压几乎为零，等效为整流输出端短路。若在最不利的情况（上电时的电压瞬时值为电源电压峰值）上电，则会产生远高于整流器正常工作电流的输入浪涌电流，如图3所示。当滤波电容为470μf并且电源内阻较小时，第一个电流峰值将超过100a，为正常工作电流峰值的10倍。

图3  上电后输入浪涌电流

    由于浪涌电流冲击整流器的输入保险丝，使其在若干次上电过程的浪涌电流冲击下非过载性熔断。为避免这类现象发生，而不得不选用更高额定电流的熔断器，但这将出现过载时不能熔断的现象，起不到保护整流器及用电路的作用。

    当然，保险丝还有其它的分类方法。按使用范围分，可分为：电力保险丝、机床保险丝、电器仪表保险丝（电子保险丝）、汽车保险丝；按体积分，可分为：大型、中型、小型及微型；按额定电压分，可分为：高压保险丝、低压保险丝和安全电压保险丝；按分断能力分，可分为：高、低分断能力保险丝；按形状分，可分为：平头管状保险丝（又可分为内焊保险丝与外焊保险丝）、尖头管状保险丝、铡刀式保险丝、螺旋式保险丝、插片式保险丝、平板式保险丝、裹敷式保险丝、贴片式保险丝等等，不一一列举了。
4  保险丝的分断能力

    看看许多教科书对分断能力电流是怎么解释的：介于常规不熔断电流与相关标准规定的额定分断能力（的电流）之间的电流作用于保险丝时，保险丝应能满意地动作，而且不会危及周围环境。保险丝被安置的电路的预期故障电流必须小于标准规定的额定分断能力电流，否则，当故障发生保险丝熔断时会出现持续飞弧、引燃、保险丝烧毁、连同接触件一起熔融、保险丝标记无法辨认等现象。当然，劣质保险丝的分断能力达不到标准规定的要求，使用时同样会发生上述的危害。

    还是从一个例子讲起，来理解一下熔断器的这个指标。有次我们发现加热炉的温度升不上去，打开电控柜的门一看，令我们大吃一惊：柜内早已一片狼藉，塑壳熔断器的外壳烧得变形，散发出的浓烟熏得柜子一片漆黑，接触器也已经粘连。经过仔细检查，我们确认与加热管连结的导线因熔断碰触外壳造成单相对地短路致使事故的发生。那么，本来应该短路时起保护作用的保险丝自身为什么却燃烧起来呢？这应该说是因为选用的保险丝分断能力不足，无法切断故障电流所导致的。

5  保险丝的优缺点

    保险丝的优点不少，比如说：限流特性好，分断能力高；相对尺寸较小；价格较便宜；选择性好。所谓选择性，通俗讲就是下级某一支路出现故障不会影响到上级及其它支路的正常工作。上下级保险丝的熔断体额定电流只要符合国标和iec标准规定的过电流选择比为1.6:1的要求，即上级熔断体额定电流不小于下级的该值的1.6倍，就视为上下级能有选择性切断故障电流。

    我们也不要忽视保险丝的缺点：故障熔断后必须更换熔断体；保护功能单一；不能实现遥控，需要与电动刀开关、开关组合才有可能；发生一相熔断时，对三相电动机将导致缺相运行的不良后果。

    瑕不掩瑜，只要我们能扬长避短，是会让这个成本不高但功能不错的小东西为我们日常的生产和生活服务的。

6  保险丝的选用原则

6.1 选用总则

    保险丝的选用，我觉得首先应该了解我们被保护的电路的特性以及所需要做的保护种类（短路保护或过载保护），根据这些再与保险丝的种类对号入座，是选用特慢速保险丝、慢速保险丝、中速保险丝、快速保险丝、还是特快速保险丝。