高熔断电流保险丝：不得不说的二三事

我们都很熟悉电流保险丝，其中的导电元件会因电流流动而自发热，在规定的电流值下熔断，并切断电流路径。这种保险丝概念简单(当然，它们也有自己的微妙之处)，性能可靠，是防止系统过流损坏的第一道(或最后一道)防线。TSgednc

它们有许多类型，包括快速作用型、延时型和慢速熔断型，以最大限度地满足应用需求。许多安装规范都要求使用保险丝，其中一个原因就是保险丝无需初始化、设置或软件，也无法被黑客入侵或控制，所有这些都增加了它们的可靠性。TSgednc

工程师遇到的保险丝的电流处理范围从几分之一安培到几十安培不等。它们有各种各样的封装，从经典的3AG到更大的管状，以及许多汽车中使用的刀片式，图1。TSgednc

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图1：保险丝有不同的额定电流，也有无数种封装，包括3AG玻璃管、各种尺寸的陶瓷管芯和汽车“刀片”式保险丝。资料来源：RS-Online、Automation Direct 和 Harbor Freight Co.TSgednc

但接着我开始疑惑：他们是如何制造数百安培的保险丝的？它们的封装是什么样的？当电流达到这些水平时，保险丝是否会按比例变大？TSgednc

我的“无知”很大程度上是因为没有接触过这个主题。多年以来，大多数工程院校都不重视大功率工程，该专业涵盖更大规模的发电、储能、输电、电池储能系统以及太阳能/风能装置，被认为是一个落后的利基市场，并不像设计数据网络、设计和编码算法或构建更快的计算机那样令人兴奋。TSgednc

但那是过去，时代已经变了。如今，电力工程是一个热门领域，涉及电动汽车(EV和HEV)、可再生能源、数据中心供电、备用电源系统等所有活动的开展。从这个角度来看：电动汽车的电流约为100A甚至更多，因此必须提高熔断能力以满足适相应的工程和法规要求。显然，这并非单靠电流保险丝就足够。TSgednc

这样的保险丝会比标准的10A保险丝大10倍吗？在设计上是否有需要注意的地方？TSgednc

我对此进行了研究，发现热熔断器中有一类被称为限流(HRC)熔断器的大型子类，这种熔断器可能更大，不过外观上与普通熔断器无异，但内部却有隐形的变化：它们内部填充沙子(二氧化硅)或其他材料，如图2所示。 TSgednc

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图2：(左)HRC保险丝采用填充物，通常是沙子；(右)实际内部结构更为复杂，如本例所示(还有其他版本)。资料来源：Electrical Maker和Swe-Check Pty LtdTSgednc

HRC保险丝与电流较低的传统保险丝(称为低分断能力(LBC)保险丝)的主要区别在于：TSgednc

• HRC保险丝耐热、坚固的外部保险丝体，通常由陶瓷或玻璃纤维制成；而LBC保险丝通常采用玻璃外壳，当熔断动作开始且过载电流较大时，玻璃外壳更容易碎裂。
• HRC保险丝内的空腔中充满细硅砂或石英，以吸收过电流产生的热量和能量。在某些情况下，也会使用其他材料，如白垩粉、熟石膏或大理石粉，但最常见的是纯净的沙子。
• HRC保险丝的金属盖或标签牢固地安装在保险丝体上，形成气密密封，防止过载时能量外泄。

为什么要这么做？在我简单的低电流思维中，一旦保险丝过热断开，似乎就没什么好担心的了。TSgednc

但在现实的高电流世界中，这种简单化的想法是错误的，甚至是危险的。保险丝中的沙子主要作用是充当吸热介质，并防止保险丝元件熔化后电弧继续产生，参考图3。这样，保险丝就能安全地切断非常高的故障电流(通常为几千安培)，而不会损坏保险丝座或周围设备。TSgednc

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图3：HRC保险丝的电流与时间特性有一些有趣的转变和跳跃。来源：Electrical MakerTSgednc

这些沙子或其他填充物起着多种作用：TSgednc

• 冷却：当保险丝元件因电流过大而熔化时，沙子会吸收热量，有助于冷却该区域并防止火灾或损坏周围元件。
• 电弧抑制：如果保险丝烧断，会产生电弧。沙子有助于通过吸收能量并提供电弧可以安全消散的介质来熄灭电弧。
• 隔离：沙子有助于隔离熔化的金属保险丝元件，防止其造成进一步的短路或破坏。
• 增强安全性：通过降低电弧和过热的风险，沙子有助于提高保险丝的整体安全性和可靠性。

简而言之：在普通保险丝(一段裸露的电线)中，电线会熔化，从而切断电路，只是这样那就一切顺利。但是，如果电流很大，电线也会部分蒸发，并形成电弧。即使交流电降到零伏，这种电弧也可能无法熄灭(对于直流电路肯定不会)，可以持续许多周期。HRC保险丝中的沙子可防止电弧形成，从而使电路可以安全地断开并保持断开状态。TSgednc

这里有两点。首先，这不仅仅是“扩大规模”的问题。与几乎所有其他技术组件一样，当你突破容量或尺寸的界限时，情况就会发生变化，需要对现有解决方案进行重要的改进。虽然物理定律不会改变，但它们的表现形式会改变。毕竟，在电磁波谱中，千兆赫/太赫兹波和光波都是由麦克斯韦方程定义的，但它们的现实情况却大不相同，熔断的保险丝导致开路中出现高电流电弧就是这种情况。TSgednc

第二点，任何事情都没有看上去那么简单。当有人说“有什么大不了的？这只是一根保险丝”之类的话时，实际上其实意味着他们并不了解其中的含义。即使是像保险丝这样简单的功能，也有其自身的设计和制造问题，需要加以理解和解决。TSgednc

您是否曾遇到过由于需要在严苛条件或极端参数(例如电压、电流、温度或物理应力等)下工作而出现意外设计问题的组件？您是否了解发生了什么情况以及原因是什么？TSgednc

(原文刊登于EDN美国版，参考链接：High rupture capacity fuses: same idea, different reality，由Ricardo Xie编译)TSgednc