一文讀懂：熔斷器的基本結構、工作原理及物理過程

熔斷器串聯應用在被保護電路中時，其基本工作原理可簡述如下：當電路工作電流小于或等于其額定正常負載電流時，熔斷器內熔體的溫度較低，熔體保持在固體狀態；當被保護電路發生過載或短路時，電流會超過正常值，熔體溫度會逐步提高。當電流達到或超過某一定值時，熔體溫升會達到熔點，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，從而起到保護作用。上述原理看似簡單，但實際過程不僅涉及金屬熱熔學、電磁學、材料學等多個領域，熔斷過程也是在短暫的時間內快速完成，物理變化過程實際上是極為復雜的。下面首先詳細介紹熔斷器核心部件———熔體的結構和特性，進而介紹熔斷過程的物理規律。

熔體由特定材料及形狀的金屬體制成，以實現需要的過電流保護特性。實際上，熔體的材料組成、材料分布、機械加工精度乃至其周圍的環境都會影響到熔體的表現。因此，了解熔體材料和結構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成。根據熔點的不同，通常可將熔體材料分為低熔點材料和高熔點材料兩類。

低熔點材料包括鉛、錫、鋅、鉛-錫合金等金屬。其熔點相對較低，熔化時所需的熱量少，有利于過載電流的保護，故常應用在開啟式負荷開關、無填料密閉熔斷器等場合。但由于鉛、錫等低熔點金屬材料的電導率相對低，在同樣的電阻值下，熔體的橫面積相對較大，容易在熔斷時產生較多的金屬汽化，易形成電弧，不利于熄弧，故而分斷電流的能力較低。

高熔點材料包括銀、銅、鋁等金屬，這些金屬熔點相對較高，熔化時需要的熱量多，因此不利于過載電流的保護，需要精心設計其形狀。但這些金屬的電導率高，在同樣的電阻值下，熔體的橫面積相對較小，在熔斷時產生的金屬汽化少，有利于熄弧，故分斷電流的能力較強。上述幾種高熔點金屬做熔體時，也有各自的優缺點。銀的電導率最大，性質穩定、限流作用強；鋁的電導率也較高，熔點介于銀和銅之間，并且表面的氧化鋁膜層很致密，能起到防止內部鋁材進一步氧化的作用，性質也較穩定，但其不易焊接，在實際中應用得較少；銅材的電導率較高，焊接容易，在熔體中應用較多。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，但人們發現可用在其表面鍍銀的辦法來克服，因此，實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、小刀閘開關等設備中。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，當電流過大時，溫升過高導致金屬熔斷。片狀熔體則是利用了局部電阻集中的效應。在片狀熔體的狹窄處，導電面積小，電阻較大，同時散熱性差，故當電流大于規定值時，會先熔斷。這樣整個熔體會形成幾段熔化體而紛紛斷開，同時在狹窄熔斷處形成幾段易于熄滅的短電弧。狹窄部分的段數與熔斷器可承受的斷路電壓有關，一般每個熔斷口可承受200～250V的電壓。擴展片狀熔體的寬度和厚度，即可以增大電流容量，通過并聯片狀熔體，也可以擴大電流容量。有時為了加工方便，也可將熔體做成網格形狀。多段片狀熔體的結構如圖7所示。

圖7 多段片狀熔體

（3）熔體工作的物理過程與保護特性

熔斷器處于正常工作狀態時，其電流沒有超過額定值。當電流流過熔體時，通過歐姆電阻產生熱，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。當電流形成的熱量和擴散的熱量達到平衡狀態時，熔體的溫度達到一種平衡。圖8中的虛線示意繪出了一個片狀熔體在正常電流下的穩態溫度分布情況。通常在額定電流時，熔體的溫度與環境溫度不應相差過大，IEC有關標準和我國國家標準對此均有規定，通常允許的最大溫升不超過65℃。

當熔斷器流過的電流超過額定電流后，就發生了過載電流或短路電流。下面介紹熔斷器發生過載電流時，熔體工作的物理過程。隨著電流超過額定電流值，過載電流產生的歐姆熱會使熔體的溫升逐步提高。此時熔體的溫度分布如圖8所示中實線所示。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。當溫度到達熔體的熔化溫度后，熔體開始從固體變化為液體，同時將電流形成的熱量轉成液化潛熱，在此階段熔體的溫度保持不變。隨著過載電流繼續作用，經過一段時間，液化熔體的溫度也不斷的上升，最終到達汽化點，產生金屬蒸汽。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態溫度分布

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，細節的物理過程還是較復雜的。由于在金屬液體和蒸汽中還通有電流，而這個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塌縮的趨勢，即匝縮效應。圖10所示為通有電流的導電氣體的匝縮效應，中間一段導電的液體、氣體在電動力的作用下出現了塌陷。當然，具體發生部位有很大的隨機性。匝縮效應容易使液化、汽化的熔體發生斷裂，形成小間隙，電流會突然中斷。若此時電流路徑上的電源電壓、感應電壓即刻擊穿了此間隙，產生電弧，使電路通道接通。其后，上述各效應會繼續不斷地作用，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 通有電流的導電氣體的匝縮效應

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階段，即未產生電弧之前的弧前過程和已經產生電弧的弧后過程。弧前過程主要的特點是熔體的升溫和熔化。弧后過程的主要特點是含有大量金屬蒸汽的電弧在間隙內蔓延、擴張以及熄滅。熔斷器的動作時間即為弧前時間與弧后時間之和。當然弧前時間的長短與過載電流的大小有密切的關系，過載電流越大，弧前時間越短；反之，則弧前時間越長。而弧后時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間內通過尺寸拉長、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，需要一些時間才能熄弧。

熔斷器發生短路過電流時，其基本物理過程與上述過程相似，但也有一些不同。主要區別有兩點，一是短路電流極陡的電流上升率和極高的電流密度瞬時作用而產生的熱量來不及傳到周圍，使得熔體在很短的時間內熔化和汽化，這個過程接近絕熱狀態；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生電弧，要求材料的熄弧能力較強。圖12所示為一個交流熔斷器發生短路電流而斷開過程中，熔體電壓和電流的波形。圖中，實線為實際電壓、電流波形，正弦形虛線為短路電流預期值。可以看出，該熔斷器熔體對短路電流的反應迅速，在t_A時間內，即將遠未達到短路電流預期最大值的短路電流在幅值為I0時開斷，這類熔斷器也被稱為限流熔斷器。當然，也有一些熔斷器的設計通流能力較大，對短路電流反應慢，需要經過一段時間才能切斷短路電流，這類熔斷器有時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）熔斷器的主要保護特性

對于熔斷器來講，主要的保護特性就體現在熔化電流與熔斷時間的關系上。根據前述熔斷器的工作原理可知，熔化電流越小，熔斷時間就越長；熔化電流越大，熔斷時間就越短。因此，熔斷器的保護特性如果用安培-時間曲線來描述，應近似反比關系。圖13所示為熔斷器的保護特性曲線，也叫做安秒特性曲線，通常實際測量得出。可以看出，曲線是向右下傾的，這種特性也常叫做反時限特性。此外還可看出，熔斷器的反時限安秒特性曲線與圖6-7所示的過電流過電流保護特性曲線雖在細節上有區別，但整體上是很一致的，因此可實現對敏感負載過電流的保護。

圖13 熔斷器的保護特性曲線

在熔斷器的保護特性曲線中，當電流小到一定值Ir時，熔斷時間會趨近于無窮大，稱這個電流為最小熔化電流。熔斷器的熔體在該電流下時，發熱達到了一個臨界值。當電流略有偏大的波動，就會使熔體熔斷，而當電流小于此值時，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，不同參數的熔斷器，其安-秒特性也有所不同，因而適用于不同的負載設備保護。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K_r。它可以用來反映熔斷器保護小倍數過載的靈敏度。比如，從過載的角度講，熔化系數K_r越小對小倍數過載電流的保護就越靈敏，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，還有可能因為保護特性本身的誤差而發生在額定電流下的誤熔斷故障，影響熔斷器的可靠工作。熔化系數也主要由熔體的材料、結構、工作溫度等因素決定。當熔體采用鉛、錫、鋅等低熔點金屬材料時，熔化所需的熱量小，從而熔化系數也小，有利于過載保護，但其電阻率和熔體截面積較大，熔斷時產生的金屬蒸汽多，不利于熄弧和切斷過電流。當熔體為銀、銅、鋁等高熔點材料時，熔化需要的熱量較多，故熔化系數大些，不利于過載保護，但其電阻率和熔體截面積小，有利于熄弧和切斷過電流。