高熔斷電流保險絲的基礎(chǔ)知識

它們有許多類型，包括快速作用型、延時型和慢速熔斷型，以最大限度地滿足應(yīng)用需求。許多安裝規(guī)范都要求使用保險絲，其中一個原因就是保險絲無需初始化、設(shè)置或軟件，也無法被黑客入侵或控制，所有這些都增加了它們的可靠性。

工程師遇到的保險絲的電流處理范圍從幾分之一安培到幾十安培不等。它們有各種各樣的封裝，從經(jīng)典的3AG到更大的管狀，以及許多汽車中使用的刀片式，

但接著我開始疑惑：他們是如何制造數(shù)百安培的保險絲的？它們的封裝是什么樣的？當(dāng)電流達(dá)到這些水平時，保險絲是否會按比例變大？

我的“無知”很大程度上是因為沒有接觸過這個主題。多年以來，大多數(shù)工程院校都不重視大功率工程，該專業(yè)涵蓋更大規(guī)模的發(fā)電、儲能、輸電、電池儲能系統(tǒng)以及太陽能/風(fēng)能裝置，被認(rèn)為是一個落后的利基市場，并不像設(shè)計數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)、設(shè)計和編碼算法或構(gòu)建更快的計算機(jī)那樣令人興奮。

但那是過去，時代已經(jīng)變了。如今，電力工程是一個熱門領(lǐng)域，涉及電動汽車（EV和HEV）、可再生能源、數(shù)據(jù)中心供電、備用電源系統(tǒng)等所有活動的開展。從這個角度來看：電動汽車的電流約為100A甚至更多，因此必須提高熔斷能力以滿足適相應(yīng)的工程和法規(guī)要求。顯然，這并非單靠電流保險絲就足夠。

這樣的保險絲會比標(biāo)準(zhǔn)的10A保險絲大10倍嗎？在設(shè)計上是否有需要注意的地方？

我對此進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)熱熔斷器中有一類被稱為限流（HRC）熔斷器的大型子類，這種熔斷器可能更大，不過外觀上與普通熔斷器無異，但內(nèi)部卻有隱形的變化：它們內(nèi)部填充沙子（二氧化硅）或其他材料，如圖2所示。

圖2：（左）HRC保險絲采用填充物，通常是沙子；（右）實際內(nèi)部結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，如本例所示（還有其他版本）。資料來源：Electrical Maker和Swe-Check Pty Ltd

HRC保險絲與電流較低的傳統(tǒng)保險絲（稱為低分?jǐn)嗄芰Γ↙BC）保險絲）的主要區(qū)別在于：

HRC保險絲耐熱、堅固的外部保險絲體，通常由陶瓷或玻璃纖維制成；而LBC保險絲通常采用玻璃外殼，當(dāng)熔斷動作開始且過載電流較大時，玻璃外殼更容易碎裂。

HRC保險絲內(nèi)的空腔中充滿細(xì)硅砂或石英，以吸收過電流產(chǎn)生的熱量和能量。在某些情況下，也會使用其他材料，如白堊粉、熟石膏或大理石粉，但最常見的是純凈的沙子。

HRC保險絲的金屬蓋或標(biāo)簽牢固地安裝在保險絲體上，形成氣密密封，防止過載時能量外泄。

為什么要這么做？在我簡單的低電流思維中，一旦保險絲過熱斷開，似乎就沒什么好擔(dān)心的了。

但在現(xiàn)實的高電流世界中，這種簡單化的想法是錯誤的，甚至是危險的。保險絲中的沙子主要作用是充當(dāng)吸熱介質(zhì)，并防止保險絲元件熔化后電弧繼續(xù)產(chǎn)生，參考圖3。這樣，保險絲就能安全地切斷非常高的故障電流（通常為幾千安培），而不會損壞保險絲座或周圍設(shè)備。

圖3：HRC保險絲的電流與時間特性有一些有趣的轉(zhuǎn)變和跳躍。來源：Electrical Maker

這些沙子或其他填充物起著多種作用：

冷卻：當(dāng)保險絲元件因電流過大而熔化時，沙子會吸收熱量，有助于冷卻該區(qū)域并防止火災(zāi)或損壞周圍元件。

電弧抑制：如果保險絲燒斷，會產(chǎn)生電弧。沙子有助于通過吸收能量并提供電弧可以安全消散的介質(zhì)來熄滅電弧。

隔離：沙子有助于隔離熔化的金屬保險絲元件，防止其造成進(jìn)一步的短路或破壞。

增強安全性：通過降低電弧和過熱的風(fēng)險，沙子有助于提高保險絲的整體安全性和可靠性。

簡而言之：在普通保險絲（一段裸露的電線）中，電線會熔化，從而切斷電路，只是這樣那就一切順利。但是，如果電流很大，電線也會部分蒸發(fā)，并形成電弧。即使交流電降到零伏，這種電弧也可能無法熄滅（對于直流電路肯定不會），可以持續(xù)許多周期。HRC保險絲中的沙子可防止電弧形成，從而使電路可以安全地斷開并保持?jǐn)嚅_狀態(tài)。這里有兩點：第一點，這不僅僅是“擴(kuò)大規(guī)?！钡膯栴}。與幾乎所有其他技術(shù)組件一樣，當(dāng)你突破容量或尺寸的界限時，情況就會發(fā)生變化，需要對現(xiàn)有解決方案進(jìn)行重要的改進(jìn)。雖然物理定律不會改變，但它們的表現(xiàn)形式會改變。畢竟，在電磁波譜中，千兆赫/太赫茲波和光波都是由麥克斯韋方程定義的，但它們的現(xiàn)實情況卻大不相同，熔斷的保險絲導(dǎo)致開路中出現(xiàn)高電流電弧就是這種情況。

第二點，任何事情都沒有看上去那么簡單。當(dāng)有人說“有什么大不了的？這只是一根保險絲”之類的話時，實際上其實意味著他們并不了解其中的含義。即使是像保險絲這樣簡單的功能，也有其自身的設(shè)計和制造問題，需要加以理解和解決。

您是否曾遇到過由于需要在嚴(yán)苛條件或極端參數(shù)（例如電壓、電流、溫度或物理應(yīng)力等）下工作而出現(xiàn)意外設(shè)計問題的組件？您是否了解發(fā)生了什么情況以及原因是什么？