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保護元件知識，保險絲選型和應(yīng)用

發(fā)布時間： 2024-07-22

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保險絲作為電路發(fā)生故障或異常過流時的保護器件，在選用時過大或過小都會引起安全隱患。目前關(guān)于保險絲的介紹和使用的資料很多，但對保險絲一些重要參數(shù)的理解和重視程度不夠，造成在實際應(yīng)用中出現(xiàn)選型不當(dāng)，沒有達到保護電路的目的。此篇文檔側(cè)重點是針對這些參數(shù)給出正確的解釋和理解，供電路從業(yè)者參考。

保險絲包含的參數(shù)有：電流、電壓、環(huán)境溫度影響、熱熔值、熔斷速度等重要參數(shù)，同時還有：熔斷特性、分斷能力、電壓降、溫升、電阻特性、和交直流屬性方面參數(shù)。其中電流、電壓、環(huán)境溫度影響、熱熔值、熔斷速度是選用時必須要考慮的。下面一一介紹各參數(shù)意義和注意點。

1 額定電流(In)

標(biāo)注在保險絲上的額定工作電流，代號是 In。為該保險絲所能載的電流。額定電流必須大于被保護電路的實際工作電流，同時考慮到國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的降額。

IEC 規(guī)定：不用降額(CE 認(rèn)證)

UL 規(guī)定：0.75 降額 (UL 認(rèn)證)

正常選用時，一般都考慮 0.75 降額。對于單板的工作電流，應(yīng)注意是允許的最低電壓下的電流。例如額定電壓是 -48V 的，允許 20%的波動(小于等于 12V 的 2 次電壓允許波動范圍為±10%)。如果單板在 -48V 時的工作電流是 0.8A，由于單板的功率恒定，則在 -38.4V 的工作電壓下的工作電流大約為 1A。在選擇保險絲時，就應(yīng) 該以 1A 作為單板的工作電流。在輸入電壓范圍比較廣的應(yīng)用中，這一點要特別注意。

對于所選保險絲額定電流的上限，建議如表 1 所示。

注 1：針對風(fēng)扇此類帶電動機的負(fù)載，工作電流按照風(fēng)扇規(guī)格書里面的最大平均電流確定。

注 2：針對兩個保險絲并聯(lián)情況，因為并聯(lián)保險絲的電路工作電流都比較大，如果按照上述原則選擇保險絲時，可能造成保險絲額定電流和實際工作電流差值過大，存在隱患。建議每個保險絲按照 0.85 降額進行選擇。比如工作電流 40A，分?jǐn)偟矫柯肥?20A。保險些額定電流選擇為：20/0.85=23.5，實際可選用 25A 的保險些。兩路加一起是 50A。

2 額定電壓(Un)

標(biāo)注在保險絲上的額定電壓，代號是 Un。表示該保險絲可以被使用的最大工作電壓電路。保險絲可以在不大于其額定電壓的電路下使用，不能用在電路電壓大于保險絲額定電壓的電路中。

選用額定電壓時，不需要考慮降額。

一般保險絲的標(biāo)準(zhǔn)電壓額定值為 32V、60V、125V、 250V、300V、500V、600V。

例如：12V 或 24V 的設(shè)備可選用 32V 或 63V 的保險絲系列；

48V 或 60V 的設(shè)備可選用 63V 或 125V 的保險絲系列；

100V 或 220V 的設(shè)備可選用 125V 或 250V 的保險絲系列。

注 3：有些保險絲標(biāo)有額定電壓為交流電壓或直流電壓之分，原則上交流保險絲和直流保險絲不能混用。額定電壓為直流的只用在直流電路中。有的保險些額定電壓標(biāo)注交流、直流電壓都有，或者不區(qū)分交直流，可以通用。

注 4：在一些小電壓電路上，比如 3.3V 或 5V 等，避免使用保險絲，以免保險絲引起的壓降造成負(fù)載欠壓。如果一定要使用，嚴(yán)格計算一下壓降。

3 溫度折損率(Tf)

保險絲參數(shù)溫度折損率(Tf )，是考慮保險絲在高溫工作情況下的情況。保險絲規(guī)格式給出的額定電流是在 25℃環(huán)境溫度下進行的。環(huán)境溫度越高，保險絲的工作溫度就越高，額定電流值越低。相反，在較低的溫度下運行，保險絲額定電流值將會提高。因此選擇保險絲額定電流的時候，要根據(jù)保險絲實際工作環(huán)境溫度調(diào)整保險絲額定電流值。保險絲規(guī)格書都有一個溫度折減率圖，如圖 1 所示。如果保險絲周圍環(huán)境溫度 70℃，那就要在原來基礎(chǔ)上降額 10%選型。

圖 1 保險絲溫度折減曲線圖

在設(shè)計時都根據(jù)單板實際溫度情況，在進行額定電流降額后，一般再進行 0.95 降額選擇保險些額定電流[1]。比如電路正常工作電流 2A，那選擇保險絲額定電流時， In= 正常工作電流 /(標(biāo)準(zhǔn)降額 * 工作溫度降額)＝2/(0.75 *0.95)＝2.81A。選擇額定電流為 3A 的比較合適。

4 熱熔值(I2 t)

保險絲熔化所需的能量值，其代號是 I 2 t ，單位 A2 Sec。這個參數(shù)往往在選型設(shè)計時容易被忽略，從而造成在實際應(yīng)用中莫名其妙的出現(xiàn)問題，比如啟動時保險絲熔斷，瞬態(tài)沖擊造成金屬氧化物半導(dǎo)體失效，都是這個參數(shù)選用不合理造成。不考慮這個參數(shù)，就無法定位問題的原因。熱熔值保險絲本身的一個參數(shù)，由保險絲的設(shè)計決定，每種規(guī)格的保險絲只有一個額定的公稱熱熔值。這個參數(shù)代表保險絲在受到瞬間沖擊時，所能承受瞬間沖擊能力。在確定保險絲的熱熔值之前，首先要知道被保護電路可能存在的瞬態(tài)沖擊能量。被保護電路內(nèi)瞬時沖擊電流的幅值和持續(xù)時間所形成的能量應(yīng)小于所選用的保險絲的熱熔值的 0.22 倍，確保保險絲可承受 10 萬次以上瞬時沖擊電流。

在確定保險絲的熱熔值時，選用保險絲的熱熔值 A2 S 應(yīng)小于被保護電路中的元器件損壞能量的 A2 S，避免大的瞬間沖擊通過保險絲對被保護的元器件造成傷害。另外針對帶電動機的感性負(fù)載(比如風(fēng)扇)，上下電時都有個瞬間沖擊。在設(shè)計階段，這些負(fù)載在上下電瞬時形成的最大瞬間沖擊能量數(shù)據(jù)可找廠家索要，從而針對數(shù)據(jù)來選擇合適的保險絲。

瞬時沖擊電流的幅值和持續(xù)時間所形成的能量如何計算[2]，如圖 2~ 圖 5 所示。

(1)正弦電流

計算公式為如下，其波形如圖 2 所示。

圖 2 正弦電流波形圖

(2)三角波電流

計算公式如下，其波形如圖 3 所示。

圖 3 三角波電流波形

(3)脈沖電流

計算公式為如下，其波形如圖 4 所示。

圖 4 脈沖電流波形

(4)矩型電流

計算公式如下，其波形如圖 5 所示。

圖 5 矩形電流波形

5 熔斷速度

保險絲的熔斷速度分為快熔保險絲 (Fast Acting Fuse)和慢熔保險絲(Slow/Time Delay Fuse)。它們主要區(qū) 別在于兩者的公稱熱熔值 I 2 t 不同，在標(biāo)稱相同的額定電流和額定電壓條件下，慢熔斷保險絲的 I 2 t 要比快熔斷保險絲大的多。慢熔斷保險絲和快熔斷保險絲的熔斷時間差別主要體現(xiàn)在當(dāng)工作電流達到保險絲標(biāo)稱額定電流的 200%左右時，快熔斷保險絲的熔斷時間一般為幾百毫秒；而慢熔斷保險絲在此條件的熔斷時間一般為幾秒。但當(dāng)工作電流達到保險絲標(biāo)稱額定電流的 800% 或更大時，兩者的熔斷時間就沒有多大的區(qū)別，都要求在幾毫秒斷開。保險絲這個參數(shù)特性也體現(xiàn)在保險絲規(guī) 格書里面的時間 - 電流特性曲線上，快熔斷保險絲熔斷比慢熔斷保險絲熔斷快。

慢熔保險絲和快熔保險絲選取原則如下：

(1)慢熔保險絲能夠承受大能量瞬間沖擊，通常用在電路狀態(tài)變化時有較大瞬態(tài)電流的感性或容性電路中。如果工作電流是不穩(wěn)定的脈沖波形電流，原則上要選用慢熔斷的保險絲。

(2)快熔保險絲保護一些較恒定電流的電路，或瞬態(tài) 沖擊電流較小的電路。有些使用大電容的電路也會出現(xiàn) 比較大的瞬間沖擊電流，需要通過實際測試和分析驗證快熔保險絲的熱熔值能否滿足電路中產(chǎn)生的沖擊電流的能量。

(3)針對帶電動機的感性負(fù)載(比如風(fēng)扇)電路，原則上要選用慢熔保險絲。慢熔保險絲在防沖擊電流方面比快熔保險絲有優(yōu)勢，但有一個不安全因素，在控制的電路電流異常時，這種異常電流很大但無法將保險絲及時熔斷，就會造成能量積累，嚴(yán)重時引起單板燃燒。快熔保險絲就沒這個安全隱患。所以針對風(fēng)扇電路，在額定電流和熱熔值都滿足選擇原則下，能選擇快熔保險絲則選擇快熔保險絲，如果熱熔值無法滿足，則考慮選擇慢熔保險絲。

6 分?jǐn)嗄芰?Ir)

分?jǐn)嗄芰Φ拇柺?Ir，又稱額定短路容量(breaking capacity/interrupting rating)，即在額定電壓下，保險絲能夠安全分?jǐn)嗟淖畲箅娏髦?交流電為有效值)，不發(fā)生破碎或爆炸，不引起危險。它是保險絲重要的安全指針。

選擇原則：保險絲所在電路中可能出現(xiàn)的最大短路電流不應(yīng)超過保險絲的額定分?jǐn)嗄芰Α３^分?jǐn)嗄芰﹄?流，就會產(chǎn)生安全危險。分?jǐn)嗄芰陔妷簲?shù)值而不同，如表 2 所示。

7 電壓降(Ud)

對保險絲在通過額定電流下，當(dāng)保險絲達表面溫度穩(wěn)定時所測得的其兩端的電壓，代號是 Ud。由于保險絲兩端電壓降對電路會有一定的影響，因此在標(biāo)準(zhǔn)里對電壓降都有明確規(guī)定，一般都是幾十 mv 級，其值由本身電阻決定。

8 保險絲電阻

保險絲電阻通常分為冷電阻和熱電阻，冷電阻是保險絲在環(huán)境溫度 25℃的條件下，通過 90%額定電流測試所得的電阻值。熱電阻則以 100%額定電流值測試所得的電阻值。通常熱電阻比冷電阻要大。目前保險絲都是對冷電阻值作要求，大于 1A 不超過 0.1Ω，超過 10A 的一般都要求幾個毫歐(mΩ)。

9 防護要求

在應(yīng)用環(huán)境質(zhì)量差的情況下，保險絲容易產(chǎn)生腐蝕或硫化，從而引起電路問題。保險絲必須具有防腐蝕性和防硫化功能，避免電級腐蝕失效。比如保險絲全密封，電級具有抗硫化功能等。這方面如果廠家不滿足，可要求廠家增加這些功能。

10 常用安全認(rèn)證

針對 CE 認(rèn)證產(chǎn)品，保險絲要進行 IEC 規(guī)格 TUV 認(rèn) 證或 UL 認(rèn)證。

針對 UL 認(rèn)證產(chǎn)品，保險絲要進行 UL 規(guī)格的 UL 認(rèn)證。

針對 CCC 認(rèn)證產(chǎn)品，保險絲要進行 CCC 認(rèn)證。

11 保險絲選型基本步驟

選型步驟如表 3 所示。

表 3 保險絲選型基本步驟

12 結(jié)語

本文著重從基礎(chǔ)知識為出發(fā)點，詳細(xì)描述了保險絲各參數(shù)的定義和意義，尤其明確了一些參數(shù)的重要性，而這些參數(shù)往往在選型時容易被忽略，導(dǎo)致應(yīng)用中出現(xiàn) 問題。另外給出選型步驟和應(yīng)用中需要注意的問題，供電路從業(yè)者參考。

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