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保護元件知識，保險絲選型和應用

發布時間： 2024-07-22

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保險絲作為電路發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的理解和重視程度不夠，造成在實際應用中出現選型不當，沒有達到保護電路的目的。此篇文檔側重點是針對這些參數給出正確的解釋和理解，供電路從業者參考。

保險絲包含的參數有：電流、電壓、環境溫度影響、熱熔值、熔斷速度等重要參數，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。其中電流、電壓、環境溫度影響、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意義和注意點。

1 額定電流(In)

標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，同時考慮到國際標準規定的降額。

IEC 規定：不用降額(CE 認證)

UL 規定：0.75 降額 (UL 認證)

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，就應該以 1A 作為單板的工作電流。在輸入電壓范圍比較廣的應用中，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：針對風扇此類帶電動機的負載，工作電流按照風扇規格書里面的最大平均電流確定。

注 2：針對兩個保險絲并聯情況，因為并聯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，分攤到每路是 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。

一般保險絲的標準電壓額定值為 32V、60V、125V、 250V、300V、500V、600V。

例如：12V 或 24V 的設備可選用 32V 或 63V 的保險絲系列；

48V 或 60V 的設備可選用 63V 或 125V 的保險絲系列；

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

注 3：有些保險絲標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注交流、直流電壓都有，或者不區分交直流，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載欠壓。如果一定要使用，嚴格計算一下壓降。

3 溫度折損率(Tf)

保險絲參數溫度折損率(Tf )，是考慮保險絲在高溫工作情況下的情況。保險絲規格式給出的額定電流是在 25℃環境溫度下進行的。環境溫度越高，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，要根據保險絲實際工作環境溫度調整保險絲額定電流值。保險絲規格書都有一個溫度折減率圖，如圖 1 所示。如果保險絲周圍環境溫度 70℃，那就要在原來基礎上降額 10%選型。

圖 1 保險絲溫度折減曲線圖

在設計時都根據單板實際溫度情況，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 /(標準降額 * 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。這個參數往往在選型設計時容易被忽略，從而造成在實際應用中莫名其妙的出現問題，比如啟動時保險絲熔斷，瞬態沖擊造成金屬氧化物半導體失效，都是這個參數選用不合理造成。不考慮這個參數，就無法定位問題的原因。熱熔值保險絲本身的一個參數，由保險絲的設計決定，每種規格的保險絲只有一個額定的公稱熱熔值。這個參數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沖擊能量。被保護電路內瞬時沖擊電流的幅值和持續時間所形成的能量應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載(比如風扇)，上下電時都有個瞬間沖擊。在設計階段，這些負載在上下電瞬時形成的最大瞬間沖擊能量數據可找廠家索要，從而針對數據來選擇合適的保險絲。

瞬時沖擊電流的幅值和持續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)。它們主要區別在于兩者的公稱熱熔值 I 2 t 不同，在標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在當工作電流達到保險絲標稱額定電流的 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。但當工作電流達到保險絲標稱額定電流的 800% 或更大時，兩者的熔斷時間就沒有多大的區別，都要求在幾毫秒斷開。保險絲這個參數特性也體現在保險絲規格書里面的時間 - 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，通常用在電路狀態變化時有較大瞬態電流的感性或容性電路中。如果工作電流是不穩定的脈沖波形電流，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，或瞬態沖擊電流較小的電路。有些使用大電容的電路也會出現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生的沖擊電流的能量。

(3)針對帶電動機的感性負載(比如風扇)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 分斷能力(Ir)

分斷能力的代號是 Ir，又稱額定短路容量(breaking capacity/interrupting rating)，即在額定電壓下，保險絲能夠安全分斷的最大電流值(交流電為有效值)，不發生破碎或爆炸，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的最大短路電流不應超過保險絲的額定分斷能力。超過分斷能力電流，就會產生安全危險。分斷能力基于電壓數值而不同，如表 2 所示。