插片保險絲動作失效原因分析與對策

孔令清

引言

插片保險絲因熔體與融化的外殼粘在一起，而造成動作失效，一直困擾保險絲業(yè)界。保險絲在保護(hù)電路過程中，必要時必須熔斷，而其塑料外殼在此過程中，必須保持不融化的完好狀態(tài)，實(shí)際使用中經(jīng)常出現(xiàn)塑料外殼融化的問題，且造成保險絲不能符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的熔斷要求。

雖有制造商采用更高熔點(diǎn)塑料制造外殼以克服外殼融化問題，但是不僅收效甚微，而且也增加了制造成本。也有采用在熔體插腳部分電鍍銀層以降低熔體導(dǎo)電電阻，欲起到降低熔體發(fā)熱量的作用，來緩解外殼融化的現(xiàn)象，此法雖有降低熔體插腳發(fā)熱作用，但不能解決熔體熔斷的有效部位高溫變形而搭殼的現(xiàn)象，電鍍工藝也會增加環(huán)境負(fù)擔(dān)。

上述方法雖針對外殼融化現(xiàn)象采取了措施，卻沒從根本上在熔體自身做改進(jìn)設(shè)計，故效果并不顯著。本文所述研究，依據(jù)焦耳定律，充分分析保險絲熔斷機(jī)理，引入變截面熔絲概念，采用小質(zhì)量薄弱熔斷點(diǎn)方法，從根本上減小保險絲熔斷的發(fā)熱量，且提高熔絲處于臨近熔斷時高溫狀態(tài)下的剛性，從而避免熔絲熱變形搭殼現(xiàn)象的發(fā)生。并對熔絲位置與鉚接點(diǎn)位置做了合理改進(jìn)，充分減小插腳發(fā)熱，且降低插腳熱量對塑料外殼的傳導(dǎo)。經(jīng)過反復(fù)的通電測試，本文所采用的改進(jìn)方法使得，無論保險絲本體溫升，還是塑料外殼的融化程度，改進(jìn)效果都很顯著。

1 插片保險絲的構(gòu)成與工作原理

插片保險絲由熔體與塑料外殼構(gòu)成，熔體的兩只插腳起著連接電路的作用，其熔絲部分起著保護(hù)電路的作用。塑料外殼的材料通常是聚碳酸酯，外殼的作用是對熔體進(jìn)行絕緣保護(hù)，并在熔絲熔斷后起著支撐與固定兩只插腳的作用。

插腳向上延伸形成與外殼裝配的連接件，在兩連接件上各有一矩形孔，此矩形孔是滿足外殼與熔體鉚接時形成鎖扣作用，當(dāng)熔體與外殼裝配后，在矩形孔處對外殼進(jìn)行前后沖壓，使其向矩形孔內(nèi)變形，起到固定作用（如圖1～2）。

圖1 未改進(jìn)的保險絲

當(dāng)插片保險絲被接入電路中，有電流流過熔體時，熔體兩插腳之間的熔絲將會發(fā)熱，依據(jù)焦耳定律可知，發(fā)熱量為：Q=0.24R2It，其中I 為流過熔體的電流，R 為熔絲的電阻，t 為電流流過的時間，Q 為容絲在電流流過的時間內(nèi)的發(fā)熱量。當(dāng)有足夠大的電流持續(xù)流過時，熔絲因發(fā)熱而溫度將會上升，當(dāng)溫度上升至熔絲的的熔點(diǎn)時，熔絲將會被燒斷，保險絲動作，切斷電路。

圖2 改進(jìn)的保險絲

這個過程中，有兩個不同性質(zhì)的熱量，且這兩個熱量的大小與熔絲質(zhì)量有關(guān)。①熔絲從常溫上升至熔點(diǎn)所需的熱量，Q1=cmΔT，熔絲質(zhì)量與熱量成正比，質(zhì)量越大所需熱量越大。②當(dāng)熔絲溫度達(dá)到熔點(diǎn)時，在熔絲熔斷部位發(fā)生的熔絲融化，需要吸收融化熱，并且融化部分的質(zhì)量越大，所需的融化熱也越大。

因?yàn)槿劢z與外部并非絕熱，所以，在熔絲溫度上升的過程中，熔絲也在通過輻射、對流和傳導(dǎo)等方式向外散發(fā)熱量。其中，向外散發(fā)的熱量大部分以傳導(dǎo)方式通過插腳而散發(fā)，且越靠近插腳部分散發(fā)的熱量越多，也就形成了靠近插腳熔絲的兩端溫度低，遠(yuǎn)離插腳熔絲的中間部位溫度高，正常的熔斷總是處于中間部位就是這個緣故。某一規(guī)格的保險絲可視為其內(nèi)阻是一定的，如果沒有足夠大的電流，或熔絲與其他物體接觸增加熱量傳導(dǎo)，由于熱量的散發(fā)，熔絲的溫度在達(dá)到某一高度時將處于一個動態(tài)平衡狀態(tài)，此時熔絲的發(fā)熱量等于散熱量，熔絲溫度將不會持續(xù)升高，也就不能達(dá)到熔點(diǎn)，也不會產(chǎn)生熔斷。由此得知，當(dāng)發(fā)熱量大于散熱量，熔絲才有可能熔斷。

2 傳統(tǒng)插片保險絲熔絲缺陷與保險絲動作失效分析

傳統(tǒng)插片保險絲的設(shè)計雖然也遵循焦耳定律，但是，熔絲的外形、尺寸沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的考慮，有很大的隨意性。各廠商做法雖不完全一致，歸納起來其共同點(diǎn)大致為馬蹄形熔絲等截面，任意處的局部電阻幾乎相等，任意處的發(fā)熱功率也相同。設(shè)計中沒有考慮熔絲質(zhì)量對熔斷熱量的需求關(guān)系，因此都存在熔絲質(zhì)量過大，熔斷過程中發(fā)熱功率過大現(xiàn)象。過大的發(fā)熱功率造成過多的熱散發(fā)，使得外殼發(fā)生融化與變形。此外，大質(zhì)量、等截面的熔絲在滿足發(fā)熱量大于散熱量條件時，就需要有較長的熔絲長度。由于任意位置發(fā)熱功率相等，所以熔絲產(chǎn)生的熱量較為均勻地分散在熔絲上，雖然熔絲兩端與插腳相連，熱量不斷傳導(dǎo)出去，造成熔絲兩端溫度較低，但是熔絲以中間為中心的很長一段都將是高溫狀態(tài)。若電路過載，在保險絲臨近熔斷時，不僅塑料殼會發(fā)生融化，而且熔絲有可能發(fā)生變形彎曲，彎曲的熔絲將會與外殼接觸，熔絲的熱量將會被外殼吸收而導(dǎo)致熔絲溫度急速下降，因外殼處于融化過程中，對熔絲的吸熱是一個較長過程，在這個過程中熔絲的溫度無法到達(dá)熔點(diǎn)，所以保險絲將不會產(chǎn)生熔斷而導(dǎo)致失效。

3 改進(jìn)措施分析

以往研發(fā)者為了克服保險絲動作失效，采取了一些措施不僅收效甚微，而且成本高昂，對環(huán)境也有不利影響。

常見做法有：①用熔點(diǎn)較高的塑料材料。②采用在熔體表面鍍銀的方式。

本文所述改進(jìn)措施，從熔絲設(shè)計著手，將熔絲設(shè)計為變截面，中間部位最狹窄，截面最小，往兩端延伸截面逐漸變大，與插腳連接處截面最大。使中間部位形成小質(zhì)量易熔斷的薄弱點(diǎn)，從前面的分析我們已經(jīng)知道，熔絲的質(zhì)量越小，熔斷所需的能量越小，且向外散發(fā)的能量也就越小，從而減小了對塑料的熱量傳遞。

由Q=0.24R2It 可知，Q 的需求減小了，R 也可以相應(yīng)減小。再由可知，導(dǎo)體電阻大小與其長度成正比，與其截面積成反比。按改進(jìn)設(shè)計方案，熔絲熔斷所需能量降低了，熔絲的電阻也就可以做相應(yīng)的減小。改進(jìn)方案特點(diǎn)是，在熔絲中間部位做成窄小區(qū)域形成小質(zhì)量大電阻，這方法似乎與前述分析背道而馳，但是新方案的另一個特點(diǎn)是變截面，往兩端延伸截面逐漸變大，其結(jié)果將是電阻減小，恰好可以彌補(bǔ)中間部位因窄小而造成的電阻增加。另外，可以根據(jù)不同規(guī)格保險絲的需要，適當(dāng)減小熔絲長度，也能起到減小熔絲電阻的作用。熔絲長度減小，熔絲支撐部位截面增大，因此熔絲的剛性增強(qiáng)，保險絲臨近熔斷時，熔絲變形問題得以解決。

除此之外，改進(jìn)措施也包括將熔絲盡量向下降低，以減少插腳部分的電阻，將鎖扣孔盡量向上提升，擴(kuò)展了電流經(jīng)插腳流入的通道，降低了插腳部分的電阻，減小了插腳部分的電阻發(fā)熱。因鎖扣孔提升、連接件改窄，使得熱量向上傳導(dǎo)的通路變窄，熔體與外殼接觸面減小，如此起到了阻礙熔絲的熱量向外殼傳遞的作用。

4 結(jié)論

本文主要分析了保險絲熔斷機(jī)理與熱量對塑料外殼作用，得出以下結(jié)論：

（1）熔絲中間部位設(shè)計為小質(zhì)量大電阻的易熔斷點(diǎn)，對于降低熔斷所需能量的作用顯著，在保險絲熔斷過程中，向外傳遞的熱量隨之減少同樣顯著，為克服外殼融化起到了重要的積極作用。

（2）熔絲設(shè)計為變截面，有效地增加了熔絲的剛性，克服了熔斷前的變形現(xiàn)象，避免了熔絲因變形而觸碰外殼。

（3）熔絲位置降低、鎖扣孔提升與連接件改窄，有效改變電流與熱量的傳遞通道，減小了熱量向外殼傳遞，增大了電流向熔絲傳遞，不僅減小了熱傳遞，也減小了不必要的發(fā)熱。

本文方法在根本上解決了插片保險絲外殼融化導(dǎo)致保險絲動作失效問題，且此方法不排斥其他改進(jìn)措施。