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，一直困擾保險絲業界。保險絲在保護電路過程中，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，實際使用中經常出現塑料外殼融化的問題，且造成保險絲不能符合產品標準的熔斷要求。

雖有制造商采用更高熔點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電電阻，欲起到降低熔體發熱量的作用，來緩解外殼融化的現象，此法雖有降低熔體插腳發熱作用，但不能解決熔體熔斷的有效部位高溫變形而搭殼的現象，電鍍工藝也會增加環境負擔。

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

1 插片保險絲的構成與工作原理

插片保險絲由熔體與塑料外殼構成，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行絕緣保護，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，當熔體與外殼裝配后，在矩形孔處對外殼進行前后沖壓，使其向矩形孔內變形，起到固定作用（如圖1～2）。

圖1 未改進的保險絲

當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熱，依據焦耳定律可知，發熱量為：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的發熱量。當有足夠大的電流持續流過時，熔絲因發熱而溫度將會上升，當溫度上升至熔絲的的熔點時，熔絲將會被燒斷，保險絲動作，切斷電路。

圖2 改進的保險絲

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

因為熔絲與外部并非絕熱，所以，在熔絲溫度上升的過程中，熔絲也在通過輻射、對流和傳導等方式向外散發熱量。其中，向外散發的熱量大部分以傳導方式通過插腳而散發，且越靠近插腳部分散發的熱量越多，也就形成了靠近插腳熔絲的兩端溫度低，遠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。某一規格的保險絲可視為其內阻是一定的，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，由于熱量的散發，熔絲的溫度在達到某一高度時將處于一個動態平衡狀態，此時熔絲的發熱量等于散熱量，熔絲溫度將不會持續升高，也就不能達到熔點，也不會產生熔斷。由此得知，當發熱量大于散熱量，熔絲才有可能熔斷。

2 傳統插片保險絲熔絲缺陷與保險絲動作失效分析

傳統插片保險絲的設計雖然也遵循焦耳定律，但是，熔絲的外形、尺寸沒有經過嚴謹細致的考慮，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，任意處的發熱功率也相同。設計中沒有考慮熔絲質量對熔斷熱量的需求關系，因此都存在熔絲質量過大，熔斷過程中發熱功率過大現象。過大的發熱功率造成過多的熱散發，使得外殼發生融化與變形。此外，大質量、等截面的熔絲在滿足發熱量大于散熱量條件時，就需要有較長的熔絲長度。由于任意位置發熱功率相等，所以熔絲產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。若電路過載，在保險絲臨近熔斷時，不僅塑料殼會發生融化，而且熔絲有可能發生變形彎曲，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熔點，所以保險絲將不會產生熔斷而導致失效。

3 改進措施分析

以往研發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，對環境也有不利影響。

常見做法有：①用熔點較高的塑料材料。②采用在熔體表面鍍銀的方式。

本文所述改進措施，從熔絲設計著手，將熔絲設計為變截面，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量易熔斷的薄弱點，從前面的分析我們已經知道，熔絲的質量越小，熔斷所需的能量越小，且向外散發的能量也就越小，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 也可以相應減小。再由可知，導體電阻大小與其長度成正比，與其截面積成反比。按改進設計方案，熔絲熔斷所需能量降低了，熔絲的電阻也就可以做相應的減小。改進方案特點是，在熔絲中間部位做成窄小區域形成小質量大電阻，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是變截面，往兩端延伸截面逐漸變大，其結果將是電阻減小，恰好可以彌補中間部位因窄小而造成的電阻增加。另外，可以根據不同規格保險絲的需要，適當減小熔絲長度，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，保險絲臨近熔斷時，熔絲變形問題得以解決。

除此之外，改進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，擴展了電流經插腳流入的通道，降低了插腳部分的電阻，減小了插腳部分的電阻發熱。因鎖扣孔提升、連接件改窄，使得熱量向上傳導的通路變窄，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 結論

本文主要分析了保險絲熔斷機理與熱量對塑料外殼作用，得出以下結論：

（1）熔絲中間部位設計為小質量大電阻的易熔斷點，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熱。

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