第4节 保险丝(修订中)
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通常，导体的载流量额定值 (opens new window)是永远不会故意超过的电路设计限制，但有一个应用可能会超过载流量：在_保险丝_的情况下。
# 1. 什么是保险丝？
**保险丝**是一种围绕导电条构建的电气安全装置，旨在在电流过大时熔化和分离。保险丝始终与要防止过流的组件串联连接，因此当保险丝熔断_（_断开）时，它将打开整个电路并停止通过组件的电流。当然，连接在并联电路 (opens new window)的一个分支中的保险丝不会影响通过任何其他分支的电流。
通常，保险丝的细片包含在安全护套中，以最大限度地减少如果电线被猛烈烧开时电弧爆炸的危险，这可能发生在严重过电流的情况下。在小型汽车保险丝的情况下，护套是透明的，因此可以目视检查可熔元件。住宅布线通常采用旋入式保险丝，玻璃主体和中间薄而窄的金属箔条。显示两种类型保险丝的照片如下所示：
盒式保险丝在汽车应用中很受欢迎，并且在使用玻璃以外的护套材料构造的工业应用中很受欢迎。由于保险丝设计为在超过其额定电流时“失效”断开，因此它们通常设计为在电路中易于更换。这意味着它们将被插入某种类型的支架中，而不是直接焊接或螺栓连接到电路导体 (opens new window)上。下面是一张照片，显示了多保险丝座中的几个玻璃盒式保险丝：
保险丝由弹簧金属夹固定，夹子本身永久连接到电路导体。选择保险丝座（或有时称为保险丝盒）的基材作为良好的_绝缘体_。
用于盒式保险丝的另一种类型的保险丝座通常用于安装在设备控制面板中，其中希望隐藏所有电气接触点以防止人体接触。与刚刚显示的保险丝盒不同，所有金属夹都暴露在外，这种类型的保险丝座将保险丝完全封闭在绝缘外壳中：
当今大电流电路中最常用的过流保护装置是**断路器**。
# 2. 什么是断路器？
断路器是专门设计的开关，可在过流情况下自动打开以停止电流。小型断路器，例如用于住宅、商业和轻工业服务的断路器是热操作的。它们包含一个双金属条（由两种金属背靠背粘合而成的薄条）承载电路电流，加热时会弯曲。当双金属片产生足够的力时（由于金属片的过电流加热），跳闸机构被启动，断路器将打开。较大的断路器由磁场强度自动启动 (opens new window)由断路器内的载流导体产生，或者可以由监控电路电流的外部设备触发跳闸（这些设备称为_保护继电器_）。
因为断路器在过流条件下不会失效——相反，它们只是打开并可以通过移动杠杆重新闭合——它们更有可能以比保险丝更持久的方式连接到电路。此处显示了小型断路器的照片：
从外观上看，它看起来只不过是一个开关。事实上，它可以这样使用。然而，它的真正功能是作为过流保护装置运行。
应该注意的是，一些汽车在电池充电电路中使用称为熔断器的廉价设备来提供过流保护，因为需要适当额定的保险丝和支架_。_熔断器是一种原始保险丝，只不过是一小段橡胶绝缘线，设计用于在过电流时熔断，没有任何类型的硬护套。这种粗糙且具有潜在危险的设备从未用于工业甚至住宅用电，主要是因为遇到的电压和电流水平更高。就作者而言，它们甚至在汽车电路中的应用也是值得怀疑的。
熔断器的电气原理图符号为 S 形曲线：
# 3. 保险丝额定值
正如人们所预料的那样，保险丝的主要额定值是电流单位：安培。虽然它们的操作依赖于在过电流条件下通过保险丝自身的电阻 (opens new window)自发热 (opens new window)，它们被设计为对它们保护的电路贡献微不足道的额外电阻。这主要是通过使保险丝尽可能短来实现的。就像一根普通电线的载流量与它的长度无关（10 号实心铜线在自由空气中可以处理 40 安培的电流，不管它有多长或多短），某种材料和规格的保险丝不管多长时间都会以一定的电流吹。由于长度不是电流额定值的一个因素，所以它可以做得越短，端到端的电阻就越小。
然而，保险丝设计者还必须考虑保险丝熔断后会发生什么：曾经连续的导线的熔化端将被气隙隔开，两端之间有完整的电源电压。如果高压电路上的保险丝没有足够长，火花可能会从熔化的电线一端跳到另一端，从而再次完成电路：
因此，保险丝根据其电压容量以及它们将熔断的电流水平进行额定。
一些大型工业保险丝具有可更换的导线元件，以降低费用。保险丝的主体是一个不透明的、可重复使用的墨盒，保护保险丝免于暴露，并保护周围的物体免受保险丝的伤害。
保险丝的电流额定值不仅仅是一个数字。如果 35 安培的电流通过 30 安培的保险丝，它可能会突然熔断或延迟熔断，这取决于其设计的其他方面。一些保险丝旨在非常快地熔断，而另一些保险丝则设计用于更适度的“打开”时间，甚至根据应用程序延迟动作。后一种熔断器有时被称为_慢断_熔断器，因为它们具有故意的延时特性。
慢熔断保险丝应用的一个典型例子是电动机保护，每次电动机从死停启动时，通常都会经历高达正常工作电流十倍的_浪涌电流。_如果在这样的应用中使用快熔保险丝，电机将永远无法启动，因为正常的浪涌电流水平会立即熔断保险丝！慢熔断保险丝的设计使得熔断元件比等效的快熔保险丝具有更大的质量（但没有更多的载流量），这意味着对于任何给定的数量，它的加热速度都会更慢（但最终温度相同）的电流。
在熔断器作用范围的另一端，有所谓的_半导体熔断器_，其设计用于在过流情况下非常快速地断开。诸如晶体管 (opens new window)之类的半导体器件往往特别不能容忍过流条件，因此需要在大功率应用中针对过流进行快速动作保护。
在接地的系统中，保险丝总是应该放置在负载的“热”侧。这样做的目的是让负载在保险丝断开后在所有方面都完全断电。要查看熔断负载“热”侧与“中性”侧之间的区别，请比较以下两个电路：
在任何一种情况下，保险丝都成功地中断了流向负载的电流，但下部电路未能中断从负载任一侧到地面的潜在危险电压，那里可能有人站着。第一个电路设计更安全。
如前所述，保险丝并不是唯一使用的过电流保护装置。称为**断路器**的类似开关的设备通常（并且更常见）用于打开具有过大电流的电路，它们的流行是因为它们不会像保险丝那样在断开电路的过程中破坏自己。但是，无论如何，在电路中放置过流保护装置将遵循上面列出的相同一般准则：即“熔断”未_接地_的 (opens new window)电源侧。
尽管电路中的过电流保护装置可能会决定该电路在各种条件下的相对电击危险，但必须理解的是，此类设备从未用于防止电击。保险丝和断路器都没有设计为在人受到电击时打开；相反，它们旨在仅在潜在导体过热的情况下打开。过电流设备主要保护电路导体免受过热损坏（以及与过热导体相关的火灾危险），其次保护特定设备，例如负载和发电机（一些快速熔断器旨在保护特别容易受到影响的电子设备电流浪涌）。由于触电或触电所需的电流水平远低于普通电力负载的正常电流水平，因此过电流状况并不表示发生了电击。还有其他设备旨在检测某些冲击条件（接地故障检测器是最受欢迎的），但这些设备严格服务于这一目的，并且不涉及保护导体免受过热。
# 4. 总结
- _保险丝_是一种小而薄的导体，设计用于熔化并分成两部分，目的是在电流过大时断开电路。
- _断路器_是一种专门设计的开关，可在发生过流情况时自动打开以中断电路电流。它们可以通过热、磁场或称为“保护继电器”的外部设备“跳闸”（打开），具体取决于断路器的设计、其尺寸和应用。
- 保险丝主要根据最大电流进行额定，但也根据它们在中断电路后安全承受的电压降进行额定。
- 保险丝可以设计为快速、慢速或介于两者之间的任何位置，以实现相同的最大电流水平。
- 在接地的电力系统中安装保险丝的最佳位置是在负载的未接地导体路径上。这样，当保险丝熔断时，只有接地（安全）导体仍连接到负载，从而使周围的人更安全。
相关练习：