材制视角丨保险丝的辛酸史

2021-02-01 21:13 作者:青春材制 0人读过 | 我要投稿

初转载于爱学习的青春材制 2020-09-25

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　　七月流火，九月授衣。金秋之际，大一新生刚刚入学，全新的宿舍生活给大家带来了许多不一样的体验，那么，你是否体验过这些情景？跟舍友激情四射地沉浸在三国杀当中，一瞬间就只能看见舍友的白牙；又或是在洗手台洗完脸后，睁开眼睛什么都看不见，怀疑自己是否“双目失明”。没错，上面所描述的情景正是跳闸。在宿舍里跳闸了该怎么办呢？

　　现在的住房大多都配置的是空气开关，只要把跳下的开关轻轻一推，就能轻松解决“断电危机”。但是在几十年以前，房屋配备的几乎全都是保险丝。　

　　保险丝(fuse)也被称为电流保险丝，IEC127标准将它定义为"熔断体（fuse-link)"。其主要是起过载保护作用。电路中正确安置保险丝，保险丝就会在电流异常升高到一定的高度和热度的时候，自身熔断切断电流，保护了电路安全运行。

一种保险丝（左）和常见的几种保险丝（右）

　　保险丝中起熔断作用的是熔体部分，它是保险丝的核心。通过保险丝熔断的工作原理我们可以知道，熔体必须是易熔化的金属丝，才能在电流大时及时熔断，起到保护作用。常见的保险丝是由合金制成，家用保险丝常用铅锑合金。

　　传统的保险丝有一个十分致命的缺点，那就是无法重复使用。一旦熔体熔断，只有更换保险丝才能让电路正常工作。可以设想把我们宿舍的空气开关全都更换成传统保险丝，只要有一位精致的猪猪男/女孩洗完头掏出ta心爱的电吹风，就有一根保险丝死于非命。这样的话，每到开学季学校都得备上几十根保险丝和几位电工师傅，这无疑增加了额外的开支，费时费力且费财……

　　然而早在十几年前，市场上就出现了自恢复保险丝的身影。

　　自恢复保险丝，是一种过流电子保护元件，由经过高压、高温，硫化反应等特殊处理的聚合树脂(Polymer)及分布在里面的导电粒子(Carbon Black) 组成。在正常操作下，聚合树脂紧密地将导电粒子，束缚在结晶状的结构外，构成链状导电电通路，此时的自恢复保险丝为低阻状态，线路上流经自恢复保险丝的电流所产生的热能小，不会改变晶体结构。当线路发生短路或过载时，流经自恢复保险丝的大电流，产生的热量使聚合树脂融化，体积迅速增长，形成高阻状态，工作电流迅速减小，从而对电路进行限制和保护。当故障排除后，自恢复保险丝重新冷却结晶，体积收缩，导电粒子重新形成导电通路，自恢复保险丝恢复为低阻状态，从而完成对电路的保护，无须人工更换。

自恢复保险丝

　　自恢复保险丝，根据材料可分为两种：

　　1、聚合物高分子PPTC

　　2、陶瓷CPTC

　　聚合物PPTC的主要优点有：常温零功率电阻可以作得很小，大电流产品只有毫欧姆数量级，在路功耗较小，可以忽略不计、体积相对较小；阻值突变速度快，在毫秒数量级，热容小，恢复时间短，耐冲击，可循环保护达8000次之多，可串联在易损电路内作过流保护、温度保险丝用，因此在电路中在一定程度上体现出了温度保险丝性能和温度保险丝作用。达到在电路中实现过流保护和过温保护的双重保护功能。

　　陶瓷CPTC的主要优点为制造容易，相对价格便宜。但电阻大、体积大、在路损耗大，有几十至几千欧姆范围，适宜作小电流过流保护，高温过热时易出现负阻效应（阻值变小）、保护速度慢，在上百毫秒的数量级、热容大，恢复时间长。其应用范围相对较窄。

　　自恢复保险丝因其可自我恢复的特性常用于日光灯镇流器、变压器、喇叭系统和电池等。

　　距离自恢复保险丝问世已有十几年之久，既然自恢复保险丝弥补了传统保险丝需要更换使用的不足，那为什么如今的房屋还是仍然配备着空气开关呢？

　　经过相关文献的查阅，我发现自恢复保险丝也存在着潜在的致命缺点。

　　自恢复保险丝阻断电流实质上是聚合树脂在高温下体积迅速增大，导致电阻迅速增大，工作电流迅速减小，起到保护电路的作用。也就是说，它并非真正意义上的熔断而形成断路。因此，一旦温度有所降低，其电阻值便会迅速减小，电路中又有了电流，，如果不能在此之前切断电路排除故障，就可能会引发二次甚至重复多次伤害。这大概也就是自恢复保险丝不常被使用在居民住房当中的原因之一。

　　而相比于保险丝，空气开关既不需要重复更换元件，又能够彻底断开电路，安全性大大提高，因此被广泛用于家庭电路中。