1.2 電路保護(hù)技術(shù)及保護(hù)器件的發(fā)展情況

電路保護(hù)的歷史實(shí)際上由來(lái)已久，美國(guó)著名科學(xué)家富蘭克林1752年發(fā)明的避雷針就可以看作是最早的電路保護(hù)措施，其基本思路是將雷云的電荷通過避雷針金屬引向大地，使雷電放電電流不直接流過所要保護(hù)的建筑物或設(shè)備，從而防止建筑物、設(shè)備被雷擊損毀以及人員傷亡。美國(guó)發(fā)明大王愛迪生1882年為保護(hù)紐約珍珠街全球第一所商業(yè)電站設(shè)備和系統(tǒng)的可靠運(yùn)行而發(fā)明了插塞式熔絲，也可以視為最常用的電路保護(hù)器件。其根據(jù)用電設(shè)備故障后電流常劇烈上升的現(xiàn)象，利用金屬合金熔絲在故障大電流時(shí)迅速發(fā)熱而熔斷的機(jī)理，及時(shí)切開故障負(fù)載與電力系統(tǒng)的電連接，以避免故障持續(xù)下去，進(jìn)一步危害電器用戶和電力系統(tǒng)，從而達(dá)到有效防止故障的擴(kuò)大的目的。時(shí)至今日，雖然熔絲的形態(tài)和種類已千變?nèi)f化，但其基本原理變化不大，在大到電力系統(tǒng)，小至幾瓦的各種低功率電氣產(chǎn)品中，熔絲依然隨處可見，因此，可稱得上是應(yīng)用最廣、最基本的電路保護(hù)器件了。

目前，防止過電流故障的熔絲主要向高壓大電流化、微型化、高準(zhǔn)確和高可靠化幾個(gè)方向發(fā)展，以滿足電力系統(tǒng)、電力設(shè)備、電網(wǎng)用戶的過電流保護(hù)，以及數(shù)量巨大、種類各異的工業(yè)和消費(fèi)類電子產(chǎn)品的不同過電流保護(hù)特性的要求。例如，電力系統(tǒng)中用的國(guó)產(chǎn)高壓電力過電流熔絲體積可達(dá)650mm×φ76mm，額定電流達(dá)300A，分?jǐn)嚯娏魅萘窟_(dá)50kA，分?jǐn)嚯妷哼_(dá)40kV；而手機(jī)中用的微型過電流熔絲體積則可小至1mm×0.5mm×0.5mm（SMD0402封裝），額定電流為0.25A，當(dāng)過電流200%～300%時(shí)就迅速熔斷，分?jǐn)嚯妷簝H32V。熔絲的材料也不僅僅局限于金屬合金，而在向高分子有機(jī)合成材料發(fā)展。為克服傳統(tǒng)熔斷型熔絲僅可保護(hù)一次的弱點(diǎn)，美國(guó)Raychem公司最先開發(fā)出自恢復(fù)過電流保護(hù)元件，其通過在有機(jī)高分子聚合物中加入導(dǎo)電顆粒而構(gòu)成的，本質(zhì)上是一個(gè)正溫度系數(shù)的熱敏電阻器，當(dāng)發(fā)生過電流后其阻抗會(huì)大增，限制電流上升，故障消除后又會(huì)恢復(fù)到常態(tài)，即具有自恢復(fù)性，使用時(shí)不必更換，因而在小功率電子產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。

熔絲雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)故障電流的可靠切斷，但常用的熔斷型熔絲只能一次性使用，故障后需要人工更換，存在更換時(shí)間長(zhǎng)、備件替代性弱等缺點(diǎn)，因此，在很多電力設(shè)備以及眾多中、小功率電子設(shè)備中，繼電保護(hù)、電子過電流檢測(cè)/保護(hù)等技術(shù)也被廣泛使用。例如，電力系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)化、智能化、微機(jī)化的過電流繼電保護(hù)設(shè)備已在實(shí)際中大量使用，其中一些具有可重復(fù)使用、故障無(wú)損等優(yōu)點(diǎn)，這方面技術(shù)的內(nèi)容也非常豐富。然而，上述繼電保護(hù)、電子保護(hù)電路部件因元器件多、工作電平低、易受干擾等問題可能出現(xiàn)失靈或故障，這時(shí)熔絲就成為整個(gè)設(shè)備的最后一道“保險(xiǎn)”的辦法，因而依然是不可缺少的保護(hù)部件。

自從19世紀(jì)電力架空供電網(wǎng)絡(luò)開始建設(shè)并提供服務(wù)以來(lái)，電力系統(tǒng)及其供/用電設(shè)備就常遭受雷擊等瞬態(tài)過電壓的危害。由于直擊雷、感應(yīng)雷電壓最高可達(dá)幾十萬(wàn)伏、放電電流可達(dá)200kA，全球電力網(wǎng)絡(luò)每年由雷電而造成的設(shè)備、人員以及經(jīng)濟(jì)的損失高達(dá)數(shù)億元，因此，防止雷擊及其危害就成為國(guó)內(nèi)外電力、電信、建筑等工程和學(xué)術(shù)界長(zhǎng)期研究和改進(jìn)的一個(gè)領(lǐng)域。本章1.1節(jié)中介紹的金屬避雷針對(duì)直擊雷有較好的保護(hù)效果，但對(duì)于電力、電信網(wǎng)絡(luò)中由電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的感應(yīng)雷效應(yīng)，就需要綜合使用屏蔽、接地和過電壓保護(hù)器件，才能取得預(yù)期的效果。放電保護(hù)間隙器、管形避雷管是兩種出現(xiàn)時(shí)間較早的電力架空線路防雷保護(hù)器件。其中最原始的羊角形間隙器19世紀(jì)末就出現(xiàn)了，其基本工作原理是在電力線路或電氣設(shè)備上人為地制造絕緣薄弱點(diǎn)，即間隙裝置，放電間隙的擊穿電壓比電力線路及電力設(shè)備的雷電沖擊絕緣水平低，在正常運(yùn)行電壓下間隙處于隔離絕緣狀態(tài)，當(dāng)雷電過電壓時(shí)，間隙擊穿接地而放電降壓，從而起到保護(hù)線路或設(shè)備絕緣的作用。間隙放電保護(hù)器雖有反應(yīng)慢，不易熄滅放電電弧，容易造成電力線-線間、線-地間的短路等缺點(diǎn)，但也具有放電電流容量大、鉗位電壓低的優(yōu)點(diǎn)，因此至今依然在廣泛應(yīng)用。氣體放電管從本質(zhì)上講，也是一種改進(jìn)型的間隙放電保護(hù)器件。隨著非線性半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，閥型電壓鉗位避雷器得到了廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，如20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的碳化硅避雷器、70年代末出現(xiàn)氧化鋅避雷器等。當(dāng)這類器件兩端子間的輸入電壓過高時(shí)，器件就會(huì)自動(dòng)泄流降壓，使后續(xù)電路免受雷擊過電壓危害；當(dāng)其兩端子間電壓恢復(fù)到正常運(yùn)行電壓時(shí)，它又恢復(fù)高阻狀態(tài)，使正常工作電壓順利通過。這種避雷器的特性可避免電力系統(tǒng)直接接地或相間短路故障，對(duì)過電壓的保護(hù)動(dòng)作不會(huì)影響電力系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，這是閥型避雷器突出優(yōu)點(diǎn)。閥型避雷器的發(fā)展已有幾代產(chǎn)品，有不同的容量等級(jí)，以適用于不同的場(chǎng)合，小功率等級(jí)的有穩(wěn)壓抑制二極管等，可用于電子設(shè)備板級(jí)的雷擊保護(hù)。

與雷電類似，靜電放電也是人們?cè)谏鐣?huì)生產(chǎn)、生活中常遇到的一種強(qiáng)烈的電磁干擾現(xiàn)象，其放電電壓可高達(dá)15kV，放電電流可達(dá)幾十安，也常會(huì)造成火災(zāi)、設(shè)備損壞等災(zāi)害。特別是隨著微電子CMOS技術(shù)的發(fā)展，各種各樣的集成電路在電氣、電子設(shè)備中已被廣泛應(yīng)用，集成電路已經(jīng)成為現(xiàn)代電子工業(yè)不可或缺的“食糧”。然而，CMOS工藝的集成電路工作電壓低，一般在3.3～15V，其柵極對(duì)電荷也極其敏感，因而易受靜電放電的影響，出現(xiàn)直接或間接損壞。雖然靜電放電所含能量比雷擊要低得多，但其放電位置不固定，放電時(shí)間也遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于雷擊，因而高頻成分豐富，極易通過多種電磁感應(yīng)耦合方式而產(chǎn)生危害作用，防止靜電放電對(duì)各類電子產(chǎn)品的損傷也需要綜合應(yīng)用屏蔽、隔離、濾波、過電壓鉗位、接地等措施。靜電放電過電壓鉗位保護(hù)器件主要有壓敏電阻、瞬態(tài)抑制二極管等，其電壓鉗位的基本原理與防雷半導(dǎo)體一致，但反應(yīng)時(shí)間則要快得多。特別的，當(dāng)在高速通信線纜上使用時(shí)，還要求其極間電容很小，以免影響正常信號(hào)的傳輸。