1.2 电路保护技术及保护器件的发展情况

电路保护的历史实际上由来已久，美国著名科学家富兰克林1752年发明的避雷针就可以看作是最早的电路保护措施，其基本思路是将雷云的电荷通过避雷针金属引向大地，使雷电放电电流不直接流过所要保护的建筑物或设备，从而防止建筑物、设备被雷击损毁以及人员伤亡。美国发明大王爱迪生1882年为保护纽约珍珠街全球第一所商业电站设备和系统的可靠运行而发明了插塞式熔丝，也可以视为最常用的电路保护器件。其根据用电设备故障后电流常剧烈上升的现象，利用金属合金熔丝在故障大电流时迅速发热而熔断的机理，及时切开故障负载与电力系统的电连接，以避免故障持续下去，进一步危害电器用户和电力系统，从而达到有效防止故障的扩大的目的。时至今日，虽然熔丝的形态和种类已千变万化，但其基本原理变化不大，在大到电力系统，小至几瓦的各种低功率电气产品中，熔丝依然随处可见，因此，可称得上是应用最广、最基本的电路保护器件了。

目前，防止过电流故障的熔丝主要向高压大电流化、微型化、高准确和高可靠化几个方向发展，以满足电力系统、电力设备、电网用户的过电流保护，以及数量巨大、种类各异的工业和消费类电子产品的不同过电流保护特性的要求。例如，电力系统中用的国产高压电力过电流熔丝体积可达650mm×φ76mm，额定电流达300A，分断电流容量达50kA，分断电压达40kV；而手机中用的微型过电流熔丝体积则可小至1mm×0.5mm×0.5mm（SMD0402封装），额定电流为0.25A，当过电流200%～300%时就迅速熔断，分断电压仅32V。熔丝的材料也不仅仅局限于金属合金，而在向高分子有机合成材料发展。为克服传统熔断型熔丝仅可保护一次的弱点，美国Raychem公司最先开发出自恢复过电流保护元件，其通过在有机高分子聚合物中加入导电颗粒而构成的，本质上是一个正温度系数的热敏电阻器，当发生过电流后其阻抗会大增，限制电流上升，故障消除后又会恢复到常态，即具有自恢复性，使用时不必更换，因而在小功率电子产品中得到了广泛应用。

熔丝虽然可以实现对故障电流的可靠切断，但常用的熔断型熔丝只能一次性使用，故障后需要人工更换，存在更换时间长、备件替代性弱等缺点，因此，在很多电力设备以及众多中、小功率电子设备中，继电保护、电子过电流检测/保护等技术也被广泛使用。例如，电力系统中网络化、智能化、微机化的过电流继电保护设备已在实际中大量使用，其中一些具有可重复使用、故障无损等优点，这方面技术的内容也非常丰富。然而，上述继电保护、电子保护电路部件因元器件多、工作电平低、易受干扰等问题可能出现失灵或故障，这时熔丝就成为整个设备的最后一道“保险”的办法，因而依然是不可缺少的保护部件。

自从19世纪电力架空供电网络开始建设并提供服务以来，电力系统及其供/用电设备就常遭受雷击等瞬态过电压的危害。由于直击雷、感应雷电压最高可达几十万伏、放电电流可达200kA，全球电力网络每年由雷电而造成的设备、人员以及经济的损失高达数亿元，因此，防止雷击及其危害就成为国内外电力、电信、建筑等工程和学术界长期研究和改进的一个领域。本章1.1节中介绍的金属避雷针对直击雷有较好的保护效果，但对于电力、电信网络中由电磁感应而产生的感应雷效应，就需要综合使用屏蔽、接地和过电压保护器件，才能取得预期的效果。放电保护间隙器、管形避雷管是两种出现时间较早的电力架空线路防雷保护器件。其中最原始的羊角形间隙器19世纪末就出现了，其基本工作原理是在电力线路或电气设备上人为地制造绝缘薄弱点，即间隙装置，放电间隙的击穿电压比电力线路及电力设备的雷电冲击绝缘水平低，在正常运行电压下间隙处于隔离绝缘状态，当雷电过电压时，间隙击穿接地而放电降压，从而起到保护线路或设备绝缘的作用。间隙放电保护器虽有反应慢，不易熄灭放电电弧，容易造成电力线-线间、线-地间的短路等缺点，但也具有放电电流容量大、钳位电压低的优点，因此至今依然在广泛应用。气体放电管从本质上讲，也是一种改进型的间隙放电保护器件。随着非线性半导体技术的发展，阀型电压钳位避雷器得到了广泛的发展和应用，如20世纪50年代出现的碳化硅避雷器、70年代末出现氧化锌避雷器等。当这类器件两端子间的输入电压过高时，器件就会自动泄流降压，使后续电路免受雷击过电压危害；当其两端子间电压恢复到正常运行电压时，它又恢复高阻状态，使正常工作电压顺利通过。这种避雷器的特性可避免电力系统直接接地或相间短路故障，对过电压的保护动作不会影响电力系统的正常安全运行，这是阀型避雷器突出优点。阀型避雷器的发展已有几代产品，有不同的容量等级，以适用于不同的场合，小功率等级的有稳压抑制二极管等，可用于电子设备板级的雷击保护。

与雷电类似，静电放电也是人们在社会生产、生活中常遇到的一种强烈的电磁干扰现象，其放电电压可高达15kV，放电电流可达几十安，也常会造成火灾、设备损坏等灾害。特别是随着微电子CMOS技术的发展，各种各样的集成电路在电气、电子设备中已被广泛应用，集成电路已经成为现代电子工业不可或缺的“食粮”。然而，CMOS工艺的集成电路工作电压低，一般在3.3～15V，其栅极对电荷也极其敏感，因而易受静电放电的影响，出现直接或间接损坏。虽然静电放电所含能量比雷击要低得多，但其放电位置不固定，放电时间也远远短于雷击，因而高频成分丰富，极易通过多种电磁感应耦合方式而产生危害作用，防止静电放电对各类电子产品的损伤也需要综合应用屏蔽、隔离、滤波、过电压钳位、接地等措施。静电放电过电压钳位保护器件主要有压敏电阻、瞬态抑制二极管等，其电压钳位的基本原理与防雷半导体一致，但反应时间则要快得多。特别的，当在高速通信线缆上使用时，还要求其极间电容很小，以免影响正常信号的传输。