熱熔斷體保持溫度環(huán)境試驗(yàn)方法探討

張 馳 莊偉瑋 孔睿迅

（1.威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663；2.廣東中創(chuàng)智家科學(xué)研究有限公司 廣州 510663；3.廣東省電熱組件工程中心 廣州 510663）

引言

保持溫度是體現(xiàn)熱熔斷體性能差別的一項(xiàng)重要測試。它模擬實(shí)際工作狀態(tài)，可以反映產(chǎn)品是否能夠穩(wěn)定工作。

GB/T 9816.1-2013《熱熔斷體的要求和應(yīng)用導(dǎo)則》中關(guān)于保持溫度Th的測試方法規(guī)定為：

“將試樣封閉在試驗(yàn)箱內(nèi)通以額定電流，施加的電壓應(yīng)不超過額定電壓，試驗(yàn)的溫度應(yīng)保持在Th范圍內(nèi)，歷時(shí)7 d（168 h）或制造商聲明的更長的時(shí)間。

試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，試樣應(yīng)不改變其導(dǎo)電狀態(tài)，且無本部分含義上的損壞?！?/p>

對(duì)于條款中熱熔斷體放置的“溫度”的測量方法，存在著不同的觀點(diǎn)：

觀點(diǎn)一：把測試環(huán)境的溫度調(diào)節(jié)為制造商聲明的保持溫度，然后將待測的熱熔斷體放置在此溫度下，通以規(guī)定的負(fù)載后開始計(jì)時(shí)。

觀點(diǎn)二：待測的熱熔斷體通以規(guī)定的負(fù)載后，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，使待測的熱熔斷體表面溫度處于制造商聲明的保持溫度，然后開始計(jì)時(shí)。

這兩種觀點(diǎn)在實(shí)際的操作中，會(huì)建立出不同的測試環(huán)境，從而影響測試結(jié)果。本文就此進(jìn)行分析。

1 兩種觀點(diǎn)的主要差異對(duì)比

兩種觀點(diǎn)最主要的差異是試驗(yàn)溫度的選取方式。

假設(shè)在理想的狀態(tài)條件下，試驗(yàn)的環(huán)境溫度與熱熔斷體表面的溫度是相同的。在這種情況下，兩種觀點(diǎn)的試驗(yàn)條件是一致的。

熱熔斷體載流部件自身及不同部件銜接處都會(huì)有內(nèi)阻。帶電部件只要帶有電阻，就會(huì)產(chǎn)生焦耳熱。電阻越大，焦耳熱越高。因此，當(dāng)電流流經(jīng)熱熔斷體時(shí)，熱熔斷體自身會(huì)發(fā)熱。不同企業(yè)生產(chǎn)的同類熱熔斷體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)大同小異，導(dǎo)致熱熔斷體出現(xiàn)不同溫升的情況主要取決于產(chǎn)品采用的材料和組裝的工藝。采用低阻值的材料，同時(shí)配以更緊密的組裝工藝，使得產(chǎn)品的內(nèi)阻小，溫升也相應(yīng)變小了。從微觀分析這種熱阻效應(yīng)可以參考圖1。

在圖1中，T1為疊加了熱熔斷體產(chǎn)生的焦耳熱和溫箱內(nèi)溫度之后的環(huán)境溫度；T2為熱熔斷體外殼表面溫度；T3為熱熔斷體熱元件（參見GB/T 9816.1-2013中3.12定義）的溫度；ΔT為熱傳播路徑上熱阻帶來的溫度差。

圖1 熱阻路徑示意圖

當(dāng)熱熔斷體通以負(fù)載時(shí)，由于自身發(fā)熱，T3升高，且很難被實(shí)際測量到。同時(shí)，由于測量位置、氣體流通情況等因素（即ΔT）是無法精準(zhǔn)測量，因此由T1來推斷T3是不合理的。在常規(guī)試驗(yàn)中，一般視T2=T3。

在“觀點(diǎn)一”中，試驗(yàn)伊始測溫設(shè)備（如：熱電偶）布置的位置不受熱熔斷體發(fā)熱的影響，這時(shí)候可視ΔT=0，T3=T1=Th。但是當(dāng)通以規(guī)定的負(fù)載后，由于焦耳熱作用，T3升高成為T3’，在7d的試驗(yàn)過程中，T3’>Th。因不同試樣的焦耳熱發(fā)生度不同，也就導(dǎo)致聲明了相同Th的試樣的T3’各不相同。

在“觀點(diǎn)二”中，測溫設(shè)備測量到的T2疊加了焦耳熱產(chǎn)生的溫升和環(huán)境溫度，調(diào)節(jié)使得T2=Th，從而使得聲明了相同Th的熱熔斷體的熱元件在7 d的試驗(yàn)過程中基本一致為T3≈Th。

因此，按“觀點(diǎn)一”的方法試驗(yàn)的結(jié)果會(huì)疊加不同熱熔斷體的整體質(zhì)量差異帶來的影響因素；而“觀點(diǎn)二”則更傾向于聚焦在對(duì)熱元件的單一考核。

2 負(fù)載因素對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

在前文針對(duì)焦耳熱對(duì)試驗(yàn)的影響論述基礎(chǔ)上，需進(jìn)一步深入對(duì)帶載試驗(yàn)的影響進(jìn)行分析，以助于厘清兩種觀點(diǎn)的內(nèi)在差異。

在電氣領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)某項(xiàng)指標(biāo)的帶載試驗(yàn)常見是指試驗(yàn)時(shí)對(duì)樣品施加額定電流值或額定電流值一定倍率（如1.06倍）的電流負(fù)載。而不帶電試驗(yàn)一般是指試驗(yàn)時(shí)對(duì)樣品通以小于5 mA的信號(hào)電流，用于監(jiān)測樣品的導(dǎo)通狀態(tài)，如GB/T 14536系列標(biāo)準(zhǔn)中測量常規(guī)溫控器的動(dòng)作溫度。

1）導(dǎo)致這種差異的一個(gè)因素是被測樣品的結(jié)構(gòu)不同。例如：在溫控器中有專門的回路用于搭載工作電流，雙金屬片僅用于感知溫度；而在過載保護(hù)器中，電流流經(jīng)雙金屬片（或雙金屬片附近的電阻絲），由于存在內(nèi)阻，因此雙金屬片自身發(fā)熱，使電流變化轉(zhuǎn)化為溫度變化，從而發(fā)揮功能作用。此處流經(jīng)樣品的電流大小對(duì)過載保護(hù)器的測試結(jié)果的影響相比溫控器大。

2）另一個(gè)因素是試驗(yàn)的目的。一般工作狀態(tài)下的元件都是帶載的，通過加入“電應(yīng)力”來還原正常工作狀態(tài)下的各種影響因素。而有些試驗(yàn)為了削減不必要的“應(yīng)力”，便在“單一應(yīng)力”條件下考核。如GB/T 21711.1-2008《基礎(chǔ)機(jī)電繼電器 第1部分：總則與安全要求》中對(duì)“機(jī)械耐久性”的要求，試驗(yàn)就是在“觸點(diǎn)不加負(fù)載”的條件下測試。（注：以電磁繼電器為例，相對(duì)觸點(diǎn)負(fù)載，一般電磁線圈回路所需的激勵(lì)量很小，故此處視作不帶載試驗(yàn)。）因?yàn)椴煌跒榱丝己擞|點(diǎn)失效的“電耐久性”，本項(xiàng)試驗(yàn)的目的是驗(yàn)證被試樣品（機(jī)械結(jié)構(gòu)）的循環(huán)次數(shù)，與“電應(yīng)力”無關(guān)。

基于上述案例，假設(shè)將熱熔斷體僅通以信號(hào)電流，調(diào)節(jié)環(huán)境溫度至保持溫度，需要考慮是否能等效于“觀點(diǎn)二”的試驗(yàn)條件。

熱熔斷體最關(guān)鍵的部分是熱元件，圖1中T3的溫度決定了熱熔斷體導(dǎo)通穩(wěn)定性。熱元件與載流部件相互緊貼（對(duì)于易熔合金類熱熔斷體來說，熱元件亦是載流部件），電流回路上由于內(nèi)阻產(chǎn)生的熱量直接傳導(dǎo)到熱元件，因此正常工作時(shí)，熱熔斷體熱元件受自身發(fā)熱的影響是直接的：外部環(huán)境溫度與內(nèi)部載流部件的發(fā)熱共同作用于熱元件。熱熔斷體在溫度的作用下，微觀層面可能發(fā)生部件老化，同時(shí)高溫導(dǎo)致元件膨脹，均可能導(dǎo)致導(dǎo)電路徑上電阻增大，溫度升高，并相互影響。因此，在帶載試驗(yàn)時(shí)，T3并不是保持不變的，無法僅依靠“調(diào)節(jié)環(huán)境溫度”的方式來進(jìn)行等效試驗(yàn)。

故而，正視帶載試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，也即是區(qū)別兩種觀點(diǎn)對(duì)應(yīng)用實(shí)踐與理論試驗(yàn)孰輕孰重的考量。

3 產(chǎn)業(yè)鏈上不同環(huán)節(jié)對(duì)兩種觀點(diǎn)的傾向

標(biāo)準(zhǔn)的價(jià)值之一在于通過統(tǒng)一的表述方式呈現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)規(guī)格，以利于產(chǎn)品的流通。因此兩種觀點(diǎn)的理解差異可造成產(chǎn)業(yè)鏈上下游對(duì)“保持溫度”技術(shù)規(guī)格表述錯(cuò)位，從而影響對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和型號(hào)的判斷。

1）基于生產(chǎn)者（熱熔斷體制造商）角度的理解

GB/T 9816.1-2013第3.3條款中定義：“保持溫度是熱熔斷體在規(guī)定條件下，規(guī)定時(shí)間內(nèi)不改變其導(dǎo)通狀態(tài)的最高溫度?！睂?duì)于生產(chǎn)者來說，熱熔斷體在正常使用中要保持導(dǎo)通狀態(tài)，避免在Th條件下發(fā)生誤動(dòng)作，從而降低整機(jī)器具的返修率，提升用戶的滿意度，是其質(zhì)量控制的目標(biāo)之一。

為了保證能夠順利通過Th的測試，若按“觀點(diǎn)一”進(jìn)行研發(fā)測試，生產(chǎn)者需聲明一個(gè)比按“觀點(diǎn)二”較低的Th，才能使同等規(guī)格和質(zhì)量條件下的產(chǎn)品獲得相同的試驗(yàn)結(jié)果。

保持溫度值反映的是熱熔斷體在高溫條件下持續(xù)穩(wěn)定工作的能力。更高的保持溫度意味著更高的技術(shù)能力和成本，在市場中能獲得更高的定價(jià)權(quán)。生產(chǎn)者也就有動(dòng)機(jī)為產(chǎn)品標(biāo)稱一個(gè)更高的保持溫度。

因此，采用“觀點(diǎn)二”進(jìn)行測試，有利于生產(chǎn)者適當(dāng)標(biāo)稱更高的Th。

2）基于用戶（終端器具制造商）角度的理解

從用戶的角度出發(fā)，目標(biāo)是選擇正確型號(hào)的熱熔斷體型號(hào)來適時(shí)保護(hù)終端器具的安全。

通常狀態(tài)下，終端器具制造商會(huì)選擇在容易超溫的位置布置熱熔斷體，以防止器具的過熱產(chǎn)生傷害，保證其使用安全。

在確定選擇何種型號(hào)參數(shù)的熱熔斷體時(shí)，終端器具的研發(fā)工程師通過測量工程樣機(jī)上設(shè)計(jì)安裝熱熔斷體的位置的溫度來確定。此時(shí)整個(gè)電路回路上預(yù)計(jì)將安裝熱熔斷體的環(huán)節(jié)通過導(dǎo)線直接連接，導(dǎo)線的發(fā)熱可以忽略不計(jì)。若按此時(shí)獲得的溫度值，按圖索驥找到了對(duì)應(yīng)保持溫度的熱熔斷體，終端整機(jī)的研發(fā)工程師希望這個(gè)熱熔斷體在裝入整機(jī)后，熱熔斷體工作時(shí)的本體溫度就是此時(shí)測得的溫度。

因此，通過“觀點(diǎn)二”測試獲得標(biāo)稱值的熱熔斷體，會(huì)更貼合應(yīng)用場景。

3）基于監(jiān)管單位（檢測機(jī)構(gòu)）角度的理解

從監(jiān)管單位的角度出發(fā)，目標(biāo)是評(píng)判熱熔斷體的質(zhì)量優(yōu)劣。

在實(shí)際的熱熔斷體抽樣測試中，質(zhì)量好的產(chǎn)品與質(zhì)量劣的產(chǎn)品之間的一個(gè)差別就是溫升的大小。如果一個(gè)熱熔斷體質(zhì)量較差，內(nèi)阻較大，通電后由于自身發(fā)熱，溫升較高，超過動(dòng)作溫度值，即可導(dǎo)致誤動(dòng)作。

假設(shè)存在一種極端情況，熱熔斷體自身發(fā)熱強(qiáng)度很大，以至于在室溫條件下通電后，T2超過了Th，那此時(shí)是否應(yīng)該降低環(huán)境溫度，以使外殼溫度符合“觀點(diǎn)一”的要求？

由于接觸電阻等因素的客觀存在，熱熔斷體通電自身發(fā)熱不可避免，“觀點(diǎn)一”涵蓋考慮到了這個(gè)問題，試驗(yàn)結(jié)果更能橫向判斷產(chǎn)品的優(yōu)劣。

4 保持溫度與整機(jī)安全和性能的關(guān)聯(lián)

“保持溫度”的技術(shù)要求在于能夠維持整機(jī)正常工作，不出現(xiàn)非必要的停機(jī)。若“保持溫度”一項(xiàng)失效，導(dǎo)致的是終端整機(jī)無法工作，而不是帶來過熱危害的風(fēng)險(xiǎn)。這與整機(jī)安全包含的兩個(gè)基本原則：固有安全和功能安全，均關(guān)聯(lián)性不大。保持溫度更傾向?qū)儆诋a(chǎn)品性能要求相關(guān)的參數(shù)，相對(duì)整機(jī)安全考慮，可不必強(qiáng)制性要求。

但是一臺(tái)裝有熱熔斷體的電熱器具依據(jù)GB 4706.1-2005《家用和類似用途電器的安全第1部分：通用要求》，在第19章非正常試驗(yàn)中，熱熔斷體應(yīng)能正常動(dòng)作。同時(shí)，依據(jù)第11.8條款中要求，發(fā)熱試驗(yàn)中器具的“保護(hù)裝置不應(yīng)動(dòng)作”：當(dāng)“電熱器具在正常工作狀態(tài)下以1.15倍額定輸入功率工作”并“一直延續(xù)至正常使用時(shí)那些最不利條件產(chǎn)生所對(duì)應(yīng)的時(shí)間”，熱熔斷體作為一種保護(hù)裝置，不得發(fā)生動(dòng)作，否則判定器具不合格。

這也就鉗制了器具中熱熔斷體達(dá)到某一溫度點(diǎn)（動(dòng)作溫度Tf）時(shí)必須動(dòng)作，等于或低于另一溫度點(diǎn)（Th）不能動(dòng)作。若一臺(tái)器具選擇的熱熔斷體Th達(dá)不到器具正常工作時(shí)的常態(tài)溫度要求，則面臨著無法上市銷售的可能。

此外，終端器具中的環(huán)境條件各不相同，相同參數(shù)的熱熔斷體在相同溫度但不同工況的條件下，其工作穩(wěn)定性也不盡相同。例如對(duì)流強(qiáng)烈的環(huán)境對(duì)比靜止空氣環(huán)境，熱熔斷體表面溫度與環(huán)境溫度的差值將變小，使得熱熔斷體熱元件的溫度不同，從而應(yīng)用效果出現(xiàn)差異。

因此，熱熔斷體“保持溫度”一項(xiàng)指標(biāo)的重要性對(duì)于整機(jī)功能的完整性而言不言而喻，同時(shí)，不論是否還存在著對(duì)試驗(yàn)方法的理解差異，熱熔斷體的選型都得基于實(shí)際的終端器具驗(yàn)證基礎(chǔ)之上。

5 結(jié)論

熱熔斷體產(chǎn)品型號(hào)眾多，產(chǎn)品參數(shù)各異，而且不同企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品性能差別較大，需要通過實(shí)際試驗(yàn)來進(jìn)行甄別和匹配。

“保持溫度”是一項(xiàng)熱熔斷體保障整機(jī)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)技術(shù)指標(biāo)，是體現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)劣的關(guān)鍵所在。歸結(jié)上述分析，從應(yīng)用的角度考慮，“觀點(diǎn)二”的試驗(yàn)方法更貼合實(shí)際應(yīng)用場景，符合產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用習(xí)慣；但從整飭行業(yè)質(zhì)量秩序的角度考慮，按“觀點(diǎn)一”進(jìn)行試驗(yàn)更能反映出產(chǎn)品的質(zhì)量優(yōu)劣，有利于行業(yè)質(zhì)量提升。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)條款理解的差異，呈現(xiàn)的是技術(shù)沿革過程中，不同方案路線的分化。無論是“觀點(diǎn)一”還是“觀點(diǎn)二”，關(guān)鍵是產(chǎn)業(yè)鏈上形成共識(shí)，既兼顧合理的試驗(yàn)方案，也要考慮實(shí)際應(yīng)用情況；既要技術(shù)能力達(dá)標(biāo)，也要上下游配套。